В помощь студентам БНТУ - курсовые, рефераты, лабораторные ! Flash память это


память - это... Что такое Флеш-память?

У этого термина существуют и другие значения, см. Флеш.

Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM).

Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации.

История

Предшественниками технологии флеш-памяти можно считать ультрафиолетово и электрически стираемые ПЗУ (EEPROM). Эти приборы также имели матрицу транзисторов с плавающим затвором, в которых инжекция электронов в плавающий затвор («запись») осуществлялась созданием большой напряженности электрического поля в тонком диэлектрике. Однако площадь разводки компонентов в матрице резко увеличивалась, если требовалось создать поле обратной напряженности для снятия электронов с плавающего затвора («стирания»). Поэтому и возникло два класса устройств: в одном случае жертвовали цепями стирания, получая память высокой плотности с однократной записью, 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. Название «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми, 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.

В 1988 году Intel выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference.

Принцип действия[1]

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 (эффект Hot carrier injection (англ.)).

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.

  • Разрез транзистора с плавающим затвором

  • Программирование флеш-памяти

  • Стирание флеш-памяти

NOR- и NAND-приборы

Различаются методом соединения ячеек в массив и алгоритмами чтения-записи.

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. В такой конструкции было легко считать состояние конкретного транзистора, подав положительное напряжение на один столбец и одну строку.

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.

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.

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

  • Компоновка шести ячеек NOR flash

  • Структура одного столбца NAND flash

SLC- и MLC-приборы

Различают приборы, в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько бит. 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[2]). MLC-приборы дешевле и более ёмкие, чем SLC-приборы, однако с большим временем доступа и меньшим максимальным количеством перезаписей.

Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита), память с 8 уровнями (3 бита) называют TLC[3], с 16 уровнями (4 бита) — 16LC.[4]

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.[5]

Многокристальные микросхемы

Часто в одну микросхему флеш-памяти упаковывается несколько полупроводниковых пластин (кристаллов), до 8-16 штук.[6]

Технологические ограничения

Запись и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи для формирования высоких напряжений, тогда как при чтении затраты энергии относительно малы.

Ресурс записи

Изменение заряда сопряжено с накоплением необратимых изменений в структуре и потому количество записей для ячейки флеш-памяти ограничено (обычно до 10 тыс. раз для MLC-устройств и до 100 тыс. раз для SLC-устройств).

Одна из причин деградации — невозможность индивидуально контролировать заряд плавающего затвора в каждой ячейке. Дело в том, что запись и стирание производятся над множеством ячеек одновременно — это неотъемлемое свойство технологии флеш-памяти. Автомат записи контролирует достаточность инжекции заряда по референсной ячейке или по средней величине. Постепенно заряд отдельных ячеек рассогласовывается и в некоторый момент выходит за допустимые границы, которые может скомпенсировать инжекцией автомат записи и воспринять устройство чтения. Понятно, что на ресурс влияет степень идентичности ячеек. Одно из следствий этого — с уменьшением топологических норм полупроводниковой технологии создавать идентичные элементы все труднее, поэтому вопрос ресурса записи становится все острее.

Другая причина — взаимная диффузия атомов изолирующих и проводящих областей полупроводниковой структуры, ускоренная градиентом электрического поля в области кармана и периодическими электрическими пробоями изолятора при записи и стирании. Это приводит к размыванию границ и ухудшению качества изолятора, уменьшению времени хранения заряда.

Идут исследования технологии восстановления ячейки флеш-памяти путём локального нагрева изолятора затвора до 800°С в течении нескольких миллисекунд.[7]

Срок хранения данных

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий — 10-20 лет.

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

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.[8]

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.

Скорость чтения и записи

Скорость стирания варьируется от единиц до сотен миллисекунд в зависимости от размера стираемого блока. Скорость записи — десятки-сотни микросекунд.

Обычно скорость чтения для NOR-микросхем нормируется в десятки наносекунд. Для NAND-микросхем скорость чтения десятки микросекунд.

Особенности применения

Стремление достичь предельных значений емкости для NAND-устройств привело к «стандартизации брака» — праву выпускать и продавать микросхемы с некоторым процентом бракованных ячеек и без гарантии непоявления новых «bad-блоков» в процессе эксплуатации. Чтобы минимизировать потери данных, каждая страница памяти снабжается небольшим дополнительным блоком, в котором записывается контрольная сумма, информация для восстановления при одиночных битовых ошибках, информация о сбойных элементах на этой странице и количестве записей на эту страницу.

Сложность алгоритмов чтения и допустимость наличия некоторого количества бракованных ячеек вынудило разработчиков оснастить NAND-микросхемы памяти специфическим командным интерфейсом. Это означает, что нужно сначала подать специальную команду переноса указанной страницы памяти в специальный буфер внутри микросхемы, дождаться окончания этой операции, считать буфер, проверить целостность данных и, при необходимости, попытаться восстановить их.

Слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи в одной странице. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что стандартные файловые системы — то есть стандартные системы управления файлами для широко распространенных файловых систем — часто записывают данные в одно и то же место. Часто обновляется корневой каталог файловой системы, так что первые секторы памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволит существенно продлить срок работы памяти. Подробнее про задачу равномерного распределения износа см.: Wear leveling (англ.).

Подробнее о проблемах управления NAND-памятью, вызванных разным размером страниц стирания и записи см.: Write amplification (англ.).

NAND-контроллеры

Для упрощения применения микросхем флеш-памяти NAND-типа они используются совместно со специальными микросхемами — NAND-контроллерами. Эти контроллеры должны выполнять всю черновую работу по обслуживанию NAND-памяти: преобразование интерфейсов и протоколов, виртуализация адресации (с целью обхода сбойных ячеек), проверка и восстановление данных при чтении, забота о разном размере блоков стирания и записи, забота о периодическом обновлении записанных блоков (есть и такое требование), равномерное распределение нагрузки на секторы при записи.

Однако задача равномерного распределения износа не обязательна, что зачастую приводит к экономии в дешевых изделиях. Такие флеш-карты памяти и USB-брелки быстро выйдут из строя при частой перезаписи. Если вам нужно часто записывать на флешку — старайтесь брать дорогие изделия с SLC-памятью и качественными контроллерами, а также старайтесь минимизировать запись в корневую директорию.

На дорогие NAND-контроллеры также может возлагаться задача «ускорения» микросхем флеш-памяти путем распределения данных одного файла по нескольким микросхемам. Время записи и чтения файла при этом сильно уменьшается.

Специальные файловые системы

Зачастую флеш-память подключается в устройстве напрямую — без контроллера. В этом случае задачи контроллера должен выполнять программный NAND-драйвер в операционной системе. Чтобы не выполнять избыточную работу по равномерному распределению записи по страницам, стараются эксплуатировать такие носители со специально придуманными файловыми системами (англ. Flash file system): JFFS2[9] и YAFFS[10] для Linux и др.

Применение

Существует два основных применения флеш-памяти: как мобильный носитель информации и как хранилище программного обеспечения («прошивки») цифровых устройств. Зачастую эти два применения совмещаются в одном устройстве.

Флеш-память позволяет обновлять прошивку устройств в процессе эксплуатации.

NOR

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.

NAND

Флеш-карты разных типов (спичка для сравнения масштабов)

Там, где требуются рекордные объёмы памяти — NAND-флеш вне конкуренции.

