История создания флеш памяти кратко

Обновлено: 05.07.2024

Привет, Гиктаймс! Все мы, в той или иной степени, пользуемся цифровой техникой, но далеко не каждый из нас задумывается о том, благодаря чему эта техника работает именно так, а не иначе. В этой статье я расскажу о неотъемлемой части практически любого устройства – о флеш-памяти. Этот компонент используется везде, где только можно: мы сталкиваемся с флеш-памятью сотни раз на день, сами о том не догадываясь. Флеш-память применяется как в портативных гаджетах (ноутбуки, смартфоны, плееры, часы), так и в стационарной электронике (телевизоры, ПК, мониторы и даже стиральные машины). Но если спросить обычного человека о флеш-памяти, первым делом он назовет самые очевидные вещи: SD- и microSD-карты памяти, флешки и тому подобные вещи. На самом деле, она является конкурентом традиционных жестких дисков (HDD), и полноценные твердотельные накопители на ее основе (SSD) появились относительно недавно – во второй половине 90-х годов (да и то, до конца 2000-х их вытесняли вышеупомянутые жесткие диски на магнитных пластинах, а массовую популярность SSD приобрели и вовсе, только в 2012 году.

Как все начиналось

Принцип работы PROM был довольно прост: память представляла собой координатную сетку, в узлах (пересечениях) которой проводники были замкнуты специальной перемычкой. В тот момент, когда нужно было определять состояние (значение) ячейки с определенными координатами, достаточно было узнать, есть ли ток в пересечении нужных проводников.

Первые успехи

Итак, начало было положено. Но недостатком нового изобретения была чересчур маленькая емкость. Впрочем, у EPROM были и преимущества – высокая скорость и устойчивость к механическим повреждениям.

Следующее крупное продвижение в области развития флеш-памяти было совершено Довом Фроманом из компании Intel. Изучая повреждения вышедших из строя микросхем, он изобрел новый стандарт памяти EPROM. В новинке для сохранения информации использовалось особое движение электронов по чипу, а для стирания данных – мощное ультрафиолетовое излучение. Память EPROM можно встретить в микросхемах BIOS на компьютерах начала IT-эпохи, например, на популярном в те годы на Западе ZX Spectrum, более известном в СНГ под именами Поиск или Magic.

В итоге разработчики приняли решение о создании двух типов микросхем на основе EEPROM: первая из них обладала большой емкостью, но не могла быть перезаписана, а вторая была перезаписываемой, но вмещала меньше информации.

Решение этой проблемы нашел инженер Фудзио Масуока из компании Toshiba. Его коллеге процесс стирания данных показался похожим на фотовспышку – именно так и появилось название flash-memory. Инновацию представили публике в 1984 году, в 1988 Intel представила первые коммерческие образцы памяти NOR-flash, и в 1989 году Toshiba анонсировала привычную нам NAND-память.

Сохраняющие информацию микросхемы, получили название Single-Level-Cell (SLC). Наряду с SLC появились альтернативные микросхемы, вмещающие 2 бита информации – Multi-Level-Cell. MLC-чипы получались более дешевыми в производстве, но работали медленно, и были недолговечны. В последние годы появилась eMLC-память (Enterprise Class MLC), способная противопоставить MLC-чипам более высокую скорость чтения и записи, а также увеличенный срок работы. По соотношению цена/качество современные варианты eMLC лишь незначительно уступают SLC, но стоят при этом вдвое дешевле. Если помните, в прошлом году мы подробно рассказывали об устройстве микросхем.

SD-карты

Шел 1999 год, когда компании SanDisk, Toshiba и Matsushita (ныне известная как Panasonic) скооперировались и приняли решение о создании нового единого стандарта карт памяти, который получил название SD, или Secure Digital. Именно на слове Secure (безопасный) делался основной акцент в имени нового стандарта – карточки получили поддержку DRM или, проще говоря, с их появлением стала возможна цифровая защита авторских прав. Уже в первый год своего существования объединения трех вышеуказанных компаний, они создали организацию SD Association, в которую один за одним подтянулись новые члены, среди которых были и такие гиганты, как Intel, Kingston, Apple, AMD, Canon, Nikon, Samsung, Hewlett-Packard и многие другие. Максимальная емкость первых моделей SD-карточек была равна всего лишь 2 ГБ, но уже совсем скоро появились варианты на 4 ГБ, хоть их и было тяжело встретить в продаже.

