خلية متعددة المستويات

في مجال الإلكترونيات ، تُعرف الخلية متعددة المستويات ( MLC ) بأنها خلية ذاكرة قادرة على تخزين أكثر من بت واحد من المعلومات، مقارنةً بالخلية أحادية المستوى ( SLC ) التي لا تستطيع تخزين سوى بت واحد لكل خلية ذاكرة. تتكون خلية الذاكرة عادةً من ترانزستور MOSFET واحد ذي بوابة عائمة ( ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة )، وبالتالي فإن الخلايا متعددة المستويات تقلل من عدد ترانزستورات MOSFET المطلوبة لتخزين نفس كمية البيانات التي تخزنها الخلايا أحادية المستوى.

تُعدّ الخلايا ثلاثية المستويات ( TLC ) والخلايا رباعية المستويات ( QLC ) نوعين من ذاكرة MLC، حيث تستوعب كل خلية منهما ثلاثة وأربعة بتات على التوالي. ويُستخدم مصطلح " الخلية متعددة المستويات" أحيانًا للإشارة تحديدًا إلى " الخلية ثنائية المستويات". وبشكل عام، تُسمى الذواكر كما يلي:

1. خلية أحادية المستوى أو SLC (بت واحد لكل خلية)
2. خلية متعددة المستويات أو MLC (بتّان لكل خلية)، أو بديلًا عنها خلية ثنائية المستوى أو DLC
3. خلية ثلاثية المستويات أو TLC (3 بتات لكل خلية) أو MLC ثلاثي البت
4. خلية رباعية المستويات أو QLC (4 بتات لكل خلية)
5. خلية خماسية المستوى أو PLC (5 بتات لكل خلية) - قيد التطوير حاليًا ^{[ 1 ]}

لاحظ أن هذه التسمية يمكن أن تكون مضللة، حيث أن " الخلية ذات المستوى n " تستخدم في الواقع 2 ⁿ مستوى من الشحنة لتخزين n بت (انظر أدناه).

عادةً، مع زيادة عدد "المستويات"، ينخفض ​​الأداء (السرعة والموثوقية) وتكلفة المستهلك؛ ومع ذلك، يمكن أن تختلف هذه العلاقة بين الشركات المصنعة.

من أمثلة ذاكرة MLC ذاكرة فلاش NAND من نوع MLC ، وذاكرة PCM ( ذاكرة تغيير الطور ) من نوع MLC، وغيرها. على سبيل المثال، في تقنية ذاكرة فلاش NAND من نوع SLC، يمكن لكل خلية أن توجد في إحدى حالتين، حيث تخزن بتًا واحدًا من المعلومات لكل خلية. تحتوي معظم ذاكرة فلاش NAND من نوع MLC على أربع حالات ممكنة لكل خلية، لذا يمكنها تخزين بتين من المعلومات لكل خلية. هذا يقلل من هامش الفصل بين الحالات، مما يؤدي إلى زيادة احتمالية حدوث أخطاء. تُسمى الخلايا متعددة المستويات المصممة لتقليل معدلات الخطأ أحيانًا بذاكرة MLC المؤسسية ( eMLC ).

ستساهم التقنيات الجديدة، مثل الخلايا متعددة المستويات وتقنية الفلاش ثلاثية الأبعاد، وزيادة أحجام الإنتاج، في خفض الأسعار. ^{[ 2 ]}

تخزن ذاكرة الفلاش البيانات في خلايا ذاكرة فردية، مصنوعة من ترانزستورات MOSFET ذات البوابة العائمة . تقليديًا، كانت لكل خلية حالتان محتملتان (لكل منهما مستوى جهد واحد)، حيث تمثل كل حالة إما واحدًا أو صفرًا، وبالتالي كان يتم تخزين بت واحد من البيانات في كل خلية فيما يُعرف بخلايا المستوى الواحد ، أو ذاكرة فلاش SLC. تتميز ذاكرة SLC بسرعات كتابة أعلى، واستهلاك طاقة أقل، وعمر أطول للخلايا. مع ذلك، نظرًا لأن ذاكرة SLC تخزن بيانات أقل لكل خلية مقارنةً بذاكرة MLC، فإن تكلفة تصنيعها أعلى لكل ميغابايت من التخزين. وبسبب سرعات النقل الأعلى والعمر المتوقع الأطول، تُستخدم تقنية فلاش SLC في بطاقات الذاكرة عالية الأداء . في فبراير 2016، نُشرت دراسة أظهرت فرقًا طفيفًا في الواقع العملي بين موثوقية SLC وMLC. ^{[ 3 ]}