В первую очередь — это всевозможные мобильные носители данных и устройства, требующие для работы больших объёмов хранения. В основном, это USB-брелоки и карты памяти всех типов, а также мобильные медиаплееры.

Флеш-память типа NAND позволила миниатюризировать и удешевить вычислительные платформы на базе стандартных операционных систем с развитым программным обеспечением. Их стали встраивать во множество бытовых приборов: сотовые телефоны и телевизоры, сетевые маршрутизаторы и точки доступа, медиаплееры и игровые приставки, фоторамки и навигаторы.

Высокая скорость чтения делает NAND-память привлекательной для кэширования винчестеров. При этом часто используемые данные операционная система хранит на относительно небольшом твердотельном устройстве, а данные общего назначения записывает на дисковый накопитель большого объёма.[11]

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам NAND-память активно вытесняет из обращения носители других типов. Сначала исчезли дискеты и дисководы гибких магнитных дисков[12], ушли в небытие накопители на магнитной ленте. Магнитные носители практически полностью вытеснены из мобильных и медиаприменений. Сейчас флеш-память активно теснит винчестеры в ноутбуках[13] и уменьшает долю записываемых оптических дисков.

Стандартизацией применения чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0[14], выпущенная 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND-чипов: Intel, Hynix и Micron Technology.[15]

Достижения

Максимальное значение объёмов микросхем NOR — до 256 Мбайт. NAND имеет максимальное значение объёма на 8-кристальную микросхему 128 Гбайт (то есть объём кристалла 16 Гбайт).[16]

В 2005 году Toshiba и SanDisk представили NAND-чипы объёмом 1 Гб[17], выполненные 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 4-гигабайтный чип, выполненный по 40-нм технологическому процессу.[18]

В конце 2007 года Samsung сообщила о создании MLC-чипа флеш-памяти типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью чипа 8 Гб. В декабре 2009 года начато производство этой памяти объёмом 4 Гб (32 Гбит).[19]

На конец 2008 года лидерами по производству флеш-памяти являлись Samsung (31 % рынка) и Toshiba (19 % рынка, включая совместные заводы с Sandisk). (Данные согласно iSuppli на 4 квартал 2008 года).

В июне 2010 года Toshiba объявила о выпуске 128-Гб чипа, состоящего из 16 модулей по 8 Гб. Одновременно с ним в массовую продажу вышли и чипы в 64 Гб.[20][21]

Для увеличения объёма в устройствах часто применяется массив из нескольких чипов. К 2007 году USB-устройства и карты памяти имели объём от 512 Мб до 64 Гб. Самый большой объём USB-устройств составлял 4 терабайта.

В 2010 году Intel и Micron сообщили об успешном совместном освоении выпуска 3-битной (TLC) флеш-памяти типа NAND с использованием норм 25-нм техпроцесса.[2]

6 декабря 2011 года Intel и Micron анонсировали NAND-флеш-память по технологии 20 нм объёмом 128 Гбит.[22]

27 августа 2011 года Transcend совместно с институтом ITRI представили USB-накопитель с флеш-памятью ёмкостью 2 Тб и подключением по стандарту USB 3.0.[23]

См. также

Примечания

Ссылки

dic.academic.ru

Что такое flash-память

Введение

Технология флэш-памяти появилась около 20-ти лет назад. В конце 80-х годов прошлого столетия флэш-память начали использовать в качестве альтернативы UV-EPROM. С этого момента интерес к флэш-памяти с каждым годом неуклонно возрастает. Внимание, которое уделяется флэш-памяти, вполне объяснимо – ведь это самый быстрорастущий сегмент полупроводникового рынка. Ежегодно рынок флэш-памяти растет более чем на 15%, что превышает суммарный рост всей остальной полупроводниковой индустрии.

Спрос на флэш-память растёт с каждым годом, количество компаний, выпускающих этот тип памяти, стремительно увеличивается, а цена так же быстро падает. В 2000 году объёмы производства флэш-памяти превысили объёмы производства SRAM. Теперь рынок флэш является вторым по величине рынком памяти после DRAM, а к 2006 году (по прогнозу Semico) доход от продаж флэш-памяти превысит доход от продаж DRAM. В 2002 году общемировой объем продаж флэш-памяти составил 7,7 млрд$.

Сегодня флэш-память можно найти в самых разных цифровых устройствах. Её используют в качестве носителя микропрограмм для микроконтроллеров HDD и CD-ROM, для хранения BIOS в ПК. Флэш-память используют в принтерах, КПК, видеоплатах, роутерах, брандмауэрах, сотовых телефонах, электронных часах, записных книжках, телевизорах, кондиционерах, микроволновых печах и стиральных машинах... список можно продолжать бесконечно. А в последние годы флэш становится основным типом сменной памяти, используемой в цифровых мультимедийных устройствах, таких как mp3-плееры и игровые приставки. Начало этому было положено в 1997 году, когда флэш-карты впервые стали использовать в цифровых фотокамерах.

Занимая в начале своего пути лишь небольшую рыночную нишу, сейчас флэш – одна из основных технологий полупроводниковой памяти, и можно с уверенностью сказать, что в ближайшие 5-7 лет мы станем свидетелями расцвета технологии флэш-памяти.

 

Что такое flash-память?

Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти.

  • Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи).
  • Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных.
  • Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.

Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM. В отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают.

Замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

Надёжность/долговечность: информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков).

Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других механических носителях информации, большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.

Итак, 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.

Примечание: Мы рассматриваем только "чистую" флэш-память с числом циклов чтения/записи более 10000. Кроме "чистого" flash существуют OTP (One Time Programmable) - память с единственным циклом записи, и MTP (Multiple Time Programmable) - до 10000 циклов. Кроме количества допустимых циклов записи/стирания принципиальной разницы между MTP и Flash нет. OTP существенно отличается от этих типов архитектурно.

www.support17.com

Флеш память - это... Что такое Флеш память?

Сюда перенаправляется запрос Флэш-карты. На тему «Флэш-карты» нужна отдельная статья.

Флеш‐память (англ. Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов[1]). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низком энергопотреблении флеш‐память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах — цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини‐АТС, принтерах, сканерах), различных контроллерах.

Так же в последнее время широкое распространение получили «флешка», USB‐драйв, USB‐диск), практически вытеснившие дискеты и CD. Одним из первых флэшки JetFlash в 2002 году начал выпускать тайваньский концерн SSD накопителей объёмом 256 ГБ и более.

Ещё один недостаток устройств на базе флеш‐памяти по сравнению с жёсткими дисками — как ни странно, меньшая скорость. Несмотря на то, что производители SSD накопителей заверяют, что скорость этих устройств выше скорости винчестеров, в реальности она оказывается ощутимо ниже. Конечно, SSD накопитель не тратит подобно винчестеру время на разгон, позиционирование головок и т. п. Но время чтения, а тем более записи, ячеек флеш‐памяти, используемой в современных SSD накопителях, больше. Что и приводит к значительному снижению общей производительности. Справедливости ради следует отметить, что последние модели SSD накопителей и по этому параметру уже вплотную приблизились к винчестерам. Однако, эти модели пока слишком дороги.

Принцип действия

Программирование флеш-памяти

Стирание флеш-памяти

Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками (англ. cell). В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками (англ. single-level cell, SLC), каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками (англ. multi-level cell, MLC) могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.

