Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Флеш-память

Как на microSD помещается 1 ТБ? Разбор

27.10.2020 18:15:50 | Автор: admin
Как на на маленькой карте памяти microSD размером буквально с ноготок помещается 1 терабайт данных? Такой вопрос нам задали в комментариях к видео про шифрование данных. Звучит интересно! Сегодня мы узнаем что находится внутри SD-карты и SSD-диска.Что объединяет современные чипы памяти со слоёным пирогом?И какой емкости будут наши диски и карты памяти через несколько лет?

Олды, кто помнит 2004 год? Тогда в продаже впервые появилась SD-карточка с рекордной на тот момент ёмкостью 1 гигабайт. Это было событием и карточку оценили в солидную сумму 500 долларов США.



А спустя 15 лет представили карты памяти microSD объёмом 1 терабайт.



Но как за 15 лет мы научились размещать в тысячу раз больше информации на вдвое меньшем пространстве?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно понять:

Как устроены SD карточки?


Начнем с физической архитектуры. Если заглянуть под слой пластика SD или microSD карточки, мы увидим один небольшой чип это контроллер памяти. И один или два больших чипа это NAND флеш-память: самый распространенный на сегодня тип памяти. Такие же чипы можно встретить в флешках, SSD-дисках и внутри наших гаджетов. Короче, везде!








NAND И NOR


Но почему NAND флеш-память такая популярная? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте немного разберемся в том как флеш-память работает.Мы уже как-то рассказывали, что базовая единица современной флэш-памяти это CTF-ячейка (CTF Charge Trap Flash memory cell), то есть Ячейка с Ловушкой Заряда.

Это не образное выражение. Ячейка, действительно способна запирать внутри себя заряд и хранить его годами! Соответственно, если в ячейке есть заряд это 1, если нет заряда это 0.

Все ячейки организованы в структуру NAND. NAND это такой логический элемент NOT-AND, то есть НЕ-И. Вот таблица его значений.



Фактически, это перевернутый вентиль И. По таблице истинности на выходе вентиля И мы получаем единицу только в случае если на оба входа тоже приходит единица. В NAND всё наоборот.



Кстати, NAND обладает интересным свойством любая логическая функция может быть реализована с помощью комбинации NAND-вентилей. Это свойство NAND называется функциональной полнотой.

Например CMOS-матрицы или КМОП-матрицы, которые используются в большинстве современных цифровых камер, в том числе во всех мобильных телефонах могут быть полностью реализованы только на вентилях NAND.


  • КМОП комплементарная структура металл-оксид-полупроводник
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor



Свойство функциональной полноты NAND также разделяет с вентилями NOR, то есть НЕ-ИЛИ. К слову, NOR флеш-память тоже существует. Но почему всюду ставят именно NAND память, а не NOR?

NAND-память интересная штука. Её можно сравнить с оптовыми закупками в супермаркете. Считывать и подавать напряжение в NAND ты можешь только на целую упаковку ячеек. Поэтому мы не можем считать или записать данные в какую-то конкретную ячейку.

В NOR памяти всё наоборот, у нас есть доступ каждой ячейке.

Вроде бы как очевидно превосходство NOR, но почему же тогда мы используем NAND?



Дело в том, что в NOR-памяти каждую ячейку нам на подключить отдельно. Всё это делает размер ячеек большим, а конструкцию массивной.

В NAND наоборот: ячейки подключаются последовательно друг за другом и это позволяет сделать ячейки маленькими и расположить их плотно друг к другу. Поэтому на NAND-чипе может поместиться в 16 раз больше данных чем на NOR-чипе.





Также это позволяет быстро считывать и записывать большие массивы данных,так как мы всегда одновременно оперируем группой ячеек.


Структура одного столбца NAND flash с 8 ячейками


Компоновка шести ячеек NOR flash

Более того NOR-память не оптимальна для считывания и записи больших объёмов информации, но она выигрывает тогда, когда нужно считывать много мелких данных случайным образом.Поэтому NOR-память используют только в специфических задачах, например, для хранения и исполнения микропрограмм. Например BIOS вполне может быть записан в NOR-память, или даже прошивка в телефоне. По крайней мере раньше так точно делали.

А NAND-память идеально подходит для SSD, карт памяти и прочего.

