Выполнил студент группы 09-ОЗИ2
Горлов А.П.

Физические принципы функционирования устройств хранения информации на микросхемах Flash-памяти

Введение

Цифровые технологии все шире входят в нашу жизнь. За последнее время появилось множество различных МРЗ-плееров, камер, карманных компьютеров и другой цифровой аппаратуры. А все это стало возможным благодаря созданию компактных и мощных процессоров. Однако при покупке какого-либо устройства, помещающегося в кармане, нельзя ориентироваться лишь на процессорную мощность.
При выборе портативных устройств одно из самых важных условий - время автономной работы при разумных массе и размерах элемента питания. Во многом это зависит от памяти, которая определяет объем сохраненного материала, и, продолжительность работы без подзарядки аккумуляторов. Возможность хранения информации в карманных устройствах ограничивается скромными энергоресурсами Память, обычно используемая в ОЗУ компьютеров, требует постоянной подачи напряжения. Дисковые накопители могут сохранять информацию и без непрерывной подачи электричества, зато при записи и считывании данных тратят его за троих. Хорошим выходом оказалась флэш-память, не разряжающаяся самопроизвольно. Носители на ее основе называются твердотельными, поскольку не имеют движущихся частей. Флэш-память - дорогое удовольствие, но отсутствие движущихся частей повышает надежность флэш-памяти, т. е. теоретически карта должна превосходно работать при максимально возможных космических перегрузках, и выдержать падения с трёхметровой высоты. Причем в таких условиях гарантируется функционирование карты до 100 лет.

Что такое Flash-память

Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи). Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных. Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически движущихся частей, построенная на основе интегральных микросхем.
В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит из одного транзистора особой архитектуры.
Флэш–память получила свое название благодаря тому, как производится стирание и запись данного вида памяти: название было дано компанией Toshiba во время разработки 1-ых микросхем флэш-памяти как характеристика скорости стирания микросхемы флэш-памяти «in a flash» - в мгновение ока.
Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других механических носителях информации, большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.
Итак, благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в таких портативных устройствах, как: цифровые фото- и видео камеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны, и т.п.

История и развитие

Изобретение флэш-памяти часто приписывают Intel, называя при этом 1988 год. На самом деле память впервые была изобретена инженером компании Toshiba Фудзио Масуокой в 1984 году и уже на следующий год было начато производство 256Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году Intel разработала собственный вариант флэш-памяти с архитектурой NOR.
NOR-флэш имеет медленные, по сегодняшним стандартам, скорости записи и удаления, да и число циклов записи относительно невелико (около 100 000). Подобная флэш-память используется там, где нужно почти постоянное хранение данных с очень редкой перезаписью. К примеру, для хранения операционной системы цифровых камер и мобильных телефонов.
Второй тип флэш-памяти был изобретён в 1989 году компанией Toshiba и назван NAND-флэш. Новая память должна была стать менее дорогой и более скоростной альтернативой NOR-флэш. По сравнению с NOR, технология NAND обеспечила в десять раз большее число циклов записи, а также более высокую скорость как записи, так и удаления данных. Да и ячейки памяти NAND имеют в два раза меньший размер, чем у памяти NOR. В результате NAND-флэш даёт явное преимущество: меньший размер ячейки приводит к тому, что на определённой площади кристалла можно размещать больше ячеек памяти.
По информации разработчика M-Systems, память NAND-флэш удаляет данные всего за четыре миллисекунды, а NOR-флэш на эту операцию требуется пять секунд. Причиной является большой размер блока NOR - от 64 до 128 кбайт. NAND, напротив, использует блок меньшего размера - между 8 и 32 кбайт. Из-за лучшей производительности в карточках памяти (CompactFlash, SmartMedia, SD, MMC, xD и т.д.) обычно используется NAND-флэш, то же самое можно сказать и про USB-брелоки.

Flash-память с архитекторой NOR

Память с такой организацией считается первой представительницей семейства Flash. Схема логического элемента, собственно давшего ей название (NOR — Not OR — в булевой математике обозначает отрицание «ИЛИ»), приведена на рисунке.
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. 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. Из недостатков 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.

Flash-память с архитектурой NAND

NAND — Not AND — в той же булевой математике обозначает отрицание «И».
Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, есть еще одно важное отличие — архитектура размещения ячеек и их контактов. Здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. В случае с памятью такая организация несколько лучше — площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

NOR и NAND в режиме чтения/записи

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.
Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации.
Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели. Другое дело последовательная запись/чтение — здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода.

Перспективы Flash технологий

Флэш — перспективная технология. Интересна и актуальна разработка компании Renesas — флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок, равномерности износа ячеек. С конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек — это обычная технологическая норма. Поэтому во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.
Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC – он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.
Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении.
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.

Стандарты Flash-памяти

• Compact Flash

Этот стандарт был предложен в 1994 г. компанией SanDisk, а в 1995 г. его стала продвигать ассоциация CFA, созданная такими крупными компаниями, как Hewlett-Packard, Hitachi, IBM, Motorola и др. Сейчас в нее входят уже более 165 фирм.
Модули памяти Compact Flash (CF) представляют собой модификацию PC-карт. Правда, они меньше по объему и имеют всего 50 контактов вместо 68, но их можно подключать в разъемы PCMCIA через пассивный переходник без дополнительного ПО. Устройства CF делятся на два типа, внешне различающихся толщиной. Размеры CF типа I - 36,4x42,8x3,3 мм, a CF типа II имеют ту же площадь, но их толщина больше - 5 мм. Карты типа II несовместимы с разъемами типа I, тогда как для карт типа I подходят порты обоих видов.
Для работы модули CF используют напряжение 3,3 или 5 В и ток до 100 мА. В итоге, по утверждению производителей, они потребляют в 20 раз меньше энергии, нежели стандартные жесткие диски, так что не нужно часто заменять батарейки.
Стандарт Compact Flash уже довольно давно представлен на рынке, поэтому при покупке камеры, работающей с картами CF, можно не сомневаться, что удастся найти совместимый по памяти МРЗ-плеер и не придется иметь дело с картами разных видов.

