Флэш-память

Разобранная флешка . Чип слева - это флеш-память. Контроллер находится справа.

Флэш-память - это электронный энергонезависимый запоминающий носитель компьютерной памяти, который можно электрически стереть и перепрограммировать. Два основных типа флеш-памяти, NOR flash и NAND flash, названы в честь логических вентилей NOR и NAND . Флэш-память NAND и NOR используют одну и ту же конструкцию ячеек, состоящую из полевых МОП-транзисторов с плавающим затвором . Они различаются на уровне схемы: во флэш-памяти И-НЕ связь между битовой строкой и строкой слов напоминает логический элемент И-НЕ; во вспышке ИЛИ-НЕ он напоминает ворота ИЛИ-НЕ; это зависит от того, является ли состояние битовой строки или словарных шин высоким или низким.

Флэш-память, тип памяти с плавающим затвором , была изобретена в Toshiba в 1980 году и основана на технологии EEPROM . Toshiba начала продавать флеш-память в 1987 году. ^[1] EPROM необходимо было полностью стереть, прежде чем их можно было перезаписать. Однако флэш-память NAND может стираться, записываться и считываться блоками (или страницами), которые обычно намного меньше, чем все устройство. Флэш-память NOR позволяет записать одно машинное слово в удаленное место или прочитать независимо. Устройство флэш-памяти обычно состоит из одной или нескольких микросхем флэш- памяти (каждая из которых содержит множество ячеек флэш-памяти), а также отдельной микросхемы контроллера флэш-памяти .

Тип NAND используется в основном в картах памяти , USB-накопителях , твердотельных накопителях (выпускаемых с 2009 года), обычных телефонах , смартфонах и аналогичных продуктах для общего хранения и передачи данных. Флэш-память NAND или NOR также часто используется для хранения данных конфигурации в многочисленных цифровых продуктах, задача, ранее выполняемая с помощью EEPROM или статической RAM с батарейным питанием . Ключевым недостатком флэш-памяти является то, что она может выдержать только относительно небольшое количество циклов записи в конкретном блоке. ^[2]

Флэш-память используется в компьютерах , КПК , цифровых аудиоплеерах , цифровых камерах , мобильных телефонах , синтезаторах , видеоиграх , научном оборудовании , промышленной робототехнике и медицинской электронике . Флэш-память имеет быстрое время доступа для чтения , но не так быстро, как статическая RAM или ROM. ^[3] В портативных устройствах предпочтительнее жесткие диски из-за их устойчивости к механическим ударам.

Поскольку циклы стирания являются медленными, большие размеры блоков, используемых при стирании флэш-памяти, дают ему значительное преимущество в скорости по сравнению с не-флэш-EEPROM при записи больших объемов данных. По состоянию на 2019 год ^{[Обновить]}флеш-память стоит намного меньше, чем EEPROM с байтовым программированием, и стала доминирующим типом памяти там, где системе требуется значительный объем энергонезависимой твердотельной памяти . Однако EEPROM по-прежнему используются в приложениях, которым требуется лишь небольшой объем памяти, как при последовательном обнаружении присутствия . ^{[4] [5]}

Пакеты флэш-памяти могут использовать наложение кристаллов со сквозными переходными отверстиями в кремнии и несколько десятков слоев ячеек 3D TLC NAND (на кристалл) одновременно для достижения емкости до 1 тэбибайта на пакет с использованием 16 установленных друг на друга кристаллов и встроенного контроллера флэш-памяти в качестве отдельного кристалла внутри посылка. ^{[6] [7] [8] [9]}

История [ править ]

Фон [ править ]

Истоки флэш-памяти восходят к разработке MOSFET с плавающим затвором (FGMOS), также известного как транзистор с плавающим затвором. ^{[10] [11]} Оригинальный МОП-транзистор ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), также известный как МОП-транзистор, был изобретен египетским инженером Мохамедом М. Аталлой и корейским инженером Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году ^{[12]. ]} Канг продолжил разработку варианта MOSFET с плавающим затвором с китайским инженером Саймоном Мин Сзе из Bell Labs в 1967 году. ^[13] Они предложили использовать его в качестве ячеек памяти с плавающим затвором для хранения формы программируемых данных.постоянная память ( PROM ), которая является энергонезависимой и перепрограммируемой. ^[13]

Ранние типы памяти с плавающим затвором включали EPROM (стираемый PROM) и EEPROM (электрически стираемый PROM) в 1970-х годах. ^[13] Однако ранняя память с плавающим затвором требовала от инженеров создания ячейки памяти для каждого бита данных, что оказалось громоздким, ^[14] медленным, ^[15] и дорогим, что ограничивало использование памяти с плавающим затвором нишевыми приложениями в 1970-е, например, военная техника и первые экспериментальные мобильные телефоны . ^[10]

Изобретение и коммерциализация [ править ]

Фудзио Масуока , работая в Toshiba , предложил новый тип памяти с плавающим затвором, который позволял быстро и легко стирать целые участки памяти, подавая напряжение на один провод, подключенный к группе ячеек. ^[10] Это привело к тому, что Масуока изобрел флеш-память в Toshiba в 1980 году. ^{[14] [16] [17]} Согласно Toshiba, название «вспышка» было предложено коллегой Масуоки, Сёдзи Ариидзуми, потому что процесс стирания памяти содержание напомнило ему вспышку фотоаппарата . ^[18] Масуока и его коллеги представили изобретение NOR flash в 1984 году, ^{[19] [20]} а затем NAND.flash на IEEE 1987 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившем в Сан-Франциско. ^[21]

Toshiba выпустила на рынок флеш-память NAND в 1987 году. ^{[1] [13]} Корпорация Intel представила первый коммерческий флеш-чип типа NOR в 1988 году. ^[22] Флэш-память на основе NOR имеет длительное время стирания и записи, но обеспечивает полные шины адреса и данных, разрешая произвольный доступ к любой области памяти. Это делает его подходящим для замены старых только для чтения памяти (ROM) чипы, которые используются для хранения программного кода , который редко нуждается в обновлении, например, компьютера BIOS или прошивку из верхнего набора коробок . Его срок службы может составлять всего 100 циклов стирания для встроенной флэш-памяти ^[23].до более типичных 10 000 или 100 000 циклов стирания, до 1 000 000 циклов стирания. ^[24] Флэш-память на основе NOR была основой ранних съемных носителей на основе флеш-памяти; Первоначально на его основе был CompactFlash , хотя позже карты перешли на менее дорогую флеш-память NAND.

Флэш-память NAND сокращает время стирания и записи и требует меньшей площади чипа на ячейку, что обеспечивает большую плотность хранения и более низкую стоимость на бит, чем флэш-память NOR. Однако интерфейс ввода-вывода флэш-памяти NAND не предоставляет шину внешнего адреса с произвольным доступом. Скорее, данные должны считываться поблочно, с типичным размером блока от сотен до тысяч бит. Это делает флэш-память NAND непригодной в качестве замены для программного ПЗУ, поскольку для большинства микропроцессоров и микроконтроллеров требуется произвольный доступ на уровне байтов. В этом отношении флеш-память NAND похожа на другие вторичные устройства хранения данных , такие как жесткие диски и оптические носители , и поэтому очень подходит для использования в устройствах массовой памяти, таких как карты памяти и твердотельные накопители.(SSD). Карты флэш-памяти и твердотельные накопители хранят данные с использованием нескольких микросхем флэш-памяти NAND.

Первым форматом сменных карт памяти на основе NAND был SmartMedia , выпущенный в 1995 году. Затем последовали многие другие, включая MultiMediaCard , Secure Digital , Memory Stick и xD-Picture Card .

Более поздние разработки [ править ]

Новое поколение форматов карт памяти, включая RS-MMC , miniSD и microSD , имеет чрезвычайно малые форм-факторы. Например, карта microSD имеет площадь чуть более 1,5 см ² при толщине менее 1 мм.

