NAND флэш-память: особенности строения и функционирования. Флэш-память. Твердотельный накопитель. Типы флеш-памяти. Карта памяти

Флэш-память представляет собой тип долговечной памяти для компьютеров, у которой содержимое можно перепрограммировать или удалить электрическим методом. В сравнении с Electrically Erasable Programmable Read Only Memory действия над ней можно выполнять в блоках, которые находятся в разных местах. Флэш-память стоит намного меньше, чем EEPROM, поэтому она и стала доминирующей технологией. В особенности в ситуациях, когда необходимо устойчивое и длительное сохранение данных. Ее применение допускается в самых разнообразных случаях: в цифровых аудиоплеерах, фото- и видеокамерах, мобильных телефонах и смартфонах, где существуют специальные андроид-приложения на карту памяти. Кроме того, используется она и в USB-флешках, традиционно применяемых для сохранения информации и ее передачи между компьютерами. Она получила определенную известность в мире геймеров, где ее часто задействуют в промах для хранения данных по прогрессу игры.

Общее описание

Флэш-память представляет собой такой тип, который способен сохранять информацию на своей плате длительное время, не используя питания. В дополнение можно отметить высочайшую скорость доступа к данным, а также лучшее сопротивление к кинетическому шоку в сравнении с винчестерами. Именно благодаря таким характеристикам она стала настольно популярной для приборов, питающихся от батареек и аккумуляторов. Еще одно неоспоримое преимущество состоит в том, что когда флэш-память сжата в сплошную карту, ее практически невозможно разрушить какими-то стандартными физическими способами, поэтому она выдерживает кипящую воду и высокое давление.

Низкоуровневый доступ к данным

Способ доступа к данным, находящимся во флэш-памяти, сильно отличается от того, что применяется для обычных видов. Низкоуровневый доступ осуществляется посредством драйвера. Обычная RAM сразу же отвечает на призывы чтения информации и ее записи, возвращая результаты таких операций, а устройство флеш-памяти таково, что потребуется время на размышления.

Устройство и принцип работы

На данный момент распространена флэш-память, которая создана на однотранзисторных элементах, имеющих «плавающий» затвор. Благодаря этому удается обеспечить большую плотность хранения данных в сравнении с динамической ОЗУ, для которой требуется пара транзисторов и конденсаторный элемент. На данный момент рынок изобилует разнообразными технологиями построения базовых элементов для такого типа носителей, которые разработаны лидирующими производителями. Отличает их количество слоев, методы записи и стирания информации, а также организация структуры, которая обычно указывается в названии.

На текущий момент существует пара типов микросхем, которые распространены больше всего: NOR и NAND. В обоих подключение запоминающих транзисторов производится к разрядным шинам - параллельно и последовательно соответственно. У первого типа размеры ячеек довольно велики, и имеется возможность для быстрого произвольного доступа, что позволяет выполнять программы прямо из памяти. Второй характеризуется меньшими размерами ячеек, а также быстрым последовательным доступом, что намного удобнее при необходимости построения устройств блочного типа, где будет храниться информация большого объема.

В большинстве портативных устройств твердотельный накопитель использует тип памяти NOR. Однако сейчас все популярнее становятся приспособления с интерфейсом USB. В них применяется память типа NAND. Постепенно она вытесняет первую.

Главная проблема — недолговечность

Первые образцы флешек серийного производства не радовали пользователей большими скоростями. Однако теперь скорость записи и считывания информации находится на таком уровне, что можно просматривать полноформатный фильм либо запускать на компьютере операционную систему. Ряд производителей уже продемонстрировал машины, где винчестер заменен флеш-памятью. Но у этой технологии имеется весьма существенный недостаток, который становится препятствием для замены данным носителем существующих магнитных дисков. Из-за особенностей устройства флеш-памяти она позволяет производить стирание и запись информации ограниченное число циклов, которое является достижимым даже для малых и портативных устройств, не говоря о том, как часто это делается на компьютерах. Если использовать этот тип носителя как твердотельный накопитель на ПК, то очень быстро настанет критическая ситуация.

Связано это с тем, что такой накопитель построен на свойстве полевых транзисторов сохранять в «плавающем» затворе отсутствие или наличие которого в транзисторе рассматривается в качестве логической единицы или ноля в двоичной Запись и стирание данных в NAND-памяти производятся посредством туннелированных электронов методом Фаулера-Нордхейма при участии диэлектрика. Для этого не требуется что позволяет делать ячейки минимальных размеров. Но именно данный процесс приводит к ячеек, так как электрический ток в таком случае заставляет электроны проникать в затвор, преодолевая диэлектрический барьер. Однако гарантированный срок хранения подобной памяти составляет десять лет. Износ микросхемы происходит не из-за чтения информации, а из-за операций по ее стиранию и записи, поскольку чтение не требует изменения структуры ячеек, а только пропускает электрический ток.

Естественно, производители памяти ведут активные работы в направлении увеличения срока службы твердотельных накопителей данного типа: они устремлены к обеспечению равномерности процессов записи/стирания по ячейкам массива, чтобы одни не изнашивались больше других. Для равномерного распределения нагрузки преимущественно используются программные пути. К примеру, для устранения подобного явления применяется технология «выравнивания износа». При этом данные, часто подвергаемые изменениям, перемещаются в адресное пространство флеш-памяти, потому запись осуществляется по разным физическим адресам. Каждый контроллер оснащается собственным алгоритмом выравнивания, поэтому весьма затруднительно сравнивать эффективность тех или иных моделей, так как не разглашаются подробности реализации. Поскольку с каждым годом объемы флешек становятся все больше, необходимо применять все более эффективные алгоритмы работы, позволяющие гарантировать стабильность функционирования устройств.

Устранение проблем

Одним из весьма эффективных путей борьбы с указанным явлением стало резервирование определенного объема памяти, за счет которого обеспечивается равномерность нагрузки и коррекция ошибок посредством особых алгоритмов логической переадресации для подмены физических блоков, возникающих при интенсивной работе с флешкой. А для предотвращения утраты информации ячейки, вышедшие из строя, блокируются или заменяются на резервные. Такое программное распределение блоков дает возможность обеспечения равномерности нагрузки, увеличив количество циклов в 3-5 раз, однако и этого мало.

И другие виды подобных накопителей характеризуются тем, что в их служебную область заносится таблица с файловой системой. Она предотвращает сбои чтения информации на логическом уровне, например, при некорректном отключении либо при внезапном прекращении подачи электрической энергии. А так как при использовании сменных устройств системой не предусмотрено кэширование, то частая перезапись оказывает самое губительное воздействие на таблицу размещения файлов и оглавление каталогов. И даже специальные программы для карт памяти не способны помочь в данной ситуации. К примеру, при однократном обращении пользователь переписал тысячу файлов. И, казалось бы, только по одному разу применил для записи блоки, где они размещены. Но служебные области переписывались при каждом из обновлений любого файла, то есть таблицы размещения прошли эту процедуру тысячу раз. По указанной причине в первую очередь выйдут из строя блоки, занимаемые именно этими данными. Технология «выравнивания износа» работает и с такими блоками, но эффективность ее весьма ограничена. И тут не важно, какой вы используете компьютер, флешка выйдет из строя ровно тогда, когда это предусмотрено создателем.

Стоит отметить, что увеличение емкости микросхем подобных устройств привело лишь к тому, что общее количество циклов записи сократилось, так как ячейки становятся все меньше, поэтому требуется все меньше и напряжения для рассеивания оксидных перегородок, которые изолируют «плавающий затвор». И тут ситуация складывается так, что с увеличением емкости используемых приспособлений проблема их надежности стала усугубляться все сильнее, а class карты памяти теперь зависит от многих факторов. Надежность работы подобного решения определяется его техническими особенностями, а также ситуацией на рынке, сложившейся на данный момент. Из-за жесткой конкуренции производители вынуждены снижать себестоимость продукции любым путем. В том числе и благодаря упрощению конструкции, использованию комплектующих из более дешевого набора, ослаблению контроля за изготовлением и иными способами. К примеру, карта памяти "Самсунг" будет стоить дороже менее известных аналогов, но ее надежность вызывает гораздо меньше вопросов. Но и здесь сложно говорить о полном отсутствии проблем, а уж от устройств совсем неизвестных производителей сложно ожидать чего-то большего.

Перспективы развития

При наличии очевидных достоинств имеется целый ряд недостатков, которыми характеризуется SD-карта памяти, препятствующих дальнейшему расширению ее области применения. Именно поэтому ведутся постоянные поиски альтернативных решений в данной области. Конечно, в первую очередь стараются совершенствовать уже существующие типы флеш-памяти, что не приведет к каким-то принципиальным изменениям в имеющемся процессе производства. Поэтому не стоит сомневаться только в одном: фирмы, занятые изготовлением этих видов накопителей, будут стараться использовать весь свой потенциал, перед тем как перейти на иной тип, продолжая совершенствовать традиционную технологию. К примеру, карта памяти Sony выпускается на данный момент в широком диапазоне объемов, поэтому предполагается, что она и будет продолжать активно распродаваться.

Однако на сегодняшний день на пороге промышленной реализации находится целый комплекс технологий альтернативного хранения данных, часть из которых можно внедрить сразу же при наступлении благоприятной рыночной ситуации.

Ferroelectric RAM (FRAM)

Технология ферроэлектрического принципа хранения информации (Ferroelectric RAM, FRAM) предлагается с целью наращивания потенциала энергонезависимой памяти. Принято считать, что механизм работы имеющихся технологий, заключающийся в перезаписи данных в процессе считываниям при всех видоизменениях базовых компонентов, приводит к определенному сдерживанию скоростного потенциала устройств. А FRAM - это память, характеризующаяся простотой, высокой надежностью и скоростью в эксплуатации. Эти свойства сейчас характерны для DRAM - энергонезависимой оперативной памяти, существующей на данный момент. Но тут добавится еще и возможность длительного хранения данных, которой характеризуется Среди достоинств подобной технологии можно выделить стойкость к разным видам проникающих излучений, что может оказаться востребованным в специальных приборах, которые используются для работы в условиях повышенной радиоактивности либо в исследованиях космоса. Механизм хранения информации здесь реализуется за счет применения сегнетоэлектрического эффекта. Он подразумевает, что материал способен сохранять поляризацию в условиях отсутствия внешнего электрического поля. Каждая ячейка памяти FRAM формируется за счет размещения сверхтонкой пленки из сегнетоэлектрического материала в виде кристаллов между парой плоских металлических электродов, формирующих конденсатор. Данные в этом случае хранятся внутри кристаллической структуры. А это предотвращает эффект утечки заряда, который становится причиной утраты информации. Данные в FRAM-памяти сохраняются даже при отключении напряжения питания.

Magnetic RAM (MRAM)

Еще одним типом памяти, который на сегодняшний день считается весьма перспективным, является MRAM. Он характеризуется довольно высокими скоростными показателями и энергонезависимостью. в данном случае служит тонкая магнитная пленка, размещенная на кремниевой подложке. MRAM представляет собой статическую память. Она не нуждается в периодической перезаписи, а информация не будет утрачена при выключении питания. На данный момент большинство специалистов сходится во мнении, что этот тип памяти можно назвать технологией следующего поколения, так как существующий прототип демонстрирует довольно высокие скоростные показатели. Еще одним достоинством подобного решения является невысокая стоимость чипов. Флэш-память изготавливается в соответствии со специализированным КМОП-процессом. А микросхемы MRAM могут производиться по стандартному технологическому процессу. Причем материалами могут послужить те, что используются в обычных магнитных носителях. Производить крупные партии подобных микросхем гораздо дешевле, чем всех остальных. Важное свойство MRAM-памяти состоит в возможности мгновенного включения. А это особенно ценно для мобильных устройств. Ведь в этом типе значение ячейки определяется магнитным зарядом, а не электрическим, как в традиционной флеш-памяти.

