Что такое флеш память

Обновлено: 06.07.2024

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.

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.

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…

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

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.

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 (англ. Flash-Memory ) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов [1] ). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низком энергопотреблении флеш‐память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах — цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини‐АТС, принтерах, сканерах), различных контроллерах.

Так же в последнее время широкое распространение получили «флешка», USB‐драйв, USB‐диск), практически вытеснившие дискеты и CD. Одним из первых флэшки JetFlash в 2002 году начал выпускать тайваньский концерн SSD накопителей объёмом 256 ГБ и более.

Ещё один недостаток устройств на базе флеш‐памяти по сравнению с жёсткими дисками — как ни странно, меньшая скорость. Несмотря на то, что производители SSD накопителей заверяют, что скорость этих устройств выше скорости винчестеров, в реальности она оказывается ощутимо ниже. Конечно, SSD накопитель не тратит подобно винчестеру время на разгон, позиционирование головок и т. п. Но время чтения, а тем более записи, ячеек флеш‐памяти, используемой в современных SSD накопителях, больше. Что и приводит к значительному снижению общей производительности. Справедливости ради следует отметить, что последние модели SSD накопителей и по этому параметру уже вплотную приблизились к винчестерам. Однако, эти модели пока слишком дороги.

Содержание

Принцип действия

Флеш-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 ) могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.

В основе этого типа флеш-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. Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут пребывать. 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 флеш-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.

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. Так же 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.

История

Флеш-память была изобретена Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в 1984 году. Имя «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Сёдзи 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. 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

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.

На конец 2008 года, лидерами по производству флеш-памяти являются Samsung (31% рынка) и Toshiba (19% рынка, включая совместные заводы с Sandisk). (Данные согласно iSupply на Q4'2008). Стандартизацией чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0 [2] , выпущенная 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND чипов: Hynix и Micron Technology. [3]

Характеристики

Скорость некоторых устройств с флеш-памятью может доходить до 100 Мб/с [4] . 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 2005 году SanDisk представили NAND чипы объёмом 1 ГБ [5] , выполненные 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 [6] . 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. К 2007 году USB устройства и карты памяти имели объём от 512 МБ до 64 ГБ. Самый большой объём USB устройств составлял 4 ТБ.

Файловые системы

Основное слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что ОС часто записывает данные в одно и то же место. Например, часто обновляется таблица файловой системы, так что первые сектора памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволяет существенно продлить срок работы памяти.

Для решения этой проблемы были созданы специальные файловые системы: JFFS2 [7] и YAFFS [8] для GNU/Linux и Microsoft Windows.

SecureDigital и FAT.

Применение

Флеш-карты разных типов (спичка отображена для оценки размеров)

Флеш-память наиболее известна применением в USB флеш-носителях (англ. USB flash drive ). В основном применяется NAND тип памяти, которая подключается через USB по интерфейсу USB mass storage device (USB MSC). Данный интерфейс поддерживается всеми ОС современных версий.

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам USB флеш-носители полностью вытеснили с рынка дискеты. Например, компания 2003 года перестала выпускать компьютеры с дисководом гибких дисков [9] .

В данный момент выпускается широкий ассортимент USB флеш-носителей, разных форм и цветов. На рынке присутствуют флешки с автоматическим шифрованием записываемых на них данных. Японская компания Solid Alliance даже выпускает флешки в виде еды [10] .

Есть специальные дистрибутивы GNU/Linux и версии программ, которые могут работать прямо с USB носителей, например, чтобы пользоваться своими приложениями в интернет-кафе.

Технология Windows Vista способна использовать USB-флеш носитель или специальную флеш-память, встроенную в компьютер, для увеличения быстродействия [11] . На флеш-памяти также основываются карты памяти, такие как SecureDigital (SD) и Memory Stick, которые активно применяются в портативной технике (фотоаппараты, мобильные телефоны). Вкупе с USB носителями флеш-память занимает большую часть рынка переносных носителей данных.

NOR тип памяти чаще применяется в BIOS и ROM-памяти устройств, таких как DSL модемы, маршрутизаторы и т. д. Флеш-память позволяет легко обновлять прошивку устройств, при этом скорость записи и объём для таких устройств не так важны.