microSD: навстречу мобильной стихии

В 2000-х годах вслед за бурным развитием мобильных технологий пришла потребность в большем количестве памяти. По аналогии с компьютерным миром, в мобильных гаджетах и прочих портативных девайсах (от GPS-навигатора до наушников) стали использоваться microSD-карты. Этот формат популярен и сегодня, а его характеристики при в 4 раза меньшем физическом размере, чем у SD-накопителей, ничем не хуже аналогичных показателей взрослых карточек памяти. Также проводя параллели с SD-картами существуют microSDHC- и microSDXC-форматы, предлагающие аналогичные объемы вмещаемой информации.

На заре становления мобильной эпохи достаточно часто можно было встретить и следующие не пользующиеся сегодня особым спросом форматы: Compact Flash (1994, отличался самой высокой на тот момент скоростью передачи данных – до 90 МБ/с), Memory Stick (1998, максимальный объем был равен 128 МБ), Memory Stick Pro (анонсирован в 2003м, максимальный объем до 4 ГБ, Memory Stick Duo (2003, первые карты были равны половине обычных MS), Memory Stick Pro Duo (2006, карты достигали объема в 32 ГБ), Memory Stick HG-Duo (2008, формат стал последней итерацией MS Duo-карт).

Продолжение следует

Историю карт памяти невозможно представить в виде прямой времени – это сложная запутанная схема. Одни форматы приживались и начинали развиваться, другие оказывались никому не нужны. В следующей части статьи мы поговорим о более экзотических форматах памяти и о причинах их непопулярности.

Спасибо за внимание и оставайтесь с Kingston на Гиктаймс!

Для получения дополнительной информации о продукции Kingston и HyperX обращайтесь на официальный сайт компании. В выборе своего комплекта HyperX поможет страничка с наглядным пособием.

Многие современные технологии мы уже привыкли воспринимать как должное, не особо задумываясь, как они работают, что за ними стоит, какова история их развития. Касается это в том числе и компьютеров. Я уже писал об истории развития технологий хранения данных, наглядно показывающую эволюцию в этой отрасли. На этот раз я решил рассказать подробней про одну из технологий, активно используемых компанией LSI, про твердотельную, или SSD (Solid State Drive) память.

Используется она повсеместно, начиная с микросхемы, хранящей код BIOS компьютера (кто постарше — тот помнит вирус Win.CIH, выводивший компьютеры из строя, стирая содержимое этой микросхемы) и заканчивая ультрасовременными гибридными контроллерами RAID с функцией кэширования, такие как LSI Nytro, о которой мы рассказывали). Не говоря уже про разные внешние накопители, без которых, пожалуй, был бы невозможен прогресс современной техники: каким анахронизмом выглядят сейчас цифровые камеры Sony Mavica MVC-FD5 (и ряд других моделей), сохранявшие изображения на 3.5 дюймовые дискеты.

Начиналась история флэш-памяти еще в середине 20 века, именно тогда, в подразделении Arma корпорации American Bosch Arma, ученый-баллистик и пионер цифрового компьютинга Вэн Цинг Чоу (Wen Tsing Chow) работал над задачей улучшения блоков памяти координат бортового компьютера ракетной системы Atlas E/F. Разработанное им решение несколько лет являлось секретным, так как Атлас стоял на вооружении американского аналога РВСН, но позже технология была рассекречена, и технология, названая PROM (programmable read-only memory) получила широкое распространение.

Но были у ППЗУ (русский перевод аббревиатуры) и достоинства: высокая скорость доступа к данным и устойчивость к электромагнитным импульсам, столь ценная для мест, где ядерные взрывы — не редкость.

Следующий шаг в технологиях постоянного хранения данных был сделан в недрах компании Intel. Исследуя дефекты микросхем, в которых затворы транзисторов оказались разрушенными, Довом Фроманом (Dov Frohman-Bentchkowsky) был изобретен новый тип памяти EPROM. Каждая ячейка такой памяти представляет собой полевой транзистор с двумя затворами: первый управляющий, второй — плавающий, который не имеет связи с другими элементами схемы. В роли изоляции выступает слой оксида кремния.