Флэш-память NAND достигла значительного уровня плотности памяти в результате нескольких основных технологий, которые были коммерциализированы в конце 2000-х - начале 2010-х годов. ^[25]

Технология многоуровневых ячеек (MLC) хранит более одного бита в каждой ячейке памяти . NEC продемонстрировала технологию многоуровневых ячеек (MLC) в 1998 году с микросхемой флэш-памяти объемом 80 Мбайт , хранящей 2 бита на ячейку. ^[26] STMicroelectronics также продемонстрировала MLC в 2000 году с микросхемой флэш- памяти NOR объемом 64 МБ . ^[27] В 2009 году Toshiba и SanDisk представили флеш-чипы NAND с технологией QLC, сохраняющей 4 бита на ячейку и имеющую емкость 64 Гбит. ^{[28] [29]} Представлена компания Samsung Electronics.     Технология трехуровневых ячеек (TLC), хранящая 3 бита на ячейку, и начала массовое производство чипов NAND с технологией TLC в 2010 году ^[30].

Вспышка ловушки заряда [ править ]

Технология захвата заряда (CTF) заменяет плавающий затвор из поликремния, который зажат между блокирующим оксидом затвора вверху и туннельным оксидом под ним, на электрически изолирующий слой нитрида кремния; слой нитрида кремния захватывает электроны. Теоретически CTF менее подвержен утечке электронов, обеспечивая улучшенное сохранение данных. ^{[31] [32] [33] [34] [35] [36]}

Поскольку CTF заменяет поликремний на электроизолирующий нитрид, он позволяет использовать меньшие ячейки и более высокую долговечность (меньшее разрушение или износ). Однако электроны могут захватываться и накапливаться в нитриде, что приводит к деградации. Утечка усиливается при высоких температурах, так как электроны становятся более возбужденными с повышением температуры. Однако технология CTF по-прежнему использует туннельный оксид и блокирующий слой, которые являются слабыми местами технологии, поскольку они все еще могут быть повреждены обычными способами (туннельный оксид может разрушаться из-за чрезвычайно высоких электрических полей и блокирующего слоя из-за анода Инъекция в горячие отверстия (AHHI). ^{[37] [38]}

Деградация или износ оксидов является причиной того, что флеш-память имеет ограниченный срок службы, а срок хранения данных снижается (увеличивается вероятность потери данных) с возрастающей деградацией, поскольку оксиды теряют свои электроизоляционные характеристики по мере разрушения. Оксиды должны изолировать от электронов, чтобы предотвратить их утечку, которая может привести к потере данных.

В 1991 году исследователи NEC, в том числе Н. Кодама, К. Ояма и Хироки Сираи, описали тип флэш-памяти с методом улавливания заряда. ^[39] В 1998 году Боаз Эйтан из Saifun Semiconductors (позже приобретенная Spansion ) запатентовал технологию флэш-памяти под названием NROM, в которой использовался слой улавливания заряда для замены обычного плавающего затвора, используемого в традиционных конструкциях флэш-памяти. ^[40] В 2000 году компания Advanced Micro DevicesИсследовательская группа (AMD) под руководством Ричарда М. Фастоу, египетского инженера Халеда З. Ахмеда и иорданского инженера Самира Хаддада (позже присоединившегося к Spansion) продемонстрировала механизм улавливания заряда для ячеек флеш-памяти NOR. ^[41] Позднее CTF была коммерциализирована AMD и Fujitsu в 2002 году. ^[42] Технология 3D V-NAND (вертикальная NAND) укладывает ячейки флэш-памяти NAND вертикально внутри микросхемы с использованием технологии трехмерной флэш-памяти с улавливанием заряда (CTP). Технология 3D V-NAND была впервые анонсирована компанией Toshiba в 2007 году ^[43], а первое устройство с 24 слоями было впервые коммерциализировано компанией Samsung Electronics в 2013 году. ^{[44] [45]}

Технология трехмерных интегральных схем [ править ]

Технология трехмерных интегральных схем (3D IC) объединяет микросхемы интегральных схем (IC) вертикально в единый корпус трехмерной микросхемы IC. ^[25] Toshiba представила технологию 3D IC для флэш-памяти NAND в апреле 2007 года, когда они представили чип встроенной флэш-памяти NAND THGAM объемом 16 ГБ , который был изготовлен с восемью сложенными друг на друга микросхемами флэш-памяти NAND по 2 ГБ. ^[46] В сентябре 2007 года компания Hynix Semiconductor (ныне SK Hynix ) представила 24-слойную технологию 3D IC с микросхемой флэш-памяти объемом 16 ГБ, которая была изготовлена ​​с 24 сложенными друг на друга микросхемами флэш-памяти NAND с использованием процесса соединения пластин. ^[47] Toshiba также использовала восьмислойную 3D ИС для своих 32    Флэш-чип THGBM Гбайт в 2008 году. ^[48] В 2010 году Toshiba использовала 16-  слойную 3D ИС для своего флеш-чипа THGBM2 емкостью 128 Гбайт, который был изготовлен из 16 установленных друг на друга  чипов по 8 Гбайт. ^[49] В 2010-х годах 3D-микросхемы стали широко использоваться в коммерческих целях для флеш-памяти NAND в мобильных устройствах . ^[25]

По состоянию на август 2017 года доступны карты microSD емкостью до 400 ГБ (400 миллиардов байт). ^{[50] [51]} В том же году Samsung объединила стекирование микросхем 3D IC с технологиями 3D V-NAND и TLC для производства  микросхемы флэш-памяти KLUFG8R1EM емкостью 512 ГБ с восемью сложенными друг на друга 64-слойными микросхемами V-NAND. ^[52] В 2019 году Samsung выпустила микросхему флэш- памяти 1024 ГБ с восемью составными 96-слойными микросхемами V-NAND и технологией QLC. ^{[53] [54]} 

Принципы работы [ править ]

Флэш-память хранит информацию в виде массива ячеек памяти, состоящих из транзисторов с плавающим затвором . В устройствах с одноуровневой ячейкой (SLC) каждая ячейка хранит только один бит информации. Устройства с многоуровневыми ячейками (MLC), включая устройства с тройными ячейками (TLC), могут хранить более одного бита на ячейку.

Плавающий затвор может быть проводящим (обычно поликремний в большинстве типов флэш-памяти) или непроводящим (как во флэш-памяти SONOS ). ^[55]

MOSFET с плавающим затвором [ править ]

Во флэш-памяти каждая ячейка памяти напоминает стандартный полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), за исключением того, что транзистор имеет два затвора вместо одного. Ячейки можно рассматривать как электрический переключатель, в котором ток течет между двумя выводами (исток и сток) и управляется плавающим затвором (FG) и управляющим затвором (CG). CG похож на затвор в других МОП-транзисторах, но ниже находится FG, изолированный со всех сторон оксидным слоем. FG вставлен между CG и каналом MOSFET. Поскольку FG электрически изолирован своим изолирующим слоем, размещенные на нем электроны захватываются. Когда ФГ заряжается с электронами, этот заряд экранирует на электрическое поле от CG, таким образом, увеличиваяпороговое напряжение (В _Т1 ) ячейки. Это означает, что теперь более высокое напряжение (V _T2 ) должно быть приложено к CG, чтобы сделать канал проводящим. Чтобы считать значение с транзистора, на CG подается промежуточное напряжение между пороговыми напряжениями (V _T1 и V _T2 ). Если канал проводит при этом промежуточном напряжении, FG не должен быть заряжен (если бы он был заряжен, мы не получили бы проводимость, потому что промежуточное напряжение меньше V _T2.), и, следовательно, в вентиле сохраняется логическая «1». Если канал не проводит при промежуточном напряжении, это указывает на то, что FG заряжен, и, следовательно, в затворе хранится логический «0». Наличие логического «0» или «1» определяется путем определения, есть ли ток, протекающий через транзистор, когда промежуточное напряжение заявлено на CG. В многоуровневом устройстве ячейки, которое хранит более одного бита на ячейку, измеряется величина текущего потока (а не просто его наличие или отсутствие), чтобы более точно определить уровень заряда на FG.

