Her gün, defalarca bilgisayarımızın USB portuna takıp gerekli gördüğümüz verileri kolaylıkla yanımıza alabilmemize olanak sağlayan, “kalıcı” (“nonvolatile”) belleklerin gelişimini, sağladığı faydaları ve bugün bulunduğu noktayı düşündünüz mü? Gelin biraz düşünelim.

GİRİŞ

Merhaba sevgili BilişimDergi okurları.

Proje ve araştırmaların yoğunluğundan dolayı bir önceki sayıda yazamadığımdan ve “Mobil Oyun Geliştirme” yazı dizisine devam edemeyeceğimden dolayı sizlerden özür diliyorum fakat elimden geldiğince sizlerle burada bir takım yazıları paylaşmaya devam edeceğim.

Bu ayki yazımda sizlerle kalıcı bellek teknolojilerini, flash bellekleri ve devamı olabilecek nitelikte olan SSD aygıtlarını kısaca incelemek istiyorum. Umarım faydalı bir yazı olur. İyi okumalar.

Bellek Nedir?

Bu soru aslında çok temel bir soru fakat değinmeden geçmek de istemediğimden küçük bir hatırlatma yapmak istiyorum.
 

Dijital dünyamızın 1 ve 0’lardan oluştuğunu hepimiz biliyoruz. Bu verilerin elektronik ortamda nasıl tutulduğu konusu ise dijital dünyanın temellerinin atıldığı 70’lere dayanmaktadır. Transistörler ve yarı iletken entegre devrelerin geliştirilmesi ile veri saklama yöntemleri de bu eksene doğru kaymaya başlamıştır. Analog dünyadan dijital dünyaya geçişte plaklardan, kasetlerden, flash belleklere geçişi rahatlıkla görebilmekteyiz. Lafı fazlaca uzatmadan en basit bellek yapısı olan DRAM bellek hücresi aşağıdaki gibi gösterilebilir.
 

Şekilde de görüldüğü gibi bir MOS ve bir kapasiteden oluşan bellek hücresi en basit bellek hücresidir. Bilgi kapasite üzerinde tutulur ve seçilen transistör üzerinde kapasite yüklenir ya da yük okunur. Yani kapasitenin yüklü olması durumunda (veya tersi) 1, yüksüz olduğu durumda 0 verisi bu yapı üzerinde tutulabilir. Yani bu yapı sadece 1 bit veri tutar. 1 byte’lık veri için bunlardan 8 tane yan yana paralel olarak eklenir. Bellek yapısı matris yapısında satır ve sütunlardan oluşur. Satır ve sütun girişlerine göre, bu matris yapıda istenen hücre seçilerek okuma veya yazma yapılabilir. Burada dikkat edilmesi gereken şey, kapasite üzerindeki yükün transistör kesimde olsa bile yükünü kaybedeceği gerçeğidir. Bu nedenledir ki, DRAM hücreler sürekli yenilenmek zorundadırlar ve sürekli gücün açık olmasına ihtiyaç duyarlar. Yani geçici (volatile) belleklerdir. Aynı biçimde SRAM hücreler de sürekli bir kaynağa ihtiyaç duyarlar. SRAM yapısı basit bir LATCH yapısındadır. Bu nedenle sürekli bir besleme gerilimine ihtiyaç duyar.
 

Şimdi burada keskin bir ayrım yapmak gerekir. RAM dediğimiz şey, (Random Access Memory) sürekli besleme gerilimine ihtiyaç duyan ve mimaride CPU için geçici bellek ihtiyacını karşılayan yapılardır. NV (nonvolatile ) kalıcı bellekler ise üzerinde tuttukları veriyi besleme gerilimine ihtiyaç duymadan saklayabilen belleklerdir. Bunlar gelişim aşamasına göre ROM, PROM, EPROM, EEPROM/FLASH olarak sıralanabilir.
 

Burada ROM, PROM ve EPROM çok yeni teknolojiler olmadığından dolayı inceleme yapmaya gerek görmediğim konular olmakla beraber kısaca değinmekte fayda görüyorum.

ROM  (Read Only Memory): Sadece okunabilen belleklerdir. Kalıcıdır. Kalıcı olmaması mümkün değildir çünkü entegre devre üretim aşamasında yüklenir ve matris üzerindeki satır ve sütun kesişmelerinde transistorün olup olmamasına göre 1 ve 0 verisi ifade edilir.
 

PROM (Programmable ROM): Bu bellekler tek sefer programlanır ve bir daha programlanamazlar. FUSE denilebilen yok edilebilir bağlantılar sayesinde tek seferlik yüksek gerilimler altında programlanırlar ve tekrar programlanamayacak biçimde sadece okunabilen bellek olarak kalırlar.
 

EPROM (Ereasable PROM): Silinebilen ve tekrar yazılabilen belleklerdir. Bu bellekler günümüz flash bellek teknolojisinin temelini oluştururlar. Silme işlemi UV ışınları ile yapılır.

NV EEPROM/FLASH Hücre Yapısı
 

NV bellekleri gelişim sırasına göre yukarıdaki biçimde sıraladıktan sonra elektriksel olarak silinebilen kalıcı bellek tipi olan EEPROM/FLASH bellekleri inceleyebiliriz.

EEPROM hücresi satır sütun mantığına göre yandaki biçimde görülebilir. Yüzer geçit (floating gate) olarak adlandırılan yapı sayesinde veriler güç kesildiği durumlarda da bellek hücresinde tutulmaktadır. Bu işleyişi anlamak için öncelikle yüzen geçitli transistorü anlamak gerekir.

Floating gate transistör biçimindeki EEPROM veya FLASH hücreleri asıl kontak geçidi ile taban arasına başka bir poly geçit katmanı oluşturulması ile elde edilmiştir. EPROM yapılarından itibaren kullanılmaya başlayan bu teknoloji sayesinde yük sabit bir ara geçit üzerinde biriktirilir. Geçitler arasının yalıtkan olması nedeni ile normal şartlar altında bu yük, teorik olarak transistör kaynak veya savak ya da taban kısımlarına akmaz ve bilgi olarak tutulur.

Temel çalışma ilkesi aşağıdaki şekilde ifade edilmiştir.

Normal bir MOS transistör çalışma biçimi, geçide uygulanan gerilim sayesinde (eşik geriliminden daha yüksek bir gerilim – Vg>Vth) kanalın iletken hale gelip kaynak ile savak arasındaki akımın, geçide uygulanan gerilimle kontrol edilmesi ilkesine dayanır. Bunu, içinden su akmakta olan bir hortumu sıkmak ya da gevşetmek ile akının kontrol edilmesine benzetebiliriz.

Yandaki şekilde ise bir floating gate transistör görülmektedir. Burada birinci geçit oksidinin çok ince bir tabakadan oluştuğuna dikkat etmek gerekir. Üst katman geçit polisilisyum yapısı ile gövde arasında ikinci bir poli yapısı görülmektedir. Bu ara katman yüzer geçit (floating gate) olarak adlandırılır. Yüzer geçit ile taban arasındaki oksit kalınlığı özellikle çok ince tutulmuştur. Transistör iletimde iken yüksek gerilim (10 V gibi.  Transistör boyutlarının küçük olması sayesinde yeterli elektrik alan şiddeti için daha az gerilime ihtiyaç duyulmuştur. Örrneğin 5V) uygulanan kaynak ve savak arasından akan akım bileşenlerinden bazıları yüksek enerjili elektronlardır. Geçide uygulanan gerilim, geçit ve taban arasında yüksek bir alan şiddetine neden olur. Elektronlar, kanal boyunca ilerlerken güçlü dikey alan etkisine de kapılırlar ve bir kısmı ince geçit oksidini delerek yüzer geçide (floating gate) ulaşırlar. Böylelikle, yüzer ara geçit üzerinde yükler birikmiş olur. Tersi durumunda ise buradaki elektronlar savak üzerinden yüklerini boşaltarak silinme moduna geçerler. Temel flash yapsı bu şekilde çalışmaktadır.
 

Aşağıdaki şekilde ise bu yapı daha net görülmektedir.

Geçit oksidi olarak gösterilen bölge, kanaldan geçide yüklerin geçişi sırasında kullanılan bölgedir. Sıcak taşıyıcılar, (yüksek enerjili elektronlar) buradaki oksidi delerek geçide ulaşırlar. Böylelikle, elektrik alan kaldırıldığında geçit üzerinde yükler uzun süreler boyunca sabit kalabilir. Bu nedenle, kalıcı (nonvolatile ) olarak adlandırılırlar. Yüklenen geçit, ters alan etkisi altında, tünel oksidi üzerinden boşalır. Böylelikle silme işlemi gerçekleşir. EEPROM ile FLASH arasındaki tek fark silme işlemindedir. EEPROM sadece silinmesi gereken hücreleri silerken FLASH teknolojisi blok silme işlemi yapar. Bu sayede daha hızlıdır fakat ömrü daha azdır.

Solid State Disk (SSD) Nedir?

Solid State Disk kavramı kısaca çok geniş ölçekli NAND (veya NOR) bellek teknolojisidir. Klasik manyetik diskler yerine flash teknolojisi kullanılarak (ya da başka teknolojiler) oluşturulan yüksek kapasiteli bellek yapılarıdır. Manyetik disklere göre birtakım avantajları vardır. Sıralayacak olursak,

Yüksek okuma-yazma, yükleme performansı

Düşük güç gereksinimi

Az yer kaplama

Güvenilirlik

Gelişmiş çalışma biçimi (sessiz, ısınmaz)

Aşağıdaki şekilde ise bir solid state disk görülmektedir.

Yukarıdaki avantajları sayesinde yakın gelecekte mekanik manyetik diskler yerine SSD aygıtların kullanılacağını tahmin etmek pek de zor değil. Günümüz tümdevre teknikleri belirli sınırlara dayansa da avantajları bakımından SSD’ler diğerlerine göre bir adım önde ve tercih edilmeye başlayacak gibi görünüyor.

Başka bir yazıda tekrar görüşmek dileğiyle. Esenlikler.

Kaynaklar:

• www.vikipedia.org

• www.chip.com.tr

• Advenced Semiconductor Memories

• Flash Memories