Такие микросхемы использовались в роли микросхем БИОС в старых компьютерах. Окно стирания обычно заклеивалось наклейкой с логотипом производителя, чтобы защитить микросхему от самопроизвольного стирания под действием солнечного света. Такие микросхемы, например, использовались в компьютерах ZX Spectrum (русские варианты Поиск, Magic). Именно эти компьютеры (многие помнят скрипуче-модемный звук, издаваемый магнитофонными кассетами с записанными на них играми для этих ПК) стали для многих современных инженеров и специалистов первыми компьютерами, с которых начался их путь в IT.

В 1978 году, инженер компании Intel Джордж Перлегос (George Perlegos) представил микросхему Intel 2816, схожую по технологии с EPROM, но за счет более тонкого слоя изоляции, микросхема могла стирать свое содержимое без использования ультрафиолетового облучения. Это стало началом технологии ЭСППЗУ или по-английски EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Главными недостатками микросхем, выполненных по данной технологии являются ограниченное количество циклов записи (хотя современные чипы довели это количество где-то до миллиона) и самопроизвольное стирание данных (для нынешних микросхем промышленного класса, гарантируется хранение данных минимум 3 года).

Так как в микросхемах ЭСППЗУ для стирания нужно было создать электрическое поле большой напряженности в достаточно тонком слое диэлектрика, это привело к невозможности создания микросхем перезаписываемой памяти с высокой степенью компоновки. Это, в свою очередь, привело к развитию двух классов устройств: емких микросхем с однократной записью без возможности стирания и перезаписываемых микросхем более низкой емкости. Проблема была решена инженером компании Toshiba Фудзио Масуокой, название его открытию дал его коллега Сёдзи Ариидзуми, которому процесс стирания напомнил фотовспышку. Как не сложно догадаться, назвални они эти микросхемы flash-memory (флэш-память). Изобретение было представлено публике в 1984 году, а в 1988 — компания Intel представала коммерческие чипы памяти, построенные на принципе NOR-флеш, а в 1989 году компанией Toshiba была анонсирована NAND память.

В качестве элементов памяти, во флэш используются все те же полевые транзисторы с плавающим затвором, при этом для стирания и записи используется повышение напряжения, вызывающее уже знакомый нам эффект туннелирования. Главное отличие микросхем flash состоит в том, что чтение, запись и стирание осуществляются большими блоками, при этом блок записи по размерам не меньше блока чтения, а блок стирания — всегда больше чем блок записи. Этим обусловлена необходимость объединять ячейки памяти в иерархическую структуру, обычно: блоки — сектора — страницы.

Микросхемы, в которых одна ячейка хранит один бит информации стали называть Single-Level Cell или SLC, а их альтернативу, в которой каждая ячейка сохраняет два бита информации за счет возможности хранения 4 уровней заряда, стали называть Multi-Level Cell или MLC. Таким образом, MLC чипы получаются дешевле SLC, но работают медленней, и менее надежны. В последнее время можно увидеть также аббревиатуру eMLC (Enterprise class MLC). Обычно так обозначают устройства, имеющие повышенные по сравнению с MLC скоростные характеристики чтения-записи, а также увеличенный срок службы. Анализируя ценовые характеристики, современные eMLC стоят примерно в два раза дешевле и лишь незначительно уступают по скорости и надежности устройствам, построенным на базе SLC.

Кстати, до сих пор можно встретить достаточно распространенное заблуждение, что при достижении предела по записи, устройства SSD умирают с потерей данных. Это не так. При достижении определённых лимитов по перезаписи, сначала администратору сервера высылаются предупреждения о скором окончании срока службы устройства, а при достижении критического порога, запись на устройство прекращается, а само устройство переходит в режим READ ONLY, только для чтения. Все современные контроллеры хранения умеют работать с этим функционалом SSD, а пользователям SSD всего лишь необходимо приобретать устройства, предназначенные для их класса задач. Если это сервер, то нужно покупать SSD промышленного уровня, предназначенные для работы в режиме 24x7, если это ноутбук или десктоп, подойдут и более дешевые устройства.