МОП-транзисторы с плавающим затвором названы так потому, что между плавающим затвором и кремнием имеется электрически изолирующий туннельный оксидный слой, поэтому затвор «плавает» над кремнием. Оксид удерживает электроны на плавающем затворе. Деградация или износ (а также ограниченный срок службы флэш-памяти с плавающим затвором) происходит из-за чрезвычайно высокого электрического поля.(10 миллионов вольт на сантиметр) испытывает оксид. Такая высокая плотность напряжения может со временем разорвать атомные связи в относительно тонком оксиде, постепенно ухудшая его электроизоляционные свойства и позволяя электронам захватываться и свободно проходить (утечка) из плавающего затвора в оксид, увеличивая вероятность потери данных. поскольку электроны (количество которых используется для представления различных уровней заряда, каждый из которых назначен разной комбинации битов в MLC Flash) обычно находятся в плавающем затворе. Вот почему срок хранения данных снижается, а риск потери данных возрастает с увеличением степени ухудшения качества. ^{[56] [57] [58] [59] [60]}

Туннель Фаулера-Нордхейма [ править ]

Процесс перемещения электронов от управляющего затвора к плавающему затвору называется туннелированием Фаулера – Нордхейма и в корне меняет характеристики ячейки за счет увеличения порогового напряжения полевого МОП-транзистора. Это, в свою очередь, изменяет ток сток-исток, протекающий через транзистор для заданного напряжения затвора, которое в конечном итоге используется для кодирования двоичного значения. Эффект туннелирования Фаулера-Нордхейма обратим, поэтому электроны могут добавляться или удаляться из плавающего затвора, процессы, традиционно известные как запись и стирание. ^[61]

Внутренние зарядные насосы [ править ]

Несмотря на необходимость в относительно высоких напряжениях программирования и стирания, практически все микросхемы флэш-памяти сегодня требуют только одного напряжения питания и вырабатывают высокие напряжения, которые требуются при использовании встроенных насосов заряда .

Более половины энергии, используемой микросхемой флэш-памяти NAND 1,8 В, теряется в самом зарядном насосе. Поскольку повышающие преобразователи по своей природе более эффективны, чем насосы заряда, исследователи, разрабатывающие маломощные твердотельные накопители, предложили вернуться к двойному напряжению питания Vcc / Vpp, используемому на всех ранних микросхемах флэш-памяти, обеспечивая высокое напряжение Vpp для всех микросхем флэш-памяти в твердотельном накопителе с помощью одного общий внешний повышающий преобразователь. ^{[62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69]}

В космических кораблях и других средах с высоким уровнем излучения накачка заряда на кристалле является первой частью микросхемы флэш-памяти, которая выходит из строя, хотя флэш-память будет продолжать работать - в режиме только для чтения - при гораздо более высоких уровнях излучения. ^[70]

ИЛИ вспышка [ править ]

В режиме NOR flash каждая ячейка имеет один конец, подключенный непосредственно к земле, а другой конец подключен непосредственно к разрядной шине. Такое расположение называется «флэш-ИЛИ-ИЛИ», потому что оно действует как вентиль ИЛИ-ИЛИ: когда одна из линий слов (подключенная к CG ячейки) переводится в высокий уровень, соответствующий транзистор памяти переводит выходную разрядную линию в низкий уровень. Флеш-память NOR по-прежнему является предпочтительной технологией для встроенных приложений, требующих дискретного энергонезависимого запоминающего устройства. Низкие задержки чтения, характерные для устройств NOR, позволяют как прямое выполнение кода, так и хранение данных в одном продукте памяти. ^[71]

Программирование [ править ]

Одноуровневая флеш-ячейка ИЛИ-НЕ в своем состоянии по умолчанию логически эквивалентна двоичному значению «1», потому что ток будет течь по каналу при приложении соответствующего напряжения к управляющему вентилю, так что напряжение линии битов снижается. Ячейку флэш-памяти ИЛИ-НЕ можно запрограммировать или установить на двоичное значение «0» с помощью следующей процедуры:

• повышенное напряжение (обычно> 5 В) подается на CG
• канал теперь включен, поэтому электроны могут течь от истока к стоку (при условии, что это транзистор NMOS)
• ток исток-сток достаточно высок, чтобы заставить некоторые электроны с высокой энергией прыгать через изолирующий слой на ГТ в результате процесса, называемого инжекцией горячих электронов .

Удаление [ править ]

Чтобы стереть флеш-ячейку ИЛИ-НЕ (сбросив ее в состояние «1»), между клеммой CG и истоком прикладывается большое напряжение противоположной полярности , оттягивая электроны от FG посредством квантового туннелирования . Современные микросхемы флэш-памяти NOR делятся на стираемые сегменты (часто называемые блоками или секторами). Операция стирания может выполняться только по блокам; все ячейки в стираемом сегменте должны быть удалены вместе. Однако программирование ячеек NOR обычно может выполняться по одному байту или слову за раз.

NAND flash [ править ]

Флэш-память NAND также использует транзисторы с плавающим затвором , но они соединены способом, напоминающим затвор NAND : несколько транзисторов соединены последовательно, и разрядная линия понижается только в том случае, если все словарные шины подтянуты к высокому уровню (выше транзисторов). V _T ). Эти группы затем подключаются через несколько дополнительных транзисторов к массиву битовых линий в стиле ИЛИ-ИЛИ так же, как отдельные транзисторы связаны во флэш-памяти ИЛИ-НЕ.

По сравнению с флэш-памятью NOR, замена одиночных транзисторов последовательными группами добавляет дополнительный уровень адресации. В то время как флеш-память NOR может адресовать память постранично, затем по слову, NAND-флеш-память может адресовать ее по страницам, словам и битам. Адресация на уровне битов подходит для приложений с последовательным битом (таких как эмуляция жесткого диска), которые обращаются только к одному биту за раз. С другой стороны, приложения для выполнения на месте требуют одновременного доступа к каждому биту в слове. Это требует адресации на уровне слов. В любом случае возможны как побитовая, так и пословная адресация с флэш-памятью NOR или NAND.

Для чтения данных сначала выбирается желаемая группа (точно так же, как один транзистор выбирается из массива NOR). Затем большая часть словарных строк подтягивается выше V _T запрограммированного бита, в то время как одна из них подтягивается чуть выше V _T стертого бита. Последовательная группа будет проводить (и подтягивать битовую линию к низкому уровню), если выбранный бит не был запрограммирован.

Несмотря на дополнительные транзисторы, уменьшение количества заземляющих проводов и разрядных линий обеспечивает более плотную компоновку и большую емкость памяти на кристалле. (Заземляющие провода и битовые линии на самом деле намного шире, чем линии на диаграммах.) Кроме того, флэш-память NAND обычно может содержать определенное количество ошибок (ожидается, что флэш-память NOR, которая используется для  ПЗУ BIOS ) безотказно). Производители стараются максимально увеличить объем используемой памяти за счет уменьшения размера транзисторов.

Ячейки NAND Flash считываются путем анализа их реакции на различные напряжения. ^[59]

Написание и стирание [ править ]

Флэш-память NAND использует туннельное впрыскивание для записи и туннельное освобождение для стирания. Флэш-память NAND составляет основу съемных USB- накопителей, известных как USB-флеш-накопители , а также большинства доступных сегодня форматов карт памяти и твердотельных накопителей .

Иерархическая структура NAND Flash начинается на уровне ячейки, которая устанавливает строки, затем страницы, блоки, плоскости и, наконец, матрицу. Строка - это последовательность соединенных ячеек И-НЕ, в которых исток одной ячейки соединен со стоком следующей. В зависимости от технологии NAND строка обычно состоит из 32–128 ячеек NAND. Строки организованы в страницы, которые затем организованы в блоки, в которых каждая строка соединяется с отдельной линией, называемой битовой линией (BL). Все ячейки с одинаковым положением в строке соединяются через контрольные ворота линией слов (WL) Плоскость содержит определенное количество блоков, которые связаны через один и тот же БЛ. Кристалл Flash состоит из одной или нескольких плоскостей и периферийных схем, необходимых для выполнения всех операций чтения / записи / стирания.