NOR

В основе этого типа флеш-памяти лежит ИЛИ‑НЕ элемент (англ. NOR), потому что в транзисторе с плавающим затвором низкое напряжение на затворе обозначает единицу.

Транзистор имеет два затвора: управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут пребывать. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении.

Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы.

Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

В NOR архитектуре к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND архитектуры.

NAND

В основе NAND типа лежит И-НЕ элемент (англ. NAND). Принцип работы такой же, от NOR типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND чипа может быть существенно меньше. Так же запись и стирание происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.

NAND и NOR архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных.

История

Флеш-память была изобретена Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в 1984 году. Имя «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Сёдзи 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. 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

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.

На конец 2008 года, лидерами по производству флеш-памяти являются Samsung (31% рынка) и Toshiba (19% рынка, включая совместные заводы с Sandisk). (Данные согласно iSupply на Q4'2008). Стандартизацией чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0[2], выпущенная 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND чипов: Hynix и Micron Technology.[3]

Характеристики

Скорость некоторых устройств с флеш-памятью может доходить до 100 Мб/с[4]. 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 2005 году SanDisk представили NAND чипы объёмом 1 ГБ[5], выполненные 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[6]. 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. К 2007 году USB устройства и карты памяти имели объём от 512 МБ до 64 ГБ. Самый большой объём USB устройств составлял 4 ТБ.

Файловые системы

Основное слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что ОС часто записывает данные в одно и то же место. Например, часто обновляется таблица файловой системы, так что первые сектора памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволяет существенно продлить срок работы памяти.

Для решения этой проблемы были созданы специальные файловые системы: JFFS2[7] и YAFFS[8] для GNU/Linux и Microsoft Windows.

SecureDigital и FAT.

Применение

Флеш-карты разных типов (спичка отображена для оценки размеров)

Флеш-память наиболее известна применением в USB флеш-носителях (англ. USB flash drive). В основном применяется NAND тип памяти, которая подключается через USB по интерфейсу USB mass storage device (USB MSC). Данный интерфейс поддерживается всеми ОС современных версий.

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам USB флеш-носители полностью вытеснили с рынка дискеты. Например, компания 2003 года перестала выпускать компьютеры с дисководом гибких дисков[9].

В данный момент выпускается широкий ассортимент USB флеш-носителей, разных форм и цветов. На рынке присутствуют флешки с автоматическим шифрованием записываемых на них данных. Японская компания Solid Alliance даже выпускает флешки в виде еды[10].

Есть специальные дистрибутивы GNU/Linux и версии программ, которые могут работать прямо с USB носителей, например, чтобы пользоваться своими приложениями в интернет-кафе.

Технология Windows Vista способна использовать USB-флеш носитель или специальную флеш-память, встроенную в компьютер, для увеличения быстродействия[11]. На флеш-памяти также основываются карты памяти, такие как SecureDigital (SD) и Memory Stick, которые активно применяются в портативной технике (фотоаппараты, мобильные телефоны). Вкупе с USB носителями флеш-память занимает большую часть рынка переносных носителей данных.

NOR тип памяти чаще применяется в BIOS и ROM-памяти устройств, таких как DSL модемы, маршрутизаторы и т. д. Флеш-память позволяет легко обновлять прошивку устройств, при этом скорость записи и объём для таких устройств не так важны.

Сейчас активно рассматривается возможность замены жёстких дисков на флеш‑память. В результате увеличится скорость включения компьютера, а отсутствие движущихся деталей увеличит срок службы. Например, в XO-1, «ноутбуке за 100 $», который активно разрабатывается для стран третьего мира, вместо жёсткого диска будет использоваться флеш-память объёмом 1 ГБ[12]. Распространение ограничивает высокая цена за ГБ и меньший срок годности, чем у жёстких дисков из-за ограниченного количества циклов записи.

Типы карт памяти

Существуют несколько типов карт памяти, используемых в портативных устройствах:

MMC (MultiMedia Card): карточка в формате MMC имеет небольшой размер — 24×32×1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

RS-MMC (Reduced Size MultiMedia Card): карта памяти, которая вдвое короче стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24×18×1,4 мм, а вес — около 6 г, все остальные характеристики не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер. DV-RS-MMC (Dual Voltage Reduced Size MultiMedia Card): карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24×18×1,4 мм. MMCmicro: миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14×12×1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать переходник.

SD Card (Secure Digital Card): поддерживается фирмами Panasonic и SD (Trans-Flash) и SDHC (High Capacity): Старые карты SD так называемые Trans-Flash и новые SDHC (High Capacity) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 2 ГБ для Trans-Flash и 32 ГБ для High Capacity (Высокой Ёмкости). Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SDTF, то есть SDTF карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SDTF увидится только 2 ГБ от ёмкости SDHC большей ёмкости, либо не будет читаться вовсе. Предполагается, что формат TransFlash будет полностью вытеснен форматом SDHC. Оба суб-формата могут быть представлены в любом из трёх форматов физ. размеров (Стандартный, mini и micro). miniSD (Mini Secure Digital Card): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5×20×1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер. microSD (Micro Secure Digital Card): являются на настоящий момент (2008) самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11×15×1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах, и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD.

MS Duo (Memory Stick Duo): данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией MS Duo (Memory Stick Duo): Данный формат является конкурентом формата microSD (по аналогичному размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.

xD-Picture Card: используются в цифровых фотоаппаратах фирм Fuji и некоторых других.

Примечания

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

память - это... Что такое Флэш-память?

Сюда перенаправляется запрос Флэш-карты. На тему «Флэш-карты» нужна отдельная статья.

Флеш‐память (англ. Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов[1]). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низком энергопотреблении флеш‐память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах — цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини‐АТС, принтерах, сканерах), различных контроллерах.

Так же в последнее время широкое распространение получили «флешка», USB‐драйв, USB‐диск), практически вытеснившие дискеты и CD. Одним из первых флэшки JetFlash в 2002 году начал выпускать тайваньский концерн SSD накопителей объёмом 256 ГБ и более.

Ещё один недостаток устройств на базе флеш‐памяти по сравнению с жёсткими дисками — как ни странно, меньшая скорость. Несмотря на то, что производители SSD накопителей заверяют, что скорость этих устройств выше скорости винчестеров, в реальности она оказывается ощутимо ниже. Конечно, SSD накопитель не тратит подобно винчестеру время на разгон, позиционирование головок и т. п. Но время чтения, а тем более записи, ячеек флеш‐памяти, используемой в современных SSD накопителях, больше. Что и приводит к значительному снижению общей производительности. Справедливости ради следует отметить, что последние модели SSD накопителей и по этому параметру уже вплотную приблизились к винчестерам. Однако, эти модели пока слишком дороги.

Принцип действия

Программирование флеш-памяти

Стирание флеш-памяти

Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками (англ. cell). В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками (англ. single-level cell, SLC), каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками (англ. multi-level cell, MLC) могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.

NOR

В основе этого типа флеш-памяти лежит ИЛИ‑НЕ элемент (англ. NOR), потому что в транзисторе с плавающим затвором низкое напряжение на затворе обозначает единицу.

Транзистор имеет два затвора: управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут пребывать. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении.

Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы.

Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

В NOR архитектуре к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND архитектуры.

NAND

В основе NAND типа лежит И-НЕ элемент (англ. NAND). Принцип работы такой же, от NOR типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND чипа может быть существенно меньше. Так же запись и стирание происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.

