- Принцип роботи флеш-пам'яті.
- Осередок пам'яті з одним транзистором.
- Осередок пам'яті з двома транзисторами.
- Пристрій флеш-пам'яті з архітектурою NOR.
- Пристрій флеш-пам'яті з архітектурою NAND.
- Читайте також
У цій статті ми з Вами поговоримо про те, що покладено в основу створення і за яким принципом працює флеш-пам'ять (не плутайте з USB флеш-накопичувачами і картами пам'яті). Крім цього, ви дізнаєтеся про її переваги та недоліки перед іншими типами ПЗУ (постійно запам'ятовують) і познайомитеся з асортиментом найпоширеніших накопичувачів, які містять в собі флеш-пам'ять.
Основна перевага цього пристрою в тому, що воно незалежне і йому не потрібно електрику для зберігання даних. Всю зберігається інформацію у флеш-пам'яті можна вважати нескінченну кількість разів, а ось кількість повних циклів запису на жаль обмежена.
Флеш-пам'ять (flash memory) - відноситься до напівпровідників електрично перепрограммируемой пам'яті (EEPROM). Завдяки технічним рішенням, не високою вартості, великим обсягом, низькому енергоспоживанню, високій швидкості роботи, компактності і механічної міцності, флеш-пам'ять вбудовують в цифрові портативні пристрої та носії інформації.
У флеш-пам'яті перед іншими накопичувачами (жорсткі диски і оптичні накопичувачі) типу ПЗУ є як свої переваги, так і свої недоліки, з якими ви можете познайомитися з таблиці розташованої нижче.
Тип ПЗУ Переваги Недоліки Жорсткий диск Великий об'єм інформації.
Висока швидкість роботи.
Дешевизна зберігання даних (в розрахунку на 1 Мбайт).
Великі габарити.
Чутливість до вібрації.
Тепловиділення.
Шум.
Оптичний диск Зручність транспортування.
Дешевизна зберігання інформації.
Можливість тиражування.
Невеликий обсяг.
Потрібно пристрій, що зчитує.
Обмеження при операціях (читання, запис).
Невисока швидкість роботи.
Чутливість до вібрації.
Шум.
Флеш-пам'ять Висока швидкість доступу до даних.
Економне енергоспоживання.
Стійкість до вібрацій.
Зручність підключення до комп'ютера.
Компактні розміри.
Обмежена кількість циклів запису.
Сьогодні ніхто не сумнівається в тому, що флеш-пам'ять буде продовжувати зміцнювати свої позиції в інформаційних технологіях, особливо в лінійці мобільних пристроїв (КПК, планшети, смартфони, плеєри). На основі флеш-пам'яті працюють самі затребувані і популярні USB флеш-накопичувачі і змінні карти пам'яті для електронних пристроїв (SD, MMC, miniSD ...).
Карти пам'яті, як і USB накопичувачі не стоять осторонь, а привертають увагу потенційних покупців своїм різноманіттям. Від такого достатку запам'ятовуючих пристроїв виграє тільки виробник, а споживач відчуває ряд незручностей. Адже всім нам знайомі такі ситуації, коли телефону потрібна одна карта, КПК інша, фотоапарату третя. Такий асортимент накопичувачів на руку виробникам, тому що вони беруть із широкою ексклюзивного продажу велику вигоду. Ось невеликий список поширених накопичувачів з флеш-пам'яттю:
- Compact Flash Type I (CF I) / Type II (CF II);
- Memory Styck (MS Pro, MS Duo);
- Secure Digital (SD);
- miniSD;
- xD-Picture Card (xD);
- MultiMedia Card (MMC).
- USB Flash Drive.
В одній з публікацій я писав про те як вибрати USB-флеш-накопичувач , А про те як вибрати карту в форматі SD (microSD, miniSD) читайте тут .
Принцип роботи флеш-пам'яті.
Елементарної осередок зберігання даних флеш-пам'яті являє собою транзистор з плаваючим затвором. Особливість такого транзистора в тому, що він вміє утримувати електрони (заряд). Ось на його основі і розроблені основні типи флеш-пам'яті NAND і NOR. Конкуренції між ними немає, тому що кожен з типів має своєю перевагою і недоліком. До речі, на їх основі будують гібридні версії такі як DiNOR і superAND.
У флеш-пам'яті виробники використовують два типи елементів пам'яті MLC і SLC.
- Флеш-пам'ять з MLC (Multi-level cell - багаторівневі комірки пам'яті) осередки більш ємкі і дешеві, але вони з великим часом доступу і меншою кількістю циклів запису / стирання (близько 10000).
- Флеш-пам'ять, яка містить в собі SLC (Single-level cell - однорівневі осередки пам'яті) осередки має максимальну кількість циклів запису / стирання (100000) та мають менший часом доступу.
Зміна заряду (запис / стирання) виконується додатком між затвором і витоком великого потенціалу, щоб напруженість електричного поля в тонкому діелектрику між каналом транзистора і кишенею виявилася достатня для виникнення тунельного ефекту. Для посилення ефекту тунеллірованія електронів в кишеню при записі застосовується невелике прискорення електронів шляхом пропускання струму через канал польового транзистора.