Ovonic Unified Memory (OUM)

Еще один тип памяти, над которым активно работают многие компании, - это твердотельный накопитель на базе аморфных полупроводников. В его основу заложена технология фазового перехода, которая аналогична принципу записи на обычные диски. Тут фазовое состояние вещества в электрическом поле меняется с кристаллического на аморфное. И это изменение сохраняется и при отсутствии напряжения. От традиционных оптических дисков такие устройства отличаются тем, что нагрев происходит за счет действия электрического тока, а не лазера. Считывание в данном случае осуществляется за счет разницы в отражающей способности вещества в различных состояниях, которая воспринимается датчиком дисковода. Теоретически подобное решение обладает высокой плотностью хранения данных и максимальной надежностью, а также повышенным быстродействием. Высок здесь показатель максимального числа циклов перезаписи, для чего используется компьютер, флешка в этом случае отстает на несколько порядков.

Chalcogenide RAM (CRAM) и Phase Change Memory (PRAM)

Эта технология тоже базируется на основе фазовых переходов, когда в одной фазе вещество, используемое в носителе, выступает в качестве непроводящего аморфного материала, а во второй служит кристаллическим проводником. Переход запоминающей ячейки из одного состояния в другое осуществляется за счет электрических полей и нагрева. Такие чипы характеризуются устойчивостью к ионизирующему излучению.

Information-Multilayered Imprinted CArd (Info-MICA)

Работа устройств, построенных на базе такой технологии, осуществляется по принципу тонкопленочной голографии. Информация записывается так: сначала формируется двумерный образ, передаваемый в голограмму по технологии CGH. Считывание данных происходит за счет фиксации луча лазера на краю одного из записываемых слоев, служащих оптическими волноводами. Свет распространяется вдоль оси, которая размещена параллельно плоскости слоя, формируя на выходе изображение, соответствующее информации, записанной ранее. Начальные данные могут быть получены в любой момент благодаря алгоритму обратного кодирования.

Этот тип памяти выгодно отличается от полупроводниковой за счет того, что обеспечивает высокую плотность записи, малое энергопотребление, а также низкую стоимость носителя, экологическую безопасность и защищенность от несанкционированного использования. Но перезаписи информации такая карта памяти не допускает, поэтому может служить только в качестве долговременного хранилища, замены бумажного носителя либо альтернативы оптическим дискам для распространения мультимедийного контента.

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget - устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

NOR

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash , каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи - от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие - архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях:) (а NOR - с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше - площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации. К примеру, для изменения одного байта требуется:

1. считать в буфер блок информации, в котором он находится
2. в буфере изменить нужный байт
3. записать блок с измененным байтом обратно

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение - здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т. п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования - проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

И будет флэш…

Безусловно, флэш - перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas - флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC - error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек - это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит - электромагнитное, физическое (тряска и т. п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC - он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок - чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи - 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) - универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов - 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками - по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что - не взыщите:) Надеюсь, материал был вам интересен.

В современных SSD наиболее распространены три типа чипов памяти : SLC, MLC и TLC.

SLC – Single Level Cell – ячейка с одним уровнем. Имеет высокую производительность, низкое потребление электроэнергии, наибольшую скорость записи и количество . Такой тип памяти обычно используется в серверах высокого уровня, поскольку стоимость на их основе велика.

MLC - Multi Level Cell – ячейка с несколькими уровнями. Обладает меньшей стоимостью, по сравнению с SLC, однако обладает меньшей выносливостью и меньшим количеством . Является хорошим решением для коммерческих и рабочих платформ - имеет хорошее соотношение цена/скорость работы.

EMLC - Enterprise Multi Level Cell – ячейка, аналогичная по структуре обычной MLC, но с увеличенным ресурсом по . По надежности eMLC находится между SLC и MLC, при этом цена не сильно выше, чем у последней. Типичное применение - рабочие станции и серверы среднего класса.

TLC - Three Level Cell – ячейка с тремя уровнями. Обладает большей плотностью, но меньшей выносливостью, медленной скоростью чтения и записи и меньшим количеством по сравнению с SLC и MLC. До настоящего момента, память типа TLC использовалась в основном в flash-накопителях (флешках), однако совершенствование технологий производства сделало возможным его использование и в стандартных SSD.