NAND и NOR архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных.

История

Флеш-память была изобретена Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в 1984 году. Имя «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Сёдзи 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. 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

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.

На конец 2008 года, лидерами по производству флеш-памяти являются Samsung (31% рынка) и Toshiba (19% рынка, включая совместные заводы с Sandisk). (Данные согласно iSupply на Q4'2008). Стандартизацией чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0[2], выпущенная 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND чипов: Hynix и Micron Technology.[3]

Характеристики

Скорость некоторых устройств с флеш-памятью может доходить до 100 Мб/с[4]. 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 2005 году SanDisk представили NAND чипы объёмом 1 ГБ[5], выполненные 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[6]. 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. К 2007 году USB устройства и карты памяти имели объём от 512 МБ до 64 ГБ. Самый большой объём USB устройств составлял 4 ТБ.

Файловые системы

Основное слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что ОС часто записывает данные в одно и то же место. Например, часто обновляется таблица файловой системы, так что первые сектора памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволяет существенно продлить срок работы памяти.

Для решения этой проблемы были созданы специальные файловые системы: JFFS2[7] и YAFFS[8] для GNU/Linux и Microsoft Windows.

SecureDigital и FAT.

Применение

Флеш-карты разных типов (спичка отображена для оценки размеров)

Флеш-память наиболее известна применением в USB флеш-носителях (англ. USB flash drive). В основном применяется NAND тип памяти, которая подключается через USB по интерфейсу USB mass storage device (USB MSC). Данный интерфейс поддерживается всеми ОС современных версий.

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам USB флеш-носители полностью вытеснили с рынка дискеты. Например, компания 2003 года перестала выпускать компьютеры с дисководом гибких дисков[9].

В данный момент выпускается широкий ассортимент USB флеш-носителей, разных форм и цветов. На рынке присутствуют флешки с автоматическим шифрованием записываемых на них данных. Японская компания Solid Alliance даже выпускает флешки в виде еды[10].

Есть специальные дистрибутивы GNU/Linux и версии программ, которые могут работать прямо с USB носителей, например, чтобы пользоваться своими приложениями в интернет-кафе.

Технология Windows Vista способна использовать USB-флеш носитель или специальную флеш-память, встроенную в компьютер, для увеличения быстродействия[11]. На флеш-памяти также основываются карты памяти, такие как SecureDigital (SD) и Memory Stick, которые активно применяются в портативной технике (фотоаппараты, мобильные телефоны). Вкупе с USB носителями флеш-память занимает большую часть рынка переносных носителей данных.

NOR тип памяти чаще применяется в BIOS и ROM-памяти устройств, таких как DSL модемы, маршрутизаторы и т. д. Флеш-память позволяет легко обновлять прошивку устройств, при этом скорость записи и объём для таких устройств не так важны.

Сейчас активно рассматривается возможность замены жёстких дисков на флеш‑память. В результате увеличится скорость включения компьютера, а отсутствие движущихся деталей увеличит срок службы. Например, в XO-1, «ноутбуке за 100 $», который активно разрабатывается для стран третьего мира, вместо жёсткого диска будет использоваться флеш-память объёмом 1 ГБ[12]. Распространение ограничивает высокая цена за ГБ и меньший срок годности, чем у жёстких дисков из-за ограниченного количества циклов записи.

Типы карт памяти

Существуют несколько типов карт памяти, используемых в портативных устройствах:

MMC (MultiMedia Card): карточка в формате MMC имеет небольшой размер — 24×32×1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

RS-MMC (Reduced Size MultiMedia Card): карта памяти, которая вдвое короче стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24×18×1,4 мм, а вес — около 6 г, все остальные характеристики не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер. DV-RS-MMC (Dual Voltage Reduced Size MultiMedia Card): карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24×18×1,4 мм. MMCmicro: миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14×12×1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать переходник.

SD Card (Secure Digital Card): поддерживается фирмами Panasonic и SD (Trans-Flash) и SDHC (High Capacity): Старые карты SD так называемые Trans-Flash и новые SDHC (High Capacity) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 2 ГБ для Trans-Flash и 32 ГБ для High Capacity (Высокой Ёмкости). Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SDTF, то есть SDTF карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SDTF увидится только 2 ГБ от ёмкости SDHC большей ёмкости, либо не будет читаться вовсе. Предполагается, что формат TransFlash будет полностью вытеснен форматом SDHC. Оба суб-формата могут быть представлены в любом из трёх форматов физ. размеров (Стандартный, mini и micro). miniSD (Mini Secure Digital Card): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5×20×1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер. microSD (Micro Secure Digital Card): являются на настоящий момент (2008) самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11×15×1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах, и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD.

MS Duo (Memory Stick Duo): данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией MS Duo (Memory Stick Duo): Данный формат является конкурентом формата microSD (по аналогичному размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.

xD-Picture Card: используются в цифровых фотоаппаратах фирм Fuji и некоторых других.

Примечания

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

biograf.academic.ru

ПАМЯТЬ - это... Что такое ФЛЭШ-ПАМЯТЬ?

ФЛЭШ-ПАМЯТЬ (англ. flash memory, flash storage) или электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ, EEPROM) — энергонезависимое полупроводниковое запоминающее устройство (см. ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО), выполненное в виде микросхемы (чипа), в которую можно записывать данные и долговременно их хранить. Стирание производится электрическим разрядом, после чего можно записывать новые данные. Некоторые виды ЭСППЗУ для стирания и перепрограммирования требуют использования специальных устройств. Другие, собственно относящиеся к категории флэш-памяти, могут стираться и перепрограммироваться непосредственно в компьютере. В зависимости от технологии построения базовых элементов флэш-памяти, отличающихся количеством активных слоев, организацией их структуры, методами стирания и записи данных, различают следующие архитектуры ее построения: 1) NOR (ИЛИ-НЕ) и 2) NAND (И-НЕ). Первый тип имеет относительно большие размеры ячеек и обеспечивает быстрый произвольный доступ непосредственно к ним, что считается более удобным для хранения программ. Однако процессы записи и стирания данных происходят достаточно медленно. Второй тип памяти имеет меньшие размеры ячеек, что позволяет добиться более компактного расположения транзисторов. Кроме того, поскольку запись данных производится в этом случае методом квантового туннелирования электронов из области плавающего затвора транзистора в область истока (Метод Фаулера-Нордхейма — Fowler-Nordheim method, FN method), а не инжекции горячих электронов, как это имеет место в NOR-архитектуре, запись данных производится значительно быстрее. Чтобы уменьшить эффект низкой скорости чтения, микросхемы NAND снабжаются внутренним кэшем. Имеются и другие архитектуры построения флэш-памяти (например AND, DiNOR и др.), однако они не получили массового распространения. Конструктивно флэш-память выполняется либо в виде USB-флэш-памяти, либо в виде карт памяти (наиболее распространены стандарты Compact Flash, Memory Stick, MultiMediaCard, SecureDigital, SmartMedia и их различные модификации), которые используются в различных компактных цифровых устройствах (КПК (см. КАРМАННЫЙ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР), цифровых фотокамерах, плеерах, смартфонах). USB-флэш-память подключается напрямую к компьютеру через порт USB, в современных операционных системах для этого не требуется даже драйвера. Для чтения карт памяти используется карт-ридер, во многих ноутбуках (см. НОУТБУК) имеются встроенные карт-ридеры.

dic.academic.ru

Флеш-память — WiKi

У этого термина существуют и другие значения, см. Флеш. USB-флеш-накопитель. На переднем плане видна микросхема NAND-флеш-памяти, на заднем — её контроллер

Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации. Серьёзным недостатком данной технологии является ограниченный срок работоспособности носителей,[1][2] а также чувствительность к электростатическому разряду.

