Komórka wielopoziomowa - Multi-level cell
W elektronice , A komórki wielopoziomowej ( MLC ) jest komórka pamięci może przechowywać więcej niż jeden bit informacji, w porównaniu do pojedynczych komórek poziomu ( SLC ), co można zapisać tylko jeden bit na komórce. Komórka pamięci zazwyczaj składa się z pojedynczego tranzystora MOSFET z pływającą bramką ( tranzystor polowy z tlenku metalu i półprzewodnika), dzięki czemu komórki wielopoziomowe zmniejszają liczbę tranzystorów MOSFET wymaganych do przechowywania tej samej ilości danych, co komórki jednopoziomowe.
Komórki trzypoziomowe ( TLC ) i komórki czteropoziomowe ( QLC ) to wersje pamięci MLC, które mogą przechowywać odpowiednio trzy i cztery bity na komórkę. Nazwa „ komórka wielopoziomowa ” jest czasami używana w odniesieniu do „ komórki dwupoziomowej ”. Ogólnie wspomnienia noszą następujące nazwy:
- Komórka jednopoziomowa lub SLC (1 bit na komórkę)
- Multi-Level Cell lub MLC (2 bity na komórkę) alternatywnie Double-Level Cell lub DLC
- Triple-Level Cell lub TLC (3 bity na komórkę) lub 3-Bit MLC
- Czteropoziomowa komórka lub QLC (4 bity na komórkę)
- Penta-Level Cell lub PLC (5 bitów na komórkę) – obecnie w fazie rozwoju
Zazwyczaj wraz ze wzrostem liczby „poziomów” spada wydajność (szybkość i niezawodność) oraz koszty konsumenckie; jednak ta korelacja może się różnić między producentami.
Przykładami pamięci MLC są MLC NAND flash , MLC PCM (pamięć zmiany fazy) itp. Na przykład w technologii SLC NAND flash każda komórka może istnieć w jednym z dwóch stanów, przechowując jeden bit informacji na komórkę. Większość pamięci flash MLC NAND ma cztery możliwe stany na komórkę, więc może przechowywać dwa bity informacji na komórkę. Zmniejsza to wielkość marginesu oddzielającego stany i skutkuje możliwością większej liczby błędów. Komórki wielopoziomowe zaprojektowane z myślą o niskim poziomie błędów są czasami nazywane korporacyjnymi MLC ( eMLC ).
Nowe technologie, takie jak ogniwa wielopoziomowe i 3D Flash, oraz zwiększone wolumeny produkcji będą nadal obniżać ceny.
Komórka jednopoziomowa
Pamięć flash przechowuje dane w poszczególnych komórkach pamięci, które są wykonane z tranzystorów MOSFET z pływającą bramką . Tradycyjnie każda komórka miała dwa możliwe stany (każdy z jednym poziomem napięcia), przy czym każdy stan oznaczał jeden lub zero, więc jeden bit danych był przechowywany w każdej komórce w tak zwanych komórkach jednopoziomowych lub pamięci flash SLC. Zaletą pamięci SLC są wyższe prędkości zapisu, mniejsze zużycie energii i większa wytrzymałość komórek. Jednak ponieważ pamięć SLC przechowuje mniej danych na komórkę niż pamięć MLC, jej produkcja kosztuje więcej za megabajt pamięci. Ze względu na wyższe prędkości transferu i oczekiwaną dłuższą żywotność, technologia flash SLC jest stosowana w kartach pamięci o wysokiej wydajności . W lutym 2016 roku opublikowano badanie, które wykazało niewielką różnicę w praktyce między rzetelnością SLC i MLC.
Jednopoziomowa pamięć flash (SLC) może mieć żywotność około 50 000 do 100 000 cykli programu/kasowania.
Jednopoziomowa komórka reprezentuje 1, gdy jest prawie pusta, a 0, gdy jest prawie pełna. Między dwoma możliwymi stanami istnieje obszar niepewności (margines odczytu), w którym dane przechowywane w komórce nie mogą być dokładnie odczytane.
Komórka wielopoziomowa
Główną zaletą pamięci flash MLC jest jej niższy koszt na jednostkę pamięci ze względu na większą gęstość danych, a oprogramowanie do odczytu pamięci może zrekompensować większy współczynnik błędów bitowych . Wyższa stopa błędów wymaga kodu korekcji błędów (ECC), który może korygować błędy wielobitowe; na przykład SandForce Flash kontrolera SF-2500 można korygować do 55 bitów na sektor 512-bajtowy z nieściągalnych stopy błędów odczytu mniejszej niż jednym sektorze na 10 17 bity są odczytywane. Najczęściej stosowanym algorytmem jest Bose-Chaudhuri-Hocquenghem ( kod BCH ). Inne wady MLC NAND to niższe prędkości zapisu, mniejsza liczba cykli wymazywania programu i wyższe zużycie energii w porównaniu do pamięci flash SLC.
Prędkości odczytu mogą być również niższe dla MLC NAND niż SLC ze względu na konieczność odczytu tych samych danych przy drugim napięciu progowym, aby pomóc w rozwiązaniu błędów. Urządzenia TLC i QLC mogą wymagać odczytania tych samych danych odpowiednio do 4 i 8 razy, aby uzyskać wartości, które można skorygować przez ECC.
Pamięć flash MLC może mieć żywotność około 1000 do 10 000 cykli programu/kasowania. Zwykle wymaga to użycia systemu plików flash, który został zaprojektowany z myślą o ograniczeniach pamięci flash, takich jak stosowanie równoważenia zużycia w celu przedłużenia użytecznego okresu eksploatacji urządzenia flash.
