フラッシュメモリの歴史への短い余談

私たちはすでに、多くの近代的な技術を当たり前のことと考えていますが、それらがどのように機能するのか、その背後にあるもの、それらの開発の歴史はまったく考えていません。 これはコンピューターにも当てはまります。 私はすでに、この業界の進化を明確に示すデータストレージテクノロジーの開発の歴史について書きました 。 今回は、LSIでアクティブに使用されている技術の1つ、ソリッドステート、またはSSD（ソリッドステートドライブ）メモリについて詳しく説明することにしました。





コンピューターのBIOSコードを格納するマイクロサーキット（古いマイクロコンピューターは、このマイクロサーキットの内容を消去することでコンピューターをクラッシュさせたWin.CIHウイルスを覚えています）から始まり、LSI Nytroなどのキャッシュを備えた最新のハイブリッドRAIDコントローラーで終わります言った）。 さまざまな外部ドライブは言うまでもありませんが、それなしではおそらく、現代の技術の進歩は不可能だっただろう：ソニーMavica MVC-FD5（および他の多くのモデル）の時代錯誤デジタルカメラは、3.5インチフロッピーディスクに画像を保存しているように見えます。







フラッシュメモリの歴史は20世紀半ばに始まり、当時、アメリカのボッシュアルマコーポレーションの弾道科学者であり、デジタルコンピューティングのパイオニアであったウェンツィンチョウは、アトラスEロケットシステムの搭載コンピューターの座標のメモリブロックを改善する作業に取り組みました/ F. アトラスは戦略的ミサイル軍のアメリカの類似物を使用していたため、彼が数年間開発したソリューションは秘密でしたが、後に技術は機密解除され、PROM（プログラム可能な読み取り専用メモリ）と呼ばれる技術が広く使用されました。



この技術は本質的に非常に単純です。このようなメモリは、座標グリッドを形成する2つの導体アレイの交差点です。 このグリッドのノードで、導体は特別なジャンパーで閉じられます。 与えられた座標によってセルの値を決定する必要がある場合、必要な導体の交差点を電流が通過するかどうかを確認するだけで十分です。 電流が存在するということは、ジャンパーが無傷であり、値1に対応し、反対の状況-0をエンコードすることを意味します。デフォルトでは、すべてのセルの値は1でした。ゼロ、高電圧が印加され、ジャンパーが蒸発しました。 したがって、ワンタイム記録チップが得られた。 実際、ジャンパーを消去する方向でのみ、超小型回路を「上書き」することができました。 また、不完全な技術により、ジャンパーが回復し、値が歪む可能性があります。 双方向のデータ変更に対処するために、チェックサムが使用されました。 さらに、このタイプのチップの短所には、非常に小さな容量が含まれていました。



しかし、EPROM（ロシア語の略語訳）には、データへの高速アクセスと電磁パルスへの耐性という利点もありました。これは、核爆発が珍しいことではない場所にとって貴重です。



永続的なデータストレージの技術における次のステップは、Intelの腸内で行われました。 Dov Frohman-Bentchkowskyは、トランジスタゲートが破壊されたマイクロ回路の欠陥を調べて、新しいタイプのEPROMメモリを発明しました。 このようなメモリの各セルは、2つのゲートを備えた電界効果トランジスタです。1つ目のコントロール、2つ目のフローティングは、回路の他の要素とは接続されていません。 絶縁の役割は、酸化ケイ素の層です。







データを保存するには、必要なセルを選択してより高い電圧を印加する必要があります。これにより、電子が絶縁層を通過し、より高いエネルギーのためにゲートに蓄積します（このトンネル効果はFowler-Nordheimと呼ばれます）。 制御電圧が除去されると、電子はシャッターに「ロック」され、情報を長時間保存します。 この場合の主な問題は、情報を電気的に消去できないことです。 それらを消去するために、彼らは石英ガラス製の特別な窓を通して超小型回路を照らす強力な紫外線ランプを使用します。 紫外線は、絶縁酸化物層でイオン化を引き起こし、電荷が漏れ、データが消去されます。



このようなチップは、古いコンピューターのBIOSチップとして使用されていました。 通常、消去ウィンドウは、日光の影響下でチップが自然に消去されないように、メーカーのロゴが貼られたステッカーで密封されていました。 たとえば、このような超小型回路はZX Spectrumコンピューター（ロシア語版Search、Magic）で使用されていました。 これらのコンピューターは、多くの現代のエンジニアや専門家にとって、ITへの旅を始めた最初のコンピューターになったものです（テープカセットから放出される奇妙なモデムサウンドを覚えています）。



1978年、インテルのエンジニアであるジョージペルレゴスは、EPROMと同様のテクノロジーを備えたインテル2816チップを発表しましたが、絶縁層が薄いため、紫外線なしでチップの内容を消去できます。 これは、EEPROMまたは電気的に消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリ（EEPROM）テクノロジーの始まりでした。 この技術で作られた超小型回路の主な欠点は、書き込みサイクルの数が限られていることです（最新のチップによりこの量は数百万になりましたが）およびデータの自発的な消去（現在の工業用超小型回路では、データストレージは少なくとも3年間保証されています）。



消去のためにEEPROMマイクロ回路内の十分に薄い誘電体層に高電圧電界を作成する必要があったため、これにより、高度なレイアウトで書き換え可能なメモリマイクロ回路を作成できませんでした。 これにより、次の2つのクラスのデバイスが開発されました。消去の可能性のない大容量の追記型マイクロ回路と、低容量の書き換え可能なマイクロ回路です。 この問題は東芝のエンジニアである増岡不二夫によって解決され、その発見の名前は彼の同僚である有泉正治によって与えられました。彼の消去プロセスはフラッシュに似ています。 彼らがこれらのフラッシュメモリ超小型回路と呼ぶものを推測することは難しくありません。 本発明は1984年に公開され、1988年にIntelはNORフラッシュの原理に基づいた商用メモリチップを発表し、1989年に東芝はNANDメモリを発表しました。