История

Предшественниками технологии флеш-памяти можно считать ультрафиолетово стираемые постоянные запоминающие устройства (EPROM) и электрически стираемые ПЗУ (EEPROM). Эти приборы также имели матрицу транзисторов с плавающим затвором, в которых инжекция электронов в плавающий затвор («запись») осуществлялась созданием большой напряжённости электрического поля в тонком диэлектрике. Однако площадь разводки компонентов в матрице резко увеличивалась, если требовалось создать поле обратной напряжённости для снятия электронов с плавающего затвора («стирания»). Поэтому и возникло два класса устройств: в одном случае жертвовали цепями стирания, получая память высокой плотности с однократной записью, а в другом случае делали полнофункциональное устройство с гораздо меньшей ёмкостью.

Соответственно усилия инженеров были направлены на решение проблемы плотности компоновки цепей стирания. Они увенчались успехом изобретением инженера компании Toshiba Фудзио Масуокой (яп. 舛岡富士雄) в 1984 году. Название «флеш» было придумано также в Toshiba — Сёдзи Ариидзуми, процесс стирания содержимого памяти которому напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку в 1984 году на конференции IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско.

В 1988 году Intel выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference.

Принцип работы

  Транзистор с плавающим затвором

Основным компонентом в флеш-памяти является транзистор с плавающим затвором, который является разновидностью МОП-транзисторов. Его отличие в том, что у него есть дополнительный затвор (плавающий), расположенный между управляющим затвором и p-слоем. Плавающий затвор изолирован и хранимый в нём отрицательный заряд будет оставаться надолго.

SLC и MLC

Различают устройства, в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько бит. В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (single-level cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (multi-level cell, MLC[3][4]). MLC-устройства дешевле и более ёмки, чем SLC-устройства, однако имеют более высокое время доступа и примерно на порядок меньшее максимальное количество перезаписей[5].

Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита) на каждую ячейку. Более дешёвую в пересчёте на объём память с 8 уровнями (3 бита) чаще называют TLC (Triple Level Cell)[3][4] или 3bit MLC (MLC-3)[6]. Существуют экспериментальные устройства с 16 уровнями на ячейку (4 бита), 16LC[7] или QLC, однако с уменьшением техпроцесса их массовое производство маловероятно из-за чрезвычайно низкой надёжности хранения[8].

К 2016 году многоуровневая память доминирует на рынке. Тем не менее SLC-изделия, несмотря на многократно меньшую ёмкость, продолжают разрабатываться и выпускаться для особо ответственных применений[9].

Аудиопамять

Естественным развитием идеи MLC-ячеек была мысль записать в ячейку аналоговый сигнал. Наибольшее применение такие аналоговые флеш-микросхемы получили в воспроизведении относительно коротких звуковых фрагментов в дешёвых тиражируемых изделиях. Такие микросхемы могут применяться в простейших игрушках, звуковых открытках и так далее[10].

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 по ассоциации схемы включения ячеек в массив со схемотехникой микросхем КМОП-логики — NOR- и NAND-элементов.

NAND чаще всего применяется для USB-флеш-накопителей, карт памяти, SSD, NOR — во встраиваемых системах.

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

  • Программирование флеш-памяти

  • Стирание флеш-памяти

Чтение

Для чтения подаётся положительное напряжение на управляющий затвор. Если в плавающем затворе отсутствует заряд, то транзистор начнёт проводить ток. В противном случае ток между истоком и стоком не возникает. Для MLC ячеек необходимо произвести несколько измерений.

NOR

Для чтения определённой ячейки памяти необходимо подать на её управляющий затвор промежуточное напряжение (достаточное для проводимости транзистора только при отсутствии заряда в плавающем затворе). На остальные ячейки в линии следует подать минимальное напряжение для исключения проводимости этих ячеек. Если в интересующей нас ячейке отсутствует заряд, то возникнет ток между разрядной линией (англ. bit line) и землёй.

NAND

В данной компоновке также подаётся промежуточное напряжение на управляющий затвор определённой ячейки. На остальные управляющие затворы в линии подаётся повышенное напряжение, чтобы они гарантировано проводили ток. Таким образом, возникнет ток между землёй и линией, если в интересующей нас ячейке отсутствует заряд.

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 большое положительное напряжение на управляющий затвор: отрицательный заряд с помощью туннельного эффекта покинет плавающий затвор. И наоборот, для заряда плавающего затвора необходимо подать большое отрицательное напряжение.

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.[11]

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.

NOR

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.

3D NAND

  3D NAND. Красные горизонтали — затворы. Красная вертикаль — каналы полевых транзисторов. Жёлтая полоска — плавающие затворы.

Схемотехника NAND оказалась удобна для построения вертикальной компоновки блока ячеек на кристалле[12][13][14]. 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 слоёв для ряда изделий достигло 64[15].

Многокристальные микросхемы

Для экономии места в одну микросхему флеш-памяти может упаковываться несколько полупроводниковых пластин (кристаллов), до 16 штук[16].

Технологические ограничения

Запись и чтение ячеек различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют большой ток при записи для формирования высоких напряжений, тогда как при чтении затраты энергии относительно малы.

Ресурс записи

Изменение заряда сопряжено с накоплением необратимых изменений в структуре и потому количество записей для ячейки флеш-памяти ограничено. Типичные количества циклов стирания-записи составляют от десятков и сотен тысяч до тысячи или менее, в зависимости от типа памяти и технологического процесса. Гарантированный ресурс значительно более низок при хранении нескольких бит в ячейке (MLC и TLC) и при использовании техпроцессов класса «30 нм» и более современных.

Одна из причин деградации — невозможность индивидуально контролировать заряд плавающего затвора в каждой ячейке. Дело в том, что запись и стирание производятся над множеством ячеек одновременно — это неотъемлемое свойство технологии флеш-памяти. Автомат записи контролирует достаточность инжекции заряда по референсной ячейке или по средней величине. Постепенно заряд отдельных ячеек рассогласовывается и в некоторый момент выходит за допустимые границы, которые может скомпенсировать инжекцией автомат записи и воспринять устройство чтения. Понятно, что на ресурс влияет степень идентичности ячеек. Одно из следствий этого — с уменьшением топологических норм полупроводниковой технологии создавать идентичные элементы все труднее, поэтому вопрос ресурса записи становится все острее.

Другая причина — взаимная диффузия атомов изолирующих и проводящих областей полупроводниковой структуры, ускоренная градиентом электрического поля в области кармана и периодическими электрическими пробоями изолятора при записи и стирании. Это приводит к размыванию границ и ухудшению качества изолятора, уменьшению времени хранения заряда.

Изначально, в 2000-х годах для 5х нм памяти такой ресурс стираний составлял до 10 тыс. раз для MLC-устройств и до 100 тыс. раз для SLC-устройств, однако с уменьшением техпроцессов количество гарантированных стираний снижалось. Для 3х нм памяти (начало 2010-х годов) обычная 2-битная MLC гарантировала порядка 3-5 тысяч, а SLC — до 50 тысяч.[17] В 2013 отдельные модели гарантировали порядка единиц тысяч циклов для MLC и менее тысячи (несколько сотен) для TLC до начала деградации[18].