2D NAND


Окей, NAND-память плотная, это выяснили. Но как её сделать еще плотнее?

Долгое время ячейки NAND укладывались столбцами горизонтально и получалась однослойная плоская структура. И производство памяти было похожим на производство процессоров при помощи методов литографии.Такая память называлась 2D NAND или планарный NAND.


Структура 2D PLANAR NAND



Соответственно, единственным способом уплотнения информации былоиспользования более тонких техпроцессов, что и делали производители.

Но к 2016 году производители достигли техпроцесса в 14-15 нанометров. Да-да, крутость памяти тоже можно мерить нанометрами. Но тем не менее это оказалось потолком для 2D NAND-памяти.





Получается, что в2016 году прогресс остановился? Совсем нет.

Решение нашла компания Samsung. Понимая, что планарная,то есть плоская NAND находится на последнем издыхании, еще в 2013 году Samsung обогнала своих конкурентов и представила первое в отрасли устройство с 3D NAND-памятью.



Они взяли столбец с горизонтальными NAND ячейками и поставили его вертикально, поэтому 3D NAND ещё называют V-NAND или вертикальной NAND. Вы только посмотрите на эту красоту!



Вот эти красные штуки сверху это битлайны (bit line),то есть каналы данных. А зелёные шутки это слои ячеек памяти. И если раньше данные считывались с одного слоя и поступали в битлайн, то теперь данные со всех слоев стали поступать в канал одновременно!

Поэтому новая архитектура позволила не только существенно увеличить плотность информации, но и вдвараза повысить чтения и записи, а также снизить энергопотребление на 50%!

Первый 3D NAND-чип состоял из 24 вертикальных слоёв. Сейчас норма составляет 128 слоев.Но уже в 2021 году производители перейдут на 256 слоев, а к 2023 году на 512, что позволит на одном флеш-чипе разместить до 12 терабайт данных.





Кхм-кхм. Минуточку! Внимательный читатель, мог заметить, что в приведенной табличке написано 12 терабит, откуда же тогда я взял терабайты?Дело в том, что 12 терабит помещается на одном кристалле флеш памяти, а в одном чипе можно разместить до 8 кристаллов друг над другом. Вот и получается 12 терабайт.

Но наращивать всё больше и больше этажей памяти невозможно бесконечно. Даже сейчас с производством возникает масса проблем.В отличии от 2D-памяти, которая производилась методом литографии, 3D NAND, по большей части, опирается на методы напыления и травления. Производство стало похожим на изготовление самого высокого в мире торта. Нужно было буквально наращивать идеально ровные слои памяти друг над другом, чтобы ничего не поплыло и не осело. Жуть!



Более того в этом слоёном пироге, нужно как-то проделать 2,5 миллиона идеально ровных каналов идущих сверху до низу. И если если когда было 32 слоя, производители с этим легко справлялись. То с увеличим количество слоев возникли проблемы. Всё как в жизни!



Поэтому производители стали использовать разные хаки: например, делать по 32 слоя и накладывать их друг на друга через изолятор. Но такие методы дороже в производстве и чреваты браком.Кстати, для любознательных, на текущий момент эти каналы проделываются не сверлом, в методом реактивного ионного травления (RIE). Проще говоря, бомбардировкой поверхности ионами.


SLC, MLC, TLC, QLC


Так что же мы снова уперлись в потолок? Теперь уже в буквальном смысле.Нет! Ведь на самом деле, можно не только увеличивать количество ячеек. Можно увеличивать количество данных внутри ячейки!

Те кто интересуется темой, или выбирал себе SSD диск наверняка знают, что бываетчетыретипа ячеек памяти SLC, MLC, TLC, QLC.

SLC-ячейка (Single Layer Cell) может хранить всего 1 бит информации, то есть лишь нолик или единичку.Соответственно MLC-ячейка хранит уже 2 бита, TLC 3, QLC -4.



Вроде бы круто! Но чем больше бит мы можем поместить в ячейку, тем медленнее будет происходить чтение, и главное запись информации. А заодно тем менее надежной будет память.

Сейчас не будем на этом подробно останавливаться, но в двух словах в потребительских продуктах сейчас золотой стандарт это TLC-память, то естьтри бита. Это оптимальный вариант, по скорости, надежности и стоимости.