Все описанные выше типы ячеек памяти относятся к планарному типу, то есть 2D. Их недостатком является то, что для увеличения плотности в каждом отдельном чипе приходится уменьшать техпроцесс, и из-за ряда физических ограничений делать это до бесконечности не получится. Для преодоления этого были разработаны 3D ячейки памяти. Такие ячейки представляет собой цилиндр:

Таким образом появляется возможность разместить большее количество ячеек памяти на одном слое микросхемы. Такие ячейки называются 3D V-NAND и 3D TLC. Что касается емкости и надежности, то она соответствует ячейкам TLC.

Количество состояний ячейки, в зависимости от типа памяти
Физически, все три типа технологий памяти состоят из одинаковых транзисторов, единственным отличием является то, что они хранят в себе различное количество зарядов. Все три работают одинаково: при появлении напряжения ячейка переходит из состояния «выключено» в состояние «включено». SLC использует два отдельных значения напряжения для представления одного бита информации на ячейку и двух логических уровней (0 и 1). MLC использует четыре отдельных значения напряжения для представления четырех логических состояний (00, 01, 10, 11) или двух битов. TLC использует восемь отдельных значений напряжения для представления восьми логических состояний (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) или трех битов информации.

Поскольку в SLC используется только два значения напряжения, они могут сильнее отличаться друг от друга, уменьшая потенциальную возможность некорректно интерпретировать текущее состояние ячейки и позволяя использовать стандартные условия коррекции ошибки . Вероятность ошибок чтения увеличивается при использовании TLC NAND, поэтому такой тип памяти требует большего объема ECC (Error Correction Code – код коррекции ошибок) при исчерпании ресурса NAND, поскольку в TLC приходится корректировать сразу три бита информации, в отличие от одного для SLC и двух для MLC.

NAND и NOR: что они такое, и с чем их едят

Думаю, многие, читая в новостях о флэш-памяти, сталкивались с какими-то странными ругательными сокращениями типа NOR и NAND. При этом расшифровки значений, как правило, не приводилось, и найти им какое-либо объяснение вам, скорее всего, вряд ли удалось. Попробуем внести хоть какую-то ясность в этот вопрос.

Итак, сокращения NOR и NAND обозначают тип логических элементов, используемых в данной единице флэш-памяти. NOR обозначает логический элемент ИЛИ-НЕ (NOT OR), а NAND - И-НЕ (NOT AND). Но, поскольку мне сейчас не хочется читать вам курс булевой алгебры и основ цифровой логики, которая вам, к тому же, и не нужна, остановимся лишь на результатах использования этих технологий.
Основная функция накопителей на флэш - хранить информацию. И отсюда вытекает первое различие: достигнутые сегодня плотности записи для технологии NAND превосходят достигнутые в NOR, причем разница измеряется в порядках. И требования хранения больших объемов и компактности однозначно определяют технологию используемой флэш-памяти. Впрочем, это не единственный критерий. Не менее важной является возможность выполнять в памяти записанный программный код, т.е. так называемая XIP Capability (XIP - eXecute In Place). Такая возможность существует у NOR-технологии и отсутствует у NAND. Так получается, что основным назначением памяти, произведенной по технологии NAND, является хранение данных, а по технологии NOR - хранение исполнимого программного кода и, в меньшей степени, данных (что обусловлено не только доступным малым объемом - чуть позже мы вернемся к этому).

Флэш-устройства делятся на части, которые называются блоками. Это необходимо делать для преодоления некоторых физических ограничений и из ценовых соображений. Запись в любом устройстве флэш определенного блока может быть произведена только если этот блок пуст или очищен. В большинстве случаев получается так, что операции записи должна предшествовать операция стирания. И если в NAND-устройствах операция стирания блока может быть произведена сразу, то в NOR-устройствах необходимо предварительно установить все байты блока в ноль. Нужно также сказать что типичное значение размера блока в NOR-устройствах составляет 64 или 128 Кб (8-32 Кб у NAND), что в сочетании с и так невысокими скоростями работы флэш приводит к тому, что операции записи со стиранием могут занимать до нескольких секунд. Это и является сдерживающим фактором применения NOR-флэша в качестве носителя данных. А применение его для хранения исполнимого кода возможно в том случае, если он устраивает в плане производительности - требования не должны быть высокими. Время стирания памяти NAND измеряется в миллисекундах и имеет первый порядок. А малый размер блока в случае неблагоприятных внешних условий гарантирует потерю минимального объема данных. Итак, подводя итог по этому абзацу: операции чтения NOR несколько быстрее NAND; операции же записи, наоборот, быстрее у NAND, причем значительно; благодаря малому размеру блока NAND в единицу времени нуждается в меньшем числе стираний (что, как мы увидим ниже, еще и способно продлить срок ее функционирования в устройстве), которые она проводит приблизительно на три порядка быстрее, чем NOR.

