Флэш-память — это электронный энергонезависимый носитель информации в компьютерной памяти , который можно электрически стирать и перепрограммировать. Два основных типа флэш-памяти, флэш-память NOR и флэш-память NAND , названы в честь логических элементов NOR и NAND . Оба используют одинаковую конструкцию ячейки, состоящую из МОП-транзисторов с плавающим затвором . Они различаются на уровне схемы в зависимости от того, находится ли состояние битовой линии или строк слов в высоком или низком уровне: во флэш-памяти NAND взаимосвязь между битовой линией и строками слов напоминает вентиль NAND; во флэш-памяти NOR он напоминает вентиль NOR.
Флэш-память, тип памяти с плавающим затвором , была изобретена компанией Toshiba в 1980 году и основана на технологии EEPROM . Toshiba начала продавать флэш-память в 1987 году. [1] СППЗУ приходилось полностью стирать, прежде чем их можно было перезаписать. Однако флэш-память NAND можно стирать, записывать и читать блоками (или страницами), которые обычно намного меньше, чем все устройство. Флэш-память NOR позволяет записать одно машинное слово – в стертое 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 встречается в основном в картах памяти , USB-флешках , твердотельных накопителях (выпускаемых с 2009 года), функциональных телефонах , смартфонах и подобных продуктах для общего хранения и передачи данных. Флэш-память NAND или NOR также часто используется для хранения данных конфигурации в цифровых продуктах, и эта задача ранее была возможна благодаря EEPROM или статической оперативной памяти с батарейным питанием . Ключевым недостатком флэш-памяти является то, что она может выдержать лишь относительно небольшое количество циклов записи в определенном блоке. [2]
NOR Flash известен своими возможностями прямого произвольного доступа, что делает его пригодным для прямого выполнения кода. Его архитектура обеспечивает доступ к отдельным байтам, обеспечивая более высокую скорость чтения по сравнению с NAND Flash. Флэш-память NAND работает с другой архитектурой, основанной на последовательном доступе. Это делает NAND подходящим для хранения данных с высокой плотностью хранения, но менее эффективным для задач произвольного доступа. NAND Flash часто используется в сценариях, где экономичное хранилище большой емкости имеет решающее значение, например, в USB-накопителях, картах памяти и твердотельных накопителях (SSD).
Основное отличие заключается в вариантах использования и внутренней структуре. NOR Flash оптимален для приложений, требующих быстрого доступа к отдельным байтам, например, во встроенных системах для выполнения программ. NAND Flash, с другой стороны, отлично подходит для сценариев, требующих экономичного хранилища большой емкости с последовательным доступом к данным.
Флэш-память [3] используется в компьютерах , КПК , цифровых аудиоплеерах , цифровых камерах , мобильных телефонах , синтезаторах , видеоиграх , научных приборах , промышленной робототехнике и медицинской электронике . Флэш-память имеет быстрое время доступа для чтения , но оно не такое быстрое, как статическое ОЗУ или ПЗУ. В портативных устройствах предпочтительно использовать флэш-память из-за ее устойчивости к механическим ударам, поскольку механические приводы более подвержены механическим повреждениям. [4]
Поскольку циклы стирания медленные, большие размеры блоков, используемые при стирании флэш-памяти, дают ей значительное преимущество в скорости по сравнению с нефлэш-памятью EEPROM при записи больших объемов данных. По состоянию на 2019 год [update]флэш-память стоит значительно меньше, чем байтово-программируемая EEPROM, и стала доминирующим типом памяти везде, где системе требуется значительный объем энергонезависимой твердотельной памяти . Однако EEPROM по-прежнему используются в приложениях, которым требуется лишь небольшой объем памяти, например, при обнаружении последовательного присутствия . [5] [6]
В корпусах флэш-памяти можно использовать стекирование кристаллов со сквозными кремниевыми переходными отверстиями и несколько десятков слоев ячеек 3D TLC NAND (на кристалл) одновременно для достижения емкости до 1 тебибайта на корпус с использованием 16 сложенных кристаллов и встроенного флэш-контроллера в качестве отдельного кристалла внутри. пакет. [7] [8] [9] [10]
Истоки флэш-памяти можно проследить до разработки МОП-транзистора с плавающим затвором (FGMOS) , также известного как транзистор с плавающим затвором. [11] [12] Оригинальный MOSFET (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. [13] В 1967 году Кан вместе с американским инженером тайваньского происхождения Саймоном Мин Се из Bell Labs разработал вариант МОП-транзистора с плавающим затвором. [14] Они предположили, что его можно использовать в качестве ячеек памяти с плавающим затвором для хранения определенной формы программируемое постоянное запоминающее устройство ( ППЗУ ), которое одновременно является энергонезависимым и перепрограммируемым. [14]
Ранние типы памяти с плавающим затвором включали EPROM (стираемое PROM) и EEPROM (электрически стираемое PROM) в 1970-х годах. [14] Однако ранняя память с плавающим затвором требовала от инженеров создания ячейки памяти для каждого бита данных, что оказалось громоздким, [15] медленным, [16] и дорогим, что ограничивало память с плавающим затвором нишевыми приложениями в 1970-е годы, такие как военная техника и первые экспериментальные мобильные телефоны . [11]
Фудзио Масуока , работая в Toshiba , предложил новый тип памяти с плавающим затвором, который позволял быстро и легко стирать целые разделы памяти, подавая напряжение на один провод, подключенный к группе ячеек. [11] Это привело к изобретению Масуокой флэш-памяти в компании Toshiba в 1980 году. [15] [17] [18] По словам Тошибы, название «флэш» было предложено коллегой Масуоки, Сёдзи Ариизуми, потому что процесс стирания памяти содержимое напомнило ему вспышку фотоаппарата . [19] Масуока и его коллеги представили изобретение флэш-памяти NOR в 1984 году, [20] [21] , а затем флэш-памяти NAND на Международной конференции IEEE 1987 года по электронным устройствам (IEDM), проходившей в Сан-Франциско. [22]
Toshiba коммерчески выпустила флэш-память NAND в 1987 году. [1] [14] Корпорация Intel представила первый коммерческий флэш-чип типа NOR в 1988 году. [23] Флэш-память на основе NOR имеет длительное время стирания и записи, но обеспечивает полную адресацию и шины данных . позволяющий произвольный доступ к любой ячейке памяти . Это делает его подходящей заменой более старым микросхемам постоянной памяти (ПЗУ), которые используются для хранения программного кода, который редко нуждается в обновлении, например , BIOS компьютера или прошивки телеприставок . Ее срок службы может составлять от 100 циклов стирания встроенной флэш-памяти [24] до более типичных 10 000 или 100 000 циклов стирания и до 1 000 000 циклов стирания. [25] Флэш-память на основе NOR была основой первых съемных носителей на основе флэш-памяти; Первоначально на его основе была основана CompactFlash , хотя позже карты перешли на менее дорогую флэш-память NAND.
Флэш-память NAND сокращает время стирания и записи и требует меньше площади чипа на ячейку, что обеспечивает большую плотность хранения и более низкую стоимость бита, чем флэш-память NOR. Однако интерфейс ввода-вывода флэш-памяти NAND не обеспечивает внешнюю адресную шину с произвольным доступом. Скорее, данные должны считываться поблочно, с типичными размерами блоков от сотен до тысяч бит. Это делает флэш-память NAND непригодной в качестве замены программного ПЗУ, поскольку большинству микропроцессоров и микроконтроллеров требуется произвольный доступ на уровне байтов. В этом отношении флэш-память NAND похожа на другие вторичные устройства хранения данных , такие как жесткие диски и оптические носители , и, таким образом, очень подходит для использования в устройствах массовой памяти, таких как карты памяти и твердотельные накопители (SSD). Например, твердотельные накопители хранят данные с использованием нескольких микросхем флэш-памяти NAND.
Первым форматом съемных карт памяти на основе NAND был SmartMedia , выпущенный в 1995 году. За ним последовало множество других, в том числе MultiMediaCard , Secure Digital , Memory Stick и xD-Picture Card .
Новое поколение форматов карт памяти, включая RS-MMC , miniSD и microSD , имеют чрезвычайно малые форм-факторы. Например, карта microSD имеет площадь чуть более 1,5 см 2 и толщину менее 1 мм.
