Computer Hard disk and next Generation Memory part-1

COMPUTER HARD DISK AND NEXT GENERATION MEMORY  

                            (part-I)      

শ্রী শান্তি পদ চক্রবর্তী, FELLOW MEMBER OF INSTITUTION OF ENGiEERS (INDIA), (spc_2008@yahoo.com)

প্রাক্তন সুপারিনটেণ্ডিং ইঞ্জিনিয়ার (ইলেক্ট্রিক্যাল),WBSEB                

     1. হার্ড ডিস্ক ড্রাইভ (Hard Disk Drive, HDD):- হার্ড ডিস্ক ড্রাইভ হল ডাটা স্টোর করার ডিভাইস। এতে ডিজিট্যাল ডাটা স্টোর করতে ও তা পুনরুদ্ধার করতে magnetic material এর প্রলেপ লাগানো দ্রুতগতির rotating ডিস্ক ব্যবহার করা হয়। পাওয়ার অফ থাকলেও হার্ড ডিস্ক ড্রাইভে সঞ্চিত করে রাখা ডাটা পুনুরুদ্ধার (retrieve) করা যায়। Random-access পদ্ধতিতে ডাটা রিড (read) করা হয়। অর্থাৎ প্রত্যেক ডাটা ব্লক স্টোর বা পুনুরুদ্ধার করা যায় যে কোন ক্রমে। এতে এক বা তার বেশী সংখ্যক শক্ত এবং দ্রুত ঘূর্ণায়মান ম্যাগনেটিক হেড আছে যা চলন্ত actuator arm এ লাগান থাকে ও ডিস্কের উপরিতলে read ও write করার জন্য ব্যবহৃত হয়। ঘুর্নণের স্পীড মিনিটে ৪৫০০-৭২০০ (rotation per minute, rpm)।

   ১৯৬০ সাল থেকে HDD ক্রমাগত উন্নত করা হয়েছে এবং সার্ভার ও কম্পিউটারের secondary স্টোরেজ ডিভাইস হিসাবে ব্যবহৃত হচ্ছে। ২০০ এর বেশি কোম্পানী HDD তৈরী করে। সিগেট, তোশিবা, ওয়েষ্টার্ন ডিজিটাল, ফুজিতসু, হিতাচি ইত্যাদি কোম্পানিগুলি আধুনিক ইউনিট বানাচ্ছে। সারাবিশ্বে HDD বিক্রির অর্থ প্রায় ৩৩ বিলিয়ন ডলারে পোঁছোবে, 2012 সালে যার পরিমাণ ছিল ৩৭.৮ বিলিয়ন ডলার।

   Hard disk এর প্রাথমিক বৈশিষ্ট হলো এর capacity ও কর্মক্ষমতা। Capacity 1000 (১০^৩) এর পাওয়ারে হয়। 1 Terabyte (TB) drive এর capacity হচ্ছে 1000 Gigabyte (GB), আর 1 Gigabyte = 1000 Megabyte (MB) , 1 Megabyte = 1000 Kilobyte (KB), এবং 1 Kilobyte = 1000 Bytes। আধুনিক HDD সাধারণত ২ প্রকারের গঠন (form factor) হয়,  ডেস্কটপ কম্পুউটারে ব্যবহার করার জন্য HDD গুলি ৩.৫” ও ল্যাপটপে ব্যবহৃতগুলি 2.5”। HDD এর সাথে standard স্ট্যাণ্ডার্ড ইনটারফেস (interface) হচ্ছে  SATA (Serial ATA), USB বা SAS (Serial attached SCSI) কেবল (cable)।

     বর্তমানের ড্রাইভগুলোতে স্পিণ্ডলে প্রতিটা magnetic platter surface এর উপর একটা হেড থাকে common আর্মে। Actuator arm (বা access arm) যখন হেডটাকে প্ল্যাটারের উপর আর্কে ঘোরায় (মোটামোটি radially), তখন প্রতিটা হেড প্ল্যাটারের পুরো তল access করতে পারে। আর্ম ভয়েস কয়েল অ্যাক্চুয়েটার ব্যবহার করে ঘোরে, কিছু পুরনো ডিজাইন স্টেপার মোটর ব্যবহার করে। আগেকার প্রজন্মের হার্ড ড্রাইভগুলি একটা নির্দিষ্ট বিট/সেকেণ্ড হারে ডাটা লেখে, ফলে সব ট্র্যাকে ডাটা/ট্র্যাক সমান থাকতো। কিন্তু আধুনিক ড্রাইভগুলি (১৯৯০ সাল থেকে) জোন বিট রেকর্ডিং ব্যবহার করছে — write স্পিড বাড়িয়ে ভিতর থেকে বাইরের জোনের দিকে, ফলে বাইরের জোনের দিকে প্রতি ট্র্যাকে বেশী ডাটা স্টোর থাকে। 