Архитектура NAND Flash означает, что данные могут быть прочитаны и запрограммированы на страницах, обычно размером от 4 до 16 КиБ, но могут быть удалены только на уровне целых блоков, состоящих из нескольких страниц и размером в МБ. Когда блок стирается, все ячейки логически устанавливаются в 1. Данные могут быть запрограммированы только за один проход к странице в блоке, который был стерт. Любые ячейки, которые были установлены в 0 при программировании, могут быть сброшены в 1 только путем стирания всего блока. Это означает, что перед тем, как новые данные можно будет запрограммировать на страницу, которая уже содержит данные, текущее содержимое страницы плюс новые данные должны быть скопированы на новую, стертую страницу. Если подходящая страница доступна, данные могут быть записаны на нее немедленно. Если стертые страницы недоступны, блок необходимо стереть перед копированием данных на страницу в этом блоке.Затем старая страница помечается как недействительная и доступна для стирания и повторного использования.^[72]

Вертикальная NAND [ править ]

Вертикальная память NAND (V-NAND) или 3D NAND укладывает ячейки памяти вертикально и использует архитектуру флэш-памяти с ловушкой заряда . Вертикальные слои обеспечивают большую плотность битов, не требуя меньших отдельных ячеек. ^[73] Он также продается под товарным знаком BiCS Flash , который является товарным знаком Kioxia Corporation (бывшая Toshiba Memory Corporation). Впервые 3D NAND была анонсирована Toshiba в 2007 году. ^[43] V-NAND была впервые коммерчески произведена Samsung Electronics в 2013 году. ^{[44] [45] [74] [75]}

Структура [ править ]

V-NAND использует геометрию вспышки с ловушкой заряда (которая была коммерчески представлена ​​в 2002 году AMD и Fujitsu ) ^[42], которая сохраняет заряд на встроенной пленке из нитрида кремния . Такая пленка более устойчива к точечным дефектам и может быть сделана толще, чтобы удерживать большее количество электронов. V-NAND оборачивает элемент плоской ловушки заряда в цилиндрическую форму. ^[73]С 2020 года флэш-память 3D NAND от Micron и Intel вместо этого использует плавающие затворы, однако в памяти 3D NAND уровня Micron 128 и выше используется обычная структура ловушки заряда из-за прекращения партнерства между Micron и Intel. Зарядная ловушка 3D NAND Flash тоньше, чем 3D NAND с плавающим затвором. В 3D NAND с плавающим затвором ячейки памяти полностью отделены друг от друга, тогда как в 3D NAND с улавливанием заряда вертикальные группы ячеек памяти используют один и тот же материал из нитрида кремния. ^[76]

Индивидуальная ячейка памяти состоит из одного плоского слоя поликремния, содержащего отверстие, заполненное несколькими концентрическими вертикальными цилиндрами. Поверхность поликремния отверстия действует как электрод затвора. Самый внешний цилиндр из диоксида кремния действует как диэлектрик затвора, охватывая цилиндр из нитрида кремния, который накапливает заряд, в свою очередь заключая цилиндр из диоксида кремния в качестве туннельного диэлектрика, который окружает центральный стержень из проводящего поликремния, который действует как проводящий канал. ^[73]

Ячейки памяти в разных вертикальных слоях не мешают друг другу, поскольку заряды не могут перемещаться вертикально через носитель для хранения нитрида кремния, а электрические поля, связанные с затворами, тесно ограничены внутри каждого слоя. Вертикальный набор электрически идентичен последовательным группам, в которых сконфигурирована обычная флэш-память NAND. ^[73]

Строительство [ править ]

Рост группы ячеек V-NAND начинается с чередования слоев проводящих (легированных) поликремния и изолирующих слоев диоксида кремния. ^[73]

Следующим шагом будет формирование цилиндрического отверстия через эти слои. На практике для чипа 128  Gibit V-NAND с 24 слоями ячеек памяти требуется около 2,9 миллиарда таких отверстий. Затем на внутреннюю поверхность отверстия наносится несколько покрытий: сначала диоксид кремния, затем нитрид кремния, а затем второй слой диоксида кремния. Наконец, отверстие заполняется проводящим (легированным) поликремнием. ^[73]

Производительность [ править ]

По состоянию на 2013 год ^{[Обновить]}флеш-архитектура V-NAND позволяет выполнять операции чтения и записи в два раза быстрее, чем обычные NAND, и может работать до 10 раз дольше, потребляя при этом на 50 процентов меньше энергии. Они предлагают сопоставимую физическую плотность битов с использованием 10-нм литографии, но могут увеличить плотность битов до двух порядков, учитывая использование V-NAND до нескольких сотен слоев. ^[73] По состоянию на 2020 год чипы V-NAND со 160 слоями находятся в разработке Samsung. ^[77]

Стоимость [ править ]

Стоимость пластины 3D NAND сравнима с уменьшенной (32 нм или меньше) плоской флэш-памятью NAND. ^[78] Однако, когда масштабирование планарной NAND прекращается на 16 нм, снижение стоимости на бит может продолжаться с помощью 3D NAND, начиная с 16 слоев. Однако из-за невертикальной боковой стенки отверстия, протравленного сквозь слои; даже небольшое отклонение приводит к минимальной стоимости бит, т. е. минимальному эквивалентному правилу проектирования (или максимальной плотности) для данного количества слоев; это количество слоев с минимальной стоимостью долота уменьшается для меньшего диаметра отверстия. ^[79]

Ограничения [ править ]

Блокировать стирание [ править ]

Одним из ограничений флэш-памяти является то, что, хотя она может быть прочитана или запрограммирована по одному байту или слову за раз с произвольным доступом, она может быть стерта только по блоку за раз. Обычно при этом все биты в блоке устанавливаются на 1. Начиная со только что стертого блока, можно запрограммировать любое место в этом блоке. Однако, как только бит был установлен в 0, только путем стирания всего блока он может быть изменен обратно на 1. Другими словами, флэш-память (в частности, флэш-память NOR) предлагает операции чтения и программирования с произвольным доступом, но не предлагает произвольные случайные операции. -доступ к операциям перезаписи или стирания. Однако местоположение может быть переписано, если 0-биты нового значения являются надмножеством перезаписанных значений. Например, кусочекзначение может быть стерто до 1111, а затем записано как 1110. Последовательная запись в этот полубайт может изменить его на 1010, затем на 0010 и, наконец, на 0000. По сути, стирание устанавливает все биты в 1, а программирование может только очищать биты до 0. ^{[80 ]} Некоторые файловые системы, разработанные для флеш-устройств, используют эту возможность перезаписи, например Yaffs1 , для представления метаданных секторов. Другие файловые системы на флеш-памяти, такие как YAFFS2 , никогда не используют эту возможность «перезаписи» - они выполняют много дополнительной работы, чтобы соответствовать «правилу однократной записи».

Хотя структуры данных во флэш-памяти не могут быть обновлены полностью общими способами, это позволяет «удалять» элементы, помечая их как недопустимые. Этот метод может потребоваться изменить для устройств с многоуровневыми ячейками , в которых одна ячейка памяти содержит более одного бита.

Обычные флеш-устройства, такие как USB-флеш-накопители и карты памяти, предоставляют только интерфейс на уровне блоков или уровень трансляции флеш-памяти (FTL), который каждый раз записывает в разные ячейки, чтобы уменьшить износ устройства. Это предотвращает инкрементную запись в блоке; тем не менее, это помогает избежать преждевременного износа устройства из-за интенсивных шаблонов записи.

Износ памяти [ править ]

Еще одно ограничение заключается в том, что флеш-память имеет конечное количество циклов стирания программ (обычно записываемых как циклы P / E). Большинство имеющихся в продаже флэш-продуктов гарантированно выдерживают около 100 000 циклов P / E, прежде чем износ начнет ухудшать целостность хранилища. ^[81] 17 декабря 2008 года Micron Technology и Sun Microsystems объявили о выпуске микросхемы флеш-памяти SLC NAND, рассчитанной на 1 000 000 циклов P / E. ^[82]

Гарантированное количество циклов может применяться только к нулевому блоку (как в случае с  устройствами TSOP NAND) или ко всем блокам (как в NOR). Этот эффект смягчается в некоторых микропрограммах микропрограмм или драйверах файловой системы за счет подсчета операций записи и динамического переназначения блоков для распределения операций записи между секторами; этот метод называется выравниванием износа . Другой подход - выполнить проверку записи и переназначение на резервные сектора в случае сбоя записи, метод, называемый плохим блоком.менеджмент (BBM). Для портативных потребительских устройств эти методы управления износом обычно продлевают срок службы флэш-памяти сверх срока службы самого устройства, и некоторые потери данных могут быть допустимы в этих приложениях. Однако для высоконадежного хранения данных не рекомендуется использовать флэш-память, которая должна пройти через большое количество циклов программирования. Это ограничение не имеет смысла для приложений, предназначенных только для чтения, таких как тонкие клиенты и маршрутизаторы , которые программируются только один или, самое большее, несколько раз в течение срока их службы.

В декабре 2012 года тайваньские инженеры из Macronix заявили о своем намерении объявить на конференции IEEE International Electron Devices в 2012 году, что они выяснили, как улучшить циклы чтения / записи флэш-памяти NAND с 10 000 до 100 миллионов циклов с помощью процесса «самовосстановления». в котором использовалась микросхема флэш-памяти с «бортовыми нагревателями, способными отжигать небольшие группы ячеек памяти». ^[83] Встроенный термический отжиг должен был заменить обычный цикл стирания локальным высокотемпературным процессом, который не только стирал накопленный заряд, но и устранял вызванное электронами напряжение в чипе, давая циклы записи не менее 100 миллионов. . ^[84]В результате получился чип, который можно было стирать и перезаписывать снова и снова, даже если теоретически он должен выйти из строя. Каким бы многообещающим ни был прорыв Macronix для мобильной индустрии, в ближайшем будущем не было никаких планов по выпуску коммерческого продукта. ^[85]

Читать беспокоить [ править ]

Метод, используемый для чтения флэш-памяти NAND, может привести к тому, что соседние ячейки в том же блоке памяти со временем изменятся (станут запрограммированными). Это известно как нарушение чтения. Пороговое количество чтений обычно составляет сотни тысяч чтений между промежуточными операциями стирания. Если читать непрерывно из одной ячейки, эта ячейка не выйдет из строя, а одна из окружающих ячеек при последующем чтении. Чтобы избежать проблемы с нарушением чтения, флэш-контроллер обычно подсчитывает общее количество операций чтения блока с момента последнего стирания. Когда счетчик превышает целевой предел, затронутый блок копируется в новый блок, стирается, а затем передается в пул блоков. Исходный блок после стирания будет как новый. Однако, если флэш-контроллер не вмешивается вовремя, нарушение чтенияпроизойдет ошибка с возможной потерей данных, если ошибок слишком много, чтобы исправить их с помощью кода исправления ошибок . ^{[86] [87] [88]}

Рентгеновские эффекты [ править ]

Большинство микросхем флеш-памяти выпускаются в корпусах с шариковой решеткой (BGA), и даже те, которые не поставляются , часто устанавливаются на печатной плате рядом с другими корпусами BGA. После сборки печатной платы платы с корпусами BGA часто подвергаются рентгеновскому облучению, чтобы увидеть, правильно ли соединяются шарики с соответствующей контактной площадкой или BGA нуждается в доработке . Эти рентгеновские лучи могут стереть запрограммированные биты во флеш-чипе (преобразовать запрограммированные «0» биты в стертые «1» биты). На стертые биты (биты "1") рентгеновские лучи не влияют. ^{[89] [90]}

Некоторые производители сейчас выпускают устройства памяти SD ^[91] и USB ^[92], устойчивые к рентгеновским лучам .

Низкоуровневый доступ [ править ]

Низкоуровневый интерфейс для микросхем флэш-памяти отличается от интерфейсов других типов памяти, таких как DRAM , ROM и EEPROM , которые поддерживают изменяемость битов (как от нуля до единицы, так и от единицы до нуля) и произвольный доступ через внешние адресные шины .

Память NOR имеет внешнюю адресную шину для чтения и программирования. Для NOR-памяти чтение и программирование являются произвольным доступом, а разблокировка и стирание - блочными. Для памяти NAND чтение и программирование выполняются постранично, а разблокировка и стирание - поблочно.

НИ воспоминания [ править ]

Чтение из флэш-памяти NOR аналогично чтению из памяти с произвольным доступом при условии, что адрес и шина данных отображаются правильно. Из-за этого большинство микропроцессоров могут использовать флэш-память ИЛИ-НЕ в качестве памяти для выполнения на месте (XIP), что означает, что программы, хранящиеся во флэш-памяти ИЛИ-НЕ, могут выполняться непосредственно из флэш-памяти ИЛИ-НЕ без необходимости их предварительного копирования в ОЗУ. Флэш-память ИЛИ-НЕ может быть запрограммирована способом произвольного доступа, аналогичным чтению. Программирование изменяет биты с логической единицы на ноль. Биты, которые уже равны нулю, остаются без изменений. Стирание должно происходить блок за раз и сбрасывать все биты в стертом блоке обратно в единицу. Типичные размеры блока - 64, 128 или 256  КБ .

Управление плохими блоками - относительно новая функция в микросхемах NOR. В старых устройствах NOR, не поддерживающих управление сбойными блоками, программное обеспечение или драйвер устройства, управляющие микросхемой памяти, должны исправлять износ блоков, иначе устройство перестанет работать надежно.

Конкретные команды, используемые для блокировки, разблокировки, программирования или стирания памяти NOR, различаются для каждого производителя. Чтобы избежать необходимости в уникальном программном драйвере для каждого изготовленного устройства, специальные команды интерфейса общей флэш-памяти (CFI) позволяют устройству идентифицировать себя и свои критические рабочие параметры.

Помимо использования в качестве ПЗУ с произвольным доступом, флэш-память NOR также может использоваться в качестве устройства хранения, используя преимущества программирования с произвольным доступом. Некоторые устройства предлагают функцию чтения во время записи, так что код продолжает выполняться даже во время выполнения программы или операции стирания в фоновом режиме. Для последовательной записи данных микросхемы флэш-памяти NOR обычно имеют более низкую скорость записи по сравнению с флэш-памятью NAND.

Типичная вспышка ИЛИ-НЕ требует кода исправления ошибок . ^[93]

Память NAND [ править ]

Архитектура флэш-памяти NAND была представлена ​​Toshiba в 1989 году. ^[94] Доступ к этой памяти осуществляется так же, как к блочным устройствам , таким как жесткие диски. Каждый блок состоит из нескольких страниц. Страницы обычно имеют размер 512, ^[95] 2048 или 4096 байт. С каждой страницей связано несколько байтов (обычно 1/32 размера данных), которые можно использовать для хранения контрольной суммы кода исправления ошибок (ECC) .

Типичные размеры блоков включают:

• 32 страницы по 512 + 16 байтов каждая для размера блока (эффективного) 16  КиБ
• 64 страницы по 2048 + 64 байта каждая для размера блока 128 КБ ^[96]
• 64 страницы по 4096 + 128 байт каждая для размера блока 256 КБ ^[97]
• 128 страниц по 4096 + 128 байт каждая для размера блока 512 КиБ.

В то время как чтение и программирование выполняются на постраничной основе, стирание может выполняться только на блочной основе. ^[98]

Устройства NAND также требуют управления плохими блоками с помощью программного обеспечения драйвера устройства или отдельной микросхемы контроллера . Карты SD, например, включают схему контроллера для управления неисправными блоками и выравнивания износа . Когда к логическому блоку обращается программное обеспечение высокого уровня, он отображается на физический блок драйвером устройства или контроллером. Ряд блоков на микросхеме флэш-памяти может быть выделен для хранения таблиц сопоставления для работы с плохими блоками, или система может просто проверять каждый блок при включении питания, чтобы создать карту плохих блоков в ОЗУ. Общий объем памяти постепенно уменьшается по мере того, как все больше блоков помечаются как плохие.

NAND полагается на ECC для компенсации битов, которые могут самопроизвольно выйти из строя во время нормальной работы устройства. Типичный ECC исправляет однобитную ошибку в каждых 2048 битах (256 байтов) с использованием 22 битов ECC или однобитную ошибку в каждых 4096 битах (512 байтов) с использованием 24 битов ECC. ^[99] Если ECC не может исправить ошибку во время чтения, он все равно может обнаружить ошибку. При выполнении операций стирания или программирования устройство может обнаруживать блоки, которые не удалось запрограммировать или стереть, и пометить их как плохие. Затем данные записываются в другой, хороший блок, и карта плохих блоков обновляется.