Флеш-память NAND достигла значительного уровня плотности памяти благодаря нескольким крупным технологиям, которые были коммерциализированы в конце 2000-х - начале 2010-х годов. [26]
Флэш-память NOR была наиболее распространенным типом флэш-памяти, продаваемой до 2005 года, когда флэш-память NAND обогнала флэш-память NOR по продажам. [27]
Технология многоуровневых ячеек (MLC) хранит более одного бита в каждой ячейке памяти . В 1998 году компания NEC продемонстрировала технологию многоуровневых ячеек (MLC) с микросхемой флэш-памяти емкостью 80 МБ , хранящей 2 бита на ячейку. [28] STMicroelectronics также продемонстрировала MLC в 2000 году с чипом флэш-памяти NOR емкостью 64 МБ . [29] В 2009 году Toshiba и SanDisk представили флэш-чипы NAND с технологией QLC, хранящие 4 бита на ячейку и емкостью 64 Гбит. [30] [31] Компания Samsung Electronics представила технологию трехуровневых ячеек (TLC), сохраняющую 3 бита на ячейку, и начала массовое производство чипов NAND с технологией TLC в 2010 году. [32]
Технология вспышки с ловушкой заряда (CTF) заменяет плавающий затвор из поликремния, который расположен между оксидом блокирующего затвора вверху и туннелирующим оксидом под ним, на электроизолирующий слой нитрида кремния; слой нитрида кремния захватывает электроны. Теоретически CTF менее склонен к утечке электронов, что обеспечивает лучшее сохранение данных. [33] [34] [35] [ 36] [37] [38]
Поскольку CTF заменяет поликремний электроизолирующим нитридом, он позволяет использовать ячейки меньшего размера и повысить долговечность (меньшую деградацию или износ). Однако электроны могут захватываться и накапливаться в нитриде, что приводит к деградации. Утечка усиливается при высоких температурах, поскольку с повышением температуры электроны становятся более возбужденными. Однако в технологии CTF по-прежнему используются туннельный оксид и блокирующий слой, которые являются слабыми местами технологии, поскольку их все еще можно повредить обычными способами (туннельный оксид может разрушаться из-за чрезвычайно сильных электрических полей, а блокирующий слой из-за анода Инъекция в горячую дырку (AHHI) [39] [40]
Деградация или износ оксидов является причиной ограниченного срока службы флэш-памяти, а срок хранения данных снижается (потенциал потери данных увеличивается) с увеличением деградации, поскольку оксиды теряют свои электроизоляционные характеристики по мере разложения. Оксиды должны изолировать электроны, 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. [41] В 1998 году Боаз Эйтан из компании Saifun Semiconductors (позже приобретенной Spansion ) запатентовал технологию флэш-памяти под названием NROM, которая использовала преимущества слоя улавливания заряда для замены обычного плавающего затвора , используемого в традиционных конструкциях флэш-памяти. [42] В 2000 году исследовательская группа Advanced Micro Devices (AMD) под руководством Ричарда М. Фастоу, египетского инженера Халеда З. Ахмеда и иорданского инженера Самира Хаддада (который позже присоединился к Spansion) продемонстрировала механизм улавливания заряда для ячеек флэш-памяти NOR. . [43] Позднее CTF была коммерциализирована компаниями AMD и Fujitsu в 2002 году . [44] Технология 3D V-NAND (вертикальная NAND) укладывает ячейки флэш-памяти NAND вертикально внутри чипа с использованием технологии 3D-флэш-памяти с ловушкой заряда (CTP). Технология 3D V-NAND была впервые анонсирована компанией Toshiba в 2007 году [45] , а первое устройство с 24 слоями было впервые коммерциализировано компанией Samsung Electronics в 2013 году. [46] [47]