  

   প্ল্যাটার (platter) nonmagnetic বস্তু দিয়ে তৈরী, এতে পাৎলা ferromagnetic বস্তুর প্রলেপ থাকে এবং সাধারনত 20 nanometer (nm) মোটা হয় (Ref.- স্ট্যাণ্ডার্ড কাগজ সাধারণত 70,000-180,000 nm thick হয়। HDD  পাৎলা  ferromagnetic film কে magnetize করে  ডিস্কে  ডাটা রেকর্ড করে। পরপর magnetization এর পরিবর্তন বাইনারী ডাটা bit এর প্রতিনিধিত্ব (represent) করে। ডিস্ক থেকে ডাটা read করা হয় magnetization এর পরিবর্তন detect করে। তথ্য প্ল্যাটারে write করে ও প্ল্যাটার থেকে read করে যখন এটা ঘোরে ও read-and-write হেডগুলোর কাছে আসে। হেডগুলো magnetic তলের খুব কাছাকাছি (প্রায়ই কয়েক দশক nanometer) চলে। Read-and-write হেড তখনি magnetization detect ও modify করে।  এখনকার HDD পাওয়ার দক্ষ পোর্টেবল ডিভাইস 4,200 rpm এ এবং সার্ভারে 15,000 rpm এ ঘোরে। বর্তমানে বেশীর ভাগ HDD ডিস্ক 5,400 থেকে 7,200 rpm এ ঘোরে।  

   বর্তমানে Flash মেমোরী HDD এর বদলে SSD secondary storge হিসাবে ব্যবহৃত হচ্ছে।

     2. পরবর্তী প্রজন্মের মেমরি (NEXT GENERATION  MEMORY):-    আজকে আমাদের জীবনে অনেক অপরিহার্য পোর্টেবল ডিভাইসের অত্যন্ত গুরুত্বপুর্ন অংশ হল মেমোরী। আজকের কম্পুটিং ব্যবস্থার মেমোরী প্রযুক্তি ১৯৭০ সালে semiconductor শিল্পের শুরুতে বেরিয়েছে। Solid State Memory - Static RAM (SRAM), Dynamic RAM (DRAM) ও flash memory (প্রথমে EEPROM) ট্রান্সিস্টরে ইলেক্ট্রন স্টোরেজ ভিত্তিক, যেখানে mechanical মেমোরী, tape ও হার্ড ডিস্ক ড্রাইভ (HDD) magnetic স্টোরেজের উপর নির্ভরশীল। এই দুটি স্টোরেজ মাধ্যমের জীবন (life) আশ্চ্যর্যজনক ভাবে দীর্ঘ। Moore’s Law অনুযায়ী প্রত্যেক দু'বছরে ইন্টিগ্রেটেড সার্কিটের প্রতি বর্গ ইঞ্চিতে ট্রান্সিস্টরের সংখ্যা, প্রসেসরের গতি বা processing power দ্বিগুণ হয়। এই প্রযুক্তির বৃদ্ধি (scalability) দেখে বোঝা যায় কিভাবে এগুলো ক্রমশ বেশী জটিল এবং উন্নতমানের কম্পুটিং ডিভাইস আসতে প্রধান ভুমিকা নিয়েছিল।

  স্মার্টফোন ও ট্যাবলেটে মেমোরীর দাম সবচেয়ে দামী অংশ ডিসপ্লের প্রায়ই সমান ও CPU এর থেকেও বেশী। যেহেতু লক্ষ লক্ষ ব্যবহারকারীদের বিপুল পরিমান ডাটার চাহিদা বাড়ছে, তাই কম্পুউটিং ডিভাইসে Solid State drive (SSD) এর উদ্ভব হয়েছে।

