Постоянные запоминающие устройства
Под ПЗУ обычно подразумеваются жесткие диски либо твердотельные накопители (flash-память).
Жесткие диски
Типичный жесткий диск состоит из:
- Нескольких быстро вращающихся дисков, покрытых магнитным материалом
- Ротора
- Магнитных головок чтения-записи
- Магнитомеханической системы позиционирования головок (в более старых реализациях – электромеханической)
- Схемы контроллера
Жесткие магнитные диски изобретены в декабре 1954 года в недрах компании IBM. Первые жесткие диски обладали потрясающим воображение объемом в 3.75 MiB и весили по 900 кг. С тех пор, конечно, технология ушла далеко вперед, однако принципиальное устройство не изменилось.
Скорость вращения первых жестких дисков составляла 1200 об/мин. У современных варьируется от 4200 до 15000. Чем выше скорость вращения дисков, тем меньшее время необходимо для доступа к ячейке.
Сами диски обычно состоят из немагнитного материала, например аллюминиевых сплавов или керамики, и покрыты тонким слоем магнитного сплава толщиной 10-20 нм с высокой коэрцетивной силой (т.е. для перемагничивания необходимо большое локальное магнитной поле).
Ячейки представляют из себя магнитные микродомены. Головки чтения-записи находятся на расстоянии нескольких десятков нанометров от поверхности диска, что позволяет создавать достаточно мощные магнитные поля при сравнительно низких энергозатратах (из курса физики известно, что магнитное поле линейно убывает с квадратом расстояния, \(H\sim\frac{1}{r^2}\))
“Классическая” ориентация намагниченности доменов – в плоскости диска. В последние годы появилась технология перпендикулярного направления доменов намагниченности. Это позволяет увеличить плотность записи в несколько раз ценой увеличения толщины магнитного слоя и усложнения производства головок чтения-записи.
Твердотельные накопители
Твердотельные накопители работают по совершенно иному принципу. В основе технологии flash-памяти лежит технология EPROM, та же технология на протяжении долгого времени использовалась в чипах перепрограммируемых чипах, таких как BIOS.
EPROM в качестве ячеек памяти использует полевые транзисторы с плавающим затвором.
Собственно информация в такой ячейке памяти хранится в виде заряда на плавающем затворе, электрически изолированном от всей остальной цепи (что делает подобную ячейку памяти энергонезависимой).
При записи данных в такую ячейку, используется эффект туннелирования электронов через изолятор (закон Фаулера-Нордгейма). При подаче высокого напряжения (13-15 вольт) между истоком и управляющим затвором (Source и Control Gate на картинке), электроны туннелируют в плавающий затвор (Floating Gate), и начинают экранировать поле управляющего затвора (Control Gate), чем значительно изменяют вольт-амперную характеристику транзистора, повышая сопротивление между истоком и стоком.
При перезаписи, между истоком и управляющим затвором прикладывается электрическое поле с обратным знаком (15-20 вольт), в результате чего электроны из плавающего затвора туннелируют в исток.
При чтении, подается низкое напряжение между истоком и управляющим затвором, при этом сопротивление между истоком и стоком (а следовательно, ток и падение напряжения) будет завистеть от заряда на плавающем затворе.
Наличие электронов на плавающем затворе соответствует логическому нулю (транзистор открыт), отсутствие – логической единице (транзистор закрыт).
Основным недостатком технологии является износ изолятора, и, следовательно, ограниченное число циклов перезаписи. Ячейки памяти могут соединятся друг с другом двумя основными способами.
NOR-flash соединяет транзисторы с плавающим затвором аналогично логическому элементу ИЛИ-НЕ. NAND-flash соединяет транзисторы аналогично элементу И-НЕ. Основными недостатками NOR-flash являются больший расход материалов на проводники, и как следствие, меньшая плотность ячеек. В SSD и USB-flash накопителях сейчас используется в подавляющем большинстве случаев NAND-flash.