Итак, современные SSD или флэш-устройства представлены сегодня в форматах SD, USB-flash, SATA(SAS) SSD – в тех же 2.5’’ и 3.5’’ форм-факторах, что и жесткие диски HDD. В мире серверов набирает обороты PCIe-SSD – формат, когда SSD смонтированы на плате, подключаемой непосредственно в PCI-слот.

Nytro WarpDrive

Для кэширования и бездисковой загрузки SSD монтируются на платы RAID-контроллеров.
Nytro MegaRAID

Внешние системы хранения уже несколько лет предлагают в виде опции SSD вместо HDD. Кроме этого, есть и специальные внешние системы хранения данных на флэш-технологиях, например, Violin и Ramsan.

По материалам личного опыта, внутренних ресурсов компании LSI (SandForce), ресурсов How Staff Works, Википедии, курсов MIT.

USB флешка (Flash, USB Flash, флешка, флеш-накопитель) это небольшое устройство для хранения и переноски данных. В наше время они пользуются огромной популярностью, но еще несколько десятков лет назад обычные люди, даже не могли о таком и мечтать.

Первые носители информации

Когда Дэниел Эллсберг решил копировать документы Пентагона, в 1969 году он тайно воспроизводил их, страница за страницей, с помощью копировального аппарата. Процесс дублирования был медленным, каждая полная копия материала охватывала семь тысяч страниц. Когда Эдвард Сноуден решил слить детали программ наблюдения, проводимых Агентством национальной безопасности, он смог просто положить в карман сотни документов, американские спецслужбы полагают, что Сноуден унес их на маленьком устройстве, не превышающем мизинец — флеш-накопителе.

Компактный размер флеш-накопителя, постоянно увеличивающаяся емкость и возможность взаимодействия с любым компьютером, имеющим USB порт, делает его идеальным устройством для скрытого копирования данных или загрузки вредоносного программного обеспечения на компьютерные системы.

История создания USB-флешки

Флешки в наше время

Флэш-память является энергонезависимой. Это значит, что для хранения информации в чипе, не требуется никакой энергии, а также флэш-память обеспечивает быстрый доступ к считыванию и лучшую ударную стойкость, чем жесткие диски. Флешки прочны и способны выдерживать интенсивное давление, экстремальные температуры и даже погружение в воду.

Скорость передачи данных улучшилась, и теперь новые флешки имеют интерфейс USB 2.0. В США даже изобрели новый способ передачи информации с флешки, встроив USB-накопители в стены в общественных местах, где пользователи могут подключать свои персональные устройства к USB-порту и быстро загружать или скачивать данные. Это позволяет передавать информацию без использования сети.

В первое время, флешки с объемом 8Гб стоили от $50, соответственно 16 и 32Гб стоили намного дороже. Тогда можно было купить флешку только стандартного дизайна, то есть прямоугольный коробок с преимущественно пластиковым корпусом. Но, в наше время имеется огромный выбор расцветок, форм, материалов для накопителей. Например, можно приобрести для себя флешку в форме армейского ножа, или пончика, ёлки, ручки, кусочка шоколада, и даже с открывалкой для бутылок на обратном конце.

Флеш-память (англ. flash memory ) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти EEPROM. Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации. Серьёзным недостатком данной технологии является ограниченный срок эксплуатации носителей, а также чувствительность к электростатическому разряду [Источник 1] .

Содержание

История

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 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.

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

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 [Источник 2] .

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. [Источник 3] .

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

Флеш память различается методом соединения ячеек в массив.

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.

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.

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. [Источник 4]

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.

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

ITRS или компании	2010	2011	2012	2013	2014	2015*	2016*
ITRS Flash Roadmap 2011	32 нм	22 нм	20 нм	18 нм	16 нм
ITRS Flash Roadmap 2013	17 нм	15 нм	14 нм
Samsung	35-32 нм	27 нм	21 нм (MLC, TLC)	19 nm	19-16 нм V-NAND (24L)	12 нм V-NAND (32L)	12 нм
Micron, Intel	34-25 нм	25 нм	20 нм (MLC + HKMG)	20 нм (TLC)	16 нм	12 нм 3D-NAND	3D-NAND Gen2
Toshiba, Sandisk	43-32 нм	24 нм	19 нм (MLC, TLC)	A-19 нм	15 нм	3D NAND BiCS	3D NAND BiCS
SK Hynix	46-35 нм	26 нм	20 нм (MLC)	20 нм	16 нм	3D V1	12 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. [Источник 5] .