SLC и MLC это крутые профессиональные решения.

А QLC это бюджетный вариант, который подойдет для сценариев, в которыхне надо часто перезаписывать данные.

Кстати, Intel уже готовит, преемника QLC пятибитную PLC-память (Penta Level Cell).

Ответ на вопрос


Это, конечно, всё очень интересно, но может, вернёмся к изначальному вопросу: Как в уже сейчас в простой microSD-карточке помещается 1 терабайт?

Ну что ж, теперь когда мы всё знаем, отвечаем на вопрос.



Внутри карточки Micron (и скорее всего карточки SanDisk) используется одинаковый чип памяти. Это 96-слойная 3D NAND QLC-память. На одном кристалле такой памяти помещается 128 гигабайт данных. Но откуда же тогда 1 терабайт?

Как мы уже говорили раньше, в одном флеш-чипе помещается 8 кристаллов. Вот вам и 1 терабайт. Вот так всё просто!



Что нас ждёт в будущем?


Что ж, технологии производства флеш-памяти развиваются очень быстро. Уже через 2-3 года нам обещают чипы на 12 терабайт.А еще лет через 10, ну может 20, и за сотню терабайт перескочим. Тем более SD-карточки нового формата SD Ultra Capacity поддерживают емкость до 128терабайт.



Непонятно одно -будут ли нам нужны SD-карточки через столько лет.
Подробнее..

Курс на независимость китайский производитель флеш-чипов осуществляет запуск 192-слойной 3D NAND памяти

12.01.2021 20:07:52 | Автор: admin
Источник

Yangtze Memory Technologies Co. (YMTС), ведущий производитель микросхем памяти в Китае, удвоит масштабы выпуска стандартных NAND-чипов. Компания планирует начать конкуренцию с технологическими гигантами Samsung и Micron. Более того, этот же производитель запускает опытное производство 192-слойной 3D NAND памяти.

В последние годы Китай усиленно создает внутреннюю цепочку поставок полупроводников и становится все более независимым от импорта микросхем. Достижение YMTC поставленных целей станет важной вехой в истории Китая.

В планах у китайской компании довести объем ежемесячного производства флэш-памяти NAND до 100 тыс.пластин. Это составит примерно 7% от общего мирового производства.

Фото: YMTC

Предприятие YMTC находится в Ухане, но оно не останавливалось даже в разгар пандемии COVID-19, что говорит о стратегической важности предприятия для Поднебесной. Стоимость компании на данный момент составляет $24 млрд и продолжает увеличиваться. Летом прошлого года компания запустила строительство второй очереди производственных линий. После ввода в строй дополнительных мощностей YMTC будет способна выпускать дополнительно 200 тыс. пластин в месяц.

Любопытно, что Samsung и Micron только приступают к выпуску 176-слойных чипов. Тогда как YMTC планирует обогнать конкурентов с более продвинутой 192-слойной памятью.

Фото: YMTC

В конце прошлого года китайская компания освоила выпуск 128-слойных микросхем. Хотя анонс о завершении их разработки вышел в апреле 2020 года.

Среди крупных клиентов YMTC Lenovo Group и Huawei. Помимо чипов NAND, компания выпускает твердотельные SSD-накопители для массового потребителя под брендом Zhitai.

Начинания молодой китайской компании дали импульс созданию работающей местной системы полупроводниковой промышленности. YMTC стали первыми в стране производителем флэш-памяти 3D NAND. Курс на рост определился после успеха 2019 года, когда компания впервые вышла на рынок с 64-слойными микросхемами.

Правда, здесь не обошлось и без проблем. Дело в том, что в угоду скорости страдает качество. К последнему у экспертов есть немало вопросов, поскольку несмотря на амбиции YMTC, уровень выхода годных изделий среди 128-слойной 3D NAND на конвейере YMTC не превышает 70%.

YMT коммерческое предприятие, дочка Tsinghua Unigroup. YMTC активно поддерживается государственными организациями. Например, компания получила средства от так называемого Большого фонда (the China Integrated Circuit Industry Investment Fund) главной программы в стране по финансированию выпуска микросхем.

Как бы не развивалась ситуация дальше, очевидно, что Китай подходит очень близко к финишной прямой в гонке за независимость в производстве чипов от других стран.

Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru