Что такое Flash Memory? Типы Flash-памяти Флеш память относится к

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget - устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

NOR

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash , каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи - от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие - архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях:) (а NOR - с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше - площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

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. К примеру, для изменения одного байта требуется:

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

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). 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 (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т. п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования - проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

И будет флэш…

Безусловно, флэш - перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее 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 (ECC - error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек - это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит - электромагнитное, физическое (тряска и т. п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, 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. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок - чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи - 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) - универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов - 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками - по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что - не взыщите:) Надеюсь, материал был вам интересен.

Физика ,

Электроника для начинающих

Предисловие

Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям ( , , , ). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.

Теоретическая часть

Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…

Какая память бывает?

На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.

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)?

Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память ( тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.

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

Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:

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

Всю плату SO-DIMM от Samsung я, конечно же, не стал распиливать, лишь с помощью строительного фена «отсоединил» один из модулей памяти. Стоит отметить, что тут пригодился один из советов, предложенных ещё после первой публикации – распилить под углом. Поэтому, для детального погружения в увиденное необходимо учитывать этот факт, тем более что распил под 45 градусов позволил ещё получить как бы «томографические» срезы конденсатора.

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

Помимо тех ссылок, что раскиданы по тексту, на мой взгляд, довольно интересен данный обзор (пусть и от 1997 года), сам сайт (и фотогалерея, и chip-art, и патенты, и много-много всего) и данная контора , которая фактически занимается реверс-инжинирингом.

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

Для хранения электронной информации предназначены накопители данных. В зависимости от конструктивных особенностей они подразделяются на несколько видов, наиболее распространенными среди которых являются флеш-накопители. Они получили широкое распространение благодаря малым физическим габаритам и внушительному объему, позволяющему хранить большое количество файлов. Однако при покупке флешки каждый пользователь сталкивался с ситуацией, когда полезный объем накопителя не соответствовал заявленному производителем. Почему возникает такая ситуация?

Определение флеш-памяти

Флеш-память - это одна из разновидностей современных накопителей информации, в основе которой лежит технология электрического программирования, которая позволяет получить полностью законченное, с технологической точки зрения, решение для записи и хранения электронной информации.
Обычные пользователи применяют термин «флеш-память» для классификации большой категории устройств хранения информации, которые изготавливаются по этой технологии. Основными достоинствами этой категории накопителей данных являются:

— Маленькие габариты;
— Низкая стоимость;
— Отличная устойчивость к механическим повреждениям;
— Большой объем;
— Высокая скорость считывания данных;
— Маленькое потребление электроэнергии.

Благодаря всем вышеперечисленным преимуществам, этот тип памяти нашел широкое применение при производстве различных электронных гаджетов, а также внешних накопителях данных. Однако существуют и значительные недостатки, которыми обладает флеш-память. Основными среди них является недолговечность эксплуатации и повышенная чувствительность к электростатическим разрядам.

А что касается объема памяти, которой могут обладать современные флеш-накопители? Однозначного ответа на этот вопрос нет, поскольку всего несколько лет назад 128 гигабайт казались пределом, а уже в наши дни никого не удивляют флеш-накопители, способные вместить один терабайт информации. И это далеко не предел.

Немного истории

Первыми накопителями данных этой категории считаются жесткие диски, в которых процесс записи осуществлялся при помощи разрядов электричества, а стирание - ультрафиолетом. В качестве запоминающих элементов в таких носителях использовались светодиодные транзисторы с плавающим затвором. Информация этих постоянных запоминающих устройств представлялась в виде электрического разряда, который закреплялся на диэлектрике. Основной проблемой этих устройств являлась очень большая площадь разводки, которую удалось уменьшить только в 1984 году. Именно тогда и появились первые флеш-накопители современного образца.

Принцип работы

Запись и хранение информации в электронном виде на флеш-накопителях происходит посредством регистрации и изменения электрического заряда светодиодных транзисторов. Этот процесс базируется на принципе туннельного эффекта, который происходит между источником электроэнергии и подвижным затвором транзистора. Для повышения эффективности этого процесса используют ускорение электронов. Считывание записанной информации осуществляется при помощи полевых транзисторов. Для реализации работы с большим количеством ячеек информации в конструкции флеш-памяти реализованы специальные элементы. Небольшие физические размеры накопителей этого класса и большой объем памяти достигаются благодаря маленьким размерам всех электронных элементов, входящих в состав этих устройств.

NOR- и NAND-приборы

Эти элементы различаются в зависимости от метода, который заложен в основу реализации большого массива источников хранения электрических зарядов, а также технологией записи и считывания информации. Приборы категории NOR создаются на базе двухмерной полупроводниковой матрицы, в месте пересечения которых используется по одной ячейке. В процессе записи и считывания электронной информации один выход ячейки контактирует с транзистором, а второй - с затвором столбцов. Исток контактирует с подложкой, выступающей связующим звеном для всех элементов флеш-накопителя. Подобная конструкция позволяет подавать питание на один транзистор, в котором хранится необходимая часть информации.

В отличие от структуры NOR, приборы класса NAND работают по принципу трехмерного массива. Накопители с этими приборами создаются на том же типе матрицы с тем лишь исключением, что в месте пересечения транзисторов базируется не одна, а столбец последовательных ячеек. Таким образом, в одном пересечении может находиться большое количество затворных цепей, что позволяет существенно увеличить количество элементов, входящих в основу накопителей информации. Однако это приводит к существенному усложнению алгоритма доступа к электронным элементам, которые хранят электронный заряд, а также процессу записи и считывания информации. Тем не менее несмотря на более сложную конструкцию, флеш-накопители, разработанные на этих приборах, обладают существенно большим объемом.

SLC- и MLC-приборы

Некоторые устройства, которые используются при производстве флеш-накопителей данных, способны одновременно хранить несколько бит информации вместо одного. Это достигается благодаря увеличению количества зарядов, которые одновременно может хранить плавающий затвор транзисторов. Такие приборы получили название многобитовые или многоуровневые, а в технической документации они обозначаются как MLC. Стоит отметить, что несмотря на преимущества в работе, они обладают более низкой стоимостью, однако, есть и негативная сторона, например, меньший ресурс циклов перезаписи, что значительно снижает их срок службы.

Аудиопамять

По мере развития технологического прогресса и изобретения MLC-приборов, технические специалисты пришли к идее преобразования аналогового сигнала в электрический, с последующей его записью в ячейку флеш-памяти. Эта идея была реализована на практике, а наиболее ярким примером являются различные детские игрушки, способные воспроизводить звуки.

Технологические ограничения

В процессе эксплуатации флеш-памяти происходит регулярная запись и считывание информации. При этом затраты электроэнергии на оба этих процесса очень сильно отличаются. Для того чтобы записать электронные данные в ячейку необходимо больше электричества нежели, для их считывания.

Ресурс записи и хранения информации

В процессе помещения электрического заряда в ячейку транзистора происходят необратимые изменения структуры этих элементов. В свою очередь, каждый транзистор обладает ограниченным количеством циклов записи. Максимальное количество циклов зависит от используемых технологий при производстве, а также от используемых деталей. Это объясняется тем, что невозможно контролировать электрический заряд, помещенный в плавающий затвор, поэтому по мере эксплуатации накопителя происходит нарушение структуры транзистора и потеря электрического заряда.

Эта же тенденция наблюдается и в максимальном времени, на протяжении которого может храниться заряд. В среднем, электронная информация может храниться на флеш-накопителях от 10 до 20 лет, однако, эти сроки могут отличаться в зависимости от используемых при производстве технологий и элементов.

Всем доброго дня!
Сегодняшняя статья положит начало новому, небольшому циклу статей, посвященному хранению информации, различным типам памяти, способам записывания/считывания информации и всему, что с этим связано 😉 И начнем мы с устройства хорошо нам всем знакомой Flash-памяти.

Что из себя вообще представляет Flash-память? Да просто обычная микросхема, ничем внешне не отличающаяся от любой другой. Поэтому может возникнуть резонный вопрос – а что там внутри и как вообще происходят процессы сохранения/считывания информации.

Итак, сердцем многих устройств памяти является полевой транзистор с плавающим затвором. Гениальнейшее изобретение 70-х годов 20-го века. Его отличие от обычных полевых транзисторов заключается в том, что между затвором и каналом, прямо в диэлектрике, расположен еще один проводник – который и называют плавающим затвором. Вот как все это выглядит:

На рисунке мы видим привычные нам сток-исток-затвор, а также расположенный в диэлектрике дополнительный проводник. Давайте разберемся как же это устройство работает.

Создадим между стоком и истоком разность потенциалов и подадим положительный потенциал на затвор. Что тогда произойдет? Правильно, через полевой транзистор, от стока к истоку потечет ток. Причем величина тока достаточно велика для того, чтобы “пробить” диэлектрик. В результате этого пробоя часть электронов попадет на плавающий затвор. Отрицательно заряженный плавающий затвор создает электрическое поле, которое начинает препятствовать протеканию тока в канале, в результате чего транзистор закрывается. И если отключить питание транзистора, электроны с плавающего затвора никуда не денутся и его заряд останется неизменным на долгие годы.

Но, конечно же, есть способ разрядить плавающий затвор. Для этого надо всего лишь подать на “основной” затвор напряжение противоположного знака, которое и “сгонит” все электроны, в результате чего плавающий затвор останется не заряженным.

Собственно так и происходит хранение информации – если на затворе есть отрицательный заряд, то такое состояние считается логической единицей, а если заряда нет – то это логический ноль.

С сохранением информации разобрались, осталось понять как нам считать информацию из транзистора с плавающим затвором. А все очень просто. При наличии заряда на плавающем затворе его электрическое поле препятствует протеканию тока стока. Допустим при отсутствии заряда мы могли подавать на “основной” затвор напряжение +5В, и при этом в цепи стока начинал протекать ток. При заряженном плавающем затворе такое напряжение не сможет заставить ток течь, поскольку электрическое поле плавающего затвора будет ему мешать. В этом случае ток потечет только при напряжении +10В (к примеру =)). Таким образом, мы получаем два пороговых значения напряжения. И, подав, к примеру +7.5В мы сможем по наличию или отсутствию тока стока сделать вывод о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе. Вот таким образом и происходит считывание сохраненной информации.

Как все это связано с Flash-памятью? А очень просто – полевой транзистор с плавающим затвором является минимальной ячейкой памяти, способной сохранить один бит информации. И любая микросхема памяти состоит из огромного количества расположенных определенным образом транзисторов. И вот теперь пришло время рассмотреть основные типы Flash-памяти. А именно я бы хотел обсудить NOR и NAND память.

Оба этих типа памяти построены на основе транзисторов с плавающим затвором, которым мы сегодня уделили немало времени) А принципиальное отличие состоит в том, каким образом соединены эти транзисторы.

Конструкция NOR использует двумерную таблицу проводников. Проводники называют линией битов и линией слов. Все стоки транзисторов подключаются к линии битов, а все затворы к линии слов. Рассмотрим пример для лучшего понимания.

Пусть нам надо считать информацию из какой-то конкретной ячейки. Эта ячейка, а точнее этот конкретный транзистор, подключен затвором на одну из линий слов, а стоком на одну из линий битов. Тогда мы просто подаем пороговое напряжение на линию слов, соответствующую затвору нашего транзистора и считываем его состояние как в том примере, что мы рассмотрели чуть выше для одной ячейки.

С NAND все несколько сложнее. Если возвращаться к аналогии с массивом, то ячейки NAND-памяти представляют собой трехмерный массив. То есть к каждой линии битов подключен не один, а сразу несколько транзисторов, что в итоге приводит к уменьшению количества проводников и увеличению компактности. Это как раз и является одним из главных преимуществ NAND-памяти. Но как же нам считать состояние определенного транзистора при такой структуре? Для понимания процесса рассмотрим схему:

Как видно из схемы, одна линия битов соответствует нескольким ячейкам. И важной особенностью является следующее: если хотя бы один из транзисторов закрыт, то на линии битов будет высокое напряжение. Вот смотрите:

Действительно, низкий уровень на линии битов будет только тогда, когда вся цепочка транзисторов окажется открытой (вспоминаем курс, посвященный полевым транзисторам 😉).

С этим вроде бы понятно, возвращаемся к нашему вопросу – как же считать состояние конкретного транзистора? А для этого недостаточно просто подать на линию слов (на затвор транзистора) пороговое напряжение и следить за сигналом на линии битов. Необходимо еще чтобы все остальные транзисторы были в открытом состоянии. А делается это так – на затвор нашего транзистора, состояние которого нам нужно считать, подается пороговое напряжение (как и в случае с NOR-памятью), а на затворы всех остальных транзисторов в этой цепочке подается повышенное напряжение, такое чтобы независимо от состояния плавающего затвора транзистор открылся. И тогда считав сигнал с линии битов мы узнаем в каком состоянии интересующий нас транзистор (ведь все остальные абсолютно точно открыты). Вот и все)

Такая вот получилась статейка сегодня) Разобрались мы с принципом работы и основными типами Flash, а также с устройством и принципом работы NAND и NOR-памяти. Надеюсь, что статья окажется полезной и понятной, до скорых встреч!

На сегодня производители выпускают накопители на флэш-памяти нескольких типов: это карты Compact Flash , SmartMedia , MultiMedia Card , SecureDigital Card , Memory Stick и USB -ключи.

ATA Flash . Первыми накопителями на флэш-памяти, появившимися рынке, были карты ATA Flash . Эти накопители изготавливаются в виде стандартных карт PC Card . Помимо микросхем флэш-памяти в них устанавливается АТА-контроллер, и при работе они эмулируют обычный IDE -диск. Интерфейс этих карт параллельный. Карты ATA Flash не получили широкого распространения и в настоящее время используются крайне редко.

Compact Flash . Карты Compact Flash (CF ) были предложены компанией SanDisk в качестве более компактной и удобной в работе альтернативы картам ATA Flash . Поэтому разработчики стандарта CF предусмотрели возможность работы этих карт как устройств PC Card или как IDE -устройств. В первом случае карты работают как обычные PC Card устройства и их интерфейс «превращается» в шину PC Card . Во втором - как жесткие IDE -диски и их интерфейс работает как АТА-шина.

Карты CF впервые появились в 1994 г. Все карты этого типа имеют 50-контактный параллельный интерфейс. Кстати, существуют карты CF двух типов - Туре I и Туре II . Карты типа Туре II на два миллиметра толще и появились только потому, что раньше корпуса карт Туре I не позволяли разместить внутри флэш-память большого объема для изготовления вместительных носителей CF . В настоящее время такой необходимости нет и карты Туре II постепенно уходят с рынка. Отметим, что в накопители для карт Туре II можно устанавливать карты Туре I , тогда как обратное невозможно.

Среди флэш-карт бесспорным лидером по производительности была CF -карта Transcend Ultra Performance 25 x CompactFlash 256 Мбайт, которую можно по праву считать эталоном скорострельности современных флэш-накопителей. Скорость последовательной/случайной записи у этой флэш-карты достигает 3.6/0.8 Мбайт/с, скорость чтения - 4,0/3,7 Мбайт/с.

Скорость работы CF -карт замедляется с увеличением объема, что хорошо видно на примере флэш-карт 512 Мбайт. Двукратный рост емкости приводит к снижению производительности на 30%. за исключением скорости случайной записи, которая выросла в 2.5 раза, - это выглядит довольно странно и неожиданно.

Скоростные характеристики CF -карт так же сильно зависят от производителя. У Kingston CompactFlash 256 Мбайт - низкая скорость записи (последовательная/случайная запись - 1.4/0.3 Мбайт/с), но по скорости чтения она была лидером (4.4/3,8 Мбайт/с). Карта PQI Hi - Speed Compact Flash 256 Мбайт продемонстрировала среднюю производительность в обоих случаях: запись - 2.1/0.7 Мбайт/с, чтение - 3.8/3,3 Мбайт/с. Карты SanDisk CompactFlash 256 Мбайт и SanDisk CompactFlash 512 Мбайт работали очень медленно: запись - 1,1/0,2 и 0,9/0,5 Мбайт/с, чтение - 2,3/2,1 и 1,8/1,7 Мбайт/с. А карта 256 Мбайт записывала и считывала данные одинаково хорошо.

Если сравнивать CF -карты с накопителями других типов, то окажется, что флэш-память - совсем на такая медленная, как это принято считать! По производительности самые быстрые образцы флэш-памяти (в качестве эталона возьмем карту Transcend Ultra Performance 25х CompactFlash 256 Мбайт) сравнимы с Iomega Zip 750 Мбайт, а по скорости последовательной записи даже обгоняют этот накопитель более чем в 1,5 раза! По скорости последовательной записи флэш-память обгоняет диски CD - RW в 2 раза, по скорости последовательного чтения - на 10%! Флэш-память выигрывает у МО-дисков по скорости последовательной записи - в 2 раза - и случайного чтения - на 10%, однако отстает по скорости последовательного чтения и случайной записи - на 20%. Флэш-память отстает по скорости последовательной записи от DVD -дисков (при «прожигании» в режиме 4х) - в 1,4 раза.

Отметим, что если CF -карта используется в цифровой фотокамере, то для нее в первую очередь важна скорость последовательной записи - чем она выше, тем быстрее фотокамера вернется в рабочее состояние после «захвата» кадра и «сброса» его на флэш-карту. Впрочем, скорость чтения CF -карты в этом случае тоже важна, правда, не так критична - чем быстрее считываются данные, тем быстрее будет работать фотокамера в режиме просмотра отснятого материала.

SmartMedia . Конструкция карт SmartMedia (SM ) чрезвычайно проста. В карте SM нет встроенного контроллера интерфейса и по сути - это одна или две микросхемы флэш-памяти, «упакованные» в пластиковый кожух. Стандарт SM был разработан компаниями Toshiba и Samsung в 1995 г. Интерфейс карт SM - параллельный, 22-контактный, но из них для передачи данных используется только восемь линий.

MultiMedia Card . Карты Multi - Media Card (MMC ) имеют 7-контактный последовательный интерфейс, который может работать на частоте до 20 МГц. Внутри пластикового корпуса карты размещается микросхема флэш-памяти и контроллер ММС-интерфейса. Стандарт ММС предложен в 1997 г. компаниями Hitachi , SanDisk и Siemens .

SecureDigital Card . SecureDigi - tal Card (SD ) - самый молодой стандарт флэш-карт: он был разработан в 2000 г. компаниями Matsushita , SanDisk и Toshiba . Фактически SD - это дальнейшее развитие стандарта ММС, поэтому карты ММС можно устанавливать в накопители SD (обратное будет неверным). Интерфейс SD - 9-контактный, последовательно-параллельный (данные могут передаваться по одной, двум или четырем линиям одновременно), работает на частоте до 25 МГц. Карты SD оснащаются пе реключателем для защиты их содержимого от записи (стандартом также предусмотрена модификация без такого переключателя).

USB -флэш-память. USB -флэш-память (USB -память) - совершенно новый тип носителей на флэш-памяти, появившийся на рынке в 2001 г. По форме USB -память напоминает брелок продолговатой формы, состоящий из двух половинок - защитного колпачка и собственно накопителя с USB -разъемом (внутри него размещаются одна или две микросхемы флэш-памяти и USB -контроллер).

Работать с USB -памятью очень удобно - для этого не требуется никаких дополнительных устройств. Достаточно иметь под рукой ПК под управлением Windows с незанятым USB -портом, чтобы за пару минут «добраться» до содержимого этого накопителя. В худшем случае вам придется установить драйверы USB -памяти, в лучшем - новое USB -уст-ройство и логический диск появятся в системе автоматически. Возможно, что в будущем USB -память станет основным типом устройств для хранения и переноса небольших объемов данных.

Что же касается USB -флэш-памяти, то это, несомненно, более удобное решение для переноса данных, чем флэш-карты, - не требуется дополнительный флэш-накопитель. Однако производительность протестированных накопителей этого типа - Transcend JetFlash 256 Мбайт и Transcend JetFlashA 256 Мбайт - ограничивалась низкой пропускной способностью интерфейса USB 1.1. поэтому их показатели в тестах на скорость работы были довольно скромными. Если USB -флэш-память оснастить быстрым интерфейсом USB 2.0, то по «скорострельности» эти накопители, конечно, не уступят лучшим флэш-картам.

Интересно отметить, что по скорости последовательной записи флэш-память превосходит Iomega Zip 750, диски CD - RW и МО-носители и уступает только DVD -дискам. Это лишний раз подчеркивает, что разработчики флэш-памяти в первую очередь стремились увеличить скорость последовательной записи, поскольку флэш-память изначально предназначена для использования в цифровых фотокамерах, где прежде всего важен этот показатель.

В итоге можно заключить, что флэш-память - бесспорный лидер по надежности, мобильности и энергопотреблению среди накопителей небольшой и средней емкости, обладающий к тому же неплохим быстродействием и достаточным объемом (на сегодня на рынке уже доступны флэш-карты емкостью до 2 Гбайт). Несомненно, это очень перспективный тип, однако их широкое использование пока сдерживается высокими ценами.