NOR-флэш является устройством памяти с произвольным доступом. Микросхемы NOR имеют интерфейс, позволяющий произвести адресацию и получить легкий доступ к каждому отдельному байту. Интерфейс ввода-вывода устройства памяти NAND значительно сложнее и меняется от устройства к устройству и от разработчика к разработчику. Одни и те же выводы (зачастую их 8) используются для передачи управляющих сигналов, адреса и данных. Кроме того, в NAND-флэше доступ осуществляют блоками обычно в 512 байт, т.е. за одно обращение считывается или записывается 512 байт. Доступ к каждому блоку произвольный, но, так как нет возможности обратиться к отдельному байту, память типа NAND не является в известном смысле памятью произвольного доступа. Выдача каждого байта из 512-байтного блока осуществляется на шину памяти последовательно, поэтому уместно говорить о последовательном доступе. Что и делают. Или о памяти со страничной организацией. Теперь становится понятней, почему NOR больше подходит для хранения и выполнения программ, а NAND - для хранения данных.
Схемотехнически ячейка памяти NAND организуется проще: она имеет меньший размер по сравнению с NOR, и это соответственно приводит к повышению плотности записи, уменьшению энергопотребления и стоимости производства.

Но у любой технологии не могут быть только положительные стороны. В этом смысле NAND тоже не исключение. Как и при эксплуатации любых накопителей, возможны случайные ошибки чтения и порча накопителя в целом. Для устройств памяти флэш-типа актуально говорить о безошибочном чтении, обработке плохих блоков и числе циклов чтения/записи. Явление ошибочного вычитывания битов (называется bit-flipping) больше характерно для NAND-памяти, чем для NOR. Вред от одного ошибочного бита определяется типом данных, к которым он принадлежит. Так, для мультимедийных данных это окажется несущественным, но подобная ошибка в программном коде или критически важных данных может привести к весьма трагическим результатам. Как я уже сказал, для NOR-памяти это явление менее характерно, а память на технологиях NAND нуждается в использовании какого-то дополнительного механизма обнаружения и коррекции ошибок.

Технологии производства NAND-памяти пока несовершенны, и изначально память содержит какое-то число неработающих элементов. Так как в NAND группа запоминающих ячеек объединяется в блок, то испорченная ячейка в блоке приводит к неработоспособности блока в целом, т.е. получается плохой блок. Поэтому появляется необходимость отслеживать состояние блоков и использовать только рабочие, что осуществить намного проще, чем произвести память, абсолютно не содержащую плохих страниц: такое производство оказывается очень дорогим (похожая ситуация была в свое время с LCD-панелями). По очевидным причинам этот вид дефектов не характерен для NOR.

Рабочий ресурс микросхем флэш выражается в минимально и максимально возможном числе циклов стирания каждого отдельного блока (а мы уже знаем, что каждая запись блока обязательно сопровождается его предварительным стиранием). Для памяти на технологиях NOR оно составляет 10.000 и 100.000 циклов соответственно, для NAND - 100.000 и 1.000.000 циклов. Все предельно просто, и комментировать нечего.
Использование NOR-памяти отличается сравнительной простотой. Она не нуждается в каких-либо дополнительных драйверах, а может быть просто установлена и использована. C NAND сложнее, так как разные производители используют разные интерфейсы, и для нее скорее всего понадобится драйвер. Впрочем, несмотря на то, что у NAND-памяти много преимуществ, вы не должны думать, что NOR - это вчерашний день. NOR-память сегодня находит применение в многочисленных устройствах, не нуждающихся в больших объемах и некритичных к производительности. NAND находит применение в тех областях, где бОльшая сложность по применению оправдывается большИми доступными объемами и производительностью.