Коды Хэмминга являются наиболее часто используемыми ECC для флеш-памяти SLC NAND. Коды Рида-Соломона и БЧХ коды (коды Боуза-Чоудхури-Хоквенгема) обычно используются ECC для MLC NAND флэш - памяти. Некоторые микросхемы флэш-памяти MLC NAND внутренне генерируют соответствующие коды исправления ошибок BCH. ^[93]

Большинство устройств NAND поставляются с завода с некоторыми неисправными блоками. Обычно они маркируются в соответствии с указанной стратегией маркировки плохих блоков. Допуская некоторые плохие блоки, производители достичь гораздо более высокая урожайность , чем это было бы возможно , если все блоки должны были быть проверены , чтобы быть хорошими. Это значительно снижает затраты на флэш-память NAND и лишь незначительно уменьшает емкость запоминающих устройств.

При выполнении программного обеспечения из памяти NAND часто используются стратегии виртуальной памяти : содержимое памяти сначала должно быть выгружено или скопировано в RAM с отображением памяти и выполнено там (что приводит к общей комбинации NAND + RAM). Блок управления памятью (MMU) в системе полезен, но это также может быть выполнено с помощью наложений . По этой причине некоторые системы будут использовать комбинацию памяти NOR и NAND, где меньшая память NOR используется в качестве программного ПЗУ, а большая память NAND разделена с файловой системой для использования в качестве энергонезависимой области хранения данных.

NAND жертвует преимуществами NOR в отношении произвольного доступа и выполнения на месте. NAND лучше всего подходит для систем, требующих хранения данных большой емкости. Он предлагает более высокую плотность, большую емкость и более низкую стоимость. Он имеет более быстрое стирание, последовательную запись и последовательное чтение.

Стандартизация [ править ]

Группа под названием Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI) разработала стандартизированный низкоуровневый интерфейс для микросхем NAND flash. Это обеспечивает возможность взаимодействия между соответствующими устройствами NAND от разных поставщиков. Версия 1.0 ^[100] спецификации ONFI была выпущена 28 декабря 2006 г. Она определяет:

• Стандартный физический интерфейс ( распиновка ) для NAND Flash в TSOP -48, WSOP-48, LGA -52 и BGA -63 пакеты
• Стандартный набор команд для чтения, записи и стирания флеш-чипов NAND
• Механизм самоидентификации (сравним с функцией последовательного обнаружения присутствия модулей памяти SDRAM)

Группа ONFI поддерживается крупными производителями флэш-памяти NAND, включая Hynix , Intel , Micron Technology и Numonyx , а также основными производителями устройств, содержащих микросхемы флэш-памяти NAND. ^[101]

Два основных производителя флеш-устройств, Toshiba и Samsung , решили использовать интерфейс собственной разработки, известный как Toggle Mode (а теперь Toggle V2.0). Этот интерфейс несовместим по выводам со спецификацией ONFI. В результате продукт, разработанный для устройств одного производителя, может не иметь возможности использовать устройства другого производителя. ^[102]

Группа поставщиков, включая Intel , Dell и Microsoft , сформировала рабочую группу по интерфейсу хост-контроллера энергонезависимой памяти (NVMHCI). ^[103] Цель группы - предоставить стандартные программные и аппаратные программные интерфейсы для подсистем энергонезависимой памяти, включая устройство «флэш-кэш», подключенное к шине PCI Express .

Различие между NOR и NAND flash [ править ]

Флэш-память NOR и NAND различаются двумя важными способами:

• Соединения отдельных ячеек памяти различны. ^{[ необходима цитата ]}
• Интерфейс, предусмотренный для чтения и записи памяти, отличается; NOR разрешает произвольный доступ , тогда как NAND разрешает только доступ к страницам. ^[104]

NOR и NAND flash получили свои названия из-за структуры взаимосвязей между ячейками памяти. ^{[ необходима цитата ]} Во флэш-памяти ИЛИ-НЕ ячейки подключаются параллельно битовым линиям, что позволяет считывать и программировать ячейки индивидуально. Параллельное соединение ячеек напоминает параллельное соединение транзисторов в затворе CMOS NOR. Во флеш-памяти NAND ячейки соединены последовательно, напоминая логический элемент CMOS NAND. Последовательные соединения занимают меньше места, чем параллельные, что снижает стоимость флэш-памяти NAND. Само по себе это не препятствует чтению и программированию ячеек NAND по отдельности. ^{[ необходима цитата ]}

Каждая флеш-ячейка ИЛИ-НЕ больше, чем флеш-ячейка И-НЕ - 10 F ² против 4 F ²  - даже при использовании одного и того же изготовления полупроводникового устройства, и поэтому каждый транзистор, контакт и т. Д. Имеют точно такой же размер - потому что для флеш-ячеек ИЛИ-НЕ требуется отдельный металлический контакт для каждой ячейки. ^[105]

Из-за последовательного соединения и удаления контактов словарной шины большая сетка ячеек флэш-памяти NAND будет занимать, возможно, только 60% площади эквивалентных ячеек NOR ^[106] (при том же разрешении процесса CMOS , например, 130  нм , 90 нм или 65 нм). Разработчики флэш-памяти NAND осознали, что площадь микросхемы NAND и, следовательно, стоимость можно дополнительно уменьшить, удалив схему внешней шины адреса и данных. Вместо этого внешние устройства могут взаимодействовать с NAND-флеш-памятью через регистры команд и данных с последовательным доступом, которые будут извлекать и выводить необходимые данные внутри себя. Такой выбор конструкции сделал невозможным произвольный доступ к флэш-памяти NAND, но целью флэш-памяти NAND была замена механических жестких дисков., а не заменять ПЗУ.

Напишите выносливость [ править ]

Долговечность записи флеш-памяти NOR SLC с плавающим затвором обычно равна или больше, чем у флеш-памяти NAND, в то время как MLC NOR и NAND-флеш-память имеют схожие возможности. Приведены примеры номинальных циклов долговечности, перечисленные в таблицах данных для флеш-памяти NAND и NOR, а также для устройств хранения, использующих флеш-память. ^[107]

Однако, применяя определенные алгоритмы и парадигмы проектирования, такие как выравнивание износа и избыточное выделение памяти , срок службы системы хранения можно настроить в соответствии с конкретными требованиями. ^{[3] [138]}

Чтобы вычислить долговечность флэш-памяти NAND, необходимо учитывать размер микросхемы памяти, тип памяти (например, SLC / MLC / TLC) и шаблон использования.

Производительность 3D NAND может ухудшаться по мере добавления слоев. ^[119]

Файловые системы Flash [ править ]

Из-за особых характеристик флэш-памяти ее лучше всего использовать либо с контроллером для выполнения выравнивания износа и исправления ошибок, либо с специально разработанными файловыми системами флэш-памяти, которые распределяют записи по носителю и имеют дело с длительным временем стирания блоков флэш-памяти NOR. ^[139] Основная концепция файловых систем флеш-памяти заключается в следующем: когда необходимо обновить флеш-хранилище, файловая система будет записывать новую копию измененных данных в новый блок, переназначать указатели файлов, а затем стирать старый блок. позже, когда будет время.

На практике файловые системы флэш-памяти используются только для устройств с технологией памяти (MTD), которые представляют собой встроенные флэш-памяти, не имеющие контроллера. Съемные карты флэш- памяти , твердотельные накопители, чипы eMMC / eUFS и USB-накопители имеют встроенные контроллеры для выравнивания износа и исправления ошибок, поэтому использование определенной файловой системы флэш-памяти не дает никаких преимуществ.

Емкость [ править ]

Несколько микросхем часто объединяются в массивы или уложены друг на друга для достижения большей емкости ^[140] для использования в бытовых электронных устройствах, таких как мультимедийные плееры или GPS . Масштабирование емкости (увеличение) микросхем флэш-памяти, используемых в соответствии с законом Мура, потому что они производятся с использованием многих из тех же технологий и оборудования интегральных схем . С момента появления 3D NAND масштабирование больше не обязательно связано с законом Мура, поскольку более мелкие транзисторы (ячейки) больше не используются.

