¿Cuáles son las ventajas de las unidades de estado sólido? [Ciencia]

Disco duro, también llamado dispositivo de almacenamiento. Es una cosa indispensable para los productos digitales en la era actual, los teléfonos móviles, ordenadores, cámaras, servidores, dondequiera que usted necesita para almacenar datos, la existencia de discos duros es indispensable. Disco duro se puede dividir en dos tipos de disco duro mecánico y disco duro de estado sólido, en el pasado mucho tiempo, disco duro mecánico ha sido un equipo es indispensable, en los últimos años, con el avance de la tecnología de disco duro de estado sólido, más y más personas optan por utilizar disco duro de estado sólido instalado, disco duro mecánico sólo se utiliza como un dispositivo de almacenamiento auxiliar.

¿Por qué todos los portátiles utilizan unidades de estado sólido? ¿Cuáles son las ventajas de las unidades de estado sólido frente a los discos duros mecánicos? ¿Qué experiencia nos aportarán? En este número hablaremos de los discos duros mecánicos y los de estado sólido.

En primer lugar, la historia del desarrollo de los discos duros

El comienzo de la historia de los discos duros, naturalmente, pertenece al disco duro mecánico, ya en 1956, el primer disco duro del mundo IBM RAMAC 350 nació.

Figura 1. IBM RAMAC 350 (fuente red)

Comparado con los discos duros modernos, esta cosa se considera definitivamente un behemoth, tan grande como dos frigoríficos y pesando más de una tonelada, pero con una capacidad de sólo 5MB. Marcó el inicio de la era de los discos duros, ya que los ordenadores abandonaron las primitivas herramientas de almacenamiento de papel perforado y cinta magnética, y en la década de 1980, los discos duros tenían aproximadamente el mismo tamaño que hoy.

Figura 2. Discos duros mecánicos en la década de 1980 (fuente de la imagen)

En 1988, Greenberg y Fell descubrieron el efecto magnetorresistivo gigante, una tecnología que permitió que los discos duros mecánicos se desarrollaran a pasos agigantados, con grandes aumentos de velocidad y capacidad, y la rápida difusión de los discos duros mecánicos. Al mismo tiempo, el germen de la unidad de disco duro de estado sólido también se produjo, pero en este momento el estado sólido se apilan con la memoria, hasta la víspera del siglo 21, sólo algunos fabricantes comenzaron a utilizar la memoria flash en lugar de memoria para la fabricación de discos duros de estado sólido, memoria flash en comparación con la memoria se puede hacer después del corte de energía de los datos no se pierde.

Después de 2011, hubo un desastre natural en Tailandia, el mayor fabricante de piezas de discos duros mecánicos, lo que hizo que los precios se disparen, lo que permitió el despegue de la industria SSD.

Figura 3. Unidades de estado sólido producidas por Samsung (Fuente: Internet)

II. Principio de funcionamiento de los discos duros mecánicos

La estructura interna de un disco duro mecánico se compone principalmente de un motor, un disco, un brazo y un cabezal.

Figura 4. Estructura interna del disco duro mecánico (Fuente: red)

Cuando un disco duro mecánico funciona, el cabezal magnético está suspendido unos nanómetros por encima de la superficie del disco. La superficie del disco está dividida en numerosos compartimentos pequeños, que están llenos de pequeñas partículas magnéticas. Estos granos magnéticos del disco tienen una polaridad determinada, que se anota como 0 cuando los granos están polarizados hacia abajo y 1 cuando los granos están polarizados hacia arriba.

Figura 5. Diagrama esquemático de un cabezal magnético leyendo o escribiendo (fuente imagen web)

Al leer datos, el cabezal de lectura lee los datos leyendo la polaridad de los granos. Un cabezal de escritura puede utilizar el campo magnético generado por la bobina para cambiar la polaridad de los granos y así poder escribir o reescribir datos.

