Принцип работы и устройство флеш-памяти

Принцип работы и устройство флеш-памяти

В этой статье мы с Вами поговорим о том, что положено в основу создания и по какому принципу работает устройство флэш-памяти (не путайте с USB флэш-накопителями и картами памяти). Кроме этого, вы узнаете о ее преимуществах и недостатках перед другими типами ПЗУ (постоянно запоминающими устройствами) и познакомитесь с ассортиментом самых распространенных накопителей, которые содержат в себе флэш-память.

Основное достоинство этого устройства в том, что оно энергонезависимое и ему не нужно электричество для хранения данных. Всю хранящуюся информацию во флэш-памяти можно считать бесконечное количество раз, а вот количество полных циклов записи к сожалению ограничено.

Флэш-память (flash memory) - относится к полупроводникам электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Благодаря техническим решениям, не высокой стоимости, большому объему, низкому энергопотреблению, высокой скорости работы, компактности и механической прочности, флэш-память встраивают в цифровые портативные устройства и носители информации.

У флэш-памяти перед другими накопителями (жесткие диски и оптические накопители) типа ПЗУ есть как свои преимущества, так и свои недостатки, с которыми вы можете познакомиться из таблицы расположенной ниже.

Тип ПЗУПреимуществаНедостатки
Жесткий дискБольшой объем хранимой информации.

Высокая скорость работы.

Дешевизна хранения данных (в расчете на 1 Мбайт).

Большие габариты.

Чувствительность к вибрации.

Тепловыделение.

Шум.

Оптический дискУдобство транспортировки.

Дешевизна хранения информации.

Возможность тиражирования.

Небольшой объем.

Нужно считывающее устройство.

Ограничения при операциях (чтение, запись).

Невысокая скорость работы.

Чувствительность к вибрации.

Шум.

Флэш-памятьВысокая скорость доступа к данным.

Экономное энергопотребление.

Устойчивость к вибрациям.

Удобство подключения к компьютеру.

Компактные размеры.

Ограниченное количество циклов записи.

Сегодня никто не сомневается в том, что флэш-память будет продолжать укреплять свои позиции в информационных технологиях, особенно в линейке мобильных устройств (КПК, планшеты, смартфоны, плееры). На основе флэш-памяти работают самые востребованные и популярные USB флэш-накопители и сменные карты памяти для электронных устройств (SD, MMC, miniSD...).

Карты памяти, как и USB накопители не стоят в стороне, а привлекают внимание потенциальных покупателей своим многообразием. От такого изобилия запоминающих устройств выигрывает только производитель, а потребитель испытывает ряд неудобств.  Ведь всем нам знакомы такие ситуации, когда телефону нужна одна карта, КПК другая, фотоаппарату третья.  Такой ассортимент накопителей на руку производителям, потому что они извлекают из широкой эксклюзивной продажи большую выгоду. Вот небольшой список распространенных накопителей с флэш-памятью:

  • Compact Flash Type I (CF I)/Type II (CF II);
  • Memory Styck (MS Pro, MS Duo);
  • Secure Digital (SD);
  • miniSD;
  • xD-Picture Card (xD);
  • MultiMedia Card (MMC).
  • USB Flash Drive.

В одной из публикаций я писал о том как выбрать USB-флеш-накопитель, а о том как выбрать карту в формате SD (microSD, miniSD) читайте здесь.

Принцип работы флэш-памяти.

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.

Ячейки SLC и MLC

  • 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.

Теперь рассмотрим более подробно ячейки памяти с одним и двумя  транзисторами...

 Ячейка памяти с одним транзистором.

Если на управляющий затвор подать положительное напряжения (инициализация ячейки памяти) то он будет находиться в открытом состоянии, что будет соответствовать логическому нулю.

Устройство транзистора с плавающим затвором и чтение содержимого ячейки памяти.

А если на плавающий затвор поместить избыточный отрицательный заряд (электрон) и подать положительное напряжение на управляющий затвор ,то он компенсирует создаваемое управляющим затвором электрическое поле и не даст образовываться каналу проводимости, а значит транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Вот так, наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе точно определяет состояние открыт или закрыт транзистор, когда подается одно и тоже положительное напряжения на управляющий затвор. Если мы будем рассматривать подачу напряжения на управляющий затвор, как инициализацию ячейки памяти, то по тому, какое напряжение между истоком и стоком можно судить о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе.

Таким образом получается своеобразная элементарная ячейка памяти, способная сохранять один информационный бит. Ко всему этому очень важно, чтобы заряд на плавающем затворе (если он там имеется) мог сохраняться там долго, как при инициализации ячейки памяти, так и при отсутствии напряжения на управляющем затворе. Только в этом случае ячейка памяти будет энергонезависимой.

Так каким же образом в случае необходимости на плавающий затвор помещать заряд (записывать содержимое ячейки памяти) и удалять его оттуда (стирать содержимое ячейки памяти) когда это необходимо.