Потребительские устройства флэш-памяти обычно рекламируются с полезными размерами, выраженными как малое целое число, степень двойки (2, 4, 8 и т. Д.) И обозначение мегабайт (МБ) или гигабайт (ГБ); например, 512 МБ, 8 ГБ. Сюда входят твердотельные накопители, которые продаются в качестве замены жестких дисков в соответствии с традиционными жесткими дисками , в которых используются десятичные префиксы . ^[141] Таким образом, размер SSD, помеченного как «64  ГБ », составляет не менее 64 × 1000 ³ байта (64 ГБ). У большинства пользователей будет немного меньше емкости, чем это доступно для их файлов, из-за пространства, занимаемого метаданными файловой системы.

Размеры микросхем флэш-памяти внутри них строго кратны двоичному размеру, но фактическая общая емкость микросхем не может использоваться в интерфейсе накопителя. Она значительно превышает заявленную емкость, чтобы обеспечить распределение операций записи ( выравнивание износа ), резервирование, коды исправления ошибок и другие метаданные, необходимые для внутренней прошивки устройства.

В 2005 году Toshiba и SanDisk разработали микросхему флэш-памяти NAND, способную хранить 1 ГБ данных с использованием технологии многоуровневых ячеек (MLC), способную хранить два бита данных на ячейку. В сентябре 2005 года компания Samsung Electronics объявила о разработке первого в мире чипа емкостью 2 ГБ. ^[142]

В марте 2006 года Samsung анонсировала флеш-накопители емкостью 4 ГБ, по сути, такого же порядка, как и меньшие жесткие диски для портативных компьютеров, а в сентябре 2006 года Samsung анонсировала чип на 8 ГБ, произведенный по 40-нм техпроцессу. ^[143] В январе 2008 года SanDisk объявила о выпуске своих карт MicroSDHC на 16 ГБ и SDHC Plus на 32 ГБ. ^{[144] [145]}

Более поздние флэш-накопители (по состоянию на 2012 год) имеют гораздо большую емкость: 64, 128 и 256 ГБ. ^[146]

Совместное развитие на Intel и Micron позволит производство 32-слоя 3,5 терабайт (ТБ ^{[ разъяснение необходимости ]} ) NAND флэш - палочки и 10 ТБ стандартного размера SSD. Устройство включает в себя 5 пакетов TLC-матриц 16 × 48 ГБ, использующих конструкцию ячейки с плавающим затвором. ^[147]

Флэш-чипы по-прежнему производятся с емкостью менее или около 1 МБ (например, для BIOS-ROM и встроенных приложений).

В июле 2016 года, Samsung сообщила о 4 ТБ ^{[ разъяснение необходимости ]} Samsung 850 EVO , которая использует их 256 Гбит 48-слой ТСХ 3D V-NAND. ^[148] В августе 2016 года Samsung анонсировала 2,5-дюймовый твердотельный накопитель SAS емкостью 32 ТБ на базе 64-слойной TLC 3D V-NAND 512 Гбит. Кроме того, к 2020 году Samsung планирует представить твердотельные накопители емкостью до 100 ТБ. ^[149]

Ставки передачи [ править ]

Устройства флэш-памяти обычно намного быстрее читают, чем пишут. ^[150] Производительность также зависит от качества контроллеров хранилища, которое становится более важным, когда устройства частично заполнены. ^{[ расплывчато ] [150]} Даже когда единственное изменение в производстве - это усадка под давлением, отсутствие соответствующего контроллера может привести к снижению скорости. ^[151]

Приложения [ править ]

Последовательная вспышка [ править ]

Последовательная флэш-память - это небольшая флэш-память с низким энергопотреблением, которая обеспечивает только последовательный доступ к данным - вместо адресации отдельных байтов пользователь последовательно читает или записывает большие непрерывные группы байтов в адресном пространстве. Шина последовательного периферийного интерфейса (SPI) - это типичный протокол для доступа к устройству. При включении во встроенную систему для последовательной флэш-памяти требуется меньше проводов на печатной плате, чем для параллельной флэш-памяти, поскольку она передает и принимает данные по одному биту за раз. Это может позволить уменьшить пространство на плате, энергопотребление и общую стоимость системы.

Существует несколько причин, по которым последовательное устройство с меньшим количеством внешних контактов, чем параллельное устройство, может значительно снизить общую стоимость:

• Многие ASIC ограничены контактными площадками, что означает, что размер кристалла ограничен количеством контактных площадок, а не сложностью и количеством вентилей, используемых для логики устройства. Таким образом, устранение контактных площадок позволяет получить более компактную интегральную схему на кристалле меньшего размера; это увеличивает количество штампов, которые могут быть изготовлены на пластине , и, таким образом, снижает стоимость одного кристалла.
• Уменьшение количества внешних штифтов также снижает затраты на сборку и упаковку . Последовательное устройство может быть упаковано в меньший и более простой корпус, чем параллельное устройство.
• Пакеты с меньшим количеством выводов и меньшим количеством выводов занимают меньшую площадь печатной платы.
• Нижние пин-Count Devices упрощения печатной платы маршрутизации .

Существует два основных типа флэш-памяти SPI. Первый тип характеризуется небольшими страницами и одним или несколькими внутренними буферами страниц SRAM, позволяющими считывать всю страницу в буфер, частично изменять и затем записывать обратно (например, Atmel AT45 DataFlash или Micron Technology Page Erase NOR Flash ). Второй тип имеет более крупные секторы, при этом наименьшие сектора, обычно встречающиеся в этом типе флэш-памяти SPI, составляют 4 кБ, но они могут достигать 64 кБ. Поскольку этот тип флэш-памяти SPI не имеет внутреннего буфера SRAM, вся страница должна быть считана и изменена перед обратной записью, что замедляет управление. Однако второй тип дешевле первого и поэтому является хорошим выбором, когда приложение выполняет теневое копирование кода.

Эти два типа нелегко заменить, так как они не имеют одинаковой распиновки, а наборы команд несовместимы.

Большинство ПЛИС основаны на ячейках конфигурации SRAM и требуют внешнего устройства конфигурации, часто последовательной микросхемы флэш-памяти, для перезагрузки потока битов конфигурации при каждом цикле включения питания. ^[152]

Хранилище прошивки [ править ]

С увеличением скорости современных процессоров параллельные флэш-устройства часто намного медленнее, чем шина памяти компьютера, к которому они подключены. Напротив, современная SRAM предлагает время доступа менее 10  нс , в то время как DDR2 SDRAM предлагает время доступа менее 20 нс. Из-за этого часто желательно затенять код, хранящийся во флеш-памяти, в ОЗУ; то есть код копируется из флэш-памяти в ОЗУ перед выполнением, чтобы ЦП мог получить к нему доступ на полной скорости. Микропрограммное обеспечение устройства может быть сохранено в последовательном флэш-устройстве, а затем скопировано в SDRAM или SRAM при включении устройства. ^[153]Использование внешнего последовательного флэш-устройства вместо встроенной флэш-памяти устраняет необходимость в значительном компромиссе процесса (производственный процесс, который подходит для высокоскоростной логики, обычно не подходит для флэш-памяти, и наоборот). Если принято решение считать микропрограмму одним большим блоком, обычно добавляют сжатие, чтобы можно было использовать микросхему флэш-памяти меньшего размера. Типичные приложения для последовательной флэш-памяти включают хранение микропрограмм для жестких дисков , контроллеров Ethernet , модемов DSL , беспроводных сетевых устройств и т. Д.

Флэш-память как замена жестких дисков [ править ]

Еще одно недавнее применение флэш-памяти - это замена жестких дисков . Флэш-память не имеет механических ограничений и задержек жестких дисков, поэтому твердотельный накопитель (SSD) является привлекательным с точки зрения скорости, шума, энергопотребления и надежности. Флэш-накопители становятся все более популярными в качестве вторичных запоминающих устройств мобильных устройств; они также используются в качестве замены жестких дисков в высокопроизводительных настольных компьютерах и некоторых серверах с архитектурами RAID и SAN .

