Принцип работы flash памяти. Окунувшись в историю

Принципиальная схема построения устройства осталась неизменной с 1995 года, когда флэшки впервые начали производиться в промышленных масштабах. Если не углубляться в детали, USB флэш-карта состоит из трех ключевых элементов: * разъем USB -- хорошо знакомый каждому разъем, представляющий собой интерфейс между флэшкой и компьютерной системой, будь то система персонального компьютера, мультимедийного центра или даже автомагнитолы; * контроллер памяти -- очень важный элемент цепи. Осуществляет связь памяти устройства с разъемом USB и руководит передачей данных в обе стороны; * микросхема памяти -- самая дорогая и важная часть USB флэш-карты. Определяет объем хранимой на карте информации, быстроту чтения/записи данных. Что может меняться в этой схеме? Принципиально ничего, но современная индустрия предоставляет несколько вариантов такой схемы; комбинация разъемов eSATA и USB, два разъема USB.

1 -- USB-разъём; 2 -- микроконтроллер; 3 -- контрольные точки; 4 -- микросхема флэш-памяти; 5 -- кварцевый резонатор; 6 -- светодиод; 7 -- переключатель «защита от записи»; 8 -- место для дополнительной микросхемы памяти.

Принцип действия

Флэш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками (англ. cell). В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками (англ. single-level cell, SLC), каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками (англ. multi-level cell, MLC; triple-level cell, TLC ) могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.

Типы флeш памяти

NOR

В основе этого типа флэш-памяти лежит ИЛИ-НЕ элемент (англ. NOR), потому что в транзисторе с плавающим затвором низкое напряжение на затворе обозначает единицу.

Транзистор имеет два затвора: управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Часть электронов туннелирует сквозь слой изолятора и попадает на плавающий затвор. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении.

Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флэш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы.

Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

В NOR-архитектуре к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND-архитектуры.

NAND

В основе NAND-типа лежит И-НЕ элемент (англ. NAND). Принцип работы такой же, от NOR-типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND-чипа может быть существенно меньше. Также запись и стирание происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.

NAND и NOR-архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных.

На сегодня производители выпускают накопители на флэш-памяти нескольких типов: это карты Compact Flash , SmartMedia , MultiMedia Card , SecureDigital Card , Memory Stick и USB -ключи.

ATA Flash . Первыми накопителями на флэш-памяти, появившимися рынке, были карты ATA Flash . Эти накопители изготавливаются в виде стандартных карт PC Card . Помимо микросхем флэш-памяти в них устанавливается АТА-контроллер, и при работе они эмулируют обычный IDE -диск. Интерфейс этих карт параллельный. Карты ATA Flash не получили широкого распространения и в настоящее время используются крайне редко.

Compact Flash . Карты Compact Flash (CF ) были предложены компанией SanDisk в качестве более компактной и удобной в работе альтернативы картам ATA Flash . Поэтому разработчики стандарта CF предусмотрели возможность работы этих карт как устройств PC Card или как IDE -устройств. В первом случае карты работают как обычные PC Card устройства и их интерфейс «превращается» в шину PC Card . Во втором - как жесткие IDE -диски и их интерфейс работает как АТА-шина.

Карты CF впервые появились в 1994 г. Все карты этого типа имеют 50-контактный параллельный интерфейс. Кстати, существуют карты CF двух типов - Туре I и Туре II . Карты типа Туре II на два миллиметра толще и появились только потому, что раньше корпуса карт Туре I не позволяли разместить внутри флэш-память большого объема для изготовления вместительных носителей CF . В настоящее время такой необходимости нет и карты Туре II постепенно уходят с рынка. Отметим, что в накопители для карт Туре II можно устанавливать карты Туре I , тогда как обратное невозможно.

Среди флэш-карт бесспорным лидером по производительности была CF -карта Transcend Ultra Performance 25 x CompactFlash 256 Мбайт, которую можно по праву считать эталоном скорострельности современных флэш-накопителей. Скорость последовательной/случайной записи у этой флэш-карты достигает 3.6/0.8 Мбайт/с, скорость чтения - 4,0/3,7 Мбайт/с.