Сейчас активно рассматривается возможность замены жёстких дисков на флеш‑память. В результате увеличится скорость включения компьютера, а отсутствие движущихся деталей увеличит срок службы. Например, в XO-1, «ноутбуке за 100 $», который активно разрабатывается для стран третьего мира, вместо жёсткого диска будет использоваться флеш-память объёмом 1 ГБ [12] . Распространение ограничивает высокая цена за ГБ и меньший срок годности, чем у жёстких дисков из-за ограниченного количества циклов записи.

Типы карт памяти

Существуют несколько типов карт памяти, используемых в портативных устройствах:

MMC (MultiMedia Card): карточка в формате MMC имеет небольшой размер — 24×32×1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

RS-MMC (Reduced Size MultiMedia Card): карта памяти, которая вдвое короче стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24×18×1,4 мм, а вес — около 6 г, все остальные характеристики не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер. DV-RS-MMC (Dual Voltage Reduced Size MultiMedia Card): карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24×18×1,4 мм. MMCmicro: миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14×12×1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать переходник.

SD Card (Secure Digital Card): поддерживается фирмами Panasonic и SD (Trans-Flash) и SDHC (High Capacity): Старые карты SD так называемые Trans-Flash и новые SDHC (High Capacity) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 2 ГБ для Trans-Flash и 32 ГБ для High Capacity (Высокой Ёмкости). Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SDTF, то есть SDTF карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SDTF увидится только 2 ГБ от ёмкости SDHC большей ёмкости, либо не будет читаться вовсе. Предполагается, что формат TransFlash будет полностью вытеснен форматом SDHC. Оба суб-формата могут быть представлены в любом из трёх форматов физ. размеров (Стандартный, mini и micro). miniSD (Mini Secure Digital Card): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5×20×1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер. microSD (Micro Secure Digital Card): являются на настоящий момент (2008) самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11×15×1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах, и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD.

MS Duo (Memory Stick Duo): данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией MS Duo (Memory Stick Duo): Данный формат является конкурентом формата microSD (по аналогичному размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.

xD-Picture Card: используются в цифровых фотоаппаратах фирм Fuji и некоторых других.

Привычный потребительский спрос на Флэш-память

USB-накопители,
мобильные телефоны,
цифровые камеры,
планшетные компьютеры,
карты ПК в ноутбуках,
встроенные контроллеры.

Так, твердотельные накопители, выстроенные на флэш-памяти типичного исполнения NAND, нередко используются для повышения производительности приложений, интенсивно использующих ввод-вывод. В свою очередь флэш-память типичного исполнения NOR традиционно используется для хранения управляющего кода, например, базовой системы ввода/вывода (BIOS) ПК.

Флэш-память активно используется для вычислений посредством оперативной памяти, что позволяет повысить производительность и масштабируемость систем, управляющих и анализирующих большие объёмы информации.

Изобретение технологии флэш-памяти

Впервые нечто подобное удалось изобрести учёному Фуджио Масуоке, который числился одним из ведущих сотрудников японской компании «Toshiba» в период 1980-х годов. Вместе с тем, соавтору изобретения Содзи Ариизуми приписывают появление термина «вспышка». Содзи Ариизуми разработал процесс стирания данных с полупроводникового чипа, объяснив этот процесс на примере вспышки фотокамеры.

Устройство цифрового исполнения, выполненное с применением модулей памяти типа Flash. Типичный пример современного электронного устройства широкого назначения

По сути, флэш-память берёт начало из принципов стираемых программируемых устройств EPROM, а также электрически стираемых модулей EEPROM. Флэш технически рассматривается вариантом EEPROM, но отрасль резервирует термин EEPROM для стираемой памяти на уровне байтов и применяет термин флэш-память к большей стираемой памяти на уровне блоков.

Устройства, использующие флэш-память, стирают данные на уровне блоков и перезаписывают данные на уровне байтов – «NOR Flash», или на уровне многобайтовых страниц – «NAND Flash». Флэш-память широко используется для хранения и передачи данных:

бытовых устройств,
корпоративных систем, .

Как работает флеш-память?

Архитектура флэш-памяти содержит массив, укомплектованный большим количеством флэш-ячеек. Базовая ячейка флэш-памяти имеет накопительный транзистор с двумя затворами:

Последний в списке затвор, изолированный от остальной части транзистора тонким диэлектрическим материалом (оксидным слоем), хранит электрический заряд и контролирует поток электрического тока.

Электроны наполняют или освобождают зону плавающего затвора, что приводит к изменению порога напряжения накопительного транзистора. Изменением напряжения определяется статус программирования ячейки (ноль или единица).

Процесс туннелирования Фаулера-Нордхайма

Процесс, именуемый туннелированием Фаулера-Нордхайма, освобождает от электронов зону плавающего затвора. Добавление и удержание электронов в зоне плавающего затвора осуществляется процессом туннелирования Фаулера-Нордхайма, либо явлением, именуемым канальная инжекция горячих электронов.

Рабочая архитектура ячейки с плавающим затвором: 1 – управляющий затвор; 2 – плавающий затвор; 3 – канал; 4 – подзатворная оксидная плёнка; 5 – надканальная оксидная плёнка; 6 – исток; 7 – сток; 8 – подложка (основание)

Туннелированием Фаулера-Нордхайма данные стираются через сильный отрицательный заряд, присутствующий на управляющем элементе. Это заставляет электроны транспортироваться через канал, где существует сильный положительный заряд.

Обратное явление происходит при использовании туннелирования Фаулера-Нордхайма для захвата электронов в зоне плавающего затвора. Электронам удаётся прорываться через тонкий оксидный слой к плавающему затвору в присутствии сильного электрического поля. Способствует этому сильный отрицательный заряд истока и стока транзистора, а также сильный положительный заряд управляющего затвора.

Электроны перетекают в зону плавающего затвора независимо от того, получает ли устройство, содержащее элемент флэш-памяти, питание в результате электрической изоляции, создаваемой оксидным слоем. Эта характеристика позволяет флэш-памяти обеспечивать постоянное хранение информации.

Процесс туннелирования Фаулера-Нордхайма: 1 – строго негативный (отрицательный) потенциал; 2 – строго позитивный (положительный) потенциал; 3 – переход электронов через туннельный оксидный слой; 4 – строго негативный (отрицательный) потенциал

Ячейки EPROM и EEPROM работают аналогично флэш-памяти в плане записи (программирования) данными, но отличаются от флэш-памяти тем, как стираются записанные данные. EPROM стирается посредством ультрафиолетового излучения. ЭСППЗУ стирает данные в электронном виде на уровне байтов, тогда как флэш-память стирает электростатические данные на уровне блоков.

Флэш-память типа NOR и NAND

Существует два типа флэш-памяти:

Типичное исполнение NOR.
Типичное исполнение NAND.

Типовое исполнение NAND лучше всего подходит для последовательного, но не произвольного доступа к данным. Геометрия процесса флэш-памяти NAND разрабатывалась в ответ на достижение планарной шкалой NAND своего практического предела масштабирования. При чтении данных флэш-память типа NOR работает быстрее, но при стирании и записи отмечается существенное замедление по сравнению с типом NAND.

Канал «горячих» электронных инъекций (алгоритм построения): 1 – заряд высокого уровня; 2 – привлечение заряда; 3 – частичное «испарение» электронов и дрейф в зону затвора

Типовое исполнение NOR Flash программирует данные на уровне байтов. Типовое исполнение NAND Flash программирует данные страницами, которые по размеру больше байтов, но меньше блоков. Так, размер страницы обычно составляет 4 килобайта (КБ), тогда как размер блока варьируется от 128 до 256 КБ или мегабайт. Приложениями интенсивной записи вспышка NAND потребляет меньше энергии, чем вспышка NOR.

Флэш-память NOR более дорогая в производстве по сравнению с флэш-памятью NAND. Как правило, эта технология используется в основном на уровне бытовых встраиваемых устройств под загрузку, а также в приложениях только для чтения сохранённого кода. Между тем флэш-память NAND больше подходит для хранения данных на бытовых устройствах, а также на корпоративных серверах и в системах хранения, благодаря:

более низкой стоимости за бит сохранения данных,
большей плотности записи,
более высокой скорости программирования и стирания.

Бытовые современные устройства, например, телефоны с фотокамерой, поддерживают использование как NOR Flash, так и NAND Flash, в дополнение к другим технологиям памяти, чем обеспечивают лучшее выполнение кода и надёжное хранение данных.