Тип памяти Ресурс Примеры решений
SLC NOR 100'000 .. 1'000'000 Numonyx M58BW, Spansion S29CD016J
MLC NOR 100'000 Numonyx J3 flash
SLC NAND 100'000 Samsung OneNAND KFW4G16Q2M
MLC NAND 1'000 .. 10'000 Samsung K9G8G08U0M
TLC NAND 1'000 Samsung SSD 840
3D MLC NAND 6'000 .. 40'000 Samsung SSD 850 PRO, Samsung SSD 845DC PRO
3D TLC NAND 1'000 .. 3'000 Samsung SSD 850 EVO, Samsung SSD 845DC EVO, Crucial MX300

Идут исследования экспериментальной технологии восстановления ячейки флеш-памяти путём локального нагрева изолятора затвора до 800°С в течение нескольких миллисекунд.[19]

Срок хранения данных

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий, не превышает 10—20 лет[источник не указан 1729 дней], 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[20][21].

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[21][22].

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.

Скорость чтения и записи

Скорость стирания варьируется от единиц до сотен миллисекунд в зависимости от размера стираемого блока. Скорость записи — десятки-сотни микросекунд.

Обычно скорость чтения для NOR-микросхем нормируется в десятки наносекунд. Для NAND-микросхем скорость чтения составляет десятки микросекунд.

Технологическое масштабирование

  Масштабирование техпроцесса изготовления флеш-памяти NAND в 2004—2013 годах. Показаны максимальные возможные объёмы данных для кристаллов, использующих однобитные (SLC) или двухбитные (MLC) ячейки. Также указана приблизительная площадь ячейки.

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[23]. 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[24]. В ноябре 2012 года[25] 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)[26][27][28][29].

ITRS или компании 2010 2011 2012 2013 2014 2015* 2016*
ITRS Flash Roadmap 2011[24] 32 нм 22 нм 20 нм 18 нм 16 нм
ITRS Flash Roadmap 2013[30][31] 17 нм 15 нм 14 нм
Samsung[24][31]Samsung 3D NAND (CTF)[31] 35-32 нм 27 нм 21 нм (MLC, TLC) 19 nm 19-16 нмV-NAND (24L) 12 нмV-NAND (32L) 12 нм
Micron, Intel[24][31] 34-25 нм 25 нм 20 нм (MLC + HKMG) 20 нм (TLC) 16 нм 12 нм3D-NAND 3D-NAND Gen2
Toshiba, Sandisk[24][31] 43-32 нм 24 нм 19 нм (MLC, TLC) A-19 нм 15 нм 3D NAND BiCS 3D NAND BiCS
SK Hynix[24][31] 46-35 нм 26 нм 20 нм (MLC) 20 нм 16 нм 3D V1 12 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)[32]. На 2010 год около 35 %—25 % чипов имели размер 16 Гбит, 55 % — 32 Гбит[33]. 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[32][33].

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[34][35], а Samsung с 2013—2014 года начала массовый выпуск 24- и 32-слойной 3D NAND[36] на базе CTF технологии[37], в том числе, в варианте с 3-х битными (TLC) ячейками[38]. 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[39]. Однако, несмотря на принимаемые меры, вероятно, что возможности дальнейшего масштабирования NAND-памяти будут экономически не оправданы[40][41] или физически невозможны. Исследуется множество возможных замен технологии флеш-памяти, в частности, FeRAM, MRAM, PMC, PCM, ReRAM и т. п.[42][43][44]

Особенности применения

Стремление достичь предельных значений ёмкости для NAND-устройств привело к «стандартизации брака» — праву выпускать и продавать микросхемы с некоторым процентом бракованных ячеек и без гарантии непоявления новых «bad-блоков» в процессе эксплуатации. Чтобы минимизировать потери данных, каждая страница памяти снабжается небольшим дополнительным блоком, в котором записывается контрольная сумма, информация для восстановления при одиночных битовых ошибках, информация о сбойных элементах на этой странице и количестве записей на эту страницу.

Сложность алгоритмов чтения и допустимость наличия некоторого количества бракованных ячеек вынудило разработчиков оснастить NAND-микросхемы памяти специфическим командным интерфейсом. Это означает, что нужно сначала подать специальную команду переноса указанной страницы памяти в специальный буфер внутри микросхемы, дождаться окончания этой операции, считать буфер, проверить целостность данных и, при необходимости, попытаться восстановить их.

Слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи в одной странице. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что стандартные файловые системы — то есть стандартные системы управления файлами для широко распространённых файловых систем — часто записывают данные в одно и то же место. Часто обновляется корневой каталог файловой системы, так что первые секторы памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволит существенно продлить срок работы памяти[45].

NAND-контроллеры

Для упрощения применения микросхем флеш-памяти NAND-типа они используются совместно со специальными микросхемами — NAND-контроллерами. Эти контроллеры должны выполнять всю черновую работу по обслуживанию NAND-памяти: преобразование интерфейсов и протоколов, виртуализация адресации (с целью обхода сбойных ячеек), проверка и восстановление данных при чтении, забота о разном размере блоков стирания и записи, забота о периодическом обновлении записанных блоков (есть и такое требование), равномерное распределение нагрузки на секторы при записи (Wear leveling).

Однако задача равномерного распределения износа не обязательна, поэтому в самых дешевых изделиях ради экономии могут устанавливаться наиболее простые контроллеры. Такие флеш-карты памяти и USB-брелоки быстро выйдут из строя при частой перезаписи, или при использовании файловой системы, отличной от той, на которую рассчитан контроллер.[источник не указан 426 дней] При необходимости очень частой записи данных на флешки предпочтительно не изменять штатную файловую систему и использовать дорогие изделия с более износостойкой памятью (MLC вместо TLC, SLC вместо MLC) и качественными контроллерами.

На дорогие NAND-контроллеры также может возлагаться задача «ускорения» микросхем флеш-памяти путём распределения данных одного файла по нескольким микросхемам. Время записи и чтения файла при этом сильно уменьшается.

Специальные файловые системы

Зачастую во встраиваемых применениях флеш-память может подключаться к устройству напрямую — без контроллера. В этом случае задачи контроллера должен выполнять программный NAND-драйвер в операционной системе. Чтобы не выполнять избыточную работу по равномерному распределению записи по страницам, стараются эксплуатировать такие носители со специальными файловыми системами: JFFS2[46] и YAFFS[47] для Linux и др.

Применение

Существует два основных способа применения флеш-памяти: как мобильный носитель информации и как хранилище программного обеспечения («прошивки») цифровых устройств. Зачастую эти два применения совмещаются в одном устройстве.

При хранении во флеш-памяти возможно простое обновление прошивок устройств в процессе эксплуатации.

NOR

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[48].

NAND

  Флеш-карты разных типов (спичка для сравнения масштабов)

Там, где требуются рекордные объёмы памяти — NAND-флеш вне конкуренции. Чипы NAND показывали постоянное повышение объёмов, и на 2012 год NAND имел рекордные объёмы на 8-кристальную микросборку в 128 Гбайт (то есть объём каждого кристалла 16 Гбайт или 128 Гбит)[49].