Скорость работы CF -карт замедляется с увеличением объема, что хорошо видно на примере флэш-карт 512 Мбайт. Двукратный рост емкости приводит к снижению производительности на 30%. за исключением скорости случайной записи, которая выросла в 2.5 раза, - это выглядит довольно странно и неожиданно.

Скоростные характеристики CF -карт так же сильно зависят от производителя. У Kingston CompactFlash 256 Мбайт - низкая скорость записи (последовательная/случайная запись - 1.4/0.3 Мбайт/с), но по скорости чтения она была лидером (4.4/3,8 Мбайт/с). Карта PQI Hi - Speed Compact Flash 256 Мбайт продемонстрировала среднюю производительность в обоих случаях: запись - 2.1/0.7 Мбайт/с, чтение - 3.8/3,3 Мбайт/с. Карты SanDisk CompactFlash 256 Мбайт и SanDisk CompactFlash 512 Мбайт работали очень медленно: запись - 1,1/0,2 и 0,9/0,5 Мбайт/с, чтение - 2,3/2,1 и 1,8/1,7 Мбайт/с. А карта 256 Мбайт записывала и считывала данные одинаково хорошо.

Если сравнивать CF -карты с накопителями других типов, то окажется, что флэш-память - совсем на такая медленная, как это принято считать! По производительности самые быстрые образцы флэш-памяти (в качестве эталона возьмем карту Transcend Ultra Performance 25х CompactFlash 256 Мбайт) сравнимы с Iomega Zip 750 Мбайт, а по скорости последовательной записи даже обгоняют этот накопитель более чем в 1,5 раза! По скорости последовательной записи флэш-память обгоняет диски CD - RW в 2 раза, по скорости последовательного чтения - на 10%! Флэш-память выигрывает у МО-дисков по скорости последовательной записи - в 2 раза - и случайного чтения - на 10%, однако отстает по скорости последовательного чтения и случайной записи - на 20%. Флэш-память отстает по скорости последовательной записи от DVD -дисков (при «прожигании» в режиме 4х) - в 1,4 раза.

Отметим, что если CF -карта используется в цифровой фотокамере, то для нее в первую очередь важна скорость последовательной записи - чем она выше, тем быстрее фотокамера вернется в рабочее состояние после «захвата» кадра и «сброса» его на флэш-карту. Впрочем, скорость чтения CF -карты в этом случае тоже важна, правда, не так критична - чем быстрее считываются данные, тем быстрее будет работать фотокамера в режиме просмотра отснятого материала.

SmartMedia . Конструкция карт SmartMedia (SM ) чрезвычайно проста. В карте SM нет встроенного контроллера интерфейса и по сути - это одна или две микросхемы флэш-памяти, «упакованные» в пластиковый кожух. Стандарт SM был разработан компаниями Toshiba и Samsung в 1995 г. Интерфейс карт SM - параллельный, 22-контактный, но из них для передачи данных используется только восемь линий.

MultiMedia Card . Карты Multi - Media Card (MMC ) имеют 7-контактный последовательный интерфейс, который может работать на частоте до 20 МГц. Внутри пластикового корпуса карты размещается микросхема флэш-памяти и контроллер ММС-интерфейса. Стандарт ММС предложен в 1997 г. компаниями Hitachi , SanDisk и Siemens .

SecureDigital Card . SecureDigi - tal Card (SD ) - самый молодой стандарт флэш-карт: он был разработан в 2000 г. компаниями Matsushita , SanDisk и Toshiba . Фактически SD - это дальнейшее развитие стандарта ММС, поэтому карты ММС можно устанавливать в накопители SD (обратное будет неверным). Интерфейс SD - 9-контактный, последовательно-параллельный (данные могут передаваться по одной, двум или четырем линиям одновременно), работает на частоте до 25 МГц. Карты SD оснащаются пе реключателем для защиты их содержимого от записи (стандартом также предусмотрена модификация без такого переключателя).

