История развития flash памяти.

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 15Следующая ⇒

Предшественниками технологии флеш-памяти можно считать ультрафиолетово стираемые постоянные запоминающие устройства (EPROM) и электрически стираемые ПЗУ (EEPROM). Эти приборы также имели матрицу транзисторов с плавающим затвором, в которых инжекция электронов в плавающий затвор («запись») осуществлялась созданием большой напряженности электрического поля в тонком диэлектрике. Однако площадь разводки компонентов в матрице резко увеличивалась, если требовалось создать поле обратной напряжённости для снятия электронов с плавающего затвора («стирания»). Поэтому и возникло два класса устройств: в одном случае жертвовали цепями стирания, получая память высокой плотности с однократной записью, а в другом случае делали полнофункциональное устройство с гораздо меньшей ёмкостью.

Соответственно усилия инженеров были направлены на решение проблемы плотности компоновки цепей стирания. Они увенчались успехом изобретением инженера компании Toshiba Фудзио Масуокой в 1984 году. Название «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми, 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.

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

NAND-типфлеш-памятибыланонсирован Toshiba в 1989 годуна International Solid-State Circuits Conference.

Принцип работы полупроводниковой технологии флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («кармане») полупроводниковой структуры.

Изменение заряда («запись» и «стирание») производится 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 туннеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора (эффект Hot carrier injection (англ.)).

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.

Рис. 5.17. Компоновка шести ячеек NOR flash

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.

Рис. 5.18. Структура одного столбца NAND flash

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.

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.

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

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 (single-level cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (multi-level cell, MLC. 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) на каждую ячейку, память с 8 уровнями (3 бита) иногда называют TLC (Triple Level Cell) или 3bit MLC, с 16 уровнями (4 бита) — 16LC.

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.

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

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.

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий, не превышает 10—20 лет, хотя гарантия на носители дается 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.[22]

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.

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.

Стремление достичь предельных значений емкости для NAND-устройств привело к «стандартизации брака» — праву выпускать и продавать микросхемы с некоторым процентом бракованных ячеек и без гарантии не появления новых «bad-блоков» в процессе эксплуатации. Чтобы минимизировать потери данных, каждая страница памяти снабжается небольшим дополнительным блоком, в котором записывается контрольная сумма, информация для восстановления при одиночных битовых ошибках, информация о сбойных элементах на этой странице и количестве записей на эту страницу.

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.

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.

На дорогие NAND-контроллеры также может возлагаться задача «ускорения» микросхем флеш-памяти путем распределения данных одного файла по нескольким микросхемам. Время записи и чтения файла при этом сильно уменьшается.

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 специальными файловыми системами: JFFS2 и YAFFS для Linux и др.

Существует два основных применения флеш-памяти: как мобильный носитель информации и как хранилище программного обеспечения («прошивки») цифровых устройств. Зачастую эти два применения совмещаются в одном устройстве.

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 Data Flash. 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.

Рис. 5.18 Микросхемы хранения среднего размера данных Data Flash

В первую очередь — это всевозможные мобильные носители данных и устройства, требующие для работы больших объёмов хранения. В основном, это USB-брелки 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 кеширования винчестеров. При этом часто используемые данные операционная система хранит на относительно небольшом твердотельном устройстве, а данные общего назначения записывает на дисковый накопитель большого объёма.

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам, NAND-память активно вытесняет из обращения носители других типов. Сначала исчезли дискеты и дисководы гибких магнитных дисков, ушли в небытие накопители на магнитной ленте. Магнитные носители практически полностью вытеснены из мобильных и медиаприменений.

Стандартизацией применения чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0 [23], выпущенная 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND-чипов: Intel, Hynix и Micron Technology.[24]

Подведем итоги вышеприведенного материала по flash памяти.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