Принцип роботи флеш-пам'яті заснований на зміні і реєстрації електричного заряду в ізольованій області ( «кишеню») напівпровідникової структури.
Читання виконується польовим транзистором, для якого кишеню виконує роль затвора. Потенціал плаваючого затвора змінює порогові характеристики транзистора, що і реєструється ланцюгами читання. Ця конструкція забезпечується елементами, які дозволяють їй працювати в великому масиві таких же осередків.
Тепер розглянемо більш детально осередки пам'яті з одним і двома транзисторами ...
Осередок пам'яті з одним транзистором.
Якщо на керуючий затвор подати позитивний напруги (ініціалізація осередки пам'яті) то він буде перебувати у відкритому стані, що буде відповідати логічному нулю.
А якщо на плаваючий затвор помістити надлишковий негативний заряд (електрон) і подати позитивну напругу на керуючий затвор, то він компенсує створюване керуючим затвором електричне поле і не дасть утворюватися каналу провідності, а значить транзистор буде знаходитися в закритому стані.
Ось так, наявність або відсутність заряду на плаваючому затворі точно визначає стан відкритий або закритий транзистор, коли подається одне і теж позитивне напруги на керуючий затвор. Якщо ми будемо розглядати подачу напруги на керуючий затвор, як ініціалізацію осередки пам'яті, то по тому, яка напруга між витоком і стоком можна судити про наявність чи відсутність заряду на плаваючому затворі.
Таким чином виходить своєрідна елементарна комірка пам'яті, здатна зберігати один інформаційний біт. До всього цього дуже важливо, щоб заряд на плаваючому затворі (якщо він там є) міг зберігатися там довго, як при ініціалізації осередки пам'яті, так і при відсутності напруги на керуючому затворі. Тільки в цьому випадку осередок пам'яті буде енергонезалежною.
Так яким же чином в разі необхідності на плаваючий затвор поміщати заряд (записувати вміст комірки пам'яті) і видаляти його звідти (прати вміст комірки пам'яті) коли це необхідно.
Помістити заряд на плаваючий затвор (процес запису) можна методом інжекції гарячих електронів (CHE-Channel Hot Electrons) або методом тунелювання Фаулера-Нордхейма.
Якщо використовується метод інжекції гарячих електронів, то на стік і управляючий затвор подається висока напруга, що додасть електронам в каналі енергії, достатньої щоб подолати потенційний бар'єр, який створюється тонким шаром діелектрика, і направити (туннелировать) в область плаваючого затвора (під час читання на керуючий затвор подається меншу напругу і ефект тунелювання не відбувається).
Щоб видалити заряд з плаваючого затвора (виконати стирання осередки пам'яті) на керуючий затвор подається висока негативна напруга (близько 9 В), а на область витоку подається позитивна напруга. Це призводить до того, що електрони туннелируют з області плаваючого затвора в область витоку. Таким чином відбувається квантове тунелювання Фаулера - Нордхейма (Fowler - Nordheim).
Напевно ви вже зрозуміли, що транзистор з плаваючим затвором це елементарна комірка флеш-пам'яті. Але осередки з одним транзистором мають деякі недоліки, основним з яких є погана масштабованість.
Так як при створенні масиву пам'яті, кожна комірка пам'яті (тобто транзистор) підключається до двох перпендикулярних шин. Керуючі затвори підключаються до шини, яку називають лінією слів (Word Line), а стоки з'єднують з шиною, її називають бітової лінією (Bit Line). У слідстві чого в схемі знаходиться висока напруга і при запису методом інжекції гарячих електронів все лінії - слів, бітів і витоків потрібно розмістити на великій відстані один від одного. Це дасть потрібний рівень ізоляції, але позначиться на обмеження обсягу флеш-пам'яті.
Ще одним недоліком такого осередку пам'яті є присутність ефекту надмірного видалення заряду з плаваючого затвора, а він не може компенсуватися процесом запису. Тому на плаваючому затворі утворюється позитивний заряд, що робить незмінним стан транзистора і він завжди залишається відкритим.
Осередок пам'яті з двома транзисторами.
Двухтранзісторного осередок пам'яті, це модифікована однотранзісторний осередок, в якій знаходиться звичайний КМОП-транзистор і транзистор з плаваючим затвором. У цій структурі звичайний транзистор виконує роль ізолятора транзистора з плаваючим затвором від бітової лінії.
Чи має переваги двухтранзісторного осередок пам'яті? Так, адже з її допомогою можна створювати більш компактні і добре масштабовані мікросхеми пам'яті, тому що тут транзистор з плаваючим затвором ізолюється від бітової лінії. До всього іншого, на відміну від однотранзісторний осередки пам'яті, де інформація записується методом інжекції гарячих електронів, в двухтранзісторного осередки пам'яті для запису і стирання інформації використовується метод квантового тунелювання Фаулера - Нордхейма. Такий підхід дає можливість знизити напругу, яка необхідна для операції записи. Забігаючи наперед скажу, що двухтранзісторного осередку застосовуються в пам'яті зі структурою NAND.
