Meer data voor minder geld! Data recovery
  • Hoe werkt een ssd?

    Lezen en schrijven

    hoe werkt een ssd

    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.

    wat-iss-een-ssd

    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.

    halfgeleider

    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.

     

    Transistors

    (hoe werkt een ssd)In de basis zijn er maar twee soorten transistors: bipolaire en (unipolaire) veldeffect-transistors. Van het laatste type maakt NAND-geheugen gebruik, om precies te zijn van n-channel MOSFETs (figuur 1). Heel kort door de bocht: NAND-geheugen slaat data op door elektronen op te vangen in een zogenaamde floating gate van zo’n mosfet. Hoe dat in detail werkt, leggen we hieronder uit.

    transistor

    Figuur 1: een schematische weergave van een NAND mosfet. ONO is oxide-nitride-oxide, ook wel Inter Poly Dielectric, een isolerende laag. Het laagje SiO2 ofwel siliciumdioxide is ook een isolerende laag, waar elektronen bij toepassing van een hoge spanning op de control gate doorheen kunnen ‘tunnelen’, naar de

    floating gate.

     

    Werking transistor

     

    (hoe werkt een ssd) een transistor kan als schakelaar gebruikt worden. Meestal wordt hij echter in zijn geleidingsgebied gebruikt. Door in de basis een stroom te sturen, zal er tussen de collector en de emittor een stroom vloeien die Hfe (versterkingsfactor) groter is.

    -als je naar een transistor verwijst als een geheugenelement, dan betreft het een ander type. Als geheugencel wordt een MOSFET met floating gate gebruikt. Een MOSFET is een transistor die niet met stroom, maar met spanning aangestuurd wordt. Door in een geïsoleerd plaatje (floating gate) elektronen op te slaan zal de transistor makkelijker sperren of in geleiding gaan. Het al of niet aanwezig zijn van die elektronen zal de werking van de MOSFET beïnvloeden en dus “onthouden” welke info (o of 1) opgeslagen is.

    (hoe werkt een ssd) Transistoren worden gemaakt uit een “blokje” silicium of germanium. Door bepaalde delen van het blokje af te schermen met een “verf” kunnen de andere delen verontreinigd worden met het doperingsmateriaal (fosfor, ….). Door het blokje herhaalde bewerkingen te laten ondergaan bekomt men verschillende P en N gebieden. Bij een IC (geintegreerde schakeling) kan dit oplopen tot miljoenen P en N gebieden. Die gebieden worden verbonden met metalen geleiders om de uiteindelijke schakeling te maken.

    Het aanbrengen van de verf gebeurt via fotografische technieken (belichten, ontwikkelen, etsen).

     

    een transistor kan als schakelaar gebruikt worden. Meestal wordt hij echter in zijn geleidingsgebied gebruikt. Door in de basis een stroom te sturen, zal er tussen de collector en de emittor een stroom vloeien die Hfe (versterkingsfactor) groter is.

    -als je naar een transistor verwijst als een geheugenelement, dan betreft het een ander type. Als geheugencel wordt een MOSFET met floating gate gebruikt. Een MOSFET is een transistor die niet met stroom, maar met spanning aangestuurd wordt. Door in een geïsoleerd plaatje (floating gate) elektronen op te slaan zal de transistor makkelijker sperren of in geleiding gaan. Het al of niet aanwezig zijn van die elektronen zal de werking van de MOSFET beïnvloeden en dus “onthouden” welke info (o of 1) opgeslagen is.

    Transistoren worden gemaakt uit een “blokje” silicium of germanium. Door bepaalde delen van het blokje af te schermen met een “verf” kunnen de andere delen verontreinigd worden met het doperingsmateriaal (fosfor, ….). Door het blokje herhaalde bewerkingen te laten ondergaan bekomt men verschillende P en N gebieden. Bij een IC (geintegreerde schakeling) kan dit oplopen tot miljoenen P en N gebieden. Die gebieden worden verbonden met metalen geleiders om de uiteindelijke schakeling te maken.

    Het aanbrengen van de verf gebeurt via fotografische technieken (belichten, ontwikkelen, etsen).

    nand-fosfet

    Figuur 2: een dwarsdoorsnede van een NAND mosfet. 1: control gate, 2: oxide-nitride-oxide, 3: floating gate, 4: siliciumoxide (tunneling oxide), 5: bitline (substraat)

    (hoe werkt een ssd) Het n-channel komen we zo op terug, de afkorting MOSFET zelf staat voor Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor. Ofwel: een metaal-oxide halfgeleider veldeffect transistor. Een veldeffect transistor is een type transistor met maar één pool. Standaard loopt er dan ook geen stroom door een mosfet. Hij heeft drie aansluitingen: een source, een drain en de gate. Daarnaast dient het substraat als vierde ‘aansluiting’, dat intern verbonden is met de source.

    De gate dient om een kanaal te creëren waardoor stroom kan lopen tussen de source en de drain. Dat gebeurt door het elektrische veld van de spanning op de gate te wijzigen. Hoe, daar komen we zo op. Eerst de n-channel: dat is simpelweg een geleidingskanaal tussen source en drain.