     দ্রুত density র বৃদ্ধি (scale) ও মেমোরীর দাম কমা সম্ভব হয়েছে প্রযুক্তি উন্নত করে, সাইজ ছোট করে এবং মেমোরী-bit সাইজ ছোট করে। কিন্তু দুর্ভাগ্যবশত বৃদ্ধি (scalling) স্টোরেজ ফিজিক্সের সীমায় পোঁচেছে, দাম/ডেন্সিটি গ্রাফ পরিচালনা করা অসুবিধা হচ্ছে। উন্নত 20 nm NAND multilevel cell (MLC) মেমোরী ইউনিটে মেমোরী স্টোর করা হয় মাত্র কয়েক দশক electron এ। মেমোরী বিট এর পরিচালনা উন্নত করতে হবে যাতে সেটা সিস্টেম ব্যবহার করতে পারে। সৌভাগ্যক্রমে, বর্তমান তৈরী করার টুল ধাতুর আনবিক (atomic) স্তরে কাজ করতে পারে, সঙ্গে সঙ্গে প্রাথমিক স্তরে স্টোরেজ ফিজিক্সও বুঝতে পারে। এভাবে অনেক নুতন মেমোরীর দরজা খুলছে।

   সবাই একমত আজকের মেমোরী প্রযুক্তি যেমন NAND flash অনেক জেনারেশন scaleble থাকবে, কিন্তু শীঘ্রই ফিজিক্যাল সীমাবদ্ধতা scaling এর গতিকে ধীর করবে এবং কার্যকারিতা কমে যাবে। মেমোরী প্রযুক্তির পরিচালনা আরও দক্ষভাবে করতে হবে দীর্ঘায়ুর জন্য। নুতন টাইপের মেমোরী চালু করা জটিল: স্টোরেজ ফিসিক্স ঠিক মত বোঝা যায় না।

   বর্তমান প্রযুক্তির scaling দুর্বলতার জন্য নুতন ধরনের মেমোরী ব্যবহার হতে পারে। Phase change memory (PCM), magnetic memory ও ফেরোম্যাগনেটিক মেমোরীগুলো সব বিভিন্ন ঘনত্বের ও লিথোগ্রাফির স্তরে এসেছে। এর মধ্যে PCM স্তরের ঘনত্ব ও প্রায় আধুনিক লিথোগ্রাফি তে এসেছে। PCM DRAM ও NAND এ কিছু নুতন বৈশিষ্ট্য যুক্ত করেছে। যদিও PCM প্রথম তবে আরও অনেক প্রযুক্তি তৈরীর স্তরে আছে।

   বর্তমানে এই শিল্পটি এক কঠিন বাধার মুখোমুখি: নুতন ধরনের মেমোরী উদ্ভাবন করা যা আরও ডেন্সিটি বাড়াতে (scaling) পারে ও তা কম্পুউটার ব্যবস্থায় প্রয়োগ করা। এই চ্যালেঞ্জগুলো আরও জটিল হবে কারন নুতন টাইপের memory এর কাজ  বর্তমান গুলোর থেকে আলাদা। হার্ডওয়্যারে কি রকম মেমোরী ব্যবহার হয় তা নির্দিষ্ট হয় এদের access granularity, access latency, volatility, পাওয়ার খরচ ও দাম দ্বারা। মেমোরী hierarchy বহুস্তরে (multitier) উত্তরন হয়েছে; সাথে নানা স্তরের SRAM এ caching, DRAM এ প্রধান মেমোরী, HDD তে fast স্টোরেজ, এখন SSD তে ও  টেপে slow স্টোরেজ রাখছে।  

  মেন কোড ও ডাটা স্টোরেজের সাধারন মেমোরী DRAM পাওয়ার চলে গেলে ভুলে (erase) যায় যার অর্থ ডাটা ফেরত (retrieve) পাওয়া যায় না। আরও খারাপ হচ্ছে পাওয়ার থাকা অবস্থাতেও ভুলে যায়, ফলে কিছুক্ষন অন্তর refresh করতে হয়। Refresh করতে সময়, পাওয়ার ও কম্পুউটার resource লাগে। Refresh করা অসুবিধাজনক হলেও DRAM তৈরী করতে যুক্তিসঙ্গত খরচ লাগে এবং এটা scalable; সিস্টেম ডিজাইনররা দুর্বলতাগুলো দুর করতে শিখেছে। অন্য মেমোরী প্রযুক্তিতেও এসব দেখা যায়, কোনটাই নিখুঁত নয়।

  অনেক নুতন টাইপের মেমোরী ব্যবসায়িক উন্নতির বিভিন্ন স্তরে উল্লেখযোগ্য challenge এর মুখোমুখি হচ্ছে।

