Flash-память и другие современные носители информации - Глава 1
Flash-памятью (от английского «вспышка», «кадр») называется особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Считается, что это «яркое» название было дано изделию компанией Toshiba в середине 80-х гг. прошлого века и объясняется скорее всего технологией записи и удаления (точнее - стирания) информации. Как следует из определения, этот тип памяти не содержит механических элементов, допускает многократное изменение находящейся на нем информации и не требует дополнительной энергии для ее хранения. Идеологически flash-память сочетает в себе память с произвольной выборкой (Random Access Memory - RAM) и постоянное запоминающее устройство (Read Only Memory - ROM), т. е. позволяет изменять информацию как RAM и не теряет информацию при отключении питания как ROM (информация, записанная на flash-память, может храниться до 100 лет и допускает до 1 млн. циклов перезаписи). Отдельная ячейка flash-памяти состоит из особого транзистора и отличается от ячеек других типов полупроводниковой памяти отсутствием конденсаторов и возможностью хранения сразу нескольких бит информации. Благодаря отсутствию подвижных механических частей flash-память чрезвычайно устойчива к падениям и влажности. Другим преимуществом flash-памяти перед традиционными жесткими дисками и носителями DVD/CD является значительно меньшее (в 20 и более раз) потребление энергии во время работы. Немаловажным является и размер flash-памяти - она гораздо компактнее большинства других традиционных механических носителей! Благодаря перечисленным достоинствам и особенностям flash-память является идеальным универсальным носителем информации для множества портативных устройств: цифровых фото- и видеокамер, сотовых телефонов с поддержкой мультимедиа, портативных компьютеров, МРЗ-плееров и др. Можно смело сказать, что создание многих из этих устройств без flash-памяти было бы просто невозможно! Существуют различные точки зрения на авторство технологии flash. Кроме Intel и Toshiba, называют еще некоторые малоизвестные компании. И все же первоначально производство flash-памяти было начато именно на заводах корпорации Toshiba (еще в 1985 г.), a Intel разработала собственную технологию лишь в 1987 г., поэтому пионером в этой области и считается Toshiba. Как было сказано выше, flash-память использует особый тип ячейки, созданной на базе транзистора. Основная особенность заключается в том, что стирание ее содержимого выполняется либо для всей микросхемы, либо для определенного блока (кадра). Обычно размер такого блока составляет от 256 байт до 256 Кбайт. Простота организации flash-памяти выгодно сказывается на ее себестоимости, но имеет и другую сторону. Так как работа производится только с блоками данных, то для того, чтобы изменить содержимое нескольких ячеек памяти, приходится считывать весь блок, в котором они находятся, в специальный буфер, изменять в нем значение требуемых ячеек, а затем переносить измененные данные из буфера обратно. Таким образом, производительность (скорость работы) flash-памяти будет максимальной лишь при работе с большими объемами данных, запись которых происходит последовательными блоками, минуя изменения в буфере. Отметим, что существуют микросхемы, которые (с целью оптимизации быстродействия) имеют возможность работы с блоками памяти разных размеров, адаптируясь к выполняемой задаче.
Структура flash-памятиВ самом простом варианте в каждой ячейке flash-памяти находится 1 бит информации, т. е. лог. 0 или лог. 1. Состоит такая ячейка из полевого транзистора (рис. 5) со специальной электрически изолированной областью (так называемым плавающим затвором). Именно в этой области и возможно надолго сохранить заряд. Соответственно присутствие или отсутствие заряда означает 1 бит информации (наличие заряда на плавающем затворе определяется отсутствием тока между стоком и истоком). Принято, что наличие заряда означает лог. О, а его отсутствие - лог. 1.
Рис. 5. Ячейка flash-памяти на базе полевого транзистора с плавающим затвором. Состояния соответствуют: лог. 1 (слева), лог. О (справа - ток со стока на исток отсутствует)
В зависимости от типа ячейки заряд в область плавающего затвора может помещаться одним из следующих способов: Методом туннеллирования (рис. 6) - путем добавления энергии электрону для преодоления им потенциального барьера из диэлектрика малой толщины (один из эффектов, использующих волновые свойства электрона).
Методом инжекцыи «горячих» электронов (рис. 7), при котором на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение, причем на управляющий затвор подается более высокое (двукратное) напряжение. Электроны инжектируются на плавающий затвор. Электроны называются «горячими» потому, что им сообщается энергия, достаточная для преодоления барьера из тонкой пленки диэлектрика.
