Wie Solid State Drives funktionieren

Cum funcționează unitățile în stare solidă
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Solid-State-Laufwerke oder SSDs sind heute gängige Speichergeräte. Steigende Popularität bedeutet jedoch selten steigendes Verständnis. Wenn Sie nicht ganz sicher sind, wie eine SSD funktioniert, sind Sie nicht allein. Hier erklären wir, wie Flash-Speicher, auch bekannt als NAND-Speicher, tatsächlich funktioniert, was die verschiedenen „Ebenen“ von NAND bedeuten und wie man heute auf einer SSD ein gutes Geschäft macht.

Was ist NAND-Speicher?

Computerprozessoren und Speicher werden aus Logikgattern aufgebaut. Dies ist die physische Manifestation der Fähigkeit des Computers, Einsen und Nullen zu verarbeiten. Basierend auf ihren Eingaben liefern sie bestimmte Ausgaben. Verschiedene Arten von Gates verarbeiten Eingaben unterschiedlich. Die sehr sorgfältige Kombination dieser Tore ermöglicht es einem Computer, alles zu tun, vom Hinzufügen von zwei Zahlen bis zum Erkennen von Fotos.

Der SSD-Speicher besteht aus NAND-Gattern, die eine Art Logikgatter darstellen. NAND steht für “nicht UND” und ist die Umkehrung des gemeinsamen “UND” -Logikgatters.

Wie kann ein Logikgatter Informationen speichern?

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NAND-Gatter haben eine spezielle Eigenschaft, die von den meisten Arten von Logikgattern nicht gemeinsam genutzt wird. NAND-Gatter können verwendet werden, um ein sogenanntes Flip-Flop-Gatter zu erstellen. Dies ist eine Schaltung, die aus zwei NAND-Gattern besteht, die auf ganz bestimmte Weise miteinander verdrahtet sind. Wie oben gezeigt, ist der Ausgang jedes NAND-Gatters mit dem Eingang seines Partners verbunden.

Diese Verkabelung ermöglicht die Speicherung von 1s und 0s im Laufe der Zeit und ohne Strom. Mit der richtigen Verkabelung können NAND-Gatter also Computerspeicher für ein Bit erzeugen. Wenn Sie eine Reihe von NAND-Gates zusammenfügen, können Sie eine Reihe von Bits speichern. Und genau das macht Flash-Speicher und schließlich eine SSD aus.

Was ist SLC, MLC, TLC und QLC?

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Der Flash-Speicher basiert auf Zellen, in denen Bits gespeichert sind. Das grundlegendste Mittel zur Speicherung ist eine “einstufige Zelle” oder SLC. Diese Zellen können auf 0 oder 1 gesetzt werden, um das Ein- und Ausschalten anzuzeigen. Diese Zellen sind schnell und langlebig, bieten aber nicht viel Speicherplatz. Wir müssen mehr als ein Bit pro Zelle speichern, um dies zu erhöhen.

Hier kommen mehrstufige Zellen oder MLC ins Spiel. Diese Zellen speichern zwei Informationsbits in einem Transistor, indem sie vier Ladungsstufen verwenden. Beispielsweise könnten sie 0 V, 1 V, 2 V und 3 V verwenden, um 00, 01, 10 und 11 binär darzustellen. Diese Zellen passen mehr Daten an, erfordern jedoch auch genauere Techniken zum Speichern und Abrufen.

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Die neuesten SSDs basieren auf dreistufigen Zellen (TLC), mit denen jede Zelle drei Bits speichern kann. Dies erfordert eine noch präzisere Herstellung, wodurch Kosten und Kapazität auf Kosten von Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit erhöht werden.

Der nächste Schritt sind Quad-Level-Zellen oder QLC. Während Intel und Micron ein Verfahren dafür entwickelt haben, werden wir wahrscheinlich noch seit Jahren keine Massenakzeptanz mehr sehen.

Was ist 3D NAND?

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Frühe SSDs wurden wie Computerprozessoren hergestellt. Sie wurden auf einer zweidimensionalen Ebene erzeugt, und Kapazität und Geschwindigkeit wurden durch Schrumpfen der Transistoren, aus denen der Chip bestand, erhöht. Je mehr Transistoren Sie auf einen Chip setzen können, desto mehr Daten können Sie speichern. Im Gegensatz zu CPU-Transistoren können SSD-Transistoren jedoch nicht viel niedriger als 15 nm sein. Dies liegt daran, dass auf dieser Ebene Elektronen in nahegelegene Transistoren eindringen und Daten verfälschen können.

Um diese Einschränkung zu umgehen, haben die Hersteller 3D-NAND erstellt. Hier sind auch Transistoren übereinander gestapelt. Dieser dreidimensionale Prozess, manchmal auch als V-NAND bezeichnet, ermöglicht es bis zu vierundsechzig Schichten von Transistoren, einen einzelnen Chip zu belegen. Dies erhöht die Speichermöglichkeiten um eine Größenordnung.

Der Nachteil ist, dass 3D-NAND äußerst präzise Herstellungstechniken erfordert, um die hyperpräzisen Säulen von Transistoren zu erzeugen. Dies ist besonders wichtig für SSDs vom Typ MLC, TLC und QLC, für deren ordnungsgemäße Funktion bereits eine hochpräzise Fertigung erforderlich ist. Aber das hat es nicht davon abgehalten, den modernen Markt zu übernehmen.

Wie alles zusammenkommt

Viele Hersteller bieten 3D-TLC-NAND-Laufwerke an, aber es gibt immer noch einen erheblichen Bestand an MLC-Laufwerken, die schnell, mäßig groß und plötzlich sehr billig sind. Wenn Sie ein Schnäppchen machen möchten, ist jetzt der richtige Zeitpunkt zum Kaufen. Es ist eine etwas ältere Technologie, aber der Hauptunterschied liegt eher in der Speichergröße als in der Leistung. Wenn es auf einem 3D-MLC-NAND-Laufwerk ein Schnäppchen gibt, das groß genug für Sie ist, zögern Sie nicht, sich zu stürzen.

Wie bei allen elektronischen Dingen ist die Geschichte der Herstellerzuverlässigkeit äußerst wichtig. Auf älteren Prozessknoten oder mit geringeren Toleranzen können billige No-Name-Laufwerke hergestellt werden. Sie können auch aus den Resten anspruchsvollerer Hersteller stammen und Ihnen die Reste verkaufen, die gerade funktionell genug sind. Weder sind ein Rezept für langfristigen Erfolg.

Die nächste große Revolution in der SSD-Technologie wird mit einer massiv größeren Kapazität bei gleichen oder ähnlichen Leistungsstufen einhergehen. Wir können davon ausgehen, dass diese im Laufe der nächsten Jahre eingeführt werden, da die Gießereien Erfahrungen mit den für das neue Prozessdesign erforderlichen Techniken sammeln.

Bildnachweis: flashdba, Cactus Tech

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