USB -флэш-память. USB -флэш-память (USB -память) - совершенно новый тип носителей на флэш-памяти, появившийся на рынке в 2001 г. По форме USB -память напоминает брелок продолговатой формы, состоящий из двух половинок - защитного колпачка и собственно накопителя с USB -разъемом (внутри него размещаются одна или две микросхемы флэш-памяти и USB -контроллер).

Работать с USB -памятью очень удобно - для этого не требуется никаких дополнительных устройств. Достаточно иметь под рукой ПК под управлением Windows с незанятым USB -портом, чтобы за пару минут «добраться» до содержимого этого накопителя. В худшем случае вам придется установить драйверы USB -памяти, в лучшем - новое USB -уст-ройство и логический диск появятся в системе автоматически. Возможно, что в будущем USB -память станет основным типом устройств для хранения и переноса небольших объемов данных.

Что же касается USB -флэш-памяти, то это, несомненно, более удобное решение для переноса данных, чем флэш-карты, - не требуется дополнительный флэш-накопитель. Однако производительность протестированных накопителей этого типа - Transcend JetFlash 256 Мбайт и Transcend JetFlashA 256 Мбайт - ограничивалась низкой пропускной способностью интерфейса USB 1.1. поэтому их показатели в тестах на скорость работы были довольно скромными. Если USB -флэш-память оснастить быстрым интерфейсом USB 2.0, то по «скорострельности» эти накопители, конечно, не уступят лучшим флэш-картам.

Интересно отметить, что по скорости последовательной записи флэш-память превосходит Iomega Zip 750, диски CD - RW и МО-носители и уступает только DVD -дискам. Это лишний раз подчеркивает, что разработчики флэш-памяти в первую очередь стремились увеличить скорость последовательной записи, поскольку флэш-память изначально предназначена для использования в цифровых фотокамерах, где прежде всего важен этот показатель.

В итоге можно заключить, что флэш-память - бесспорный лидер по надежности, мобильности и энергопотреблению среди накопителей небольшой и средней емкости, обладающий к тому же неплохим быстродействием и достаточным объемом (на сегодня на рынке уже доступны флэш-карты емкостью до 2 Гбайт). Несомненно, это очень перспективный тип, однако их широкое использование пока сдерживается высокими ценами.

Что такое Flash Memory?

Flash Memory/USB-накопитель или флэш-память - это миниатюрное запоминающее устройство, применимое в качестве дополнительного носителя информации и ее хранения. Устройство подключается к компьютеру или другому считывающему устройству через интерфейс USB.

USB-накопитель предназначен для многократного прочитывания записанной на нем информации в течение установленного срока эксплуатации, который обычно составляет от 10 до 100 лет. Производить же запись на флэш-память можно ограниченное количество раз (около миллиона циклов).

Флеш-память считается более надежным и компактным по сравнению с жесткими дисками (HDD), поскольку не имеет подвижных механических частей. Данное устройство довольно широко используется при производстве цифровых портативных устройств: фото и видеокамер, диктофонов и MP3-плееров, КПК и мобильных телефонов. Наряду с этим, Flash Memory используется для хранения встроенного ПО в различном оборудовании, таком как модемы, мини-АТС, сканеры, принтеры или же маршрутизаторы. Пожалуй, единственным недостатком современных USB-накопителей является их относительно малый объем.

История Flash Memory

Первая флеш-память появилась в 1984 году, ее изобрел инженер компании Toshiba Фудзио Масуокой (Fujio Masuoka), коллега которого Сёдзи Ариидзуми (Shoji Ariizumi) сравнил принцип действия данного устройства с фотовспышкой и впервые назвал его «flash». Публичная презентация Flash Memory состоялась в 1984 году на Международном семинаре по электронным устройствам, проходившем в Сан-Франциско, штат Калифорния, где данным изобретением заинтересовалась компанию Intel. Спустя четыре года ее специалисты выпустили первый флеш-процессор коммерческого типа. Крупнейшими производителями флэш-накопителей в конце 2010 года стали компания Samsung, занимающей 32% данного рынка и Toshiba - 17%.