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.

Флеш-память (англ. flash memory ) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

Содержание

История

В 1988 году Intel выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference.

Принцип действия [1]

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.

Разрез транзистора с плавающим затвором

NOR- и NAND-приборы

Различаются методом соединения ячеек в массив и алгоритмами чтения-записи.

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. В такой конструкции было легко считать состояние конкретного транзистора, подав положительное напряжение на один столбец и одну строку.

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

Компоновка шести ячеек NOR flash

Структура одного столбца NAND flash

SLC- и MLC-приборы

Различают приборы, в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько бит. В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (англ. single-level cell, SLC ). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (англ. multi-level cell, MLC [2] ). MLC-приборы дешевле и более ёмкие, чем SLC-приборы, однако с большим временем доступа и меньшим максимальным количеством перезаписей.

Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита), память с 8 уровнями (3 бита) называют TLC [3] , с 16 уровнями (4 бита) — 16LC. [4]

Аудиопамять

Естественным развитием идеи MLC ячеек была мысль записать в ячейку аналоговый сигнал. Наибольшее применение такие аналоговые флеш-микросхемы получили в воспроизведении звука. Такие микросхемы получили широкое распространение во всевозможных игрушках, звуковых открытках и т. д. [5]

Многокристальные микросхемы

Технологические ограничения

Запись и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи для формирования высоких напряжений, тогда как при чтении затраты энергии относительно малы.

Ресурс записи

Изменение заряда сопряжено с накоплением необратимых изменений в структуре и потому количество записей для ячейки флеш-памяти ограничено (обычно до 10 тыс. раз для MLC-устройств и до 100 тыс. раз для SLC-устройств).

Одна из причин деградации — невозможность индивидуально контролировать заряд плавающего затвора в каждой ячейке. Дело в том, что запись и стирание производятся над множеством ячеек одновременно — это неотъемлемое свойство технологии флеш-памяти. Автомат записи контролирует достаточность инжекции заряда по референсной ячейке или по средней величине. Постепенно заряд отдельных ячеек рассогласовывается и в некоторый момент выходит за допустимые границы, которые может скомпенсировать инжекцией автомат записи и воспринять устройство чтения. Понятно, что на ресурс влияет степень идентичности ячеек. Одно из следствий этого — с уменьшением топологических норм полупроводниковой технологии создавать идентичные элементы все труднее, поэтому вопрос ресурса записи становится все острее.

Другая причина — взаимная диффузия атомов изолирующих и проводящих областей полупроводниковой структуры, ускоренная градиентом электрического поля в области кармана и периодическими электрическими пробоями изолятора при записи и стирании. Это приводит к размыванию границ и ухудшению качества изолятора, уменьшению времени хранения заряда.

Идут исследования технологии восстановления ячейки флеш-памяти путём локального нагрева изолятора затвора до 800°С в течении нескольких миллисекунд. [7]

Срок хранения данных

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий — 10-20 лет.

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

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.

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.

Скорость чтения и записи

Скорость стирания варьируется от единиц до сотен миллисекунд в зависимости от размера стираемого блока. Скорость записи — десятки-сотни микросекунд.

Обычно скорость чтения для NOR-микросхем нормируется в десятки наносекунд. Для NAND-микросхем скорость чтения десятки микросекунд.

Особенности применения

Сложность алгоритмов чтения и допустимость наличия некоторого количества бракованных ячеек вынудило разработчиков оснастить NAND-микросхемы памяти специфическим командным интерфейсом. Это означает, что нужно сначала подать специальную команду переноса указанной страницы памяти в специальный буфер внутри микросхемы, дождаться окончания этой операции, считать буфер, проверить целостность данных и, при необходимости, попытаться восстановить их.

Слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи в одной странице. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что стандартные файловые системы — то есть стандартные системы управления файлами для широко распространенных файловых систем — часто записывают данные в одно и то же место. Часто обновляется корневой каталог файловой системы, так что первые секторы памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволит существенно продлить срок работы памяти. Подробнее про задачу равномерного распределения износа см.: Wear leveling (англ.).