По материалам компаний - производителей флэш
M-Systems, Samsung и др.

Потребность в энергонезависимой флэш-памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе флэш-памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в флэш-памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, флэш-память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.

В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR и NAND. Структура NOR (рис.1) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис.2) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.

рис.1 Структура NOR	рис.2 Структура NAND

В результате различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-флэш ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Основные отличия в параметрах флэш-памяти, изготовленной по различным технологиям, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики модулей памяти на основе ячеек NAND и NOR

Ведущим лидером в производстве NAND-флэш микросхем является фирма Hynix. Она производит несколько разновидностей микросхем памяти, различающихся по следующим ключевым параметрам:

• емкость (256 Мбит, 512 Мбит и 1 Гбит);
• ширина шины, 8 или 16 бит (х8, х16);
• напряжение питания: от 2.7 до 3.6 В (3.3 В устройства) или от 1.7 до 1.95 В (1.8 В устройства);
• размер страницы: в х8 устройствах (512 + 16 запасных) байт, в 16х – (256 + 8 запасных) слов;
• размер блока: в х8 устройствах (16 К + 512 запасных) байт, в 16х – (8 К + 256 запасных) слов;
• время доступа: случайный доступ 12 мкС, последовательный 50 нС;
• время программирования страницы 200 мкС;

Все микросхемы NAND-флэш от Hynix характеризуются типичным временем стирания блока 2 мС, имеют аппаратную защиту данных при переходных процессах по питанию и позволяют выполнять 100000 циклов записи/стирания. Гарантированное время сохранности данных составляет 10 лет. Важной особенностью микросхем памяти Hynix является их повыводная совместимость вне зависимости от емкости. Это позволяет очень легко улучшать потребительские характеристики конечного изделия. В таблице 2 приведены базовые параметры всех микросхем NAND-флэш фирмы Hynix.

Таблица 2. Сравнительный перечень микросхем NAND-флэш фирмы Hynix

* - Диапазоны температур
C - Коммерческий диапазон рабочих температур 0...+70°C
E - Расширенный диапазон рабочих температур -25...+85°C
I - Индустриальный диапазон рабочих температур -40...+85°C

Более детально особенности микросхем памяти Hynix можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY27xx(08/16)1G1M. На рис.3 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов. Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Для увеличения жизненного цикла NAND-флэш устройств настоятельно рекомендуется применять код корректировки ошибок (ECC). Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.

Рис.3 Внутренняя организация микросхем NAND-флэш Hynix

Для оптимальной работы с дефектными блоками доступна команда «Copy Back». Если программирование какой-либо страницы оказалось неудачным, данные по этой команде могут быть записаны в другую страницу без их повторной отправки.

Микросхемы памяти Hynix доступны в следующих корпусах:

• 48-TSOP1 (12x20x1.2 мм) – рис.4;
• 48-WSOP1 (12х12х0.7 мм)
• 63-FBGA (8.5х15х1.2 мм, 6х8 массив шаровых контактов, 0.8 мм шаг)

Рис.4 NAND-флэш Hynix

Массив памяти NAND-структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис.5). Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block) основной области. В устройствах х8 страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В устройствах х16 страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.

Рис.5 Организация массива NAND-памяти

NAND-флэш устройства со страницами 528 байт / 264 слова могут содержать негодные блоки, в которых может быть одна и более неработоспособных ячеек, надежность которых не гарантируется. Помимо этого, дополнительные негодные блоки могут появиться в ходе эксплуатации изделия. Информация о плохих блоках записывается в кристалл перед отправкой. Работа с такими блоками выполняется по процедуре, детально описанной в справочном руководстве по микросхемам памяти Hynix.

При работе с микросхемами памяти выполняются три основных действия: чтение (рис.6), запись (рис.7) и стирание (рис.8).

Процедура чтения данных

Рис.6 Диаграмма процедуры чтения

Процедуры чтения данных из NAND-памяти могут быть трех типов: случайное чтение, постраничное чтение и последовательное построчное чтение. При случайном чтении для получения одной порции данных нужна отдельная команда.

