De evolutie van ssd's

Van vacuümbuis tot opslag op nanoschaal

Lezen en schrijven

Elke afzonderlijke nor- en nandgeheugencel bestaat uit een transistor met niet één, maar twee gates: een control gate en een floating gate. Een dergelijke floating gate transistor, of fgt in het kort, slaat afzonderlijke bits op als lading in de floating gate. Door elektronen in de floating gate op te slaan, krijgt deze een negatieve lading, ofwel een logische 0. Om de geheugencel te wissen worden de elektronen uit de floating gate gestuurd, waardoor een logische 1 ontstaat.

Nandgeheugen is een doorontwikkeling van norflash, met minder source- en bit-lines. De fgt's in een streng van gedeelde bit-lines worden samen een page genoemd en alle pages die een sourceline delen, worden een block genoemd. Lezen gaat per page en wissen gaat per block.

Dat levert wat uitdagingen voor lezen en schrijven op, omdat er meer ruis ontstaat. Bovendien is het geen echt random access-device meer, omdat niet elke bit afzonderlijk via een word- en bit-line kan worden aangesproken. In plaats daarvan wordt een volledige bit-line, met daaraan een hele string word-lines of afzonderlijke bits, uitgelezen. Alle word-lines van een page, zoals een dergelijke string genoemd wordt, worden actief geschakeld, behalve de te lezen word-line ofwel bit. Afhankelijk van de lading in de floating gate schakelt die fgt wel of juist niet en wordt op de bit-line een 0 of 1 gelezen. Omdat de te lezen bit ver van de bit-line kan liggen, treedt ruis bij het uitlezen op, wat kan resulteren in een verkeerd gelezen bit. Om dit tegen te gaan is ecc-technologie nodig.

Deze bouw van nand maakt dat nandflash erg goedkoop te maken is, ondanks de noodzaak voor ecc-technologie. Er zijn minder transistors nodig dan bij norflash door het weglaten van veel source- en bit-lines en elke bit heeft maar één fgt nodig. Dat maakt nand echter niet langer een random device, omdat bits niet meer afzonderlijk uitgelezen kunnen worden. Seriële data kan daarentegen wel snel uitgelezen worden. Een ander probleem is de slijtage, door de manier waarop data geschreven en gelezen wordt.

Quantumeffecten voor schrijven

Er zijn een paar redenen waarom nandcellen slijten door program- en erase-cycli, kortweg p/e-cycli. De manier waarop nand beschreven wordt, is Fowler-Nordheim Tunneling, waarbij een hoog spanningsverschil tussen de source en drain enerzijds en de gate anderzijds wordt aangebracht, waardoor elektronen door het diëlektrum tunnelen en de floating gate negatief, of 0 maken. Om de cellen te wissen wordt opnieuw FN-tunneling gebruikt maar dan met een omgekeerd potentiaalverschil over de elektrodes. De spanningen voor schrijven en wissen zijn in de orde van grootte van 15-20V, wat direct verklaart waarom die acties tot schade leiden. Denk maar eens aan een processor die overgeklokt wordt; een spanningsverhoging van 1,3 naar 1,5V is al behoorlijk risicovol voor de transistors. Nandtransistors zijn weliswaar gemaakt voor die hoge spanningen, maar het leidt nog steeds tot schade.

Door de hoge spanningen en stromen heeft het halfgeleidermateriaal te lijden. Elektronen kunnen dan in het diëlektrum tussen het channel en de floating gate blijven steken en zo de geheugencel negatief houden. De elektronen kunnen dus niet langer uit de floating gate worden getunneld en de bit blijft een 0.

• Volgende pagina 4. Slc, mlc en tlc