Архитектура строения флэш-памяти

Традиционно флэш-память организована на кремниевой подложке (исполнение SSD). По сути, это твердотельные устройства, широко используемые, как в бытовой электронике, так и в корпоративных системах хранения данных. Существует три форм-фактора SSD, которые были определены Инициативой по твердотельному хранилищу:

устройства SSD, поддерживающие слоты традиционных электромеханических жёстких дисков (HDD).
устройства SSD, имеющие архитектуру, похожую на интегральную микросхему.
твердотельные карты на печатной плате под стандартный форм-фактор карты (Peripheral Component Interconnect Express).
твердотельные модули, которые помещаются в двойной встроенный модуль памяти (DIMM) или небольшой контурный двойной встроенный модуль памяти с использованием стандартного интерфейса жёсткого диска SATA.

Взаимное соответствие интерфейсов стандартного жёсткого диска HDD и накопителя на основе Flash позволяет решать задачи оперативной перестановки оборудования

Дополнительной подкатегорией является гибридный жесткий диск, который сочетает в себе обычный жесткий диск с флэш-модулем NAND. Гибридный жесткий диск обычно рассматривается как способ преодоления разрыва между вращающимися носителями и флэш-памятью.

Массив All-Flash и гибридная флэш-память

Появление флэш-памяти способствовало появлению массивов, полностью организованных на флэш-памяти. Эти системы содержат исключительно твердотельные накопители.

Массивы All-Flash предлагают преимущества в производительности, обещают снижение эксплуатационных расходов по сравнению с дисковыми массивами хранения. Основное отличие All-Flash заключается в базовой физической архитектуре, используемой для записи данных на запоминающее устройство.

Массивы на основе жестких дисков имеют приводной рычаг, благодаря которому происходит запись данных определенного блока в определённом секторе на диске. Системы флэш-памяти не требуют движущихся частей для записи данных. Записи производятся непосредственно во флэш-память, а пользовательское программное обеспечение обрабатывает данные.

Гибридный флэш-массив объединяет диски и твердотельные накопители. Гибридные массивы используют устройства SSD в качестве кэша для ускорения доступа к часто запрашиваемым горячим данным, которые впоследствии перезаписываются на внутренний диск. Многие предприятия обычно архивируют данные с диска по мере старения накопителя, реплицируя эти данные во внешнюю библиотеку магнитных лент.

Лента Flash plus, также известная как Flape, описывает тип многоуровневого хранилища, в котором первичные данные во флэш-памяти одновременно записываются в линейную ленточную систему.

Наглядный пример организации системного хранилища на основе оборудования класса «All-Flash». Низкие эксплуатационные расходы и высокая производительность

Помимо массивов флэш-памяти, возможность вставлять твердотельные накопители в серверы на базе x86 повышает популярность технологии. Эта схема называется флэш-памятью на стороне сервера и позволяет компаниям обходить ограничения поставщика, связанные с приобретением дорогих и интегрированных массивов флэш-памяти.

Недостаток размещения флэш-памяти на сервере заключается в том, что заказчикам необходимо создавать аппаратную систему внутри компании, включая покупку и установку стёка программного обеспечения для управления хранением у стороннего поставщика.

Плюсы и минусы технологии флэш-памяти

Flash является наименее дорогой формой полупроводниковой памяти. В отличие от динамического оперативного запоминающего устройства (DRAM) и статического ОЗУ (SRAM), флэш-память:

энергонезависимая,
обеспечивает более низкое энергопотребление,
допускает очистку большими блоками.

Кроме того, типовое исполнение NOR Flash, к примеру, поддерживает быстрое случайное чтение, в то время как NAND Flash обеспечивает быстрое последовательное чтение и запись.

Основными недостатками флэш-памяти являются механизм износа и межклеточные помехи по мере уменьшения размеров матриц. Проявляются дефекты бит, связанные с чрезмерно большим числом циклов программирования / стирания.

В конечном итоге разрушается оксидный слой, улавливающий электроны. Ухудшение структуры способно искажать установленное изготовителем пороговое значение, при котором определяется статус заряда (нуль или единица). Возможны блокирования электронов внутри оксидного изоляционного слоя, что также приводит к ошибкам.

Типовое исполнение флэш-памяти NAND

Производители полупроводниковых флэш-накопителей NAND разработали различные типы памяти, подходящие для широкого спектра случаев использования данных.

