Многоуровневая ячейка
В электронике ( многоуровневая ячейка MLC ) — это ячейка памяти, способная хранить более одного бита информации, по сравнению с одноуровневой ячейкой ( SLC ), которая может хранить только один бит на ячейку памяти. Ячейка памяти обычно состоит из одного МОП-транзистора с плавающим затвором (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), таким образом, многоуровневые ячейки уменьшают количество МОП-транзисторов, необходимых для хранения того же объема данных, что и одноуровневые ячейки.
Трехуровневые ячейки ( TLC ) и четырехуровневые ячейки ( QLC ) представляют собой версии памяти MLC, которые могут хранить три и четыре бита на ячейку соответственно. Название « многоуровневая ячейка» иногда используется специально для обозначения « двухуровневой ячейки». В целом воспоминания называются следующим образом:
- Одноуровневая ячейка или SLC (1 бит на ячейку)
- Многоуровневая ячейка или MLC (2 бита на ячейку), альтернативно двухуровневая ячейка или DLC.
- Трехуровневая ячейка или TLC (3 бита на ячейку) или 3-битный MLC
- Четырехуровневая ячейка или QLC (4 бита на ячейку)
- Ячейка пятиуровневого уровня или ПЛК (5 бит на ячейку) – в настоящее время в разработке. [1]
Обратите внимание, что эта номенклатура может вводить в заблуждение, поскольку « ячейка n -уровня» на самом деле использует 2 н уровни заряда для хранения n бит (см. ниже).
Обычно по мере увеличения количества «уровней» производительность (скорость и надежность) и потребительские затраты снижаются; однако эта корреляция может варьироваться у разных производителей.
Примерами памяти MLC являются MLC NAND flash , MLC PCM ( память с фазовым изменением ) и т. д. Например, в технологии SLC NAND flash каждая ячейка может существовать в одном из двух состояний, сохраняя один бит информации на ячейку. MLC NAND Большая часть флэш-памяти имеет четыре возможных состояния на ячейку, поэтому она может хранить два бита информации на ячейку. Это уменьшает величину поля, разделяющего состояния, и приводит к увеличению количества ошибок. Многоуровневые ячейки, рассчитанные на низкий уровень ошибок, иногда называют корпоративными MLC ( eMLC ).
Новые технологии, такие как многоуровневые ячейки и 3D Flash, а также увеличение объемов производства будут продолжать снижать цены. [2]
Одноуровневая ячейка
[ редактировать ]Флэш-память хранит данные в отдельных ячейках памяти, которые состоят из MOSFET-транзисторов с плавающим затвором . Традиционно каждая ячейка имела два возможных состояния (каждое с одним уровнем напряжения), причем каждое состояние представляло либо единицу, либо ноль, поэтому один бит данных хранился в каждой ячейке в так называемых одноуровневых ячейках или флэш-памяти SLC. . Память SLC имеет преимущество более высокой скорости записи, более низкого энергопотребления и более высокой долговечности ячеек. Однако, поскольку память SLC хранит меньше данных на ячейку, чем память MLC, производство одного мегабайта памяти обходится дороже. Из-за более высокой скорости передачи данных и ожидаемого длительного срока службы флэш-технология SLC используется в высокопроизводительных картах памяти . В феврале 2016 года было опубликовано исследование, которое на практике показало небольшую разницу между надежностью SLC и MLC. [3]
Флэш-память с одноуровневой ячейкой (SLC) может иметь срок службы от 50 000 до 100 000 циклов программирования/стирания. [4]
Одноуровневая ячейка обозначает 1, когда почти пуста, и 0, когда почти заполнена. Между двумя возможными состояниями существует область неопределенности (запас чтения), в которой данные, хранящиеся в ячейке, не могут быть точно прочитаны. [5]
Многоуровневая ячейка
[ редактировать ]Основным преимуществом флэш-памяти MLC является ее более низкая стоимость на единицу хранения из-за более высокой плотности данных, а программное обеспечение для чтения из памяти может компенсировать более высокий уровень битовых ошибок . [6] Более высокая частота ошибок требует наличия кода исправления ошибок (ECC), который может исправлять множественные битовые ошибки; например, флэш-контроллер SandForce SF-2500 может исправлять до 55 бит на 512-байтовый сектор с частотой неисправимых ошибок чтения менее одного сектора на 10 17 биты читаются. [7] Наиболее часто используемый алгоритм — Бозе-Чаудхури-Хоквенгема ( код BCH ). [8] Другими недостатками MLC NAND являются более низкие скорости записи, меньшее количество циклов программирования/стирания и более высокое энергопотребление по сравнению с флэш-памятью SLC.