قد يصل عمر ذاكرة الفلاش أحادية المستوى (SLC) إلى حوالي 50000 إلى 100000 دورة برمجة/مسح. ^{[ 4 ]}

تمثل الخلية ذات المستوى الواحد القيمة 1 عندما تكون شبه فارغة، والقيمة 0 عندما تكون شبه ممتلئة. توجد منطقة عدم يقين (هامش قراءة) بين الحالتين المحتملتين، حيث لا يمكن قراءة البيانات المخزنة في الخلية بدقة. ^{[ 5 ]}

تتمثل الميزة الرئيسية لذاكرة الفلاش MLC في انخفاض تكلفتها لكل وحدة تخزين نظرًا لكثافة البيانات العالية، كما يمكن لبرامج قراءة الذاكرة تعويض معدل خطأ البتات المرتفع . ^{[ 6 ]} يتطلب معدل الخطأ المرتفع وجود رمز تصحيح الأخطاء (ECC) القادر على تصحيح أخطاء البتات المتعددة؛ فعلى سبيل المثال، يمكن لوحدة تحكم الفلاش SandForce SF-2500 تصحيح ما يصل إلى 55  بتًا لكل قطاع بحجم 512 بايت، مع معدل خطأ قراءة غير قابل للاسترداد أقل من قطاع واحد لكل 10^ ¹⁷  بت مقروءة. ^{[ 7 ]} الخوارزمية الأكثر شيوعًا هي خوارزمية Bose-Chaudhuri-Hocquenghem ( رمز BCH ). ^{[ 8 ]} من عيوب ذاكرة NAND من نوع MLC الأخرى انخفاض سرعات الكتابة، وانخفاض عدد دورات البرمجة/المسح، وارتفاع استهلاك الطاقة مقارنةً بذاكرة الفلاش SLC.

قد تكون سرعات القراءة أقل في ذاكرة NAND متعددة المستويات (MLC) مقارنةً بذاكرة NAND أحادية المستوى (SLC) نظرًا للحاجة إلى قراءة البيانات نفسها عند جهد عتبة ثانٍ للمساعدة في تصحيح الأخطاء. وقد تحتاج أجهزة TLC وQLC إلى قراءة البيانات نفسها حتى 4 و8 مرات على التوالي للحصول على قيم قابلة للتصحيح بواسطة تصحيح الأخطاء (ECC). ^{[ 9 ]}

قد يصل عمر ذاكرة الفلاش متعددة المستويات (MLC) إلى ما بين 1000 و10000 دورة برمجة/مسح. وهذا يستلزم عادةً استخدام نظام ملفات فلاش مصمم خصيصًا لمراعاة قيود ذاكرة الفلاش، مثل استخدام تقنية موازنة التآكل لإطالة عمر ذاكرة الفلاش.

استخدم معالج إنتل 8087 تقنية بتين لكل خلية لذاكرة القراءة فقط ( ROM) الخاصة به ، ^{[ 10 ]} وكان في عام 1980 من أوائل الأجهزة في السوق التي استخدمت خلايا ذاكرة القراءة فقط متعددة المستويات. ^{[ 11 ] [ 12 ]} وفي وقت لاحق، عرضت إنتل ذاكرة فلاش NOR ثنائية البت متعددة المستويات (MLC) في عام 1997 ^{[ 13 ]} ؛ واستُخدم الاسم التسويقي StrataFlash لبعض المنتجات القائمة على هذه التقنية. ^{[ 14 ]} وعرضت شركة NEC خلايا رباعية المستويات في عام 1996، مع شريحة ذاكرة فلاش بسعة 64 ميغابت تخزن بتين لكل خلية. وفي عام 1997، عرضت NEC شريحة ذاكرة وصول عشوائي ديناميكية (DRAM) بخلايا رباعية المستويات، بسعة 4 غيغابت. كما عرضت شركة STMicroelectronics خلايا رباعية المستويات في عام 2000، مع شريحة ذاكرة فلاش NOR بسعة 64 ميغابت . ^{[ 15 ]}    