Следующая таблица представляет различные типы флэш-памяти NAND:

Типовое исполнение	Обозначение	Преимущества	Недостатки	Основное применение
Одноуровневая ячейка (SLC)	Сохранение одного бита на ячейку + два уровня заряда.	Более высокая производительность, выносливость и надежность, чем у других типов флэш-памяти NAND.	Более высокая стоимость, чем у других типов NAND-памяти	Корпоративные хранилища данных, критически важные приложения.
Многоуровневая ячейка (MLC)	Способность хранить несколько бит на ячейку и несколько уровней заряда.	Дешевле, чем SLC, при этом исполнение MLC (eMLC) обеспечивает высокую плотность данных.	Пониженная выносливость, чем у SLC, плюс eMLC работает медленнее SLC.	Устройства бытового назначения, корпоративные хранилища.
Корпоративные MLC (eMLC)	Способность хранить два бита на ячейку и несколько уровней заряда. Дополняются специальными алгоритмами записи.	Менее дорогая, чем SLC-flash, обладает лучшей выносливостью, чем MLC-flash	Дороже, чем MLC, медленнее, чем SLC.	Корпоративные приложения под высокую нагрузку записи.
Трёхуровневая ячейка (TLC)	Хранит три бита на ячейку и несколько уровней заряда. Также упоминается как MLC-3, X3 или 3-битный MLC.	Более низкая стоимость и более высокая плотность записи, чем у MLC и SLC.	Более низкая производительность и выносливость, чем у MLC и SLC.	USB-накопители, карты флэш-памяти, смартфоны и клиентские твердотельные накопители, а также твердотельные накопители для центров обработки данных для нагрузок с интенсивным чтением.
Вертикальная (3D NAND)	Ячейки памяти расположены одна над другой, в трёх измерениях, по сравнению с традиционной плоской технологией NAND.	Более высокая плотность, более высокая производительность записи и более низкая стоимость на бит по сравнению с плоской NAND.	Более высокая стоимость изготовления, чем у плоской NAND. Сложность изготовления с использованием производственных плоских процессов NAND. Потенциально более низкий срок хранения данных.	Пользовательские и корпоративные хранилища
Четырёхуровневая ячейка (QLC)	Использует 64-уровневую архитектуру, которая считается следующей итерацией 3D NAND. Редкость по состоянию на ноябрь 2017 года.	Хранит четыре бита данных на ячейку NAND, что потенциально повышает плотность SSD.	Больше битов данных на ячейку негативно влияет на степень выносливости. Увеличенные затраты на разработку.	Одноразовая запись, с последующим многоразовым чтением (WORM) – как основной пример использования.

Типичное исполнение флэш-памяти NOR

Два основных типа флэш-памяти NOR делятся на устройства, имеющие:

Параллельный интерфейс.
Последовательный интерфейс.

Типичное исполнение NOR Flash изначально предлагалось только с параллельным интерфейсом. Архитектура параллельных NOR модулей предлагает высокую производительность, безопасность и дополнительные функции. Основное использование таких устройств отмечается для нужд:

промышленности,
автомобильной сферы,
сетевых и телекоммуникационных систем,
различного оборудования.

Ячейки таких NOR Flash соединены параллельно для произвольного доступа. Конфигурация предназначена для случайного чтения, связанного с инструкциями микропроцессора, а также для выполнения кодов, используемых в портативных электронных устройствах, почти исключительно из потребительского разнообразия.

Флэш-память NOR Flash с последовательным интерфейсом имеет меньшее количество выводов и более компактную упаковку, что делает этот вариант менее дорогим, чем параллельный. Варианты использования для последовательной вариации NOR включают:

персональные и ультратонкие компьютеры,
серверы,
жёсткие диски,
принтеры,
цифровые камеры,
модемы и маршрутизаторы.

Будущее коммерческого рынка флэш-памяти

Рынок флэш-памяти продолжает рассматривать прогрессивные изменения форм-фактора и вариантов развёртывания. Поставщики массивов хранения добавляют поддержку интерфейса контроллера энергонезависимой памяти (NVMe). Речь идёт о протоколе, который ускоряет передачу данных между клиентскими системами и флэш-хранилищем. Хост-контроллер NVMe использует быстродействующую шину PCIe.