Скорость чтения для MLC NAND также может быть ниже, чем для SLC, из-за необходимости читать те же данные при втором пороговом напряжении, чтобы помочь устранить ошибки. Устройствам TLC и QLC может потребоваться считывать одни и те же данные до 4 и 8 раз соответственно, чтобы получить значения, которые можно исправить с помощью ECC. [9]
Флэш-память MLC может иметь срок службы от 1000 до 10 000 циклов программирования/стирания. Обычно это требует использования флэш-файловой системы , которая разработана с учетом ограничений флэш-памяти, например, использование выравнивания износа для продления срока службы флэш-устройства.
Intel 8087 использовал технологию «два бита на ячейку» для своего микрокода ПЗУ . [10] а в 1980 году это было одно из первых устройств на рынке, в котором использовались многоуровневые ячейки ПЗУ. [11] [12] Позже в 1997 году Intel с многоуровневыми ячейками (MLC) продемонстрировала 2-битную флэш-память NOR . [13] В 1996 году компания NEC продемонстрировала четырехуровневые ячейки с емкостью 64 Мбит микросхемой флэш-памяти , хранящей 2 бита на ячейку. В 1997 году NEC продемонстрировала чип динамической оперативной памяти (DRAM) с четырехуровневыми ячейками емкостью 4 Гбит. STMicroelectronics также продемонстрировала четырехуровневые ячейки в 2000 году с емкостью 64 Мбит чипом флэш-памяти NOR . [14]
MLC используется для обозначения ячеек, которые хранят 2 бита на ячейку, используя 4 значения или уровня заряда. 2-битный MLC имеет один уровень заряда, назначенный каждой возможной комбинации единиц и нулей, а именно: при заполнении почти на 25% ячейка представляет двоичное значение 11; когда значение близко к 50%, ячейка представляет собой 01; когда значение близко к 75%, ячейка представляет собой 00; а когда значение близко к 100%, ячейка представляет собой 10. Опять же, между значениями существует область неопределенности (запас чтения), в которой данные, хранящиеся в ячейке, не могут быть точно прочитаны. [15] [5]
По состоянию на 2013 год [update] некоторые твердотельные накопители используют часть кристалла MLC NAND, как если бы это был однобитный SLC NAND, что обеспечивает более высокую скорость записи. [16] [17] [18]
По состоянию на 2018 год [update] почти все коммерческие MLC имеют планарную основу (т.е. ячейки построены на поверхности кремния) и поэтому подвержены ограничениям масштабирования. Чтобы решить эту потенциальную проблему, отрасль уже ищет технологии, которые могут гарантировать увеличение плотности хранения данных за пределы сегодняшних ограничений. Одним из наиболее перспективных является 3D Flash, где ячейки располагаются вертикально, что позволяет избежать ограничений планарного масштабирования. [19]
В прошлом некоторые устройства памяти пошли другим путем и использовали две ячейки на бит, чтобы обеспечить еще более низкий уровень ошибок по битам. [20]
Enterprise MLC (eMLC) — более дорогой вариант MLC, оптимизированный для коммерческого использования. Он утверждает, что служит дольше и более надежен, чем обычные диски MLC, обеспечивая при этом экономию средств по сравнению с традиционными дисками SLC. Хотя многие производители твердотельных накопителей выпускают накопители MLC, предназначенные для корпоративного использования, только Micron продает необработанные чипы NAND Flash под этим обозначением. [21]
Трехуровневая ячейка
[ редактировать ]
( Трехуровневая ячейка TLC ) — это тип флэш-памяти NAND , в которой хранится 3 бита информации на ячейку. Toshiba представила память с трехуровневыми ячейками в 2009 году. [22]
При использовании современных технологий максимальный срок службы составляет до 3000 циклов программирования/стирания. [23]
Компания Samsung анонсировала тип флэш-памяти NAND, которая хранит 3 бита информации на ячейку с 8 общими состояниями напряжения (значениями или уровнями), что привело к появлению термина «трехуровневая ячейка» («TLC»). Samsung Electronics начала его массовое производство в 2010 году. [24] Samsung серии 840 Впервые он был использован в твердотельных накопителях . [25] Samsung называет эту технологию 3-битным MLC. Негативные аспекты MLC усиливаются при использовании TLC, но преимущества TLC заключаются в еще более высокой плотности хранения и более низкой стоимости. [26]