    In mosfets in NAND-geheugen is de gate elektrisch geïsoleerd, om welke reden het een ‘floating gate’ wordt genoemd. De isolatie van de source en de drain is een dunne laag siliciumoxide. De floating gate wordt aangestuurd door een control gate. Dat is in moderne mosfets onderdeel van dezelfde transistor, maar het kan ook een aparte transistor zijn. Ook met de control gate is er geen directe elektrische verbinding: een laagje oxide-nitride-oxide ofwel ONO, ook wel Inter Poly Dielectric ofwel IPD genaamd (gewoon een ingewikkelde aanduiding voor een slecht geleidend materiaal) zorgt voor een strikte scheiding. De control gate beïnvloedt de floating gate louter via een capacitieve verbinding, een heel zwakke, indirecte elektrische verbinding.

    In NAND-geheugen is een hele reeks mosfets met elkaar verbonden in een raster. In één richting zijn ze verbonden via de control gates. Die verbinding noemen we de wordline. Haaks daarop loopt een verbinding via het substraat, de bitline.

    wat is een floating gate transistors

     

    Geheugens

    Niet-vluchtig -non-volatile- geheugen kan data bewaren zonder dat er een spanningsbron nodig is om het geheugen blijvend te voeden. Nadat de informatie in het geheugen gezet is -wat stroom kost-, kan de data bewaard blijven zonder veel stroomverbruik. De gangbare vormen van niet-vluchtig geheugen zijn een harde schijf, floppy disc, rw cd, en het vroeger gebruikte ringkerngeheugen. In het algemeen zijn voor deze vormen van opslag bewegende delen in het lees- en schrijfsysteem vereist.

    Bovendien nemen deze types geheugen veel ruimte in, en men wil juist geheugens met minder oppervlak.

    Flash
    Men spreekt van solid state opslag wanneer een geheugen geen mechanische onderdelen vereist. Flashgeheugen kost per bitcel -een circuit dat een 0 of 1 opslaat- niet veel oppervlak. Dit maakt dit type geheugen erg geschikt voor toepassingen in audio- en videoapparatuur. Met logische enen en nullen maakt men binaire getallen, het dataformaat voor digitale opslag van data.

    Flash wordt onder andere gebruikt voor:
    BIOS geheugen van een PC

    digitale camera’s

    mp3-spelers GB flash geheugen, niet groter dan 10 eurocent

    memory Sticks

    video game memory cards

     

    Werking (hoe werkt een ssd)

    Rijen en kolommen
    wanneer alleen hoofdfuncties zijn getekend in een schema, ook wel ‘architectuur’ genoemd, ziet een flashgeheugen uit als een matrix. Zo’n rooster van rijen en kolommen wordt vaak gebruikt in solid-state geheugens. Op de kruispunten van rijen en kolommen is een transistor getekend met daaraan vast een capaciteit; deze twee componenten kunnen een ‘0’ of een ‘1’ bewaren.

    Op elk kruispunt ligt een flash bitcel; 1 transistor zorgt voor selectie en opslag. Een matrix van rijen en kolommen verbindt de individuele bitcellen zodanig dat iedere 8 bitcellen (een byte) een adres krijgt. Een adres bestaat uit twee getallen: (rijadres, kolomadres). Een bepaald byte kan geselecteerd worden door het juiste adres aan te bieden op de row- en collumn-decoder.

    Tijdens selectie wordt ook een signaal meegestuurd dat bepaalt of men een byte wil lezen of schrijven. Grotere geheugens kunnen grotere getallen selecteren, zoals words (32 bitcellen tegelijk) of longwords (64 bitcellen tegelijk).De opbouw van een flashgeheugen is gelijk aan vele andere typen geheugen, zoals RAM of EEPROM.

    Bitcel
    Een transistor is een elektronische schakelaar; in geheugens worden ze gebruikt om bitcellen te selecteren. Wanneer een bitcel geselecteerd is, kan men de betreffende cel schrijven met een ‘0’ of een ‘1’, of uitlezen. Het typische van een flash bitcel is dat er één transistor wordt gebruikt om digitale data (een 0 of een 1) op te slaan en om het bit te selecteren. Normaliter zijn daar minstens 2 transistoren voor nodig.

    Alle transistoren liggen in een bedding van licht gedoteerd silicium. Een transistor is een kanaal -gemaakt van silicium- dat open of dicht kan worden gezet. Aan de uiteinden van zo’n kanaal zijn twee aansluitingen aangebracht:
    de drain — silicium n+ maakt contact met donkerblauw aluminium (D)

    de source — silicium n+ maakt contact met donkerblauw aluminium (S)
    De derde aansluiting noemt men de gate; deze wordt gebruikt om het kanaal open of dicht te zetten. Een gate is gemaakt van polysilicium, een ander soort halfgeleidend materiaal.

    Een flash bitcel bevat twee gates. Eentje om te schakelen (control gate), en een tweede die dient om lading op te slaan (floating gate). De control gate is bovenaan getekend, de floating gate zit daaronder; daartussenin zit gate oxide, een isolator. Een flash bitcel kan worden geprogrammeerd door lading via de control gate naar de floating gate te laten lopen. Dit proces noemt men tunneling.

    Als de lading eenmaal is aangebracht op de floating gate, dan zal het daar blijven omdat het niet kan weglekken naar een ander punt. Er is wel sprake van lekkage maar dat is een marginaal effect (leakage). Men kan de lading via de source afvoeren naar aarde; de floating gate is dan niet geladen. Deze toestand duidt men aan als een logische ‘1’.