    3. ন্যান্ড ফ্ল্যাশ মেমোরি (NAND flash memory) – প্রতিবন্ধকতা ও সুযোগ:- ১৯৮৭ সালে NAND flash মার্কেটে আসার পর এর তুলনামুলক কম দাম, compact সাইজ, স্পিড, শক্তপোক্ত ও নিশব্দ চলা একে মোবাইল প্লাটফর্ম - স্মার্টফোন ও ট্যবলেটে জনপ্রিয় করেছে এবং এটা হার্ডডিস্ক ড্রাইভের বদলে অনেক ক্লায়েন্ট ও সংস্থার অ্যাপ্লিকেশনে ব্যবহার হচ্ছে। এটা digital camera, computer, স্মার্টফোন ও নানা ডিভাইসে ব্যবহার হয়।

   বর্তমানে ডেভেলাপাররা সফলভাবে 2D NAND Flash কে sub 20 nm প্রযুক্তিতে scale করেছে কিন্তু আরও 2D scaling একটা challenge। যদিও নুতন বিকল্প যেমন 3D resistive RAM (ReRAM) এর লক্ষ 2D NAND flashকে সরানো কিন্তু অনুদ্বায়ী স্টোরেজের মধ্যে NAND বেশী পছন্দের ও এর পাওয়ার খরচ কমের জন্য ফ্ল্যাশ প্রযুক্তিকে সরানো কষ্টকর। স্টোরেজে ফ্ল্যাশ SSD প্রযুক্তি parallelism সহ অনেক কম পাওয়ারে ও দামে পাওয়া যায়। ফলে প্রতি সেকেণ্ডে বেশী I/O operation করা যায়। NAND flash DRAM এর বাজার দখল করবে অনেকটাই। আশা করা যায় ভবিষ্যতের কম্পুটিং প্লাটফর্ম মোবাইল, সংস্থা ও client product ডিজাইনে NAND ফ্ল্যাশ এর ব্যবহার সর্বোচ্চ করবে। Gertner সঠিক ভাবেই পুর্বাভাস করেছে যে সমস্ত অ্যাপ্লিকেশন আগামি 5 বছরে দ্বিগুণ হবে ও ঐ সময়ে SSDর capacity গড়ে 4 গুণ থেকে 5 গুণ বাড়বে। ফ্ল্যাশের ব্যাপক ব্যবহার ও scaling দাম কমাবে। 19 nm ও তার নিচের (beyond) NAND flash এর reliability বজায় রাখতে জোরালো মেমোরী ও সিস্টেম algorithm চাই। মেমোরী প্রযুক্তি উন্নত, বিশ্বস্ত, কম পাওয়ার ও বেশী স্পিডের I/O ইনটারফেস উদ্ভাবনের জন্য চেষ্টা চলছে।

   ARCHITECHTURAL IMPROVEMENNTS:- অনেক বছর ধরে half-bit-line (HBL) বা shielded bit-line প্রযুক্তি প্রচলিত ছিল যাতে সিস্টেম word line এ শুধু অর্ধেক সেলে read ও write করতো। 2008 এ ScanDisk all-bit-line(ABL) প্রযুক্তি চালু করে।

    HBL এর থেকে ABL এক উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি। Read ও write করার কাজ দ্বিগুণ হারে করা যায়। ABL প্রযুক্তি উন্নত ও বিশ্বাসযোগ্য। HBL প্রযুক্তিতে reading বা প্রোগ্রামিং একই word line cell কে দুবার উচ্চ ভোল্টেজের চাপ দেয়। ABL প্রযুক্তিতে একই সংখ্যক cell এ write করতে word line কে এক বার চাপ দেয়। প্রোগাম ও read করার সময় দ্বিগুন ভোল্টেজ চাপ (stress) মেমোরী সেলের ক্ষতি করে, যেটা ABLএ হয় না।                                               

   যখনই ডেভেলাপাররা NAND flash কে 20 nm এর নিচে scale করতে যায় দুটো পাশাপাশি সেলের দুরত্ব কমে যায় ও সেল থেকে সেলের মধ্যে interference বেড়ে যায়। HBL প্রযুক্তিতে, ডেভেলাপাররা অবশ্যই পরপর বিজোড় ও জোড় বিট-লাইন সেল প্রোগ্রাম করবে। অন্যদিকে ABL এ পাশাপাশি সেলের interference কমার কারণে এটাতে সব সেল একসঙ্গে প্রোগ্রাম করে।