Чтение страницы выполняется после доступа в режиме случайного чтения, при котором содержимое страницы переносится в буфер страницы. О завершении переноса информирует высокий уровень на выход «Чтение/занят». Данные могут быть считаны последовательно (от выбранного адреса столбца до последнего столбца) по импульсу сигнала на Read Enable (RE).

Режим последовательного построчного чтения активен, если на входе Chip Enable (CE) остается низкий уровень, а по входу Read Enable поступают импульсы после прочтения последнего столбца страницы. В этом случае следующая страница автоматически загружается в буфер страниц и операция чтения продолжается. Операция последовательного построчного чтения может использоваться только в пределах блока. Если блок изменяется, должна быть выполнена новая команда чтения.

Процедура записи данных

Рис.7 Диаграмма процедуры записи

Стандартной процедурой записи данных является постраничная запись. Главная область массива памяти программируется страницами, однако допустимо программирование части страницы с необходимым количеством байт (от 1 до 528) или слов (от 1 до 264). Максимальное число последовательных записей частей одной и той же страницы составляет не более одной в главной области и не более двух в резервной области. После превышения этих значений необходимо выполнить команду стирания блока перед любой последующей операцией программирования этой страницы. Каждая операция программирования состоит из пяти шагов:

1. Один цикл на шине необходим для настройки команды записи страницы.
2. Четыре шинных цикла требуются для передачи адреса.
3. Выдача данных на шину (до 528 байт / 264 слов) и загрузка в буфер страниц.
4. Один цикл на шине необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.
5. Выполнение контроллером PER записи данных в массив.

Процедура стирания блока

Рис.8 Диаграмма процедуры стирания

Операция стирания выполняется за один раз над одним блоком. В результате её работы все биты в указанном блоке устанавливаются в «1». Все предыдущие данные оказываются утерянными. Операция стирания состоит из трех шагов (рис.8):

1. Один цикл шины необходим для установки команды стирания блока.
2. Только три цикла шины нужны для задания адреса блока. Первый цикл (A0-A7) не требуется, поскольку верны только адреса с А14 по А26 (старшие адреса), А9-А13 игнорируются.
3. Один цикл шины необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.

Помимо Hynix микросхемы NAND-памяти выпускаются еще несколькими производителями, среди которых весьма большую номенклатуру и объем продаж изделий имеет компания Samsung. Она производит две базовые линейки микросхем памяти NAND Flash и One NAND™. Модули памяти семейства One NAND™ представляют собой одиночный кристалл памяти со стандартным интерфейсом NOR-флэш, основанный на массиве ячеек NAND-флэш.

Ассортимент выпускаемых компанией Samsung изделий более широк, чем у Hynix. Представлены модули емкостью от 4 Мбит до 8 Гбит, работающие в коммерческом и индустриальном температурных диапазонах. Доступны как 8-ми, так и 16-разрядные модификации на разные диапазоны питающих напряжений: 1,65…1,95 В или 2,7…3,6 В. Выпускаемые Samsung изделия имеют развитые аппаратные возможности защиты данных: защиту от записи для BootRAM, защитный режим для Flash-массива и защиту от случайной записи при включении и выключении.

В остальном устройство микросхем памяти Hynix и изделий семейства NAND Flash от Samsung практически идентично. В этой ситуации предпочтительным для потребителя вариантом является продукция того производителя, рыночная стоимость изделий которого наиболее приемлема.

Высокое быстродействие при считывании последовательных потоков данных предопределяет широкую сферу применимости NAND-флэш. Весьма популярным и перспективным рынком для памяти такого типа является рынок твердотельных накопителей для шины USB. В таблице 3 отражены возможности производимых в настоящее время микросхем NAND-флэш применительно к этой сфере. Помимо этого, наиболее выгодным оказывается использование такой памяти в MP3-плеерах, цифровых фотоаппаратах, компьютерах - наладонниках и в другом подобном оборудовании.

Таблица 3. Преимущества и недостатки использования NAND-флэш в твердотельных накопителях