В первую очередь NAND флеш-память применяется во всевозможных мобильных носителях данных и устройствах, требующих для работы больших объёмов хранения. В основном, это USB-брелоки и карты памяти всех типов, а также мобильные устройства, такие, как телефоны, фотоаппараты, медиаплееры.

Флеш-память типа NAND позволила миниатюризировать и удешевить вычислительные платформы на базе стандартных операционных систем с развитым программным обеспечением. Их стали встраивать во множество бытовых приборов: сотовые телефоны и телевизоры, сетевые маршрутизаторы и точки доступа, медиаплееры и игровые приставки, фоторамки и навигаторы.

Высокая скорость чтения делает NAND-память привлекательной для кэширования винчестеров. При этом часто используемые данные операционная система хранит на относительно небольшом твердотельном устройстве, а данные общего назначения записывает на дисковый накопитель большого объёма[50]. Также возможно объединение флеш-буфера на 4—8 ГБ и магнитного диска в едином устройстве, гибридном жёстком диске (SSHD, Solid-state hybrid drive).

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам, NAND-память активно вытесняет из обращения носители других типов. Сначала исчезли дискеты и дисководы гибких магнитных дисков[51], снизилась популярность накопителей на магнитной ленте. Магнитные носители практически полностью вытеснены из мобильных и медиаприменений.

Стандартизация
Низкоуровневые интерфейсы

Стандартизацией корпусов, интерфейсов, системы команд и вопросов идентификации чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface (ONFI). Первым стандартом стала спецификация ONFI версии 1.0[52], выпущенная 28 декабря 2006 года, за ней последовали ONFI V2.0, V2.1, V2.2, V2.3, V3.0 (2011)[53]. Группа ONFI поддерживается Intel, Micron Technology, Hynix, Numonyx.[54]

Samsung и Toshiba разрабатывают свой, альтернативный ONFI, стандарт Toggle Mode DDR. Первая ревизия выпущена в 2009 году, вторая в 2010.[53].

Высокоуровневые интерфейсы

Помимо стандартизации непосредственно микросхем памяти идет специфическая формализация доступа к долговременной памяти со стороны распространенных цифровых интерфейсов. Например, группа Non-Volatile Memory Host Controller Interface занимается вопросами стандартизации создания твердотельных дисков для интерфейса PCI Express.

Особняком стоят интегральные решения памяти и контроллера в виде микросхем, например, широко применяется встраиваемая eMMC память, использующая электрический интерфейс, сходный с MMC но выполненная в виде микросхемы.[55] Развитием этого интерфейса занимается JEDEC.

Рынок NAND-памяти

Основные производители NAND-флеш-памяти: Micron/Intel, SK Hynix, Toshiba/SanDisk, Samsung. На 2014 год около 35—37 % рынка занимают Toshiba/SanDisk и Samsung. 17 % поставок осуществляет Micron/Intel, ещё 10 — Hynix. Общий объём рынка NAND оценивается примерно в 20—25 млрд долларов США, в год производится от 40 до 60 млрд гигабайт, четверть из которых — встраиваемая eMMC память. В 2013 году память в основном изготавливалась по техпроцессам в диапазоне 20—30 нм, в 2014 году набирала популярность 19 нм память. Менее 2 % рынка занимала память 3D-NAND от Samsung, другие производители планировали производство 3D NAND с середины 2015 года[33].

Лишь менее 5 % NAND-памяти, поставляемой в 2012—2014 годах, имели однобитные ячейки (SLC), 75 % составляла двухбитная память (MLC), и 15-25 % — трехбитная память (TLC, в основном Samsung и Toshiba/SanDisk, с середины 2014—2015 годов также и другие)[33].

Основные производители контроллеров флеш-памяти NAND: Marvell, LSI-SandForce, также производители памяти NAND. Для eMMC контроллеры (eMCP) изготавливают: Samsung, SanDisk, SK Hynix, Toshiba, Micron, Phison, SMI, Skymedi[33].