Принцип работы USB-накопителя

Вся информация, записанная на Flash-накопитель и сохраненная в его массиве, который состоит из транзисторов с плавающим затвором, именуемыми ячейками (cell). В обычных устройствах с одноуровневыми ячейками (single-level cell), любая из них "запоминает" только один бит данных. Однако некоторые новые чипы с многоуровневыми ячейками (multi-level cell или triple-level cell) способны запомнить и больший объем информации. При этом на плавающем затворе транзистора должен использоваться различный электрический заряд.

Основные характеристики USB-накопителя

Объем представленных в настоящее время флэш-накопителей измеряется от нескольких килобайт до сотен гигабайт.

В 2005 году специалисты компаний Toshiba и SanDisk провели презентацию NAND-процессора, общий объем которого составил 1 Гб. При создании данного устройства они применили технологию многоуровневых ячеек, когда транзистор способен хранить несколько бит данных, используя различный электрический заряд на плавающем затворе.

В сентябре следующего года компания Samsung представила общественности уже 4-гигабайтный чип, разработанный на основе 40-нм технологического процесса, а в конце 2009 года, технологи Toshiba заявили о создании 64 Гб флэш-накопителя, который был запущен в массвое производство уже в начале следующего года.

Летом 2010-го состоялась презентация первого в истории человечества USB-накопителя объемом 128 Гб, состоящий из шестнадцати модулей по 8 Гб.

В апреле 2011 года компании Intel и Micron объявили о создании MLC NAND флэш-чипа на 8 Гбайт, площадью 118 мм, почти вполовину меньше аналогичных устройств, серийное производство которого стартовало в конце 2011 года.

Типы карт памяти и Flash-накопителей

Применяется он в основном в профессиональном видео- и фото-оборудовании, поскольку имеет довольно большие размеры 43х36х3,3 мм, в результате чего довольно проблематично установить слот для Compact Flash в мобильные телефоны или MP3-плееры. При этом карта считается не очень надежной, а также не обладает высокой скоростью обработки данных. Максимально допустимый объём Compact Flash в настоящее время достигает 128 Гбайт, а скорость копирования данных выросла до 120 Мбайт/с.

RS-MMC/Reduced Size Multimedia Card - карта памяти, которая в два раза по длине меньше стандартной карты MMC - 24х18х1,4 мм и весом около 6 гр. При этом сохранены все остальные характеристики и параметры обычной MMC-карты. Для использования карт RS-MMC необходимо использовать адаптер.

MMCmicro - миниатюрная карта памяти с размерами всего 14х12х1,1 мм и предназначенная для мобильных устройств. Для ее применения необходимо использовать стандартный слот MMC и специальный переходник.

Несмотря на очень схожие с ММС-картой параметры и размеры 32х24х2,1 мм, данную карту нельзя использовать со стандартным слотом ММС.

SDHC/SD High Capacity - это SD-карта памяти высокой ёмкости, известные современным пользователям как SD 1.0, SD 1.1 и SD 2.0 (SDHC). Данный устройства различаются максимально допустимым объемом данных, который можно на них разместить. Так предусмотрены ограничения по емкости в виде 4 Гб для SD и 32 Гб для SDHC. При этом SDHC-карта обратно совместима с SD. Оба варианта могут быть представлены в трех форматах физических размеров: стандартный, mini и micro.

microSD/Micro Secure Digital Card - это самое компактное по данным на 2011 год съёмное устройствами флеш-памяти, его размеры составляют 11х15х1 мм, что позволяет использовать его мобильных телефонах, коммуникаторах и т. д. Переключатель защиты от записи расположен на адаптере microSD-SD, а максимально возможный объём карты составляет 32 Гб.