フラッシュでは、メモリエレメントとして、フローティングゲートを備えたすべて同じ電界効果トランジスタが使用されますが、消去と記録には、電圧の増加が使用されます。 フラッシュマイクロ回路の主な違いは、読み取り、書き込み、および消去が大きなブロックで実行され、書き込みブロックのサイズが読み取りブロックより小さくなく、消去ブロックが常に書き込みブロックよりも大きいことです。 これには、メモリセルを階層構造（通常はブロック-セクター-ページ）に結合する必要があります。



1つのセルが1ビットの情報を保存するマイクロチップは、シングルレベルセルまたはSLCと呼ばれ、4つの充電レベルを保存する機能により各セルが2ビットの情報を保存するそれらの代替は、マルチレベルセルまたはMLCと呼ばれるようになりました。 したがって、MLCチップはSLCよりも安価ですが、速度が遅く信頼性が低くなります。 最近、eMLC（Enterprise class MLC）の略語も見ることができます。 通常、これは、MLCと比較して読み取り/書き込みパフォーマンスが向上し、寿命が長いデバイスの指定です。 価格特性を分析すると、最新のeMLCは約2倍安く、SLCベースのデバイスに比べて速度と信頼性がわずかに劣っています。



NORとNANDの主な違いは、チップのレイアウトです。 NORは行と列の古典的なマトリックスを使用します。その交点にはセルがあり、NANDは3次元配列です。 この場合、レイアウト領域を大幅に増やすことができますが、セルにアクセスするためのアルゴリズムを複雑にすることで、「支払う」必要があります。 アクセス速度も異なります。たとえば、NORの場合、読み取り速度は数十ナノ秒、NANDの場合は数十マイクロ秒です。







NORのアプリケーションの主な分野は、小容量のマイクロ回路ですが、信頼性に対する要件が増加しています：ストレージ：コンピューターブートチップ、シングルチップコントローラーの内蔵メモリなど。 NANDは、最大サイズの従来のデータウェアハウスです：メモリカード、SSDドライブなど。 NANDを使用する場合、通常、データの冗長性とチェックサムを使用して障害から保護します。 また、超小型回路には通常「予備」ユニットが装備されており、すでに「消耗」しているものの代わりに作動します。



NANDチップ上のデータのストレージを制御するサービスチップを使用しないと、最新のフラッシュドライブは実現できません。 これらのチップは、FSP（フラッシュストレージプロセッサ）またはフラッシュストレージを制御するプロセッサと呼ばれます。 SandForce（現在はLSIの一部門）は、このクラスのチップの生産におけるリーダーです。 興味深いことに、このようなプロセッサの処理能力は非常に高いです。 現代の世代には2つのコアがあり、通常はRAID 50/60と呼ばれるものと同様のデータを（チェックサムの計算で）保護し、デジタル「ガベージ」を収集するプロセスを管理し、メモリセルの均一な摩耗を監視し、サービス機能。 このようなインテリジェントなNANDメモリ管理の導入により、最新のデバイスは予測可能な寿命とプログラム可能な信頼性を備えています。 統計を使用すると、特定のパフォーマンスと信頼性のパラメーターを持つSSDを非常に簡単に作成できます。 このようなサービス用マイクロサーキットの開発サイクルは長く、現在ではフラッシュメモリのマイクロサーキットで動作するチップが開発されており、2〜3年後にしか製造されません。







ところで、記録の限界に達すると、SSDデバイスはデータ損失で死ぬというかなり一般的な誤解をまだ見つけることができます。 そうではありません。 書き換えの特定の制限に達すると、最初にサーバー管理者はデバイスの寿命が間近に迫っていることを警告され、クリティカルしきい値に達すると、デバイスへの記録が停止し、デバイスは読み取り専用モードに切り替わります。 最新のストレージコントローラーはすべてこのSSD機能で動作するため、SSDユーザーはタスクのクラス用に設計されたデバイスのみを購入する必要があります。 これがサーバーの場合、ラップトップまたはデスクトップであれば、24x7モードで動作するように設計された工業用グレードのSSDを購入する必要があり、安価なデバイスでも動作します。







そのため、今日のSSDまたはフラッシュデバイスは、SD、USBフラッシュ、SATA（SAS）SSD形式で、HDDと同じ2.5インチおよび3.5インチのフォームファクターで提供されています。 サーバーの世界では、PCIe-SSDが勢いを増しています。これは、SSDをPCIスロットに直接差し込むボードにマウントする形式です。



Nytroワープドライブ



キャッシュとディスクレスブートのために、SSDはRAIDコントローラカードにマウントされます。

Nytro MegaRAID



外部ストレージシステムは、数年前からHDDではなくSSDオプションを提供しています。 さらに、バイオリンやラムサンなどの特別な外部フラッシュストレージシステムがあります。



フラッシュメモリの歴史について簡単に説明します。 「オーバーボード」には、フラッシュメモリの特性を考慮して開発された最新のファイルシステムから始まり、多くの興味深いことを約束する将来の開発に至るまで、多くの興味深い質問がありました。 このストーリーが気に入っていただけることを願っています。今後、このトピックに戻ります。



個人的な経験、LSIの内部リソース（SandForce）、How Staff Worksのリソース、Wikipedia、MITコースに基づきます。