Остаются некоторые аспекты SSD на основе флеш-памяти, которые делают их непривлекательными. Стоимость гигабайта флеш-памяти остается значительно выше, чем у жестких дисков. ^[154] Также флеш-память имеет конечное число циклов P / E ( программа / стирание ), но, похоже, в настоящее время это находится под контролем, поскольку гарантии на твердотельные накопители на основе флеш-памяти приближаются к гарантиям на существующие жесткие диски. ^[155] Кроме того, удаленные файлы на твердотельных накопителях могут оставаться в течение неопределенного периода времени, прежде чем будут перезаписаны новыми данными; методы стирания или измельчения или программное обеспечение, которое хорошо работает с магнитными жесткими дисками, не влияет на твердотельные накопители, ставя под угрозу безопасность и судебно-медицинскую экспертизу. Однако из-за так называемой TRIMКоманда, используемая большинством твердотельных накопителей, которая помечает адреса логических блоков, занятых удаленным файлом, как неиспользуемые, чтобы включить сборку мусора , программное обеспечение для восстановления данных не может восстановить файлы, удаленные с таких.

Для реляционных баз данных или других систем, требующих транзакций ACID , даже небольшой объем флэш-памяти может обеспечить значительное ускорение по сравнению с массивами дисковых накопителей. ^{[156] [157]}

В мае 2006 года Samsung Electronics анонсировала два ПК с флэш-памятью, Q1-SSD и Q30-SSD, которые, как ожидается, появятся в продаже в июне 2006 года, оба из которых использовали твердотельные накопители емкостью 32 ГБ, и, по крайней мере, первоначально были доступны только в Южной Корее . ^[158] Выпуск Q1-SSD и Q30-SSD был отложен и, наконец, был отправлен в конце августа 2006 года. ^[159]

Первым ПК на базе флэш-памяти стал Sony Vaio UX90, предварительный заказ которого был объявлен 27 июня 2006 г., а поставки в Японию начались 3 июля 2006 г. с жестким диском с флэш-памятью 16 Гб. ^[160] В конце сентября 2006 года Sony увеличила объем флэш-памяти в Vaio UX90 до 32 Гб. ^[161]

Твердотельный накопитель предлагался в качестве опции с первым MacBook Air, представленным в 2008 году, а с 2010 года все модели поставлялись с SSD. Начиная с конца 2011 года в рамках Intel «s Ultrabook инициативы, все большее число ультра-тонких ноутбуков в настоящее время поставляется с SSD - накопителей стандарта.

Существуют также гибридные методы, такие как гибридный диск и ReadyBoost, которые пытаются объединить преимущества обеих технологий, используя флэш-память в качестве высокоскоростного энергонезависимого кеша для файлов на диске, на которые часто ссылаются, но которые редко изменяются, например приложения и исполняемые файлы операционной системы .

Флэш-память как RAM [ править ]

С 2012 года ^{[Обновить]}есть попытки использовать флэш-память в качестве основной памяти компьютера, DRAM . ^[162]

Архивное или долгосрочное хранение [ править ]

Неясно, как долго флеш-память будет сохраняться в условиях архивирования (например, при благоприятной температуре и влажности при нечастом доступе с профилактической перезаписью или без нее). В технических описаниях микроконтроллеров ATmega на базе флеш-памяти Atmel обычно обещают срок хранения 20 лет при 85 ° C (185 ° F) и 100 лет при 25 ° C (77 ° F). ^[163] Срок хранения зависит от типа и модели флэш-памяти. При подаче питания и в режиме ожидания заряд транзисторов, содержащих данные, регулярно обновляется прошивкой флэш-памяти. ^[164]

В статье CMU в 2015 году говорится: «Современные флэш-устройства, не требующие обновления флэш-памяти, обычно имеют срок хранения 1 год при комнатной температуре». И это время удерживания экспоненциально уменьшается с повышением температуры. Явление можно смоделировать уравнением Аррениуса . ^{[165] [166]}

Конфигурация ПЛИС [ править ]

Некоторые ПЛИС основаны на ячейках флэш-конфигурации, которые используются непосредственно в качестве (программируемых) переключателей для соединения внутренних элементов вместе, используя тот же тип транзистора с плавающим затвором, что и ячейки хранения флэш-данных в устройствах хранения данных. ^[152]

Промышленность [ править ]

Один источник заявляет, что в 2008 году производство и продажа флэш-памяти составляла около 9,1 миллиарда долларов США. Согласно другим источникам, объем рынка флэш-памяти в 2006 году превысил 20 миллиардов долларов США, что составляет более восьми процентов всего рынка полупроводников и более 34 процентов всего рынка полупроводниковой памяти. ^[167] В 2012 году рынок оценивался в 26,8 миллиарда долларов. ^[168] Изготовление микросхемы флэш-памяти может занять до 10 недель. ^[169]

Производители [ править ]

Ниже приведены крупнейшие производители флэш-памяти NAND по состоянию на первый квартал 2019 года ^[170].

1. Samsung Electronics - 34,9%
2. Киоксия - 18,1%
3. Western Digital Corporation - 14%
4. Micron Technology - 13,5%
5. SK Hynix - 10,3%
6. Intel - 8,7%

Поставки [ править ]

Помимо отдельных микросхем флэш-памяти, флэш-память также встроена в микросхемы микроконтроллеров (MCU) и устройства типа « система на кристалле» (SoC). ^[187] Флэш - память встроена в чипах ARM , ^[187] , которые продаются в 150  миллиардов единиц во всем мире как в 2019 году ^{[Обновить]}, ^[188] и в программируемой системе на кристалле (PSoC) устройства, которые продаются в 1,1  миллиарда единиц в 2012 ^{[Обновить]}. ^[189] Это составляет не менее 151,1  миллиарда микроконтроллеров и микросхем SoC со встроенной флеш-памятью в дополнение к 45,4  миллиардам известных продаж отдельных флеш-чипов по состоянию на 2015 год.^{[Обновить]}, что составляет не менее 196,5  миллиардов микросхем, содержащих флэш-память.

Масштабируемость Flash [ править ]

Из-за относительно простой структуры и высокого спроса на более высокую емкость флэш-память NAND является наиболее масштабируемой технологией среди электронных устройств . Жесткая конкуренция между несколькими ведущими производителями только усиливает агрессивность в сокращении правил проектирования MOSFET с плавающим затвором или технологического узла. ^[87] В то время как ожидаемая временная шкала сокращается в два раза каждые три года в соответствии с исходной версией закона Мура , в последнее время она была ускорена в случае флэш-памяти NAND в два раза каждые два года.

Поскольку размер ячеек флеш-памяти MOSFET достигает минимального предела 15–16 нм, дальнейшее увеличение плотности флеш-памяти будет осуществляться за счет TLC (3 бита на ячейку) в сочетании с вертикальным наложением плоскостей памяти NAND. Уменьшение долговечности и увеличение количества неисправимых ошибок по битам, которые сопровождают уменьшение размера элемента, можно компенсировать улучшенными механизмами исправления ошибок. ^[195] Даже с этими достижениями может оказаться невозможным экономически масштабировать вспышку до все меньших и меньших размеров, поскольку количество удерживающих электронов уменьшается. Многие перспективные новые технологии (такие как FeRAM , MRAM , PMC , PCM , ReRAMи др.) исследуются и разрабатываются как возможные более масштабируемые замены для флэш-памяти. ^[196]

Хронология [ править ]

См. Также [ править ]

• eMMC
• Контроллер флэш-памяти
• Список файловых систем флеш-памяти
• microSDXC (до 2  ТБ ) и последующий формат Secure Digital Ultra Capacity ( SDUC ) с поддержкой карт до 128  ТБ
• Рабочая группа по интерфейсу Open NAND Flash
• Основная память (RMM)
• Универсальное флеш-хранилище
• Безопасность USB-накопителя
• Запись усиления

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Система определения характеристик полупроводников выполняет разнообразные функции
• Понимание и выбор высокопроизводительных архитектур NAND
• Презентация Дэвида Вудхауса из Intel о том, как работает флеш-хранилище
• Тест на долговечность вспышки
• Поваренная книга восстановления данных NAND Flash
• Тип флеш-памяти от OpenWrt