Что такое диск и флеш память. Flash-память. Принцип работы

В обиходе пользователей появилось новое слово - «флешка». Большинству людей точно известно, что данное устройство используется в цифровых фотоаппаратах, а также предназначено для переноса видеофильмов и музыки. А ведь это не полный перечень функций, которые выполняет флешка. Данное устройство является незаменимым в работе любого владельца не только компьютера, а и всевозможной электроники 21-го века. Темой данной статьи является флеш-память, её характеристики, виды, цены.

Окунувшись в историю

Переписыванием истории занимаются все гиганты ИТ-индустрии, устанавливая свое авторство над разными изобретениями. Так поступила и знаменитая американская компания Intel, которая присвоила себе изобретение флеш-памяти. Однако технология и производство первого в мире устройства принадлежат японскому гиганту Toshiba, который в далеком 1984 году представил миру свое открытие. Название «флеш-память» устройству дали тоже японцы, и не случайно. Процесс стирания информации на флеш-памяти отдаленно напоминает фотовспышку.

Не прошло и нескольких лет с момента изобретения, а мировые гиганты ИТ-индустрии быстро нашли применение новому изобретению, поставив производство на конвейер.

Не вся память относится к «флеш»

Неглубоко погружаясь в мир физики, можно узнать, что память бывает нескольких видов.

1. Оперативная память, которая работает по принципу «электрической емкости». Миллионы конденсаторов, удерживая заряд в оперативной памяти, являются хранителями информации. При отключении подачи электричества на устройство конденсаторы разряжаются, теряя информацию безвозвратно.
2. Постоянная память. Информация на носителе сохраняется путем физического или химического воздействия. Примером служит оптический DVD-диск, информация на который записывается путем прожигания лазером микроскопических дырочек на поверхности пластика.
3. Условно-постоянная энергонезависимая память. Сюда относятся флеш-память, магнитные жесткие диски, дискеты, видеопленка и прочие носители, которые умеют удерживать магнитный или электрический заряд при отсутствии постоянного источника электроэнергии.

Применение флеш-памяти

Для технологий 20-го века изобретению вполне хватало устройств, таких как карта памяти и USB-флеш-накопители. Но в 21-м веке произошел бум на носители информации с технологией флеш. В первую очередь флеш-памятью обзавелись все мобильные телефоны, планшеты, мультимедиа-проигрыватели и цифровые устройства. Позже ни одна интерактивная игрушка для детей не могла существовать без флеш-памяти. Технологии на этом не остановились. Ежедневно появляются все новые устройства, снабженные таким замечательным видом памяти. Взять хотя бы фонарик для полицейского. Благодаря наличию в нем флеш-памяти правозащитник может выбирать требуемую ему фокусировку и яркость луча из сохраненных настроек.

Как много производителей устройств

На рынке можно увидеть, что нужная флеш-память представлена сразу несколькими производителями. Имея практически одинаковые характеристики, накопители значительно отличаются в цене. Неужели самая дорогая покупка окажется самой лучшей? Не всегда! Часто покупателю приходится переплачивать за бренд, сервис и гарантию.

В мире существует всего несколько заводов, которые производят модули флеш-памяти. Эти модули раскупаются гигантами ИТ-индустрии, которые создают красивый корпус и продают накопитель уже от своего имени. Единственное различие - скорость работы устройств, зависящая от способностей флеш-памяти. Будет память быстрой или нет, решают на заводе-изготовителе.

О ценах на устройства флеш

Любому, кто самостоятельно решил приобрести флеш-память, цены на рынке могут показаться странными. Одинаковые по объему накопители от двух малознакомых брендов имеют большой разбег в стоимости. В чем же дело? Существует набор требований к флеш-картам, благодаря которому производитель обязан определить класс устройства и произвести маркировку на корпусе товара. Часто в магазине можно встретить устройства, на которых нет маркировки, присутствует лишь логотип компании-производителя. Цены на такие карты памяти очень низкие, а продавец заявляет о высоких показателях в работе устройства. Отзывы специалистов на страницах уважаемых компьютерных изданий рекомендуют воздержаться от покупки немаркированных устройств, так как они являются подделкой или ввезены в страну нелегально.

Что нужно знать о маркировках флеш-накопителей

Раз речь зашла о маркировке накопителей, при покупке необходимо обращать внимание на цифры и надписи, указанные на корпусе флеш-устройств.

1. Обязательно должно присутствовать название компании-производителя или её логотип.
2. На носителе должен быть написан объем флеш-памяти.
3. На корпусе должен быть указан класс флеш-устройства. Часто производители модулей USB класс указывают на упаковке товара, что не запрещается законодательством.

В продаже можно встретить карты флеш-памяти без маркировки, но с длинным номером, который мелким шрифтом набит на корпусе устройства. Таким образом, производитель указывает партийный номер, по которому покупатель может найти устройство в сети интернет и ознакомиться с его техническими характеристиками.

Скорость пропорциональна цене, но не эффективности

Чем выше класс флеш-памяти, тем выше его скорость записи, и тем больше цена. А стоит ли покупать самую быструю память?

1. Нулевой класс. Скорость записи не менее 0,6 Мб в секунду. В магазинах можно купить, не увидев отсутствие маркировки. Подойдет для хранения документации.
2. Классы 2 и 4, со скоростями записи 2 и 4 Мб в секунду соответственно, тоже относятся в раздел офисных и предназначены для хранения и переноса документации.
3. Шестой и восьмой классы со скоростью 6 и 8 Мб в секунду будут интересны всем покупателям, работающим с фото, музыкой, видео. Эти типы флеш-памяти раскрывают потенциал в работе с мультимедиа.
4. Десятый класс и выше, включая Ultra, показывают скорости записи свыше 10 Мб в секунду. Применяются в работе с мультимедиа, в качестве дополнительных накопителей для рабочих станций, использовании в качестве оперативной памяти. Там, где критична скорость чтения и записи на носитель информации.

Серьезные бренды, такие как Pretec и Corsair, делают высокоскоростные устройства с возможностью записи порядка 25 Мб в секунду, маркируя их восьмым или десятым классом. Цена на модули очень высокая, но в мире ИТ такие бренды очень уважаются пользователями.

Каковы разные объемы флеш-памяти

Ещё один критерий, от которого зависит цена на накопитель, - объем флэш-памяти. Пусть, технологии не стоят на месте, но всё-таки существуют некоторые пределы. Когда для увеличения объема памяти необходимо изменить техпроцесс, возникает дилемма - сохранив низкую цену, остановиться на достигнутом результате или развиваться дальше, ища богатых покупателей. В мире наступило некоторое затишье - покупателям предлагают купить карты памяти с максимальным объемом в 64 гигабайта, при большом желании, под заказ можно стать владельцем 128 Гб и 256 Гб, но для этого придется сильно раскошелиться. Неизвестно, сколько времени потребуется на переход к новым технологиям и доступность на рынке карт большого объема, но известно одно - 64 Гб вполне достаточно, чтобы удовлетворить любую задачу рядового пользователя.

Чудо-зверь, имеющий большое будущее

Есть ещё одно интересное устройство, использующее в своей работе флеш-память, - накопитель SSD. Наряду с объемом и скоростью записи, критичным для устройства является авторитет производителя, который обеспечивает продукт контроллером управления и специализированной прошивкой, которая управляет всем устройством. Одна ошибка производителя - и устройство может попасть в мусорное ведро. Всё сложно, дорого и очень серьезно, но за SSD-накопителем будущее. Прямой конкурент жестким дискам компьютера, которые работают с помощью магнетизма. Устойчив к тряскам, температуре и работает бесшумно. Не за горами тот день, когда магнитные жесткие диски разделят место в шкафу с шариковыми мышками, уступив место технологиям 21-го века.

Как сэкономить на усовершенствовании компьютера

Владельцам старых компьютеров и ноутбуков не раз приходилось слышать от специалистов по обслуживанию о причинах низкой скорости работы устройства. Недостаточно оперативной памяти, которая уже давно снята с производства. Специалист, глядя в глаза владельцу компьютера, убеждает, что единственным выходом из положения будет покупка современного компьютера. Спустя 5 лет этот же специалист придет и будет в очередной раз доказывать, что нет никаких решений, кроме покупки нового компьютера. Так построен мир. Мир для людей, которым не интересны знания в ИТ-технологиях.

Оперативная флеш-память решит проблему раз и навсегда с минимальными для пользователя затратами. Достаточно скачать из сети Интернет программу под названием Ready Boost и изучить системные требования к накопителю. А уже затем приобретать в магазине необходимое устройство флеш-памяти. Подключить к компьютеру или ноутбуку накопитель, запустить программу и радоваться жизни. Ведь так приятно без капитальных вложений самостоятельно увеличить производительность компьютера.

Какому бренду отдать предпочтение

Из-за большого количества производителей очень тяжело определиться, кому отдать предпочтение. Специалисты рекомендуют составить список требований к накопителю, а потом выбирать бренд.

1. Цель использования позволяет выявить необходимый класс устройства.
2. Удобство и внешний вид подскажут, как флешка должна выглядеть. Например, для магнитолы в машину стоит обратить внимание на накопитель маленького размера, чтобы случайно не сломать в процессе использования.

Найдя несколько требуемых вариантов, поинтересоваться у продавца, как решаются вопросы при поломке устройства, существует ли гарантийная замена. Флеш-память относится к расходным материалам и не подлежит ремонту - об этом нужно знать до покупки. Положительные отзывы заслуживают производители Corsair, Kingston, OCZ, Pretec, Silicon Power, Transcend и IBM.

Как обезопасить себя от потери информации с флеш-носителя

Как любой носитель информации, карта памяти подвержена воздействиям внешних факторов, о которых необходимо знать всем пользователям флеш-устройств и побеспокоиться о сохранности своей информации.

1. Физическая поломка модулей. Пластиковые флеш-карты сломать очень легко, а восстановить невозможно, поэтому при покупке нужно обратить внимание на металлические флешки либо пользоваться очень аккуратно.
2. Влага способна уничтожить накопитель. Стоит обратить внимание на влагозащищенные носители, если существует вероятность попадания воды на память.
3. Заражение флеш-памяти вирусами. Порой восстановить информацию оказывается достаточно сложно, поэтому стоит обратить внимание на устройства, имеющие физическую защиту от записи в виде переключателя - это гарантированно не даст вирусам ни единого шанса.

Выяснив принцип действия, виды, характеристики, цены и устройство флэш-памяти, необходимо доверить свой выбор профессионалам.

1. Специалисты рекомендуют отдавать предпочтение проверенным брендам. Для этого достаточно обратиться к популярным источникам информации и почитать отзывы о продукте. Любой уважающий себя производитель в сети Интернет имеет собственный сайт. Вот его-то и стоит посетить, чтобы получить представление о компании.
2. Не стоит доверять свой выбор китайским подделкам, которые предлагаются на рынке по очень низкой цене. Если нет других вариантов, обязательно перед покупкой нужно попросить продавца продемонстрировать работу носителя. Обычное форматирование устройства в среде Windows позволяет определить исправность флеш-памяти.
3. Предпочтение стоит отдавать быстрым устройствам, которые имеют десятый класс. Так как часто случаются ситуации, когда время находится в приоритете. Тогда и флеш-память станет для пользователя универсальной под любое устройство.
4. Покупая карты памяти для цифровой техники, стоит побеспокоиться о возможностях считывания данных на компьютере. Для этого существуют всевозможные переходники, которые часто предлагаются к покупке вместе с флеш-памятью.

Теоретическая часть

Какая память бывает?

Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах .

Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?

Схематическое представление транзистора с плавающим затвором.

Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано . Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.

NB: «практически» - ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.

Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:

Устройство ячейки RAM.

Опять-таки на ixbt есть неплохая , посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.

Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да , но всё-таки…

Часть практическая

Flash

Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти.

Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы ). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.

Корпус кварцевого генератора

Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:

Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита

А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:

Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий

Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.

После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:

«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)

Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый» < 2 диаметров человеческого волоса, так что всё в мире относительно:

СЭМ-изображения контактов, питающих чип памяти

Если говорить о самой памяти, то тут нас тоже ждёт успех. Удалось отснять отдельные блоки, границы которых выделены стрелочками. Глядя на изображение с максимальным увеличением, постарайтесь напрячь взгляд, этот контраст реально трудно различим, но он есть на изображении (для наглядности я отметил отдельную ячейку линиями):

Ячейки памяти 1. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки

Мне самому сначала это показалось как артефакт изображения, но обработав все фото дома, я понял, что это либо вытянутые по вертикальной оси управляющие затворы при SLC-ячейке, либо это несколько ячеек, собранных в MLC. Хоть я и упомянул MLC выше, но всё-таки это вопрос. Для справки, «толщина» ячейки (т.е. расстояние между двумя светлыми точками на нижнем изображении) около 60 нм.

Чтобы не лукавить – вот аналогичные фото с другой половинки флешки. Полностью аналогичная картина:

Ячейки памяти 2. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки

Конечно, сам чип – это не просто набор таких ячеек памяти, внутри него есть ещё какие-то структуры, принадлежность которых мне определить не удалось:

Другие структуры внутри чипов NAND памяти
 

DRAM

Однако по традиции начнём с контактов. Приятно было увидеть, как выглядит «скол» BGA и что собой представляет сама пайка:

«Скол» BGA-пайки

А вот и второй раз пора кричать: «Язь!», так как удалось увидеть отдельные твердотельные конденсаторы – концентрические круги на изображении, отмеченные стрелочками. Именно они хранят наши данные во время работы компьютера в виде заряда на своих обкладках. Судя по фотографиям размеры такого конденсатора составляют около 300 нм в ширину и около 100 нм в толщину.

Из-за того, что чип разрезан под углом, одни конденсаторы рассечены аккуратно по середине, у других же срезаны только «бока»:

DRAM память во всей красе

Если кто-то сомневается в том, что эти структуры и есть конденсаторы, то можно посмотреть более «профессиональное» фото (правда без масштабной метки).

Единственный момент, который меня смутил, что конденсаторы расположены в 2 ряда (левое нижнее фото), т.е. получается, что на 1 ячейку приходится 2 бита информации. Как уже было сказано выше, информация по мультибитовой записи имеется, но насколько эта технология применима и используется в современной промышленности – остаётся для меня под вопросом.

Конечно, кроме самих ячеек памяти внутри модуля есть ещё и какие-то вспомогательные структуры, о предназначении которых я могу только догадываться:

Другие структуры внутри чипа DRAM-памяти

Послесловие

К сожалению, большого количества видео на тему производства Flash и RAM найти не удалось, поэтому довольствоваться придётся лишь сборкой USB-Flash-накопителей:

P.S.: Ещё раз всех с наступающим Новым Годом чёрного водяного дракона!!!
Странно получается: статью про Flash хотел написать одной из первых, но судьба распорядилась иначе. Скрестив пальцы, будем надеяться, что последующие, как минимум 2, статьи (про биообъекты и дисплеи) увидят свет в начале 2012 года. А пока затравка - углеродный скотч:

Углеродный скотч, на котором были закреплены исследуемые образцы. Думаю, что и обычный скотч выглядит похожим образом

Флеш память

История

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

Характеристики

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы

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

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

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

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

NOR и NAND

Компоновка шести ячеек NOR flash

Структура одного столбца NAND flash с 8 ячейками

Флеш память различается методом соединения ячеек в массив.

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

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

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

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

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

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

NOR

NOR Флеш память

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

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

Максимальное значение объёмов микросхем NOR - до 256 Мбайт.

NAND

NAND Флеш память

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

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

Запись

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

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

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

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

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

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

• NAND

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

Технологическое масштабирование

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

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

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

3D NAND

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

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

Срок хранения данных

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

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

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

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

Иерархическая структура

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

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

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

Ни для кого не секрет, что в современном мире, одним из наиболее актуальных товаров является информация. А её, как и любой другой товар, необходимо хранить и передавать. Для этой цели были созданы портативные запоминающие устройства. В недалеком прошлом такую роль выполняли дискеты и компакт-диски, способные запоминать очень малое количество информации при больших габаритах. С развитием вычислительной техники, носители информации постепенно уменьшались в размерах, но объем хранимых в них данных многократно увеличивался. Это привело к появлению нового портативного запоминающего устройства – флеш-карты USB.

Флэш-память - особый вид энергонезависимой, перезаписываемой полупроводниковой памяти.

Рассмотрим подробнее: энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи), перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных и полупроводниковая (твердотельная) то есть не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

Буквально у нас на глазах флэш-память превратилась из экзотического и дорогостоящего средства хранения данных в один из самых массовых носителей. Твёрдотельная память этого типа широко используется в портативных плеерах и карманных компьютерах, в фотоаппаратах и миниатюрных накопителях "флэш-драйвах". Первые серийные образцы работали с низкой скоростью, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет смотреть хранящийся в миниатюрной микросхеме полноформатный фильм или запускать "тяжёлую" операционную систему класса Windows XP.

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

Первоначально твердотельный жесткий диск разрабатывался для высокоскоростных серверов и использовался в военных целях, но как это обычно бывает, со временем их стали применять и для гражданских компьютеров и серверов.

Возникло два класса устройств: в одном случае жертвовали цепями стирания, получая память высокой плотности, а в другом случае делали полнофункциональное устройство с гораздо меньшей емкостью.

Соответственно усилия инженеров были направлены на решение проблемы плотности компоновки цепей стирания. Они увенчались успехом изобретением инженера компании Toshiba Фудзио Масуокой в 1984 году. Фудзио представил свою разработку на Международном семинаре по электронным устройствам (International Electron Devices Meeting), в Сан-Франциско, в Калифорнии. Компанию Intel заинтересовало данное изобретение и через четыре года в 1988 году она выпустила первый коммерческий флеш-процессор NOR-типа. NAND-архитектура флеш-памяти была анонсирована спустя год компанией Toshiba в 1989 году на Международной конференции построения твердотельных схем (International Solid-State Circuits Conference). У NAND-чипа была больше скорость записи и меньше площадь схемы.

Иногда утверждают, 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.

Преимущества флеш-карт USB над остальными накопителями очевидны:

малые габариты,

очень легкий вес,

бесшумность работы,

возможность перезаписи,

хорошая устойчивость к механическим воздействиям, в отличие от компакт-дисков и дискет(в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков),

выдерживает серьезные перепады температуры,

отсутствие подвижных частей, что сводит потребление электроэнергии к минимуму,

отсутствие проблем с подключением – USB выходы есть практически в любом компьютере,

большой объем памяти,

запись информации в ячейки памяти,

срок хранения информации до 100 лет.

Flash-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы.

Также следует отметить, что для работы с USB флешкой не требуются какие-либо сторонние программы, адаптеры и прочее. Распознавание устройства происходит автоматически.

Если записывать на флэшку в день 10 раз, то ее хватит примерно на 30 лет.

Принцип действия

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 тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.

Схематическое представление транзистора с плавающим затвором.

Между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут. SLC и MLC приборы

Различают приборы в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько. 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 ). MLC-приборы дешевле и более емкие чем SLC-приборы, однако время доступа и количество перезаписей хуже.

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.

Nor флеш-память (nor flash memory)

Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников («строки» и «столбцы») в которой на пересечении установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов к 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.

В основе данного типа флеш-памяти лежит алгоритм ИЛИ-НЕ (на англ. NOR), так как в транзисторе с плавающим затвором слишком малое напряжение на затворе обозначает единицу. Данный тип транзистора состоит из двух затворов: плавающего и управляющего. Первый затвор полностью изолирован и имеет возможность удерживать электроны до десяти лет. Ячейка также состоит из стока и истока. При подаче напряжения на управляющий затвор образуется электрическое поле и возникает так называемый туннельный эффект. Большая часть электронов переносится (туннелирует) через слой изолятора и проникает на плавающий затвор. Заряд на плавающем затворе транзистора изменяет «ширину» сток-исток и проводимость канала, что используется при чтении. Запись и чтение ячеек очень сильно различаются в энергопотреблении: так, флеш-накопители потребляют больше тока при записи, чем при чтении (потребляется очень мало энергии). Для удаления (стирания) данных на управляющий затвор подаётся достаточно высокое отрицательное напряжение, что приводит к обратному эффекту (электроны с плавающего затвора с помощью туннельного эффекта переходят на исток). В NOR-архитектуре существует необходимость подводить к каждому транзистору контакт, что сильно увеличивает размеры процессора. Эта проблема решается с помощью новой NAND-архитектуры.

Что такое Flash Memory?

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

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

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

История Flash Memory

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

Принцип работы USB-накопителя

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

Основные характеристики USB-накопителя

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

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

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

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

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

Типы карт памяти и Flash-накопителей

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

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

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

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

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

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

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