El propio disco está dividido en una miríada de sectores y pistas para localizar los datos en la superficie del disco. Digamos que los datos están almacenados en el sector siete de la quinta pista del disco. Entonces, el cabezal magnético giraría primero sobre la quinta pista y esperaría a que girara el séptimo sector. Sólo cuando el séptimo sector gira bajo el cabezal se pueden leer los datos.

La estructura mecánica de los discos duros mecánicos conlleva en primer lugar una desventaja fatal: el temor al tambaleo. Como el cabezal magnético está infinitamente cerca de la superficie del disco durante la lectura y escritura a alta velocidad, el tambaleo puede hacer que se pierdan los datos de lectura y escritura, por lo que el mecánico es muy poco amigo de la portabilidad. Además, la velocidad principal del disco duro mecánico es de 7200 rpm, aunque esta cifra parece muy rápida, pero esta velocidad para unos pocos miles de MHZ de memoria y unos pocos GHZ de CPU es demasiado lenta, por lo que el disco duro mecánico se convierte inevitablemente en el tablero más corto para ralentizar la velocidad de funcionamiento del sistema.

En tercer lugar, el principio de funcionamiento de las unidades de estado sólido

Estas deficiencias del disco duro mecánico, que pasa a ser las ventajas de las unidades de estado sólido. El disco duro de estado sólido es en realidad una placa de circuito, por lo que los fabricantes pueden darle cualquier forma. Tome la interfaz m.2, se puede dividir en estas especificaciones.

Las unidades de estado sólido no tienen estructura mecánica, ni ruido, ni miedo a las vibraciones, son muy portátiles y ofrecen una interacción electrónica completa de los datos. La unidad de almacenamiento de una unidad de estado sólido es un transistor de puerta flotante, cuya estructura interna se muestra en la Figura 8: una capa de puerta flotante para almacenar electrones, una capa de tunelización para restringir el movimiento libre de los electrones, una capa aislante para aislar los electrones, un polo de control G, un sustrato P, una fuente D y un drenaje S.

El número de electrones en la capa de puerta flotante por encima de un cierto valor se cuenta como 0 y por debajo de un cierto valor se cuenta como 1 cuando se almacenan datos.

Escribir datos

Para escribir datos, se aplica un alto voltaje (por ejemplo, 20 V) al polo de control G, de modo que los electrones del sustrato son atraídos para atravesar la capa de tunelización y entrar en la capa de puerta flotante, tras lo cual los electrones se ven obstaculizados por la capa aislante y sólo pueden quedar aprisionados en la capa de puerta flotante. La presencia de la capa de tunelización garantiza que los electrones aprisionados permanecerán en la capa de puerta flotante aunque pierdan la atracción de la alta tensión. Esto completa el proceso de escritura de datos en una célula.

Borrado de datos

El proceso de borrado de datos consiste en liberar los electrones atrapados en la capa de puerta flotante. Simplemente aplicando un alto voltaje al sustrato, los electrones son atraídos por el campo eléctrico y vuelven al sustrato a través de la capa túnel, restaurando así la célula a su estado original.

Es por este principio de lectura y escritura por lo que mucha gente se preocupa por la longevidad de las SSD. Esto se debe a que, al escribir datos, las SSD no sobrescriben directamente los datos originales, sino que primero los borran y luego los escriben. Cada vez que una célula pasa por un ciclo de borrado y escritura, la capa flotante de la puerta deja inevitablemente algo de carga. Al igual que cuando se escribe en un papel con un lápiz, escribiendo y borrando y escribiendo, el papel acabará borrándose. Lo mismo ocurre con las unidades SSD.

Sin embargo, esto no es algo que deba preocuparnos al usuario medio. Tomemos un estado sólido de 512G:

Un volumen de escritura diario de 140G también necesita diez años para agotar la vida útil, además, muchos usuarios no tienen un volumen de escritura tan alto.

Así que los SSD pueden seguir usándose con confianza.