В 2013 году компания Samsung представила V-NAND (Vertical NAND, также известную как 3D NAND) с трехуровневыми ячейками, объем памяти которых составлял 128 Гбит . [27] В 2015 году они расширили свою технологию TLC V-NAND до 256 Гбит памяти. [24] и 512 Гбит в 2017 году. [28]
Четырехуровневая ячейка
[ редактировать ]
Память, в которой хранится 4 бита на ячейку, обычно называется четырехуровневой ячейкой ( QLC ), следуя соглашению, установленному TLC . До своего изобретения термин «QLC» был синонимом MLC в отношении ячеек, которые могут иметь 4 состояния напряжения, то есть тех, которые хранят 2 бита на ячейку – то, что теперь однозначно называется DLC. [ нужна ссылка ]
Из-за экспоненциально увеличивающегося количества ступеней напряжения, необходимых для флэш-памяти более высокого уровня, срок службы QLC дополнительно сокращается до максимума 1000 циклов программирования/стирания. [23]
В 2009 году Toshiba и SanDisk представили чипы флэш-памяти NAND с четырехуровневыми ячейками, хранящими 4 бита на ячейку и емкостью 64 Гбит. [22] [29]
Карты флэш-памяти SanDisk X4, представленные в 2009 году, были одними из первых продуктов на основе NAND-памяти, которая хранит 4 бита на ячейку, обычно называемую четырехуровневой ячейкой (QLC), с использованием 16 дискретных уровней заряда (состояний) в каждой. индивидуальный транзистор. Чипы QLC, использованные в этих картах памяти, были произведены компаниями Toshiba, SanDisk и SK Hynix . [30] [31]
В 2017 году Toshiba представила чипы памяти V-NAND с четырехуровневыми ячейками емкостью до 768 Гбит. [32] В 2018 году ADATA , Intel , Micron и Samsung выпустили несколько твердотельных накопителей, использующих память QLC NAND. [33] [34] [35] [36]
В 2020 году Samsung выпустила для клиентов твердотельный накопитель QLC емкостью до 8 ТБ. Это твердотельный накопитель SATA с самой большой емкостью хранилища для потребителей по состоянию на 2020 год. [37] [38]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Solidigm демонстрирует первый в мире твердотельный накопитель с пятиуровневыми ячейками на саммите по флэш-памяти» . Отдел новостей Solidigm . 02.08.2022 . Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ «NAND Flash вытесняет жесткие диски» . Проверено 29 мая 2018 г.
- ^ Бьянка Шредер ; Ариф Мерчант (22 февраля 2016 г.). «Надежность флэш-памяти в производстве: ожидаемое и неожиданное» . Конференция по файловым технологиям и технологиям хранения данных . Усеникс. ISBN 9781931971287 . Проверено 3 ноября 2016 г.
- ^ «Блог Hyperstone | NAND Flash вытесняет жесткие диски» . Гиперстоун ГмбХ . Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Шимпи, Ананд Лал. «Обзор Intel SSD 710 (200 ГБ)» . www.anandtech.com . Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ Вебинар Micron по MLC NAND Flash . Архивировано 22 июля 2007 г. в Wayback Machine .
- ^ «Техническое описание SandForce® SF2600 и SF2500 Enterprise» (PDF) . Сигейт . Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ ЭТаймс (27 августа 2013 г.). «Обзор основ встроенной флэш-памяти NAND» . ЭЭ Таймс . Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ Пелеато; и др. (сентябрь 2015 г.). «Адаптивные пороги чтения для флэш-памяти NAND». Транзакции IEEE в области коммуникаций . 63 (9): 3069–3081. arXiv : 2202.05661 . дои : 10.1109/TCOMM.2015.2453413 . S2CID 14159361 .
- ^ «Два бита на транзистор: ПЗУ высокой плотности в чипе Intel 8087 с плавающей запятой» . Проверено 18 мая 2022 г.
- ^ Статья Дж. Роберта Лайнбека «Ячейка с четырьмя состояниями, называемая ключом плотности». Журнал «Электроника». 1982 30 июня.
- ^ П. Гленн Гулак (28 мая 2018 г.). «Обзор технологии многозначной памяти» (PDF) . Слушания. 1998 г. 28-й Международный симпозиум IEEE по многозначной логике (кат. № 98CB36138) . стр. 222–231. дои : 10.1109/ISMVL.1998.679447 . ISBN 978-0-8186-8371-8 . S2CID 10931493 . Архивировано из оригинала (PDF) 28 мая 2018 г. Получено 11 февраля 2023 г. - через web.archive.org.
- ^ «Рынок флэш-памяти» (PDF) . Корпорация по разработке интегральных схем . Смитсоновский институт . 1997 год . Проверено 16 октября 2019 г.
