Принципы построения и компоненты накопителей SSD.

Принципы построения и компоненты 

накопителей SSD.

 SSD-контроллер. SSD-контроллер твердотельного диска (см. рис. 1 а,б) обеспечивает выполнение операций чтения/записи, и управление структурой размещения данных. Основываясь на матрице размещения блоков, в какие ячейки уже проводилась запись, а в какие еще нет, контроллер должен оптимизировать скорость записи и обеспечить максимально длительный срок службы SSD-диска. Вследствие особенностей построения NAND-памяти, работать с ее каждой ячейкой отдельно нельзя. Ячейки объединены в страницы объемом по 4 Кбайта, и записать информацию можно, только полностью заняв страницу. Стирать данные можно по блокам, которые равны 512 Кбайт. Все эти ограничения накладывают определенные обязанности на правильный интеллектуальный алгоритм работы контроллера. Поэтому, правильно настроенные и оптимизированные алгоритмы контролера могут существенно повысить производительность и долговечность работы SSD-диска. В контроллер входят следующие основные элементы: 

- Processor - как правило, 16-ти или 32-х разрядный микроконтроллер. Выполняет инструкции микропрограммы, отвечает за перемешивание и выравнивание данных на Flash, диагностику SMART, кеширование и безопасность. 
- Error Correction (ECC) - блок контроля и коррекции ошибок ECC;
- Flash Controller - включает адресацию, шину данных и контроль управления микросхемами Flash памяти;
- DRAM Controller - адресация, шина данных и управление DDR/DDR2/SDRAM кэш памятью;
- I/O interface - отвечает за интерфейс передачи данных на внешние интерфейсы SATA, USB или SAS;
- Controller Memory - состоит из ROM памяти и буфера. Память используется процессором для выполнения микропрограммы и как буфер для временного хранения данных. При отсутствии внешней микросхемы RAM памяти выступает в роли единственного буфера данных SSD.

 

                                                  а) SATA SSD

                                                   б) PCIe SSD
Рис. 1.


В SSD различных производителей применяются модели контроллеров ряда известных фирм: 
- Indilinx "Barefoot ECO" IDX110MO1; 
- Indilinx "Barefoot" IDX110M00; 
- Intel PC29AS21BA0; 
- JMicron JMF602; 
- JMicron JMF612; 
- Marvel 88SS9174-BJP2; 
- Samsung S3C29RBB01-YK40; 
- SandForce SF-1200; 
- SandForce SF-1500; 
- Toshiba T6UG1XBG.

Flash память. Флэш-память - это одна из разновидностей энергонезависимой памяти (nonvolatile memory). В основе работы запоминающей ячейки данного типа памяти лежит физический эффект связанный с лавинной инжекцией зарядов в полевых транзисторах (эффект Фаули-Нордхайма). Как и в случае EEPROM, содержимое флэш-памяти программируется электрическим способом, однако по сравнению с той же EEPROM она обладает более высокой скоростью доступа и довольно быстрым процессом стирания информации.

С появлением полевого транзистора с индуцированным каналом началось развитие элементной базы компьютерной техники на основе МОП-транзисторов. Схемы на МОП-транзисторах характеризуются относительной простотой изготовления, компактностью, малой потребляемой мощностью, высокой помехоустойчивостью к изменению напряжения питания. МОП-транзисторы имеют структуру: металл-диэлектрик-полупроводник и в общем случае называются МДП-транзисторами (рис. 2). Поскольку диэлектрик реализуется на основе оксида SiO2, то применяют название МОП-транзисторы (униполярные, канальные).



Рис. 2. Топология и условные обозначения МДП-транзисторов: а, б - р-МОП;   в, г - n-МОП.

Металлический электрод, на который поступает управляющее напряжение, называется затвором (З) а два других электрода - истоком (И) и стоком (С). От истока к стоку протекает рабочий ток. Для р-канала полярность стока отрицательная, а для n-канала - положительная. Основная пластина полупроводника называется подкладкой (П). Канал - это приповерхностный проводящий слой между истоком и стоком, в котором величина тока определяется с помощью электрического поля. Процессы инжекции и диффузии в канале отсутствуют. Рабочий ток в канале обусловлен дрейфом в электрическом поле электронов в n-каналах и дырок в р-каналах.
При нулевом значении управляющего напряжения на затворе канал отсутствует, и ток не протекает. Канал, который образуется под действием внешнего управляющего напряжения, называется индуцированным. Напряжение, при котором образуется канал, называется пороговым UTIH. Канал с начальной дополнительной концентрацией зарядов называется встроенным. Быстродействие n-МОП транзисторов в 5-8 раз выше быстродействия р-МОП транзисторов, поскольку подвижность электронов существенно больше дырок. В МОП-схемах полностью исключены резисторы, их роль выполняют МОП-транзисторы.
Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства, по сути, являются электростатическими запоминающими устройствами. Логика построения их элементарного запоминающего элемента (ЭЗЭ) подобна логике ЭЗЭ динамического ОЗУ. Отличие состоит в том, что непосредственно носителем информации в них является не конденсатор, а специализированный МДП-транзистор. В зависимости от типа этого транзистора различают два вида РПЗУ:
- устройства, использующие в качестве элемента памяти так называемый транзистор с "плавающим" затвором;
- устройства, использующие в качестве элемента памяти МДП-транзистор с двухслойным диэлектриком - МНОП-транзистор.
Общим для обоих видов является помимо быстрого считывания ранее записанной информации возможность ее неоднократной перезаписи. Однако сам процесс перезаписи занимает временной интервал, на много превышающий время ее считывания. Отличие указанных типов РПЗУ состоит в различных способах программирования.

Типовая схема ЭЗЭ РПЗУ с одномерной адресацией приведена на рис. 3. Транзистор VT1 служит для выбора по сигналу (ВК) с выхода дешифратора адреса соответствующего транзистора памяти ЭЗЭ - VT2. Шина данных (ШД) через ограничительный резистор R1 подключена к выводу источника питания. При отпирании транзистора VT1 протекание тока в цепи его стока зависит от состояния транзистора VT2. Наличие или отсутствие тока классифицируется как хранение сигналов "логического 0" или "логической 1". Обычно, если ток в цепи стока VT2 протекает, считают, что в ячейке был записан сигнал "логического 0", если ток отсутствует - сигнал "логической 1".



Рис. 3. Запоминающий элемент РПЗУ с одномерной адресацией.

МНОП-транзистор имеет более сложную структуру: металл - нитрид кремния - оксид - полупроводник. Между металлическим затвором и полупроводником находятся два различных слоя диэлектрика. В таких структурах на границе раздела между слоями диэлектрика может существовать электрический заряд, действие которого на проводимость транзистора аналогично действию заряда "плавающего" затвора. Запись информации в ячейки на МНОП-транзисторах происходит так же, как и в ячейки на транзисторах с плавающим затвором, однако они очень выгодно отличаются возможностью электрического стирания информации.

Существуют две основные архитектуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (логическая функция ИЛИ-НЕ) и NAND (логическая функция И-НЕ). При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-флэш ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение для эмуляции размера сектора дисковых накопителей выполняются посекторно или постранично блоками по 512 байт.