Пристрій флеш-пам'яті з архітектурою NOR.
Тип цієї пам'яті є джерелом і якимось поштовхом у розвитку всієї EEPROM. Її архітектура була розроблена компанією Intel в далекому 1988 році. Як було написано раніше, щоб отримати доступ до вмісту комірки пам'яті (ініціалізувати осередок), потрібно подати напругу на керуючий затвор.
Тому розробники компанії всі керуючі затвори під'єднали до лінії управління, яка називається лінією слів (Word Line). Аналіз інформації осередки пам'яті виконується за рівнем сигналу на стоці транзистора. Тому розробники все стоки транзисторів під'єднали до лінії, яка називається лінією бітів (Bit Line).
Архітектура NOR отримала назву завдяки логічної операції АБО - НЕ (в перекладі з англійської NOR). Принцип логічної операції NOR полягає в тому, що вона над декількома операндами (дані, аргумент операції ...) дає середнє арифметичне значення, коли всі операнди рівні нулю, і нульове значення у всіх інших операціях.
У нашому випадку під операндами мається на увазі значення осередків пам'яті, а значить в цій архітектурі середнє арифметичне значення на бітової лінії буде спостерігається тільки в тому випадку, коли значення всіх осередків, які підключені до бітової лінії, дорівнюватимуть нулю (всі транзистори закриті).
У цій архітектурі добре організований довільний доступ до пам'яті, але процес запису і стирання даних виконується відносно повільно. В процесі запису і стирання застосовується метод інжекції гарячих електронів. До всього іншого мікросхема флеш-пам'яті з архітектурою NOR і розмір її осередки виходить більшим, тому ця пам'ять погано масштабується.
Структура шести осередків NOR Flash
Флеш-пам'ять з архітектурою NOR як правило використовують в пристроях для зберігання програмного коду. Це можуть бути телефони, КПК, BIOS системних плат ...
Пристрій флеш-пам'яті з архітектурою NAND.
Даний тип пам'яті був розроблений компанією Toshiba. Ці мікросхеми завдяки своїй архітектурі застосовують в маленьких накопичувачах, які отримали ім'я NAND (логічна операція І-НЕ). При виконанні операція NAND дає значення нуль тільки, коли всі операнди рівні нулю, і середнє арифметичне значення у всіх інших випадках.
Як було написано раніше, нульове значення це відкрите стан транзистора. Тому в архітектурі NAND мається на увазі, що бітова лінія має нульове значення в тому випадку, коли всі підключені до неї транзистори відкриті, і значення один, коли хоча б один з транзисторів закритий. Таку архітектуру можна побудувати, якщо під'єднати транзистори з бітової лінією не по одному (так побудовано в архітектурі NOR), а послідовними серіями (стовпець з послідовно включених осередків).
Дана архітектура в порівнянні з NOR добре масштабується тому, що дозволяє компактно розмістити транзистори на схемі. Крім цього архітектура NAND проводить запис шляхом тунелювання Фаулера - Нордхейма, а це дозволяє реалізувати швидку запис ніж в структурі NOR. Щоб збільшити швидкість читання, в мікросхеми NAND вбудовують внутрішній кеш.
Як і кластери жорсткого диска так і осередки NAND групуються в невеликі блоки. З цієї причини при послідовному читанні або запису перевага в швидкості буде у NAND. Але з іншого боку NAND сильно програє в операції з довільним доступом і не має можливості працювати на пряму з байтами інформації. В ситуації коли потрібно змінити лише кілька біт, система змушена переписувати весь блок, а це якщо враховувати обмежену кількість циклів запису, веде до великого зносу осередків пам'яті.
Структура одного стовпчика NAND Flash
Останнім часом ходять чутки про те, що компанія Unity Semiconductor розробляє флеш-пам'ять нового покоління, яка буде побудована на технології CMOx. Передбачається, що нова пам'ять прийде на зміну флеш-пам'яті типу NAND і подолає її обмеження, які в пам'яті NAND обумовлені архітектурою транзисторних структур. До переваг CMOx відносять більш високу щільність і швидкість запису, а також більш привабливу вартість. У числі областей застосування нової пам'яті значаться SSD і мобільні пристрої. Ну, що ж правда це чи ні покаже час.
Щоб більш детально донести до Вас всю необхідну інформацію я розмістив відео ролик на тему.
PS Пояснити простою мовою технічний матеріал людям які не уявляють як побудована архітектура комп'ютера ... дуже складно, але я сподіваюся у мене це вийшло. Для повної і достовірної інформації в цій статті я частково використовував навчальну літературу. Сподіваюся ця стаття була для вас корисною, пізнавальною і легкої до сприйняття. На цьому все. Поки що!
Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту і натисніть Ctrl + Enter.
Читайте також
Поділіться у соціальних мережах:
Чи має переваги двухтранзісторного осередок пам'яті?