Memory Stick Micro/M2 - карта памяти, формат которой конкурирует по размеру с microSD, но при этом преимущество остается за устройствами Sony.

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget - устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

NOR

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash , каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи - от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие - архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях:) (а NOR - с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше - площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации. К примеру, для изменения одного байта требуется:

1. считать в буфер блок информации, в котором он находится
2. в буфере изменить нужный байт
3. записать блок с измененным байтом обратно

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение - здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т. п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования - проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

И будет флэш…

Безусловно, флэш - перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas - флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC - error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек - это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит - электромагнитное, физическое (тряска и т. п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC - он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок - чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи - 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) - универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов - 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками - по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что - не взыщите:) Надеюсь, материал был вам интересен.

Флеш память

История

Флеш-память была открыта Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в Toshiba в 1984 году. Имя «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Шойи Ариизуми (Shoji Ariizumi), потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку на IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния. Intel увидела большой потенциал в изобретении и в 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR типа.

Характеристики

Скорость некоторых устройств с флеш-памятью может доходить до 100 Мб/с. В основном флеш-карты имеют большой разброс скоростей и обычно маркируются в скоростях стандартного CD-привода (150 Кб/с). Так указанная скорость в 100x означает 100 × 150 Кб/с = 15 000 Кб/с= 14.65 Мб/с.

В основном объём чипа флеш-памяти измеряется от килобайт до нескольких гигабайт.

В основном объём чипа флеш-памяти измеряется от килобайт до нескольких гигабайт.

В 2005 году Toshiba и SanDisk представили NAND чипы объёмом 1 Гб, выполненных по технологии многоуровневых ячеек, где один транзистор может хранить несколько бит, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе.

Компания Samsung в сентябре 2006 года представила 8 Гб чип, выполненный по 40-нм технологическому процессу. В конце 2007 года Samsung сообщила о создании первого в мире MLC (multi-level cell) чипа флеш-памяти типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу. Ёмкость чипа также составляет 8 Гб. Ожидается, что в массовое производство чипы памяти поступят в 2009 году.

Для увеличения объёма в устройствах часто применяется массив из нескольких чипов. В основном на середину 2007 года USB устройства и карты памяти имеют объём от 512 Мб до 15 Гб. Самый большой объём USB устройств составляет 128 Гб.

NAND тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference. У него была больше скорость записи и меньше площадь чипа.

Стандартизацией чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0, выпущенная в 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается крупнейшими производителями NAND чипов: Intel, Micron Technology и Sony .

Принцип работы

максимальные возможные объёмы данных для кристаллов, использующих однобитные (SLC) или двухбитные (MLC)

Элементарной ячейка хранения данных флэш-памяти представляет из себя транзистор с плавающим затвором. Особенность такого транзистора в том, что он умеет удерживать электроны (заряд). Вот на его основе и разработаны основные типы флэш-памяти NAND и NOR. Конкуренции между ними нет, потому что каждый из типов обладает своим преимуществом и недостатком. Кстати, на их основе строят гибридные версии такие как DiNOR и superAND. Во флэш-памяти производители используют два типа ячеек памяти MLC и SLC . .

• Флэш-память с MLC (Multi-level cell - многоуровневые ячейки памяти)ячейки более емкие и дешевые, но они с большим временем доступа и меньшим количеством циклов записи/стирания (около 10000).
• Флэш-память, которая содержит в себе SLC (Single-level cell - одноуровневые ячейки памяти) ячейки имеет максимальное количество циклов записи/стирания(100000) и обладают меньшим временем доступа. Изменение заряда (запись/стирание) выполняется приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.

Принцип работы флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области ("карман") полупроводниковой структуры. Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения. Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек.

NOR и NAND

Компоновка шести ячеек NOR flash

Структура одного столбца NAND flash с 8 ячейками

Флеш память различается методом соединения ячеек в массив.

Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов - ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке.