- ^ «Память» . STOL (Полупроводниковые технологии онлайн) . Проверено 25 июня 2019 г.
- ^ Педро Эрнандес (29 июня 2018 г.). «SLC против MLC против TLC NAND Flash» . Форум корпоративных систем хранения данных .
- ^ Гасиор, Джефф (25 июля 2013 г.). «Обзор твердотельного накопителя Samsung 840 EVO» . Технический отчет . Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ «Новый Samsung 840 EVO использует кэш TLC и псевдо-SLC TurboWrite — перспектива ПК» . pcper.com . 18 июля 2013 г. Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ Самсунг. «Твердотельный накопитель Samsung: технический документ по технологии TurboWrite» . 2013.
- ^ «Блог Hyperstone | Разрядность полупроводников и контроллер флэш-памяти» . Гиперстоун ГмбХ . 17 апреля 2018 г. Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ Пророк, Грэм (2 октября 2008 г.). «В автомобильных EEPROM используются две ячейки на бит для обеспечения прочности и надежности» . ЭДН . Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ «Корпоративный MLC: расширенные возможности циклического использования MLC» . www.micron.com . Проверено 17 ноября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Toshiba добивается значительных успехов в области флэш-памяти NAND с технологией 3 бита на ячейку, изготовленной по 32-нм технологии, и с технологией 4 бита на ячейку, изготовленной по 43-нм технологии» . Тошиба . 11 февраля 2009 года . Проверено 21 июня 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Разница между SLC, MLC, TLC и 3D NAND во флэш-накопителях USB, твердотельных накопителях и картах памяти» . Кингстон Технологии . Май 2021 года . Проверено 8 февраля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б «История» . Самсунг Электроникс . Samsung . Проверено 19 июня 2019 г.
- ^ «Samsung SSD 840 Series — флэш-память 3BIT/MLC NAND» . Архивировано из оригинала 10 апреля 2013 г. Проверено 10 апреля 2013 г.
- ^ «Samsung SSD 840: проверка долговечности TLC NAND» . АнандТех. 16 ноября 2012 г. Проверено 5 апреля 2014 г.
- ^ «Samsung массово производит 3-битную флэш-память MLC NAND емкостью 128 ГБ» . Аппаратное обеспечение Тома . 11 апреля 2013 г. Архивировано из оригинала 21 июня 2019 г. Проверено 21 июня 2019 г.
- ^ Шилов, Антон (5 декабря 2017 г.). «Samsung начинает производство флэш-памяти UFS NAND объемом 512 ГБ: 64-слойная V-NAND, скорость чтения 860 МБ/с» . АнандТех . Проверено 23 июня 2019 г.
- ^ «SanDisk выпускает первые в мире карты памяти с 64-гигабитной флэш-памятью X4 NAND» . СлэшГир . 13 октября 2009 года . Проверено 20 июня 2019 г.
- ^ МакГлаун, Шейн (13 октября 2009 г.). «SanDisk выпускает первые в мире карты памяти с 64-гигабитной флэш-памятью X4 NAND» . СлэшГир . Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ Чой, Янг (5 мая 2009 г.). «NAND Flash - Новая эра 4 бит на ячейку и выше» . ЭЭ Таймс . Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ «Toshiba разрабатывает первую в мире 4-битную флэш-память QLC NAND» . TechPowerUp . 28 июня 2017 г. Проверено 20 июня 2019 г.
- ^ Шилов, Антон. «ADATA представляет новейший твердотельный накопитель SU630: 3D QLC для SATA» . AnandTech.com . Проверено 13 мая 2019 г.
- ^ Таллис, Билли. «Обзор твердотельных накопителей Intel SSD 660p: QLC NAND появляется для потребительских твердотельных накопителей» . www.anandtech.com . Проверено 13 мая 2019 г.
- ^ Таллис, Билли. «Обзор твердотельного накопителя Crucial P1 емкостью 1 ТБ: другой потребительский твердотельный накопитель QLC» . www.anandtech.com . Проверено 13 мая 2019 г.
- ^ Шилов, Антон. «Samsung начинает массовое производство твердотельных накопителей QLC V-NAND» . AnandTech.com . Проверено 13 мая 2019 г.
- ^ «Samsung 870 QVO SATA 2,5" SSD» . Samsung Semiconductor Global Проверено 11 февраля 2023 г. .
- ^ «Samsung Electronics представляет лучший в отрасли потребительский твердотельный накопитель емкостью 8 ТБ — 870 QVO» . Отдел новостей Samsung .