يُستخدم مصطلح MLC للإشارة إلى الخلايا التي تخزن  بتين لكل خلية، باستخدام 4 قيم أو مستويات شحن. تحتوي خلية MLC ثنائية البت على مستوى شحن واحد مُخصص لكل تركيبة ممكنة من الأصفار والآحاد، كما يلي: عندما تقترب نسبة امتلاء الخلية من 25%، فإنها تُمثل القيمة الثنائية 11؛ وعندما تقترب من 50%، فإنها تُمثل 01؛ وعندما تقترب من 75%، فإنها تُمثل 00؛ وعندما تقترب من 100%، فإنها تُمثل 10. ومرة ​​أخرى، توجد منطقة عدم يقين (هامش القراءة) بين القيم، لا يُمكن عندها قراءة البيانات المخزنة في الخلية بدقة. ^{[ 16 ] [ 5 ]}

اعتبارًا من عام 2013،تستخدم بعض محركات الأقراص الصلبة جزءًا من شريحة ذاكرة NAND متعددة المستويات (MLC) كما لو كانت ذاكرة NAND أحادية البت من نوع SLC، مما يوفر سرعات كتابة أعلى. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

اعتبارًا من عام 2018،تعتمد جميع وحدات التخزين متعددة الطبقات التجارية تقريبًا على تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (أي أن الخلايا تُبنى على سطح السيليكون)، وبالتالي فهي تخضع لقيود التوسع. ولمعالجة هذه المشكلة المحتملة، يبحث القطاع بالفعل عن تقنيات تضمن زيادة كثافة التخزين بما يتجاوز القيود الحالية. ومن أكثر هذه التقنيات الواعدة تقنية ذاكرة الفلاش ثلاثية الأبعاد، حيث تُكدس الخلايا عموديًا، مما يتجنب قيود التوسع في الطباعة ثلاثية الأبعاد. ^{[ 20 ]}

في الماضي، اتخذت بعض أجهزة الذاكرة اتجاهاً معاكساً واستخدمت خليتين لكل بت للحصول على معدلات خطأ بت أقل. ^{[ 21 ]}

تُعدّ ذاكرة التخزين متعددة المستويات المؤسسية (eMLC) نوعًا أغلى من ذاكرة التخزين متعددة المستويات، وهي مُحسّنة للاستخدام التجاري. وتزعم الشركة أنها تدوم لفترة أطول وتكون أكثر موثوقية من ذاكرة التخزين متعددة المستويات العادية، مع توفير في التكاليف مقارنةً بمحركات الأقراص التقليدية من نوع SLC. وعلى الرغم من أن العديد من مُصنّعي محركات الأقراص الصلبة SSD قد أنتجوا محركات أقراص من نوع MLC مُخصصة للاستخدام المؤسسي، إلا أن شركة Micron هي الوحيدة التي تبيع رقائق ذاكرة NAND Flash الخام تحت هذا التصنيف. ^{[ 22 ]}

الخلية ثلاثية المستويات ( TLC ) هي نوع من ذاكرة الفلاش NAND التي تخزن 3  بتات من المعلومات لكل خلية. وقد طرحت شركة توشيبا ذاكرة مزودة بخلايا ثلاثية المستويات في عام 2009. ^{[ 23 ]}

بفضل التكنولوجيا المتاحة في عام 2021، أصبح من الممكن تحقيق عمر افتراضي أقصى يصل إلى 3000 دورة برمجة/مسح. ^{[ 24 ]}

أعلنت سامسونج عن نوع جديد من ذاكرة NAND الفلاشية يخزن 3  بتات من المعلومات لكل خلية، مع 8  حالات جهد (قيم أو مستويات) إجمالية، وأطلقت عليه اسم "الخلية ثلاثية المستويات" (TLC). بدأت سامسونج للإلكترونيات إنتاجه بكميات كبيرة في عام 2010، ^{[ 25 ]} وظهر لأول مرة في محركات أقراص الحالة الصلبة (SSD) من سلسلة 840 من سامسونج . ^{[ 26 ]} تشير سامسونج إلى هذه التقنية باسم MLC ثلاثي البتات. تتفاقم سلبيات MLC مع TLC، لكن TLC تتميز بكثافة تخزين أعلى وتكلفة أقل. ^{[ 27 ]}