Конструкция NAND - трёхмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется. Также в каждой линии установлено два МОП-транзистора. Управляющий транзистор разрядной линии (англ. bit line select transistor), расположенный между столбцом ячеек и разрядной линией. И управляющий транзистор заземления, расположенный перед землёй (англ. ground select transistor).

Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика. Наоборот, NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу к большой группе ячеек. Соответственно, различается область применения: NOR используется как непосредственная память программ микропроцессоров и для хранения небольших вспомогательных данных.

Названия NOR и NAND произошли от ассоциации схемы включения ячеек в массив со схемотехникой микросхем КМОП-логики.

NAND чаще всего применяется для USB флеш накопителей, карт памяти, SSD. NOR в свою очередь во встраиваемых системах.

Существовали и другие варианты объединения ячеек в массив, но они не прижились.

NOR

NOR Флеш память

Архитектура NOR получила название благодаря логической операции ИЛИ - НЕ (в переводе с английского NOR). Принцип логической операции NOR заключается в том, что она над несколькими операндами (данные, аргумент операции...) дает единичное значение, когда все операнды равны нулю, и нулевое значение во всех остальных операциях. В нашем случае под операндами подразумевается значение ячеек памяти, а значит в данной архитектуре единичное значение на битовой линии будет наблюдается только в том случае, когда значение всех ячеек, которые подключены к битовой линии, будут равны нулю (все транзисторы закрыты). В этой архитектуре хорошо организован произвольный доступ к памяти, но процесс записи и стирания данных выполняется относительно медленно. В процессе записи и стирания применяется метод инжекции горячих электронов. Ко всему прочему микросхема флеш-памяти с архитектурой NOR и размер ее ячейки получается большим, поэтому эта память плохо масштабируется.Флеш-память с архитектурой NOR как правило используют в устройствах для хранения программного кода. Это могут быть телефоны, КПК, BIOS системных плат... Применение NOR-флеши, устройства энергонезависимой памяти относительно небольшого объёма, требующие быстрого доступа по случайным адресам и с гарантией отсутствия сбойных элементов:

• Встраиваемая память программ однокристальных микроконтроллеров. Типовые объёмы - от 1 кбайта до 1 Мбайта.
• Стандартные микросхемы ПЗУ произвольного доступа для работы вместе с микропроцессором.
• Специализированные микросхемы начальной загрузки компьютеров (POST и BIOS), процессоров ЦОС и программируемой логики. Типовые объёмы - единицы и десятки мегабайт.
• Микросхемы хранения среднего размера данных, например, DataFlash. Обычно снабжаются интерфейсом SPI и упаковываются в миниатюрные корпуса. Типовые объёмы - от сотен кбайт до технологического максимума.

Максимальное значение объёмов микросхем NOR - до 256 Мбайт.

NAND

NAND Флеш память

Данный тип памяти был разработан компанией Toshiba. Эти микросхемы благодаря своей архитектуре применяют в маленьких накопителях, которые получили имя NAND (логическая операция И-НЕ). При выполнении операция NAND дает значение нуль только, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех других случаях. Как было написано ранее, нулевое значение это открытое состояние транзистора. В следствии этого в архитектуре NAND подразумевается, что битовая линия имеет нулевое значение в том случае, когда все подключенные к ней транзисторы открыты, и значение один, когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Такую архитектуру можно построить, если подсоединить транзисторы с битовой линией не по одному (так построено в архитектуре NOR) , а последовательными сериями (столбец из последовательно включенных ячеек).