Использование шины PCIe позволяет приложению напрямую обмениваться данными с флэш-хранилищем, уменьшая скачки в сети, которые могут возникнуть с адаптерами и маршрутизаторами главной шины. Интерфейс PCIe обеспечивает появление дисков, основанных на спецификации NVMe, предоставляя альтернативу, которая, по мнению экспертов, может заменить форм-факторы 2,5 и 3,5 дюйма. Твердотельные накопители NVMe подключаются к незанятым слотам сервера на компьютере, что снижает стоимость и сложность транспортировки, связанные с кабельными сетями.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

В этой статье мы с Вами поговорим о том, что положено в основу создания и по какому принципу работает устройство флэш-памяти (не путайте с USB флэш-накопителями и картами памяти). Кроме этого, вы узнаете о ее преимуществах и недостатках перед другими типами ПЗУ (постоянно запоминающими устройствами) и познакомитесь с ассортиментом самых распространенных накопителей, которые содержат в себе флэш-память.

Основное достоинство этого устройства в том, что оно энергонезависимое и ему не нужно электричество для хранения данных. Всю хранящуюся информацию во флэш-памяти можно считать бесконечное количество раз, а вот количество полных циклов записи к сожалению ограничено.

У флэш-памяти перед другими накопителями (жесткие диски и оптические накопители) типа ПЗУ есть как свои преимущества, так и свои недостатки, с которыми вы можете познакомиться из таблицы расположенной ниже.

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.

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.

Ячейка памяти с одним транзистором.

Если на управляющий затвор подать положительное напряжения (инициализация ячейки памяти) то он будет находиться в открытом состоянии, что будет соответствовать логическому нулю.

А если на плавающий затвор поместить избыточный отрицательный заряд (электрон) и подать положительное напряжение на управляющий затвор ,то он компенсирует создаваемое управляющим затвором электрическое поле и не даст образовываться каналу проводимости, а значит транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Вот так, наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе точно определяет состояние открыт или закрыт транзистор, когда подается одно и тоже положительное напряжения на управляющий затвор. Если мы будем рассматривать подачу напряжения на управляющий затвор, как инициализацию ячейки памяти, то по тому, какое напряжение между истоком и стоком можно судить о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе.

Таким образом получается своеобразная элементарная ячейка памяти, способная сохранять один информационный бит. Ко всему этому очень важно, чтобы заряд на плавающем затворе (если он там имеется) мог сохраняться там долго, как при инициализации ячейки памяти, так и при отсутствии напряжения на управляющем затворе. Только в этом случае ячейка памяти будет энергонезависимой.

Так каким же образом в случае необходимости на плавающий затвор помещать заряд (записывать содержимое ячейки памяти) и удалять его оттуда (стирать содержимое ячейки памяти) когда это необходимо.

Поместить заряд на плавающий затвор (процесс записи) можно методом инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons) или методом туннелирования Фаулера-Нордхейма.

Наверно вы уже поняли, что транзистор с плавающим затвором это элементарная ячейка флэш-памяти. Но ячейки с одним транзистором имеют некоторые недостатки, основным из которых является плохая масштабируемость.

Еще одним недостатком такой ячейки памяти является присутствие эффекта избыточного удаления заряда с плавающего затвора, а он не может компенсироваться процессом записи. В следствии этого на плавающем затворе образуется положительный заряд, что делает неизменным состояние транзистора и он всегда остается открытым.

Ячейка памяти с двумя транзисторами.

Двухтранзисторная ячейка памяти, это модифицированная однотранзисторная ячейка, в которой находится обычный КМОП-транзистор и транзистор с плавающим затвором. В этой структуре обычный транзистор выполняет роль изолятора транзистора с плавающим затвором от битовой линии.

Устройство флэш-памяти с архитектурой NOR.

Тип этой памяти является источником и неким толчком в развитии всей EEPROM. Ее архитектура была разработана компанией Intel в далеком 1988 году. Как было написано ранее, чтобы получить доступ к содержимому ячейки памяти (инициализировать ячейку), нужно подать напряжение на управляющий затвор.

Поэтому разработчики компании все управляющие затворы подсоединили к линии управления, которая называется линией слов (Word Line). Анализ информации ячейки памяти выполняется по уровню сигнала на стоке транзистора. Поэтому разработчики все стоки транзисторов подсоединили к линии, которая называется линией битов (Bit Line).

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.

Устройство флэш-памяти с архитектурой NAND.

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).

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.

Чтобы более детально донести до Вас всю необходимую информацию я разместил видео ролик по теме.

Читайте также: