Как устроена память компьютера от бита до SSD

Иерархия памяти и фундаментальный компромисс

Инженеры не могут создать единое универсальное хранилище данных, которое было бы одновременно колоссальным по объему, сверхбыстрым и дешевым в производстве. Законы физики и кремниевой микроэлектроники диктуют жесткий компромисс между задержкой сигнала и плотностью размещения элементов. Чем быстрее ячейка памяти реагирует на запрос процессора, тем сложнее ее схема и тем больше тепла она выделяет при переключении.

По этой причине вся архитектура вычислительных систем строится по принципу пирамиды. На самой вершине находятся элементы, работающие на тактовой частоте процессора с задержкой менее одной наносекунды. Спускаясь к основанию пирамиды, мы получаем терабайты свободного пространства, однако расплачиваемся за это увеличением времени доступа в тысячи и миллионы раз.

• Регистры процессора хранят промежуточные результаты вычислений непосредственно внутри кристалла и выдают данные за доли наносекунды.
• Кеш-память процессора уровней L1, L2 и L3 сглаживает колоссальную разницу в скорости между процессорными ядрами и системной платой.
• Оперативная память типа DRAM вмещает десятки гигабайт текущих исполняемых программ, обновляя содержимое миллионы раз в секунду.
• Энергонезависимые накопители SSD и HDD обеспечивают долговременное хранение системных файлов, игр и архивов без подачи электричества.

Регистры и процессорный кеш на базе статической памяти SRAM

Кеш-память процессора состоит из статических триггеров SRAM. Каждая элементарная ячейка здесь требует от четырех до шести транзисторов, соединенных по мостовой схеме. Такая конструкция удерживает электрическое состояние сколь угодно долго, пока на микросхему подается питание, и переключается практически мгновенно.

Из-за громоздкости шеститранзисторной структуры разместить сотни гигабайт такого хранилища на кремниевой пластине невозможно. Процессор попросту перегреется или займет огромную физическую площадь, что сделает его производство баснословно дорогим. Поэтому кеш делят на уровни. Кеш L1 имеет минимальный объем от 32 до 64 килобайт на ядро и работает без задержек. Уровень L2 достигает нескольких мегабайт, а общий кеш L3 вмещает десятки или сотни мегабайт, распределяя задачи между вычислительными потоками.

Оперативная память DRAM и постоянная регенерация данных

Чтобы удешевить память и плотно упаковать миллиарды бит на одной печатной плате, инженеры разработали динамическую память DRAM. В ней ячейка состоит всего из одного полевого транзистора и одного микроскопического конденсатора. Наличие заряда на конденсаторе кодирует единицу, а его отсутствие соответствует нулю.

Конденсаторы в кремниевых чипах настолько крошечные, что их емкость измеряется фемтофарадами. Заряд с них утекает через полупроводниковый переход за считанные миллисекунды. Контроллер оперативной памяти вынужден регулярно считывать и перезаписывать каждую строку матрицы ячеек. Этот процесс называют регенерацией памяти. Если питание компьютера выключается, конденсаторы моментально разряжаются, и данные бесследно исчезают.

Как хранят данные твердотельные накопители NAND Flash

В накопителях SSD используется энергонезависимая флеш-память NAND. Здесь информация сохраняется годами даже после полного обесточивания системного блока. В основе классической флеш-памяти лежит полевой транзистор с плавающим затвором, изолированным со всех сторон слоем диэлектрика из оксида кремния. В современных чипах чаще применяют технологию ловушки заряда, где электроны захватываются в изолирующий слой нитрида кремния.

Запись бита происходит с помощью квантового туннелирования Фаулера-Нордгейма. На управляющий затвор подается высокое напряжение от 15 до 20 вольт, электроны пробивают потенциальный барьер тонкого диэлектрика и оказываются заперты внутри ловушки. Когда процессор считывает ячейку, он подает контрольное напряжение. Если электроны внутри затвора есть, они экранируют электрическое поле, транзистор не открывается, и контроллер фиксирует логический ноль. Если затвор пуст, ток свободно течет по каналу, формируя логическую единицу.

Плотность хранения TLC, QLC и ресурс износа

Современные производители научились точно дозировать количество захваченных электронов. Благодаря этому одна ячейка может хранить несколько уровней электрического заряда, кодируя сразу несколько бит информации.

• SLC хранит один бит на ячейку, имеет максимальную скорость и колоссальный ресурс перезаписи до ста тысяч циклов.
• TLC вмещает три бита за счет различения восьми уровней напряжения, являясь самым распространенным стандартом для домашних компьютеров.
• QLC удерживает четыре бита на ячейку, требуя распознавания шестнадцати ступеней заряда, что снижает общую выносливость микросхемы до нескольких сотен циклов перезаписи.

Высокое напряжение при каждой перезаписи постепенно разрушает слой оксидного диэлектрика. Со временем электроны начинают бесконтрольно утекать через микротрещины в изоляторе. Из-за этого твердотельные накопители имеют ограниченный ресурс работы, который в технических характеристиках обозначается параметром TBW, то есть суммарным объемом гарантированно записанных терабайт.

Магнитная запись в классических жестких дисках HDD

В жестких дисках HDD используется совершенно иной, механический принцип. Внутри герметичного корпуса с огромной скоростью вращаются стеклянные или алюминиевые пластины, покрытые тончайшим ферромагнитным напылением из сплава кобальта, платины и хрома. Магнитная головка парит над поверхностью диска на воздушной подушке высотой всего в несколько нанометров.

Каждый бит представляет собой крошечную магнитную область, домен. При записи катушка индуктивности в головке создает сильное локальное электромагнитное поле, разворачивающее векторы намагниченности доменов в определенном направлении. При чтении датчик фиксирует изменения магнитных полей бегущей под ним дорожки. Скорость работы HDD ограничена механикой. Головке требуется механически переместиться к нужной концентрической дорожке и дождаться, пока диск провернется до искомого сектора.