См. также

Примечания

  1. ↑ Simona Boboila, Peter Desnoyers Write Endurance in Flash Drives: Measurements and Analysis (англ.) // FAST. — San Jose, California: Northeastern University, 2010.
  2. ↑ Hasso Plattner, Alexander. Zeier. In-Memory Data Management: Technology and Applications. — SpringerLink : Bücher. — Springer, 2012. — С. 45. — 267 с. — ISBN 3-642-29575-4.
  3. ↑ 1 2 Kristian Vättö,Understanding TLC NAND // Anandtech, February 23, 2012
  4. ↑ 1 2 iXBT.com :: Все новости :: Intel и Micron освоили выпуск 3-битной флэш-памяти типа NAND по нормам 25 нм
  5. ↑ Dennis Martin. NAND Flash – Endurance. Demartek, Storage Decisions Conference (11-12 June 2013). — «MLC typical life 10,000 or fewer write cycles  MLC-2: 3,000 – 10,000 write cycles  MLC-3: 300 – 3,000 write cycles». Проверено 9 января 2015.
  6. ↑ Samsung Mass Producing 128Gb 3-bit MLC NAND Flash Kevin Parrish // Tom’s Hardware, 11 April 2013
  7. ↑ A 7.8MB/s 64Gb 4-Bit/Cell NAND Flash Memory on 43nm CMOS Technology // Sandisk, NVMW — UCSD, 11-13 April 2010: «4-Bit/Cell (16LC)»
  8. ↑ SanDisk’s collosal 4TB SSD: Does this mean SSDs will soon provide more storage than hard drives? (англ.), ExtremeTech (May 5, 2014). Проверено 9 января 2015. «but no one is even talking about QLC (quad-level cell) NAND — there’s just no way to store voltage at that fine-grained level while retaining enough write cycles to deploy the tech effectively.».
  9. ↑ Toshiba начала выпуск 16-Гбит SLC NAND повышенной надёжности
  10. ↑ http://www.nuvoton.com/NuvotonMOSS/Community/ProductInfo.aspx?tp_GUID=d2589477-840d-4046-9c3a-2e0e457048b3 ISD ChipCorder
  11. ↑ Thomas Schwarz. Floating Gate Basics.
  12. ↑ Обзор Samsung 850 EVO второй версии: с 48-слойной TLC 3D V-NAND внутри
  13. ↑ Samsung moves into mass production of 3D flash memory
  14. ↑ Новый завод Toshiba по производству 3D NAND начнёт работу летом 2018 года
  15. ↑ Toshiba Starts World’s First Sample Shipment of 64-Layer 3D Flash Memory
  16. ↑ «Многокристальный модуль флеш-памяти NAND со стеком из 16-ти кристаллов NAND (NAND flash MCP (multi-chip package) with a 16-die NAND stack)» (англ.)
  17. ↑ Comparison of NAND Flash Technologies Used in SolidState Storage, IBM 2010 «Table 1. Endurance performance for various technology nodes»
  18. ↑ http://www.altec-cs.com/downloads/altec_white_paper/WP_Avoiding_premature_failures_of_NAND_Flash_memory_for_duplex-printing_e10.pdf «Resulting from the continuous reduction of the structure size of the flash memory chips, 2-bit MLC and 3-bit MLC (TLC) NAND flash memory …sometimes only allows 1,000 P/E cycles (MLC) and/or only a few hundred P/E cycles (TLC) per flash memory cell before degradation»; «Table 1: Typical P/E cycles …»
  19. ↑ Flash Memory Survives 100 Million Cycles — IEEE Spectrum
  20. ↑ Design and Use Considerations for NAND Flash memory
  21. ↑ 1 2 Flash Memory Technology Direction, Jim Cooke, 2007 Reducing Read Disturb ""«Rule of thumb for excessive reads per block between ERASE operations: SLC — 1,000,000 READ cycles; MLC — 100,000 READ cycles»
  22. ↑ Solid State Drive (SSD) FAQ // Dell: «6. I have unplugged my SSD drive and put it into storage. How long can I expect the drive to retain my data without needing to plug the drive back in? … In MLC and SLC, this can be as low as 3 months and best case can be more than 10 years»
  23. ↑ Kawamatus, Tatsuya Technology For Managing Nand Flash. Hagiwara sys-com co., LTD. Проверено 1 августа 2011.
  24. ↑ 1 2 3 4 5 6 Technology Roadmap for NAND Flash Memory. techinsights (April 2013). Проверено 9 января 2015.
  25. ↑ Clarke, Peter (20 November 2012). «Samsung takes NAND memory below 20-nm» eetimes.com. Retrieved 21 December 2012.
  26. ↑ Anand, Lal Shimpi. [[1] Samsung SSD 840 EVO Review: 120GB, 250GB, 500GB, 750GB & 1TB Models Tested], AnandTech (July 25, 2013). Проверено 9 января 2015. «Samsung calls its latest NAND process 10nm-class or 1x-nm, which can refer to feature sizes anywhere from 10nm to 19nm but we’ve also heard it referred to as 19nm TLC.»
  27. ↑ Samsung samples 3D NAND SSD. "ObjectiveAnalysis" (July, 2014). Проверено 9 января 2015.: «.Samsung introduced its 19nm NAND by calling it a „10nm-class“ product. Once again, the press misunderstood and broadcast to the world that Samsung was ahead of all of its competitors»
  28. ↑ Samsung's 840 EVO SSD family: Fast, large, and in charge, PCWorld (7/25/2013). Проверено 9 января 2015.: «the 19nm manufacturing process used to produce the NAND. Samsung for some reason is calling this 10nm-class, or 1x NAND, but they assured us that it’s 19nm.»
  29. ↑ Assessment of the Potential & Maturity of Selected Emerging Research Memory Technologies // ITRS 2010
  30. ↑ Table ORTC1 Summary 2013 ORTC Technology Trend Targets // ITRS из ITRS 2013 EDITION
  31. ↑ 1 2 3 4 5 6 Technology Roadmap for NAND Flash Memory. techinsights (April 2014). Проверено 9 января 2015.
  32. ↑ 1 2 Edward Grochowski, Robert E.Fontana, Future Technology Challenges For NAND Flash and HDD Products // Flash Memory Summit, 2012 (англ.): slide 6 «Projected NAND Flash Memory Circuit Density Roadmap»
  33. ↑ 1 2 3 4 5 Sean Yang. Supply Dynamics: Limited Growth &Constant Share. Market Share (Production Base) (англ.). 2014 NAND Flash Market Update. Supply, Demand and Beyond. TrendForce. Проверено 9 января 2015.
  34. ↑ Jeongdong Choe (TechInsights). Comparing Leading-Edge NAND Flash Memories (англ.), EETimes (25 July 2013). Проверено 11 января 2015. «All the NAND manufacturers adopted an air-gap process to achieve high performance and reliability. Toshiba implemented an air-gap process on its 19nm NAND device, while Samsung adopted it on 21nm. IMFT has used a more mature air-gap process on both the wordline and bitline structure since its 25nm NAND technology.».
  35. ↑ Nirmal Ramaswamy, Thomas Graettinger, (Micron). NAND flash scaling: 20nm node and below. Here are some of the fundamental cell design issues considered and addressed to arrive at this planar cell technology. (англ.), EE Times-Asia (5 July 2013). Проверено 11 января 2015. «This had already become a problem at the 25nm node requiring the deployment of airgap between the cells to reduce interference».
  36. ↑ Peter Clarke. NAND, DRAM 3D-Transition Roadmaps (англ.), EETimes (25 August 2014). Проверено 11 января 2015.
  37. ↑ Dick James. The Second Shoe Drops – Samsung V-NAND Flash (англ.), ChipWorks (August 5, 2014). Проверено 11 января 2015.
  38. ↑ Rick Merritt. Samsung Tips 3-Bit Vertical NAND. Korean giant starts smart storage initiative (англ.), EETimes (5 August 2014). Проверено 11 января 2015.
  39. ↑ Lal Shimpi, Anand. Micron's ClearNAND: 25nm + ECC, Combats Increasing Error Rates, Anandtech (2 December 2010). Проверено 2 декабря 2010.
  40. ↑ Ed Oswald. Current solid-state drive technology is doomed, says Microsoft Research (англ.), ExtremeTech (February 20, 2012). Проверено 9 января 2015.
  41. ↑ Grupp, Laura M., John D. Davis,Steven Swanson The Bleak Future of NAND Flash Memory // Proceedings of the 10th USENIX conference on File and Storage Technologies. — USENIX Association, 2012.
  42. ↑ Kim, Kinam. Future Memory Technology including Emerging New Memories / Kinam Kim, Koh. — Proceedings of the 24th International Conference on Microelectronics, 16 May 2004. — P. 377–384.
  43. ↑ Tom Coughlin; Ed Grochowski. Thanks for the Memories: Emerging Non-Volatile Memory Technologies (англ.). Coughlin Associates; SNIA 2014 Storage Developer Conference (September 15, 2014). Проверено 9 января 2015.
  44. ↑ Overview of emerging nonvolatile memory technologies // Nanoscale Res Lett. 2014; 9(1): 526. Sep 25, 2014. doi:10.1186/1556-276X-9-526
  45. ↑ Flash Wear-Leveling
  46. ↑ ELJonline:Flash Filesystems for Embedded Linux Systems — Linux For Devices Articles — Linux for Devices. Архивировано 5 декабря 2012 года.
  47. ↑ Introducing YAFFS, the first NAND-specific flash file system — News — Linux for Devices. Архивировано 12 сентября 2012 года.
  48. ↑ Micron Technology, Inc. — NOR Flash | Memory and Storage
  49. ↑ «Из восьми /кристаллов/ можно сформировать чип флеш-памяти на 128 Гб (Eight can be combined to produce … 128GB flash memory chip)» (англ.)
  50. ↑ ReadyBoost — Using Your USB Key to Speed Up Windows Vista — Tom Archer’s Blog — Site Home — MSDN Blogs
  51. ↑ R.I.P. Floppy Disk // BBC NEWS, UK, 1 april 2003
  52. ↑ ONFI 1.0
  53. ↑ 1 2 Exhibit 3: NAND Flash interface standards development of different manufactories (англ.). 2012 NAND Flash market annual report. Industry analysis report. ChinaFlashMarket.com (13 January 2013). Проверено 9 января 2015.
  54. ↑ ONFI members
  55. ↑ NAND Flash related product application market (англ.). 2012 NAND Flash market annual report. Industry analysis report. ChinaFlashMarket.com (13 January 2013). Проверено 9 января 2015.

Ссылки

ru-wiki.org

Что такое флеш-память? Принцип работы и устройство флеш-памяти :: SYL.ru

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.

Заключение и рекомендации

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.

www.syl.ru