Lectura de datos

Cuando sólo hay unos pocos electrones en la capa de puerta flotante (estado de almacenamiento 1), aplicamos un voltaje bajo en el polo de control, lo que hace que los electrones se sientan atraídos por la parte inferior de la capa de tunelización, pero debido al bajo voltaje los electrones no pueden atravesar la capa de tunelización, formándose así una zanja conductora entre la fuente y el drenador, y se puede formar una corriente aplicando un voltaje entre la fuente y el drenador.

Y cuando se almacena un gran número de electrones en la capa de puerta flotante (estado de almacenamiento 0), se aplica la misma tensión baja en el polo de control. Dado que los electrones almacenados en la capa de puerta flotante tienen un efecto repulsivo sobre los electrones del sustrato, no se puede formar un canal conductor en el sustrato, lo que impide la generación de corriente entre la fuente y el drenaje.

Por lo tanto, si se detecta corriente durante la lectura, el estado de la celda es 1 y viceversa 0. De este modo se completa la lectura de los datos en la celda.

Escritura de datos en el módulo de almacenamiento

Dado que el número de unidades de almacenamiento en las SSD es muy grande, si cada módulo se configura con un interruptor controlado de forma independiente, esto conducirá inevitablemente a una estructura de módulos redundantes y a una reducción de la eficiencia del almacenamiento. Por lo tanto, se utiliza un control modular para reescribir los datos dentro del módulo de almacenamiento.

En la Fig. se muestra un diagrama esquemático de un módulo de almacenamiento. Cada fila es un byte de almacenamiento y contiene un total de ocho unidades de almacenamiento. Cada columna de unidades de almacenamiento conectadas en estructura en serie, la fila superior y la siguiente fila de transistores, se utilizan para controlar cada bit (columna) de la operación de escritura; cada fila de unidades de almacenamiento de la puerta por un electrodo de control unificado.

Cuando se desea realizar una operación de escritura en una celda determinada (por ejemplo, la primera columna de la cuarta fila), se da al transistor de control de la primera columna un sesgo cero, de modo que se aplica una tensión alta bajo la puerta de la cuarta fila para que la puerta flotante de esa celda pueda almacenar carga. Mientras que a los otros transistores de control se les da un voltaje bajo de 2V para que se forme una corriente y debido al efecto de canal las otras celdas de la cuarta fila no puedan almacenar carga.

IV. Resumen

Las unidades de estado sólido interactúan electrónicamente en todo momento, y la velocidad de las señales electrónicas es mucho mayor que la de las estructuras mecánicas como los brazos de los cabezales y los discos. Si los datos se dispersan aleatoriamente por todos los rincones del disco, entonces el disco duro mecánico necesita pasar por múltiples búsquedas y direcciones, y esperar a que los sectores giren bajo el cabezal magnético muchas veces, por lo que el disco duro mecánico en la lectura de archivos dispersos, el rendimiento es muy débil y lento, es decir, bajo rendimiento de lectura/escritura aleatoria.

En nuestra vida diaria, el mayor impacto en nuestra experiencia es la capacidad de lectura / escritura aleatoria del disco duro, al igual que muchos programas se compone de muchos archivos pequeños, el más destacado de los cuales es nuestro sistema operativo Windows, abra el disco c del ordenador se puede ver, el sistema operativo se compone de innumerables archivos pequeños dispersos, estos archivos no son grandes, pero muy dispersos, si se trata de un disco duro mecánico para leer estos datos dispersos, debido a cada Si se trata de un disco duro mecánico para leer estos datos dispersos, debido a que cada archivo se encuentra en una ubicación diferente en el disco, limitado por la estructura mecánica del disco, la lectura de estos producirá una larga espera. Por eso, el disco del sistema debe ser una unidad de estado sólido.

Además, con la innovación de la tecnología de estado sólido, el precio es cada vez más bajo, la capacidad es cada vez mayor, los usuarios comunes no necesitan preocuparse por la vida útil del estado sólido, estas ventajas hacen que el disco duro de estado sólido sea la primera opción de los usuarios.