Поместить заряд на плавающий затвор (процесс записи) можно методом инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons) или методом туннелирования Фаулера-Нордхейма.

Если используется метод инжекции горячих электронов, то на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение, что придаст электронам в канале энергии, достаточной чтобы преодолеть потенциальный барьер, который создается тонким слоем диэлектрика, и направить (туннелировать) в область плавающего затвора (во время чтения на управляющий затвор подается меньшее напряжение и эффект туннелирования не происходит).

Процесс записи и стирания информационного бита в транзистор с плавающим затвором

Чтобы удалить заряд с плавающего затвора (выполнить стирания ячейки памяти) на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение (около 9 В), а на область истока подается положительное напряжение. Это приводит к тому, что электроны туннелируют из области плавающего затвора в область истока. Таким образом происходит квантовое туннелирование Фаулера - Нордхейма (Fowler - Nordheim).

Наверно вы уже поняли, что транзистор с плавающим затвором это элементарная ячейка флэш-памяти.  Но ячейки с одним транзистором имеют некоторые недостатки, основным из которых является плохая масштабируемость.

Так как при создании массива памяти, каждая ячейка памяти (то есть транзистор) подключается к двум перпендикулярным шинам. Управляющие затворы подключаются к шине, которую называют линией слов (Word Line), а стоки соединяют с шиной, ее называют битовой линией (Bit Line). В следствии чего в схеме находится высокое напряжение и при записи методом инжекции горячих электронов все линии - слов, битов и истоков нужно разместить на большом расстоянии друг от друга. Это даст нужный уровень изоляции, но отразится на ограничении объема флэш-памяти.

Еще одним недостатком такой ячейки памяти является присутствие эффекта избыточного удаления заряда с плавающего затвора, а он не может компенсироваться процессом записи. В следствии этого на плавающем затворе образуется положительный заряд, что делает неизменным состояние транзистора и он всегда остается открытым.

Ячейка памяти с двумя транзисторами.

Двухтранзисторная ячейка памяти, это модифицированная однотранзисторная ячейка, в которой находится обычный КМОП-транзистор и транзистор с плавающим затвором. В этой структуре обычный транзистор выполняет роль изолятора транзистора с плавающим затвором от битовой линии.

Двухтранзисторная ячейка памяти и ее обозначение

Имеет ли преимущества двухтранзисторная ячейка памяти? Да, ведь с ее помощью можно создавать более компактные и хорошо масштабируемые микросхемы памяти, потому что здесь транзистор с плавающим затвором изолируется от битовой линии. Ко всему прочему, в отличии от однотранзисторной ячейки памяти, где информация записывается методом инжекции горячих электронов, в двухтранзисторной ячейки памяти для записи и стирания информации используется метод квантового туннелирования Фаулера - Нордхейма.  Такой подход дает возможность снизить напряжение, которое необходимо для операции записи. Забегая наперед скажу, что двухтранзисторные ячейки применяются в памяти со структурой NAND.

Устройство флэш-памяти с архитектурой NOR.

Тип этой памяти является источником и неким толчком в развитии всей EEPROM. Ее архитектура была разработана компанией Intel в далеком 1988 году. Как было написано ранее, чтобы получить доступ к содержимому ячейки памяти (инициализировать ячейку), нужно подать напряжение на управляющий затвор.

Поэтому разработчики компании все управляющие затворы подсоединили к линии управления, которая называется линией слов (Word Line). Анализ информации ячейки памяти выполняется по уровню сигнала на стоке транзистора. Поэтому разработчики все стоки транзисторов подсоединили к линии, которая называется линией битов (Bit Line).

Архитектура флэш-памяти NOR

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.

Устройство флэш-памяти с архитектурой NOR. Структура шести ячеек NOR Flash

Структура шести ячеек NOR Flash

Флеш-память с архитектурой NOR как правило используют в устройствах для хранения программного кода. Это могут быть телефоны, КПК, BIOS системных плат...

Устройство флэш-памяти с архитектурой NAND.

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).

Архитектура флэш-памяти NAND

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.

Устройство флэш-памяти с архитектурой NAND. Структура одного столбца NAND Flash

Структура одного столбца NAND Flash

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.

Чтобы более детально донести до Вас всю необходимую информацию я разместил видео ролик по теме.

P.S. Объяснить простым языком технический материал людям которые не представляют как построена архитектура компьютера... очень сложно, но я надеюсь у меня это получилось. Для полной и достоверной информации в этой статье я частично использовал учебную литературу. Надеюсь эта статья была для вас полезной, познавательной и легкой к восприятию. На этом все. Пока!

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



  • Velegen

    Во флэш-памяти есть еще один недостаток - недолговечность хранения, так как данные со временем могут стираться. Это ограничивает их пригодность для долговременных архивов.

  • https://hobbyits.com/author/b06febcfbc00db4f67aed9234e3e52b0 Дмитрий

    Velegen: Не долговечность, это понятие растяжимое и для многих пользователей этот длительный срок не имеет значения. А в целом совершенно с Вами согласен.