في عام 2013، قدمت سامسونج تقنية V-NAND (الذاكرة العمودية NAND، والمعروفة أيضًا باسم 3D NAND) بخلايا ثلاثية المستويات، بسعة تخزين تبلغ 128 جيجابت . ^{[ 28 ]} ثم وسّعت الشركة تقنية TLC V-NAND لتصل سعتها إلى 256 جيجابت في عام 2015، ^{[ 25 ]} و512 جيجابت في عام 2017. ^{[ 29 ]}   

يُعدّ نظام الفصل الكروماتوغرافي الطبقي المؤسسي (eTLC) نوعًا أغلى ثمنًا من نظام الفصل الكروماتوغرافي الطبقي (TLC) وهو مُحسَّن للاستخدام التجاري.

تُعرف الذاكرة التي تخزن 4  بتات لكل خلية باسم خلية رباعية المستويات ( QLC )، وذلك وفقًا للاتفاقية التي وضعتها TLC. قبل اختراعها، كان مصطلح "QLC" مرادفًا لـ MLC في الإشارة إلى الخلايا التي يمكن أن يكون لها 4  حالات جهد، أي تلك التي تخزن 2  بت لكل خلية - وهو ما يُشار إليه الآن بشكل لا لبس فيه باسم DLC.

نظراً للزيادة الهائلة في عدد مراحل الجهد المطلوبة لذاكرة الفلاش ذات المستوى الأعلى، فإن عمر ذاكرة QLC ينخفض ​​إلى حد أقصى يبلغ 1000 دورة برمجة/مسح. ^{[ 24 ]}

في عام 2009، قدمت شركتا توشيبا وسانديسك رقائق ذاكرة فلاش NAND ذات خلايا رباعية المستويات، تخزن 4  بتات لكل خلية بسعة 64  جيجابت. ^{[ 23 ] [ 30 ]}

كانت بطاقات ذاكرة فلاش SanDisk X4، التي طُرحت في عام 2009، من أوائل المنتجات التي تعتمد على ذاكرة NAND التي تخزن 4  بتات لكل خلية، والمعروفة باسم خلية رباعية المستويات (QLC)، باستخدام 16 مستوى شحن منفصل (حالة) في كل ترانزستور. وقد صُنعت رقائق QLC المستخدمة في هذه البطاقات من قِبل شركات Toshiba وSanDisk و SK Hynix . ^{[ 31 ] [ 32 ]}

في عام 2017، طرحت توشيبا رقائق ذاكرة V-NAND ذات الخلايا رباعية المستويات، بسعة تخزين تصل إلى 768  جيجابت. ^{[ 33 ]} وفي عام 2018، أطلقت شركات ADATA و Intel و Micron وSamsung بعض منتجات محركات الأقراص الصلبة SSD باستخدام ذاكرة QLC NAND. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

في عام 2020، أطلقت سامسونج قرص تخزين من نوع QLC SSD بسعة تصل إلى 8  تيرابايت. وهو قرص SATA SSD ذو أكبر سعة تخزين متاحة للمستهلكين حتى عام 2020. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

يُعد نظام Enterprise QLC (eQLC) نسخة أغلى ثمناً من نظام QLC وهو مُحسَّن للاستخدام التجاري.

تُعرف الذاكرة التي تخزن 5 بتات لكل خلية باسم خلية خماسية المستوى (QLC). تعتمد تقنية PLC على ذاكرة NAND ثلاثية الأبعاد . اعتبارًا من مايو 2023 لا يبدو أن تقنية PLC قد تم طرحها تجارياً على نطاق واسع. ^{[ 40 ]}

تقنية Pseudo SLC (pSLC) هي تقنية تستخدم خلية متعددة المستويات (MLC) أو خلية ثلاثية المستويات (TLC) كخلية فلاش SLC. وعلى الرغم من انخفاض سعتها، إلا أن متانتها تزداد.

• أجهزة تقنية الذاكرة في لينكس - NAND
• واجهة ذاكرة فلاش NAND المفتوحة