• SmartMedia

Стандарт SmartMedia, или SSFDC был разработан в 1995 г. компанией Toshiba, а его продвижением занимается организация SSFDC Forum, в рядах которой немало известных компаний. SSFDC (Solid State Floppy Disk Card) можно перевести как "твердотельная дискета". Следует отметить, что многие производители делают флэш-карты сразу трех основных типов: Compact Flash, SmartMedia и MultiMediaCard.
В отличие от Compact Flash, карты SmartMedia (SM) не снабжены встроенным контроллером, что, по замыслу создателей, должно снижать их стоимость. Кроме того, SM имеют меньшие размеры (37x45x1,76 мм) и массу (до 2 г). По популярности SM спорят с CF, а вместе с ним оба этих стандарта охватывают более половины рынка флэш-карт.
Рабочие напряжения у SM такие же, как и у CF, но обычно используется 3,3 В. Максимальная емкость карт, объявленная производителями, в частности компаниями ЕМТЕС и Delkin, составляет 128 Мбайт. Из-за отсутствия внутреннего контроллера для работы с этими картами невозможно применить пассивный переходник. SM обычно используются в цифровых камерах и МРЗ-плеерах, а вот в КПК - практически никогда.

• MultiMediaCard

Этот стандарт предложили в 1997 г. компании Infineon Technologies (подразделение Siemens) и SanDisk, а продвигает его ассоциация ММСА, состоящая из 80 компаний (Infineon, Nokia, Ericsson, Hitachi, SanDisk, Motorola и др.).
Карты ММС еще меньше, чем рассмотренные выше, - 32x24x1,4 мм, да и весят они всего 1,5 г. Поэтому и предназначены в основном для ультрапортативных устройств, особенно актуальны они в КПК, сотовых телефонах и электронных записных книжках.
Эти модули памяти работают при напряжениях 3,3 или 2,7 В и токе до 35 мА, что и обусловливает низкое энергопотребление.

• Secure Digital

Компания Matsushita Electronic (известная под торговой маркой Panasonic) вместе с SanDisk и Toshiba разработали стандарт, в котором учли последние веяния времени. Чтобы предотвратить несанкционированное копирование, носители Secure Digital (SD) снабжены средствами защиты от незаконного копирования.
Размеры карт - 32x24x2,1 мм. Разъемы для них совместимы с модулями ММС. Пока стандарт только начал завоевывать рынок, но производители обещают уже в этом году довести емкость карт SD до 256 Мбайт.
Уже анонсирован выпуск в формате SD модемов и других периферийных устройств. А возможность защиты авторских прав позволила продавцам выпустить в продажу книги и песни на этих носителях.

• Memory Stick

Некогда Sony заставила компьютерную индустрию выбрать в качестве сменных носителей свои 3,5-дюймовые флоппи-дисководы, а теперь она решила позаботиться о своих позициях и на аудиорынке, для чего разработала новый стандарт флэш-карт Memory Stick
(MS). Эти 10-контактные устройства . размерами 21,5x50x2,8 мм и массой 4 г стали опорой цифровой империи Sony, которая устанавливает их в свои цифровые плееры, фотоаппараты и видеокамеры, также игрушки и другие устройства.

Заключение

Независимо от того, насколько активно индустрия и пресса сегодня обсуждают преемника флэш-памяти, вряд ли в ближайшем будущем появится замена.
Но в технологиях, претендующих заменить флэш-память, недостатка нет. MRAM и OUM, FRAM (FeRAM), полимерная память (PFRAM), PCRAM, RAM с проводящим мостиком (CBRAM), органическая RAM (ORAM) и недавно появившуюся RAM на нанотрубках (NRAM).
Те обстоятельства, что флэш-память сегодня достаточно хороша для своих областей применения, да и развитие этого вида памяти не прекращается, оставляют немного шансов возможным преемникам. Вряд ли до 2008 года на рынке появиться стоящая замена. Компании переключатся на новую технологию, когда та станет достаточно эффективной против конкурирующих типов памяти.
Таким образом, до того, как новые технологии смогут сравняться с флэш-памятью по объёмам продаж, пройдёт ещё несколько лет.
На данный момент ни один из полупроводниковых производителей не может дать аккуратного прогноза по поводу технологии, которая заменит флэш. В то же время, компании уверены, что любая успешная технология даст сочетание высокой скорости и автономности при оптимальной себестоимости производства.

Список источников

1. Википедия, URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Флеш-память (дата обращения: 27.04.2011)
2. iXBT.com, URL: http://www.ixbt.com/storage/flash-tech.shtml (дата обращения: 27.04.2011)
3. Tom’s hardware Guide, URL: http://www.thg.ru/mainboard/200412011/flash-01.html (дата обращения: 27.04.2011)
4. АК-Цент Микросистемс, URL: http://www.ak-cent.ru/index.phtml?parent_id=9845&SID= (дата обращения: 27.04.2011)