    এছাড়া ABL প্রযুক্তি X3 NAND flash (three bits per cell, triple-level cell অথবা TLC ও বলে)  removable card ও স্মার্টফোনের embedded মেমোরীতে  ও SSD client স্টোরেজে ব্যবহার করা যাবে।  2012 সালে International Solid-State Circuits Conference এ SanDisk 128-Gbit X3 18-Mbps write রেট ডেভেলাপের কথা বলেছে। X3 NAND flash write এর এই উন্নতি client application এর সুবিধা করবে ও দাম কমাবে।  

      RELIABILITY ENHANCEMENT:- NAND flash এর reliability ও সম্ভাব্য জীবন দৈর্ঘ্য (life) application এর উপর নির্ভরশীল। NAND flash ডিভাইসে প্রোগ্রাম ও erase cycle tunnel oxide এর ক্ষতি করতে পারে, দুটোই সহ্যশক্তি (endurance) কমাবে। বিশেষকরে tunnel-oxide এর ক্ষতি হলে প্রোগ্রাম ও retention error আরও বেশী হতে পারে।

  প্রযুক্তি scaling যতই কমবে state distribution ততই চওড়া হবে ও margin আরও সঙ্কুচিত হবে।

     STROGER ERROR CORRECTION CODE:- ডিজাইনাররা error correction code (ECC) ব্যবহার করে স্টোর করা ডাটাতে bit-correction দিয়ে বিশ্বস্ত করে। যদি ডাটা ageing বা read বা প্রোগ্রাম disturb এর জন্য ক্ষতিগ্রস্ত হয়, ECC ভুল শোধরাতে পারে এবং নিশ্চিত করে যে সিস্টেম যাতে সঠিক ডাটা read করতে পারে। বিশ্বাসযোগ্যতা বাড়াতে flash মেমোরী user ECC শক্তিশালী করে বর্তমান low density parity check code (LDPC) কে  BOSE-Chowdhury-Hocqengham (BCH) code দিয়ে correction করা হয়।

       REDUCED WRITE APPLICATION:- প্রোগ্রাম করার আগে সিস্টেম অবশ্যই ব্লক স্তরে NAND flash মেমোরী erase করবে। যদি ব্লকে কিছু page এ valid ডাটা থাকে ও ব্লকের কিছু page এ ডাটা obsolete হয়, সিস্টেম অবশ্যই valid ডাটা read করবে ও অন্য ব্লকে rewrite করবে। Garbage সংগ্রহের জন্য সিস্টেমকে অনেকবার host ডাটা লিখতে হয় তার জন্য write amplification বাড়ে।   

   LESS CELL-TO-CELL INTERFERENCE:- NAND deep scalling এ প্রভাব ফেলে। দুটো সেলের মধ্যে দুরত্ব কমে গেলে interference বাড়ে। NAND flash 160 nm থেকে 19 nm এ উন্নীত করার জন্য interference 14 গুন বেড়ে গিয়েছে। অনেক প্রোগ্রাম আছে interference কমাবার জন্য। একটা পদ্ধতিতে 4bit-per-cell program এ 3-pass program ব্যবহার করে সেলে সেলে coupling এর প্রভাব কমায়। SanDisk একই রকম algorithm বাবহার করে 19 nm X3 NAND flash এ 95% coupling এর প্রভাব কমিয়েছে।

    ENERGY REDUCTION:- প্রত্যেক application এর ব্যাটারী লাইফ আছে তাই পাওয়ার খরচ কমান দরকার। NAND Flash মেমোরী NOR এর থেকে উন্নত। বেশী parallelism কর্মক্ষমতা বাড়ানোর একটা উপায়। কিন্তু বেশী parallelism পাওয়ার খরচ বাড়ায়। High speed I/O interface পাওয়ার সমস্যা বাড়ায়। Vcc কমিয়ে কম পাওয়ারের NAND মেমোরী ডিজাইন করা হয়। পাওয়ার সাপ্লাই ভোল্টেজ 3v থেকে কমিয়ে 1.8v করলে পাওয়ার সমস্যার সমধান করা যায়। ভবিষ্যতের flash মেমোরী ডিজাইনে logic ও I/O circuit এ 1.2v সাপ্লাই ভোল্টেজ লিমিট করা হবে। NAND Flash এ পাওয়ার সাপ্লাই ভোল্টেজ 1.2v করলে peripheral transistor এ gate-oxide thickness 3-nm করতে হবে, যা খরচ বাড়াবে।  

            (ক্রমশ) ২০/৩/১৫