Данная архитектура по сравнению с NOR хорошо масштабируется потому, что разрешает компактно разместить транзисторы на схеме. Кроме этого архитектура NAND производит запись путем туннелирования Фаулера - Нордхейма, а это разрешает реализовать быструю запись нежели в структуре NOR. Чтобы увеличить скорость чтения, в микросхемы NAND встраивают внутренний кэш. Как и кластеры жесткого диска так и ячейки NAND группируются в небольшие блоки. По этой причине при последовательном чтении или записи преимущество в скорости будет у NAND. Но с другой стороны NAND сильно проигрывает в операции с произвольным доступом и не имеет возможности работать на прямую с байтами информации. В ситуации когда нужно изменить всего несколько бит, система вынуждена переписывать весь блок, а это если учитывать ограниченное число циклов записи, ведет к большому износу ячеек памяти.В последнее время ходят слухи о том, что компания Unity Semiconductor разрабатывает флэш-память нового поколения, которая будет построена на технологии CMOx. Предполагается, что новая память придет на смену флеш-памяти типа NAND и преодолеет ее ограничения, которые в памяти NAND обусловлены архитектурой транзисторных структур. К преимуществам CMOx относят более высокую плотность и скорость записи, а также более привлекательную стоимость. В числе областей применения новой памяти значатся SSD и мобильные устройства. Ну, что же правда это или нет покажет время.

Запись

Для записи заряды должны попасть в плавающий затвор, однако он изолирован слоем оксида. Для перенесения зарядов может использоваться эффект туннелирования. Для разряда необходимо подать большой положительный заряд на управляющий затвор: отрицательный заряд с помощью туннельного эффекта покинет плавающий затвор. И наоборот, для заряда плавающего затвора необходимо подать большой отрицательный заряд.

Также запись может быть реализована с помощью инжекции горячих носителей. При протекании тока между истоком и стоком повышенного напряжения электроны могут преодолевать слой оксида и оставаться в плавающем затворе. При этом необходимо, чтобы на управляющем затворе присутствовал положительный заряд, который создавал бы потенциал для инжекции.

В MLC для записи разных значений используются разные напряжения и время подачи.

Каждая запись наносит небольшой ущерб оксидному слою, поэтому число записей ограничено.

Запись в NOR и NAND компоновке состоит из двух стадий: вначале все транзисторы в линии устанавливаются в 1 (отсутствие заряда), затем нужные ячейки устанавливаются в 0.

На первой стадии очистка ячеек происходит с помощью туннельного эффекта: на все управляющие затворы подаётся сильное напряжение. Для установки конкретной ячейки в 0 используется инжекция горячих носителей. На разрядную линию подаётся большое напряжение. Вторым важным условием этого эффекта является наличие положительных зарядов на управляющем затворе. Положительное напряжение подаётся лишь на некоторые транзисторы, на остальные транзисторы подаётся отрицательное напряжение. Таким образом ноль записывается только в интересующие нас ячейки.

• NAND

Первая стадия в NAND аналогична NOR. Для установки нуля в ячейку используется туннельный эффект, в отличие от NOR. На интересующие нас управляющие затворы подаётся большое отрицательное напряжение.

Технологическое масштабирование

Из-за своей высокорегулярной структуры и высокого спроса на большие объёмы техпроцесс при изготовлении флеш-памяти NAND уменьшается более быстро, чем для менее регулярной DRAM -памяти и почти нерегулярной логики (ASIC). Высокая конкуренция между несколькими ведущими производителями лишь ускоряет этот процесс. В варианте закона Мура для логических микросхем удвоение количества транзисторов на единицу площади происходит за три года, тогда как NAND-флеш показывала удвоение за два года. В 2012 году 19 нм техпроцесс был освоен совместным предприятием Toshiba и SanDisk. В ноябре 2012 года Samsung также начала производство по техпроцессу 19 нм (активно используя в маркетинговых материалах фразу «10нм-класс», обозначавшую какой-то процесс из диапазона 10-19 нм).

Уменьшение техпроцесса позволяло быстро наращивать объёмы чипов памяти NAND-флеш. В 2000 году флеш-память по технологии 180 нм имела объём данных в 512 Мбит на кристалл, в 2005 - 2 Гбит при 90 нм. Затем произошёл переход на MLC, и в 2008 чипы имели объём 8 Гбит (65 нм). На 2010 год около 35 %-25 % чипов имели размер 16 Гбит, 55 % - 32 Гбит. В 2012-2014 годах в новых продуктах широко использовались кристаллы объёмом 64 Гбит, и начиналось внедрение 128 Гбит модулей (10 % на начало 2014 года), изготовленных по техпроцессам 24-19 нм.