Intel 8087 używany technologię dwa bity na komórkę, aw 1980 roku był jednym z pierwszych urządzeń na rynku, które korzystają z komórek ROM wielopoziomowych. Intel później zademonstrował 2-bitowe wielopoziomowe komórki (MLC) NOR flash w 1997 roku. NEC zademonstrował czteropoziomowe komórki w 1996 roku, z 64 Mb chipem pamięci flash przechowującym 2 bity na komórkę. W 1997 roku firma NEC zademonstrowała układ dynamicznej pamięci o dostępie swobodnym (DRAM) z czteropoziomowymi komórkami o pojemności 4 GB. Firma STMicroelectronics zademonstrowała również w 2000 r. ogniwa czteropoziomowe z chipem pamięci flash 64 Mb NOR .
MLC jest używany w odniesieniu do komórek, które przechowują dwa bity na komórkę, używając czterech wartości lub poziomów naładowania. 2-bitowy MLC ma jeden poziom naładowania przypisany do każdej możliwej kombinacji jedynek i zer, w następujący sposób: Przy naładowaniu zbliżonym do 25%, komórka reprezentuje wartość binarną 11, gdy blisko 50% komórka reprezentuje 01, przy blisko 75% komórka reprezentuje 00, a przy 100% komórka reprezentuje 10. Po raz kolejny istnieje obszar niepewności (margines odczytu) między wartościami, przy którym dane przechowywane w komórce nie mogą być dokładnie czytać.
Od 2013 r. niektóre dyski półprzewodnikowe wykorzystują część matrycy MLC NAND tak, jakby była to jednobitowa pamięć SLC NAND, co zapewnia wyższe prędkości zapisu.
Od 2018 r. prawie wszystkie komercyjne MLC są oparte na płaszczyźnie (tj. ogniwa są zbudowane na powierzchni krzemu) i dlatego podlegają ograniczeniom skalowania. Aby rozwiązać ten potencjalny problem, branża już przygląda się technologiom, które mogą zagwarantować zwiększenie gęstości pamięci masowej poza dzisiejsze ograniczenia. Jednym z najbardziej obiecujących jest Flash 3D, w którym komórki są ułożone pionowo, unikając w ten sposób ograniczeń skalowania planarnego.
W przeszłości kilka urządzeń pamięci poszło w innym kierunku i używało dwóch komórek na bit, aby zapewnić jeszcze niższe współczynniki błędów bitowych.
Enterprise MLC (eMLC) to droższy wariant MLC, zoptymalizowany do użytku komercyjnego. Twierdzi, że działa dłużej i jest bardziej niezawodny niż zwykłe dyski MLC, a jednocześnie zapewnia oszczędności w porównaniu z tradycyjnymi dyskami SLC. Chociaż wielu producentów dysków SSD wyprodukowało dyski MLC przeznaczone do użytku korporacyjnego, tylko Micron sprzedaje surowe chipy NAND Flash pod tą nazwą.
Komórka trzypoziomowa
Komórka potrójnego poziomu ( TLC ) to rodzaj pamięci flash NAND, która przechowuje trzy bity informacji na komórkę. Toshiba wprowadziła pamięć z komórkami trzypoziomowymi w 2009 roku.
Samsung ogłosił rodzaj pamięci NAND flash, która przechowuje trzy bity informacji na komórkę, z ośmioma całkowitymi stanami napięcia (wartości lub poziomów), tworząc termin „Triple Level Cell” („TLC”). Firma Samsung Electronics rozpoczęła masową produkcję w 2010 roku i po raz pierwszy pojawiła się w dyskach SSD Samsunga z serii 840 . Samsung określa tę technologię mianem 3-bitowego MLC. Negatywne aspekty MLC są wzmacniane przez TLC, ale TLC korzysta z jeszcze większej gęstości przechowywania i niższych kosztów.
W 2013 roku Samsung wprowadził V-NAND (Vertical NAND, znany również jako 3D NAND) z potrójnymi komórkami, które miały pojemność pamięci 128 Gb . Rozszerzyli swoją technologię TLC V-NAND do 256 GB pamięci w 2015 roku i 512 GB w 2017 roku.
Komórka czteropoziomowa
_(MZ-77Q8T0BW)_20211008_SSD023_corr.png)
Pamięć przechowująca cztery bity na komórkę jest powszechnie określana jako poczwórna komórka poziomu ( QLC ), zgodnie z konwencją ustanowioną przez TLC . Przed swoim wynalazkiem QLC odnosiło się do ogniw, które mogą mieć szesnaście stanów napięcia, tj. takich, które przechowują cztery bity na ogniwo.
W 2009 roku firmy Toshiba i SanDisk wprowadziły układy pamięci flash NAND z czteropoziomowymi komórkami, przechowujące 4 bity na komórkę i mające pojemność 64 GB.
Karty pamięci flash SanDisk X4, wprowadzone w 2009 roku, były jednym z pierwszych produktów opartych na pamięci NAND, która przechowuje cztery bity na komórkę, powszechnie określaną jako Quad Level Cell (QLC), wykorzystując 16 dyskretnych poziomów naładowania (stanów) w każdej jednostce tranzystor. Chipy QLC stosowane w tych kartach pamięci zostały wyprodukowane przez Toshiba, SanDisk i SK Hynix .
W 2017 roku Toshiba wprowadziła układy pamięci V-NAND z czteropoziomowymi komórkami, które mają pojemność do 768 Gb. W 2018 r. ADATA , Intel , Micron i Samsung wprowadziły na rynek niektóre produkty SSD wykorzystujące pamięć QLC NAND.
W 2020 r. Samsung wypuścił klientom dysk SSD QLC o pojemności do 8 TB. Jest to dysk SSD SATA o największej pojemności dla klientów końcowych od 2020 roku.