Флэш-память

     Конструкция NAND — трехмерный массив. В основе та же самая матрица что и NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции затворных цепей в одном пересечении получается много. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется.

     Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика. Наоборот, NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу  к большой группе ячеек. Соответственно различается область применения: NOR используется как непосредственная память программ микропроцессоров и для хранения небольших вспомогательных данных. Топовые значения объемов микросхем NOR — 64 МБайт. NAND имеет топовые значения объема на микросхему в единицы гигабайт.

     Названия NOR и NAND произошли от ассоциации схемы  включения ячеек в массив со схемотехникой  микросхем КМОП логики.

     Нужно заметить, что существовали и другие варианты объединения ячеек в  массив, но они не прижились.

     Рис. 4. Компоновка шести ячеек NOR flash

 

 

     Рис.5. Структура одного столбца NAND flash

     SLC и MLC приборы

     Различают приборы в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько. В однобитовых ячейках  различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми. В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда, их называют многоуровневыми. MLC-приборы дешевле и более емкие чем SLC-приборы, однако время доступа и количество перезаписей хуже.

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

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

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

     MLC-устройства  имеют гораздо худшие параметры  ресурса записи чем SLC (типично  до 100 тыс. раз).

     Срок  хранения данных: изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Рекомендуемый максимальный срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий — 10—20 лет.

     Специфические внешние условия могут катастрофически  сократить срок хранения данных. Например, повышенные температуры или радиационное (гамма-лучевое и высокоэнергичными  частицами) облучение.

     Иерархическая структура: стирание, запись и чтение флеш-памяти всегда происходит относительно крупными блоками разного размера, при этом размер блока стирания всегда больше блока записи, а размер блока записи не меньше, чем размер блока чтения. Собственно, это характерный отличительный признак флеш-памяти по отношению к классической EEPROM.

     Как следствие все микросхемы флеш-памяти имеют ярко выраженную иерархическую  структуру. Память разбивается на блоки, блоки состоят из секторов, секторы  из страниц. В зависимости от назначения конкретной микросхемы глубина иерархии и размер элементов может меняться.

     Например, NAND-микросхема может иметь размер стираемого блока в сотни кБайт, размер страницы записи и чтения 4 кБайт. Для NOR-микросхем размер стираемого блока варьируется от единиц до сотен  кБайт, размер сектора записи — от единиц до сотен байт, страницы чтения — единицы-десятки байт.

     Скорость  чтения и записи: скорость стирания варьируется от единиц до сотен миллисекунд в зависимости от размера стираемого блока. Скорость записи — десятки—сотни микросекунд.

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

     

Рис. 6. Сравнение расположения транзисторов на кристалле для разных типов памяти

 

     Глава 3. Особенности применения

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

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

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

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

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

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

     Специальные файловые системы: зачастую флеш-память подключается в устройстве напрямую — без контроллера. В этом случае задачи контроллера должен выполнять программный NAND-драйвер в операционной системе. Чтобы не выполнять избыточную работу по равномерному распределению записи по страницам стараются эксплуатировать такие носители со специально придуманными файловыми системами и др.

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

     Флеш-память позволяет обновлять прошивку устройств  в процессе эксплуатации.

     Применение NOR флеши — устройства энергонезависимой  памяти относительно небольшого объема требующие быстрого доступа по случайным  адресам и с гарантией отсутствия сбойных элементов.

     Встраиваемая  память программ однокристальных микроконтроллеров. Типовые объемы — от 1 кБайта до 1 МБайта.

     Стандартные микросхемы ПЗУ произвольного доступа  для работы вместе с микропроцессором.

     Специализированные  микросхемы начальной загрузки компьютеров (POST и BIOS), процессоров ЦОС и программируемой  логики. Типовые объемы — единицы..десятки  МБайт.

     Микросхемы  хранения среднего размера данных, например DataFlash. Обычно снабжаются интерфейсом SPI и упаковываются в миниатюрные  корпуса. Типовые объемы — от сотен  кБайт до технологического максимума.

     Там где требуются рекордные объемы памяти — NAND флеш вне конкуренции.

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

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

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

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

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

     В 2005 году Toshiba и SanDisk представили NAND-чипы объёмом 1 Гб, выполненные по технологии многоуровневых ячеек, где один транзистор может хранить несколько бит, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе.

     Компания Samsung в сентябре 2006 года представила 4-гигабайтный чип, выполненный по 40-нм технологическому процессу.

     В конце 2007 года Samsung сообщила о создании первого в мире MLC (multi-level cell) чипа флеш-памяти типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью чипа 8 Гб. В декабре 2009 года компанией  начато производство этой памяти, но объёмом 4 Гб (32 Гбит).

     В то же время, в декабре 2009 года, Toshiba заявила, что 64 Гб NAND память уже поставляется заказчикам, а массовый выпуск начался  в первом квартале 2010 года.

     16 июня 2010 года Toshiba объявила о выпуске  первого в истории 128 Гб чипа, состоящего из 16 модулей по 8 Гб. Одновременно  с ним в массовую продажу выходят и чипы в 64 Гб.

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