Стирание ячейки памяти, т. е. снятие заряда из области плавающего затвора, производится подачей высокого напряжения на исток, куда в результате и туннеллируют электроны. Принципиальное различие метода туннеллирования от метода инжекции «горячих» электронов заключается в том, что последний обладает более высоким быстродействием, однако требует и более высокого рабочего напряжения. В процессе работы ячейки flash-памяти сильно «стареют», поэтому в современных (и пока более дорогих) микросхемах применяются алгоритмы, обеспечивающие равномерное использование всех ячеек модуля памяти. Это позволяет распределить эксплуатационную нагрузку на все ячейки и соответственно продлить срок службы каждой из них. В настоящее время разработаны микросхемы flash, в которых в одной ячейке памяти могут храниться 2 бита информации, т. е. при том же количестве ячеек объем памяти увеличивается вдвое. Технология хранения двух и более битов в одной ячейке получила название многоуровневой (MLC). Экспериментально доказано, что 2 бита в одной ячейке - это не предел. Ведутся масштабные исследования в поисках предельного числа битов, которое физически способна устойчиво хранить многоуровневая ячейка flash-памяти. В отличие от обычной flash-памяти с двумя возможными состояниями ячейки (рис. 8, а) многоуровневая (рис. 8, б) структура способна измерять величину заряда, помещенного в области плавающего затвора, и соответственно определять большее число состояний ячейки. Стоимость MLC-ячейки памяти близка к стоимости традиционной одноуровневой ячейки, технологический процесс производства серьезно не отличается. Таким образом, на MLC-технологии возможно создавать модули памяти большого объема при меньших затратах, добиваясь оптимального соотношения стоимость/объем. Однако при всех видимых достоинствах MLC-технологии не стоит забывать и о том, что более сложное техническое решение требует более сложного механизма, следствием применения которого являются снижение надежности модуля памяти и необходимость коррекции ошибок, а также некоторое снижение быстродействия.
Архитектура flash-памятиАрхитектура - это схема соединения ячеек памяти в единый модуль. Существует несколько вариантов архитектуры flash-памяти, и эти варианты обладают рядом особенностей, определяющих сферу их применения. В настоящее время наиболее распространенными являются микросхемы flash-памяти с организацией NOR (логическая схема ИЛИ-НЕ) и NAND (логическая схема И-НЕ). Каждая ячейка в микросхеме NOR (NOT OR, ИЛИ-НЕ) подключена к двум линиям - битов и слов. Суть логической операции заключается в переходе линии битов в состояние лог. О, если хотя бы один из транзисторов, подсоединенных к ней, включен (проводит ток). Выбор ячейки осуществляется с помощью линии слов. Все ячейки памяти NOR подключены к своим битовым линиям параллельно. Архитектура допускает произведение произвольного чтения и записи. Структура функционирует на двух разных напряжениях. К преимуществам можно отнести быстрый произвольный доступ, т. е. возможность записи побайтово. Однако процесс записи и стирания происходит относительно медленно. Оптимальная область применения - хранение кода программ (например, операционная система сотового телефона). Программирование микросхемы осуществляется методом инжекции «горячих» электронов, а стирание - туннеллированием. Данный тип памяти производится практически всеми известными производителями микросхем. В случае NAND (NOT AND, И-НЕ) битовая линия переходит в состояние лог. О, если все подключенные к ней транзисторы проводят ток. Данный тип организации архитектуры памяти обладает возможностью произвольного доступа, производимого небольшими блоками. Процесс в определенной степени аналогичен кластерному принципу работы традиционных жестких дисков. Архитектура построена на последовательном и нтерфейсе - ячейки подсоединяются к битовой линии сериями («гирляндами»). Программирование и стирание микросхемы осуществляются туннеллированием. Эти особенности позволяют быстро проводить запись и стирание, однако делают невозможной побайтовую запись и ограничивают скорость произвольного доступа (так как уменьшается ток каждой ячейки). Применение таких модулей памяти целесообразно в задачах, ориентированных на блочный обмен данными, как, например, в цифровых камерах.
РезюмеИтак, мы кратко рассмотрели сущность flash-тех-нологии, структуру элементарных ячеек flash-памяти и архитектуру объединения их в единый модуль. Кому-то данный материал может показаться интересным, кому-то недостаточно подробным, а кто-то просто пролистает его. Но как бы то ни было, более детальное рассмотрение теоретических и физических вопросов функционирования flash-памяти выходит за рамки настоящей книги. Читатель, более глубоко заинтересовавшийся этой проблемой, может обратиться к специализированным материалам по основам записи и воспроизведения цифровой информации, методам адресации ячеек памяти, алгоритмам оптимизации скорости доступа и распределения памяти, производственно- технологическим вопросам. Пожалуй, самым главным в технологии flash является то, что ее удалось практически реализовать в виде доступных, удобных и компактных носителей различных типов. Основная масса - это так называемые flash-карты - сменные универсальные модули памяти. Второе широко развивающееся направление - flash-память с интерфейсом USB для непосредственного подключения к компьютеру без дополнительных устройств. В следующей главе, открывающей практическую часть настоящей книги, мы рассмотрим историю создания, основные технические характеристики, а также вопросы совместимости и эксплуатации существующих на рынке типов flash-памяти.