По мере уменьшения техпроцесса и его приближению к физическим пределам текущих технологий изготовления, в частности, фотолитографии, дальнейшее увеличение плотности данных может быть обеспечено переходом на большее количество бит в ячейке (например, переход с 2-битной MLC на 3-битную TLC), заменой FG-технологии ячеек на CTF технологию или переходом на трёхмерную компоновку ячеек на пластине (3D NAND, V-NAND; однако при этом увеличивается шаг техпроцесса). Например, приблизительно в 2011-2012 годах всеми производителями были внедрены воздушные промежутки между управляющими линиями, позволившие продолжить масштабирование далее 24-26 нм, а Samsung с 2013-2014 года начала массовый выпуск 24- и 32-слойной 3D NAND на базе CTF технологии, в том числе, в варианте с 3-х битными (TLC) ячейками. Проявляющееся с уменьшением техпроцесса уменьшение износостойкости (ресурса стираний), а также увеличение темпа битовых ошибок потребовало применение более сложных механизмов коррекции ошибок и снижения гарантированных объёмов записи и гарантийных сроков. Однако, несмотря на принимаемые меры, вероятно, что возможности дальнейшего масштабирования NAND-памяти будут экономически не оправданы или физически невозможны. Исследуется множество возможных замен технологии флеш-памяти, в частности, FeRAM, MRAM, PMC, PCM, ReRAM и т. п.

3D NAND

Схемотехника NAND оказалась удобна для построения вертикальной компоновки блока ячеек на кристалле. На кристалл послойно напыляют проводящие и изолирующие слои, которые образуют проводники затворов и сами затворы. Затем в этих слоях формируют множество отверстий на всю глубину слоев. На стенки отверстий наносят структуру полевых транзисторов - изоляторы и плавающие затворы. Таким образом формируют столбец кольцеобразных полевых транзисторов с плавающими затворами.

Такая вертикальная структура оказалась очень удачна и обеспечила качественный рывок плотности флеш-памяти. Некоторые компании продвигают технологию под своими торговыми марками, например V-NAND, BiCS. На 2016 год количество слоев топовых изделий достигло 64-х. .

Срок хранения данных

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий, не превышает 10-20 лет, хотя гарантия на носители даётся не более чем на 5 лет. При этом память MLC имеет меньшие сроки, чем SLC.

Специфические внешние условия, например, повышенные температуры или радиационное облучение (гамма-радиация и частицы высоких энергий), могут катастрофически сократить срок хранения данных.

У современных микросхем NAND при чтении возможно повреждение данных на соседних страницах в пределах блока. Осуществление большого числа (сотни тысяч и более) операций чтения без перезаписи может ускорить возникновение ошибки.

По данным Dell, длительность хранения данных на SSD, отключенных от питания, сильно зависит от количества прошедших циклов перезаписи (P/E) и от типа флеш-памяти и в худших случаях может составлять 3-6 месяцев.

Иерархическая структура

Стирание, запись и чтение флеш-памяти всегда происходит относительно крупными блоками разного размера, при этом размер блока стирания всегда больше, чем блок записи, а размер блока записи не меньше, чем размер блока чтения. Собственно это - характерный отличительный признак флеш-памяти по отношению к классической памяти EEPROM .

Как следствие - все микросхемы флеш-памяти имеют ярко выраженную иерархическую структуру. Память разбивается на блоки, блоки состоят из секторов, секторы из страниц. В зависимости от назначения конкретной микросхемы глубина иерархии и размер элементов может меняться.

Например, NAND-микросхема может иметь размер стираемого блока в сотни кбайт, размер страницы записи и чтения - 4 кбайт. Для NOR-микросхем размер стираемого блока варьируется от единиц до сотен кбайт, размер сектора записи - до сотен байт, страницы чтения - единицы-десятки байт.