Подробнее о проблемах управления NAND-памятью, вызванных разным размером страниц стирания и записи см.: Write amplification (англ.).

NAND-контроллеры

Для упрощения применения микросхем флеш-памяти NAND-типа они используются совместно со специальными микросхемами — NAND-контроллерами. Эти контроллеры должны выполнять всю черновую работу по обслуживанию NAND-памяти: преобразование интерфейсов и протоколов, виртуализация адресации (с целью обхода сбойных ячеек), проверка и восстановление данных при чтении, забота о разном размере блоков стирания и записи, забота о периодическом обновлении записанных блоков (есть и такое требование), равномерное распределение нагрузки на секторы при записи.

Однако задача равномерного распределения износа не обязательна, что зачастую приводит к экономии в дешевых изделиях. Такие флеш-карты памяти и USB-брелки быстро выйдут из строя при частой перезаписи. Если вам нужно часто записывать на флешку — старайтесь брать дорогие изделия с SLC-памятью и качественными контроллерами, а также старайтесь минимизировать запись в корневую директорию.

Специальные файловые системы

Зачастую флеш-память подключается в устройстве напрямую — без контроллера. В этом случае задачи контроллера должен выполнять программный NAND-драйвер в операционной системе. Чтобы не выполнять избыточную работу по равномерному распределению записи по страницам, стараются эксплуатировать такие носители со специально придуманными файловыми системами (англ. Flash file system ): JFFS2 [9] и YAFFS [10] для Linux и др.

Применение

Флеш-память позволяет обновлять прошивку устройств в процессе эксплуатации.

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.

Там, где требуются рекордные объёмы памяти — NAND-флеш вне конкуренции.

В первую очередь — это всевозможные мобильные носители данных и устройства, требующие для работы больших объёмов хранения. В основном, это USB-брелоки и карты памяти всех типов, а также мобильные медиаплееры.

Флеш-память типа NAND позволила миниатюризировать и удешевить вычислительные платформы на базе стандартных операционных систем с развитым программным обеспечением. Их стали встраивать во множество бытовых приборов: сотовые телефоны и телевизоры, сетевые маршрутизаторы и точки доступа, медиаплееры и игровые приставки, фоторамки и навигаторы.

Высокая скорость чтения делает NAND-память привлекательной для кэширования винчестеров. При этом часто используемые данные операционная система хранит на относительно небольшом твердотельном устройстве, а данные общего назначения записывает на дисковый накопитель большого объёма. [11]

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам NAND-память активно вытесняет из обращения носители других типов. Сначала исчезли дискеты и дисководы гибких магнитных дисков [12] , ушли в небытие накопители на магнитной ленте. Магнитные носители практически полностью вытеснены из мобильных и медиаприменений. Сейчас флеш-память активно теснит винчестеры в ноутбуках [13] и уменьшает долю записываемых оптических дисков.

Стандартизацией применения чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0 [14] , выпущенная 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND-чипов: Intel, Hynix и Micron Technology. [15]

Достижения

В 2005 году Toshiba и SanDisk представили NAND-чипы объёмом 1 Гб [17] , 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 4-гигабайтный чип, выполненный по 40-нм технологическому процессу. [18]

В конце 2007 года Samsung сообщила о создании MLC-чипа флеш-памяти типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью чипа 8 Гб. В декабре 2009 года начато производство этой памяти объёмом 4 Гб (32 Гбит). [19]

На конец 2008 года лидерами по производству флеш-памяти являлись Samsung (31 % рынка) и Toshiba (19 % рынка, включая совместные заводы с Sandisk). (Данные согласно iSuppli на 4 квартал 2008 года).

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 терабайта.

В 2010 году Intel и Micron сообщили об успешном совместном освоении выпуска 3-битной (TLC) флеш-памяти типа NAND с использованием норм 25-нм техпроцесса. [2]

6 декабря 2011 года Intel и Micron анонсировали NAND-флеш-память по технологии 20 нм объёмом 128 Гбит. [22]

27 августа 2011 года Transcend совместно с институтом ITRI представили USB-накопитель с флеш-памятью ёмкостью 2 Тб и подключением по стандарту USB 3.0. [23]

Читайте также: