Флеш-пам'ять

ФЛЕШ -ПАМ’ЯТЬ

1. Загальнахарактеристика флеш-пам’яті як засобу зберігання інформації
Флеш — пам’ять — особливий вид незалежноїнапівпровідникової пам’яті.
— Незалежна –пам’ять, яка не потребує додаткової енергії для зберігання даних (енергіяпотрібна лише для запису).
— пам’ять, яку можна перезаписати — допускає зміну (перезапис) даних, що зберігаються вній.
— Напівпровідникова (твердотільна) — що не містить механічно рухомихчастин (як звичні жорсткі диски або CD), побудована на основі інтегральнихмікросхем (IC-Chip).
На відміну від багатьохінших типів напівпровідникової пам’яті, комірка флеш — пам’яті не містить конденсаторів– типова комірка флеш — пам’яті складається усього-на-всього з одноготранзистора особливої архітектури. Комірка флеш — пам’яті чудово змінює масштаб,що досягається не лише завдяки успіхам в мініатюризації розмірів транзисторів,але і завдяки конструктивним знахідкам, що дозволяють в одної комірці флеш — пам’яті зберігати декілька біт інформації.
Флеш — пам’ять історично походить від ROM (Read Only Memory) пам’яті, і функціонуєподібно RAM (Random Access Memory). Дані флеш зберігає в елементах пам’яті,схожих на комірки в DRAM. На відміну від DRAM, при відключенні живлення дані зфлеш — пам’яті не пропадають.
Замінипам’яті SRAM і DRAM флэш-пам’яттю не відбувається через дві особливості флеш — пам’яті: флеш працює суттєво повільніше і має обмеження по кількості циклівперезапису (від 10.000 до 1.000.000 для різних типів).
Надійність/довговічність: інформація, записана на флеш — пам’ять, може зберігатисядуже тривалий час (від 20 до 100 років), і здатна витримувати значні механічнінавантаження (в 5-10 разів перевищуючі гранично допустимі для звичайнихжорстких дисків).
Основнаперевага флеш — пам’яті перед жорсткими дисками і носіями CD-ROM полягає утому, що флеш — пам’ять споживає значно (приблизно у 10-20 і більше разів)менше енергії під час роботи. У пристроях CD-ROM, жорстких дисках, касетах іінших механічних носіях інформації, велика частина енергії йде на приведення врух механіки цих пристроїв. Крім того, флеш — пам’ять більш компактна ніж іншімеханічні носії.
Завдякинизькому енергоспоживанню, компактності, довговічності і відносно високійшвидкодії, флеш — пам’ять ідеально підходить для використовування якнакопичувач в таких портативних пристроях, як: цифрові фото- і відео камери,стільникові телефони, портативні комп’ютери, MP3-плеери, цифрові диктофони, іт.п.
Уданому конспекті розглядається лише «чиста» флеш — пам’ять з числомциклів читання/запису більше 10000. Окрім «чистого» flash існують OTP(One Time Programmable) — пам’ять з єдиним циклом запису, і MTP (Multiple TimeProgrammable) — до 10000 циклів. Окрім кількості допустимих циклівзапису/стирання принципової різниці між MTP і Flash немає. OTP суттєвовідрізняється від цих типів архітектурно.
2. ROM і Flash
Флеш — пам’ятьісторично відбулася від напівпровідникового ROM, проте ROM-пам’яттю не є, авсього лише має схожу на ROM організацію. Безліч джерел (як вітчизняних, так ізарубіжних) часто помилково відносять флеш — пам’ять до ROM. Флеш ніяк не можебути ROM хоча б тому, що ROM (Read Only Memory) переводиться як «пам’ять лишедля читання». Ні про яку спроможність перезапису в ROM мові бути не може!
Середнапівпровідникової пам’яті лише два типи відносяться до «чистого» ROM- це Mask-ROM і PROM. На відміну від них EPROM, EEPROM і Flash відносяться докласу незалежної пам’яті (англійський еквівалент — nonvolatile read-writememory або NVRWM).
Різні джерелапо-різному розшифровують абревіатуру EPROM — як Erasable Programmable ROM абояк Electrically Programmable ROM (стирані програмовані ПЗП або електричнепрограмовані ПЗП). У EPROM перед записом необхідно провести стирання(відповідно з’явилася Спроможність перезаписувати вміст пам’яті). Стираннякомірок EPROM виконується відразу для всієї мікросхеми за допомогоюопромінювання чипа ультрафіолетовим або рентгенівським промінням протягомдекількох хвилин. Мікросхеми, стирання яких проводиться шляхом опромінюванняультрафіолетом, були розроблені Intel в 1971 році, і носять назву UV-EPROM(приставка UV (Ultraviolet) — ультрафіолет). Вони містять віконця з кварцовогоскла, які після закінчення процесу стирання заклеюють.
EPROM від Intel була заснована на МОП-транзисторах з лавинною інжекцієюзаряду (FAMOS — Floating Gate Avalanche injection Metal Oxide Semiconductor,російський еквівалент — ЛІЗМОП). У першому наближенні такий транзистор єконденсатором з дуже малим витоком заряду. Пізніше, в 1973 році, компаніяToshiba розробила комірки на основі SAMOS (Stacked gate Avalanche injectionMOS, за іншою версією — Silicon and Aluminum MOS) для EPROM пам’яті, а в 1977році Intel розробила свій варіант SAMOS.
У EPROM стирання приводить всі біти області, що стирається в один стан(звично у всі одиниці, рідше — у всі нулі). Запис на EPROM, як і в PROM, такожздійснюється на програматорах (проте відмінних від програматорів для PROM). Вданий час EPROM практично повністю витиснена з ринку EEPROM і Flash.
Переваги:Спроможність перезаписувати вміст мікросхеми
Недоліки:
1. Невелика кількість циклівперезапису.
2. Неможливість модифікаціїчастини даних, що зберігаються.
3. Висока вірогідність «нестерти» (що зрештою приведе до збоїв) або перетримати мікросхему підУФ-світлом (т.з. overerase — ефект надмірного видалення, «перепал»),що може зменшити термін служби мікросхеми і навіть привести до її повноїнепридатності.
EEPROM (E?PROM або ElectronicallyEPROM) — ППЗУ були розроблені в 1979 році в тій же Intel. У 1983 році вийшлиперші 16Кбіт зразків, виготовлених на основі FLOTOX-транзисторів (Floating GateTunnel-OXide — «плаваючий» затвор з туннелюванням в оксиді). Головноювідмітною особливістю EEPROM (в т.ч. Flash) від раніше розглянутих нами типівнезалежної пам’яті є спроможність перепрограмування при підключенні достандартної системної шини мікропроцесорного пристрою. У EEPROM з’явиласяспроможність виробляти стирання окремої комірки за допомогою електричногоструму. Для EEPROM стирання кожної комірки виконується автоматично при записі внеї нової інформації, тобто можна змінити дані в будь-якїй комірці, незачіпаючи інші. Процедура стирання звичайно суттєво довша процедури запису.
Переваги EEPROM в порівнянні з EPROM:
1.  Збільшенийресурс роботи.
2.  Простішав обігу.
Недолік: Високавартість
Винахід флеш — пам’яті часто незаслужено приписують Intel, називаючи прицьому 1988 рік. Насправді пам’ять вперше була розроблена компанією Toshiba в1984 році, і вже наступного року було почате виробництво 256Кбіт мікросхемflash-пам’яті в промислових масштабах. У 1988 році Intel розробила власнийваріант флеш — пам’яті .
У флеш — пам’яті використовуєтьсядещо відмінний від EEPROM тип комірки-транзистора. Технологічно флеш — пам’ятьспоріднена як EPROM, так і EEPROM. Основна відмінність флеш — пам’яті відEEPROM полягає у тому, що стирання вмісту комірок виконується або для всієїмікросхеми, або для певного блоку (кластера, кадру або сторінки). Звичнийрозмір такого блоку складає 256 або 512 Байт, проте в деяких видах флеш — пам’яті об’єм блоку може досягати 256КБ. Слід помітити, що існують мікросхеми,що дозволяють працювати з блоками різних розмірів (для оптимізації швидкодії).Стирати можна як блок, так і вміст всієї мікросхеми відразу. Таким чином, взагальному випадку, для того, щоб змінити один байт, спочатку в буферпрочитується весь блок, де міститься належний зміні байт, стирається вмістблоку, змінюється значення байта в буфері, після чого проводиться записзміненого в буфері блоку. Така схема суттєво знижує швидкість запису невеликихоб’ємів даних в довільні області пам’яті, проте значно збільшує швидкодію припослідовному записі даних великими порціями.
Переваги флеш — пам’яті в порівнянні з EEPROM:
— Вища швидкість запису при послідовному доступі за рахунок того, щостирання інформації у флеш проводиться блоками.
— Собівартість виробництва флеш — пам’яті нижча за рахунок простішоїорганізації.
Недолік:Повільний запис в довільні ділянки пам’яті.3. Організація flesh-пам’яті
Комірки флеш — пам’ятібувають як на одному, так і на двох транзисторах. У простому випадкукожна комірка зберігає один біт інформації і складається з одного польовоготранзистора із спеціальною електрично ізольованою областю(«плаваючим» затвором — floating gate), здатною зберігати зарядбагато років. Наявність або відсутність заряду кодує один біт інформації.
/>
Рисунок 1 – Внутрішня організаціяфлеш-пам’яті

При запису зарядпоміщається на плаваючий затвор одним з двох способів (залежить від типукомірці): методом інжекції «гарячих» електронів або методомтуннелювання електронів. Стирання вмісту комірці (зняття заряду з«плаваючого» затвора) проводиться методом туннелювання.
Як правило, наявністьзаряду на транзисторі розуміється як логічний «0», а його відсутність- як логічна «1».
Сучаснафлеш — пам’ять звичайно виготовляється по 0,13- і 0,18-мікронному процесу.
Загальнийпринцип роботи комірки флеш — пам’яті.
Розглянемопросту комірку флеш — пам’яті на одному n-p-n транзисторі. Комірки подібноготипу найчастіше застосовувалися в flash-пам’яті з NOR архітектурою, а також вмікросхемах EPROM.
Поведінкатранзистора залежить від кількості електронів на «плаваючому»затворі. «Плаваючий» затвор виконує ту ж роль, що і конденсатор вDRAM, тобто зберігає запрограмоване значення.
Переміщеннязаряду на «плаваючий» затвор в такій комірці проводиться методомінжекції «гарячих» електронів (CHE — channel hot electrons), а зняттязаряду здійснюється методом квантомеханічного туннелювання Фаулера-Нордхейма(Fowler-Nordheim [FN]).
Таблиця1 – Принцип дії пам’яті
/>/> При читанні, у відсутності заряду на «плаваючому» затворі, під впливом позитивного поля на управляючому затворі, утворюється n-канал в підкладці між витоком і стоком, і виникає струм.
/>/> Наявність заряду на «плаваючому» затворі міняє вольт-амперні характеристики транзистора таким чином, що при звичній для читання напрузі канал не з’являється, і струму між витоком і стоком не виникає.
/>/> При програмуванні на стік і управляючий затвор подається висока напруга (причому на управляючий затвор напруга подається приблизно в два рази вище). «Гарячі» електрони з каналу рухаються на плаваючий затвор і змінюють вольт-амперні характеристики транзистора. Такі електрони називають «гарячими» за те, що володіють високою енергією, достатньою для подолання потенційного бар’єру, створюваного тонкою плівкою діелектрика.
/>/> При стиранні висока напруга подається на витік. На управляючий затвор подається висока негативна напруга. Електрони виходять на витік.
Ефект тунелювання — один з ефектів, що використовують хвильові властивості електрона. Сам ефектполягає в подоланні електроном потенційного бар’єру малої «товщини».Для наочності уявимо собі структуру, що складається з двох провідних областей,розділених тонким шаром діелектрика (збіднена область). Подолати цей шарзвичайним способом електрон не може — не вистачає енергії. Але при створенніпевних умов (відповідна напруга і т.п.) електрон проскакує шар діелектрика(туннелює крізь нього), створюючи струм.
Важливо відзначити, щопри тунелюванні електрон виявляється «по іншу сторону», не проходячичерез діелектрик. Така ось «телепортація».
Відмінностіметодів тунелювання Фаулера-Нордхейма (FN) і методу інжекції«гарячих» електронів:
-Channel FNtunneling — не вимагає великої напруги. Комірки, що використовують FN, можутьбути менше комірок, що використовують CHE.
-CHE injection (CHEI) — вимагає вищої напруги, в порівнянні з FN. Такимчином, для роботи пам’яті потрібна підтримка подвійного живлення.
— програмування методом CHE здійснюється швидше, ніж методом FN.
Слід помітити, що,окрім FN і CHE, існують інші методи програмування і стирання комірці, якіуспішно використовуються на практиці, проте два описаних нами застосовуютьсянайчастіше.
Процедури стирання ізапису сильно зношують комірку флеш — пам’яті, тому в новітніх мікросхемахдеяких виробників застосовуються спеціальні алгоритми, що оптимізують процесстирання-запису, а також алгоритми, що забезпечують рівномірне використовуваннявсіх комірок в процесі функціонування.
Деяківиди комірок флеш — пам’яті на основі МОП-транзисторів з «плаваючим»затвором:
-Stacked GateCell — комірка збагатошаровим затвором. Метод стирання — Source-Poly FN Tunneling, метод запису — Drain-Side CHE Injection.
-SST Cell,або SuperFlash Split-Gate Cell (Silicon Storage Technology — компанія-розробниктехнології) — комірка з розщепленимзатвором. Метод стирання — Interpoly FN Tunneling, метод запису — Source-Side CHE Injection.
-Two Transistor Thin Oxide Cell — двохтранзисторна комірка з тонким шаром оксиду. Метод стирання — Drain-Poly FN Tunneling, метод запису — Drain FN Tunneling.
Інші види комірок:
Окрім комірок, щонайчастіше зустрічаються, з «плаваючим» затвором, існують такожкомірки на основі SONOS-транзисторів, які не містять плаваючого затвора.SONOS-транзистор нагадує звичний МНОП (MNOS) транзистор. У SONOS-осередкахфункцію «плаваючого» затвора і оточуючого його ізолятора виконуєкомпозитний діелектрик ONO. Розшифровується SONOS (Semiconductor Oxide NitrideOxide Semiconductor) як Папівпровідник – Діелектрик – Нітрид – Діелектрик-Напівпровідник. Замість того, що дав назву цьому типу комірці нітріда вмайбутньому планується використовувати полікрісталічний кремній.
Багаторівневікомірки (MLC — Multi Level Cell).
Останнім часом багатокомпаній почали випуск мікросхем флеш — пам’яті, в яких один комірка зберігаєдва біти. Технологія зберігання двох і більш біт в одній комірці одержала назвуMLC (multilevel cell — багаторівневий комірка). Достовірно відомо про успішнітести прототипів, що зберігають 4 біти в одній комірці. В даний час багатокомпаній знаходяться у пошуках граничного числа біт, яке здатна зберігатибагаторівневий комірка.
/>
Рисунок 2 – Інші видикомірок
У технології MLCвикористовується аналогова природа елементу пам’яті. Як відомо, звичний бітовийелемент пам’яті може приймати два стани — «0» або «1». Уфлеш — пам’яті ці два стани розрізняються по величині заряду, поміщеного на «плаваючий»затвор транзистора. На відміну від «звичної» флеш — пам’яті, MLCздатна розрізняти більше двох величин зарядів, поміщених на«плаваючий» затвор, і, відповідно, більше число станів. При цьомукожному стану у відповідність ставиться певна комбінація значень біт.
Під час запису на«плаваючий» затвор поміщається кількість заряду, відповіднанеобхідному стану. Від величини заряду на «плаваючому» затворізалежить порогова напруга транзистора. Порогову напругу транзистора можназміряти при читанні і визначити по ньому записаний стан, а значить і записанупослідовність битий.
Основніпереваги MLC мікросхем:
— Нижчеспіввідношення $/МБ
— При рівному розмірі мікросхем і однаковому техпроцесі«звичної» і MLC-пам’яті, остання здатна зберігати більше інформації(розмір комірці той же, а кількість біт, що зберігаються в ній, — більше)
На основі MLC створюються мікросхеми більшого, ніж на основі одно бітовихкомірок, об’єму.
Основні недоліки MLC:
— Зниженнянадійності, в порівнянні з одно бітовими комірками, і, відповідно, необхідністьвбудовувати складніший механізм корекції помилок (ніж більше біт на комірка — тим складніший механізм корекції помилок)
— Швидкодіямікросхем на основі MLC часто нижча, ніж у мікросхем на основі одно бітовихкомірок
— Хоча розмір MLC-комірці такий же, як і у одно бітової, додаткововитрачається місце на специфічні схеми читання/запису багаторівневих комірок
Після появи MLC,«звичні» однобайтні комірки класифікували як одно рівневі комірки — Single Level Cell (SLC). SONOS-комірки можуть також зберігати два біти, протепринципово відмінним від описаного нами способу.
Технологіябагаторівневих комірок від Intel (для NOR-пам’яті) носить назву StrtaFlash,аналогічна від AMD (для NAND) – MirrorBit. 3. Архітектура флеш — пам’яті
Існує декілька типівархітектури (організацій з’єднань між комірками) флеш — пам’яті.Найпоширенішими в даний час є мікросхеми з організацією NOR і NAND.

Таблиця2 – Архітектура флеш — пам’ятіNOR (NOT OR, ИЛИ –НЕ)
/>
Комірки працюють схожим з EPROM способом. Інтерфейс паралельний. Довільне читання і запис.
Переваги: швидкий довільний доступ, Спроможність побайтного запису.
Недоліки: відносно повільний запис і стирання.
З перерахованих тут типів має найбільший розмір комірці, а тому погано масштабується. Єдиний тип пам’яті, працюючий на двох різних напругах.
Ідеально підходить для зберігання коду програм (PC BIOS, стільникові телефони), ідеальна заміна звичному EEPROM. Основні виробники: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix, NEC, UMC. Програмування: методом інжекції «гарячих» електронів Стирання: тунелюваннєм FN NAND (NOT AND, И-НЕ) NAND (NOT AND, И-НЕ)
/>
Доступ довільний, але невеликими блоками (на зразок кластерів жорсткого диска). Послідовний інтерфейс. Не так добре, як AND пам’ять підходить для задач, що вимагають довільного доступу.
Переваги: швидкий запис і стирання, невеликий розмір блоку.
Недоліки: відносно повільний довільний доступ, неможливість побайтного запису.
Найбільш відповідний тип пам’яті для додатків, орієнтованих на блоковий обмін: MP3 плеєрів, цифрових камер і як замінник жорстких дисків. Основні виробники: Toshiba, AMD/Fujitsu, Samsung, National Програмування: туннеллірованієм FN Стирання: туннелюванням FN AND (И) AND (И)
/> Доступ до елементів пам’яті послідовний, архітектурно нагадує NOR і NAND, комбінує їх кращі властивості. Невеликий розмір блоку, можливо швидке мультиблочне стирання. Підходить для потреб масового рінку. Основні виробники: Hitachi і Mitsubishi Electric. Програмування: туннелюванням FN Стирання: туннелюванням FN DiNOR (Divided bit-line NOR, ИЛИ-НЕ з розділеними розрядними лініями) DiNOR (Divided bit-line NOR, ИЛИ-НЕ с разділеними розрядними лініями)
/> Тип пам’яті, який комбінує властивості NOR і NAND. Доступ до комірок довільний. Використовує особливий метод стирання даних, який оберігає комірки від перепалу (що сприяє більшій довговічності пам’яті). Розмір блоку в DiNOR всього лише 256 байт. Основні виробники: Mitsubishi Electric, Hitachi, Motorola. Програмування: туннелюванням FN Стирання:: туннелюванням FN Примітки: В даний час найчастіше використовуються пам’ять з архітектурою NOR і NAND. Hitachi випускає багаторівневу AND-память з NAND-итерфейсом (SuperAnd або AG-AND [Assist Gate-AND])
/>/>/>Доступ до флеш — пам’яті
Існує три основні типидоступу:
— звичний(Conventional): довільний асинхронний доступ до елементів пам’яті.
— пакетний (Burst):синхронний, дані читаються паралельно, блоками по 16 або 32 слова. Лічені даніпередаються послідовно, передача синхронізується. Перевага перед звичним типомдоступу — швидке послідовне читання даних. Недолік — повільний довільнийдоступ.
— сторінковий (Page):асинхронний, блоками по 4 або 8 слів. Переваги: дуже швидкий довільний доступ вмежах поточної сторінки. Недолік: відносне повільне перемикання між сторінками.
Останнім часомз’явилися мікросхеми флеш — пам’яті, що дозволяють одночасний запис і стирання(RWW — Read While Write або Simultaneous R/W) в різні банки пам’яті.