Технология 3D-интегральных схем (3D IC) объединяет микросхемы интегральных схем (ИС) вертикально в один корпус 3D-ИС. [26] Компания Toshiba представила технологию 3D IC для флэш-памяти NAND в апреле 2007 года, когда они дебютировали со встроенной микросхемой флэш-памяти NAND емкостью 16 ГБ , совместимой с eMMC (номер продукта THGAM0G7D8DBAI6, на потребительских веб-сайтах часто обозначаемой сокращением THGAM), которая производилась с восемью стопками по 2 ГБ . NAND-флеш-чипы. [48] В сентябре 2007 года компания Hynix Semiconductor (теперь SK Hynix ) представила технологию 24-слойной 3D-ИС с чипом флэш-памяти объемом 16 ГБ, который был изготовлен из 24 сложенных друг на друга флэш-чипов NAND с использованием процесса соединения пластин. [49] Toshiba также использовала восьмислойную 3D-ИС для своего флэш-чипа THGBM емкостью 32 ГБ в 2008 году. [50] В 2010 году Toshiba использовала 16-слойную 3D-ИС для своего флэш-чипа THGBM2 емкостью 128 ГБ, который производился с 16 сложенными в стопку чипами. Чипы на 8 ГБ. [51] В 2010-х годах 3D-ИС получили широкое коммерческое использование в качестве флэш-памяти NAND в мобильных устройствах . [26]
По состоянию на август 2017 года доступны карты microSD емкостью до 400 ГБ (400 миллиардов байт). [52] [53] В том же году компания Samsung объединила стекирование микросхем 3D IC с технологиями 3D V-NAND и TLC для производства чипа флэш-памяти KLUFG8R1EM емкостью 512 ГБ с восемью сложенными друг на друга 64-слойными чипами V-NAND. [8] В 2019 году Samsung выпустила флэш-чип емкостью 1024 ГБ с восемью 96-слойными чипами V-NAND и технологией QLC. [54] [55]
Флэш-память хранит информацию в массиве 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 трехуровневыми 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 ). [56]
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 клеммами (исток и сток) и управляется плавающим затвором (FG) и управляющим затвором (CG). CG похож на затвор в других МОП-транзисторах, но под ним находится FG, изолированный со всех сторон оксидным слоем. FG вставлен между CG и каналом MOSFET. Поскольку ФГ электрически изолирован своим изолирующим слоем, помещенные на него электроны захватываются. Когда ФГ заряжается электронами, этот заряд экранирует электрическое поле от КГ, тем самым увеличивая пороговое напряжение (V T ) ячейки. Это означает, что V T ячейки может изменяться между пороговым напряжением незаряженного FG (V T1 ) и более высоким пороговым напряжением заряженного FG (V T2 ) путем изменения заряда FG. Чтобы считать значение из ячейки, на CG подается промежуточное напряжение ( VI ) между V T1 и V T2 . Если канал проводит ток при VI , то ФГ должен быть незаряженным (если бы он был заряжен, то проводимости не было бы, поскольку VI меньше VT2 ) . Если канал не проводит ток на VI , это указывает на то, что ФГ заряжен. Двоичное значение ячейки определяется путем определения того, протекает ли ток через транзистор, когда V I выдается на CG. В многоуровневом ячеистом устройстве, хранящем более одного бита на ячейку, измеряется величина тока (а не просто его наличие или отсутствие), чтобы более точно определить уровень заряда ФГ.
МОП-транзисторы с плавающим затвором названы так потому, что между плавающим затвором и кремнием имеется электроизолирующий туннельный оксидный слой, поэтому затвор «плавает» над кремнием. Оксид удерживает электроны в плавающем затворе. Деградация или износ (и ограниченный срок службы флэш-памяти с плавающим затвором) происходят из-за чрезвычайно сильного электрического поля (10 миллионов вольт на сантиметр), которому подвергается оксид. Такая высокая плотность напряжения может со временем разрушать атомные связи в относительно тонком оксиде, постепенно ухудшая его электроизоляционные свойства и позволяя электронам захватываться и свободно проходить (утекать) из плавающего затвора в оксид, увеличивая вероятность потери данных. поскольку электроны (количество которых используется для представления различных уровней заряда, каждый из которых соответствует разной комбинации битов в MLC Flash) обычно находятся в плавающем затворе. Вот почему срок хранения данных снижается, а риск потери данных увеличивается с увеличением деградации. [57] [58] [37] [59] [60] Оксид кремния в элементе разрушается при каждой операции стирания. Деградация со временем увеличивает количество отрицательного заряда в ячейке из-за захваченных электронов в оксиде и сводит на нет часть напряжения управляющего затвора. Это со временем также замедляет стирание ячейки, чтобы сохранить производительность и надежность чипа NAND. , ячейка должна быть выведена из использования. Срок службы также уменьшается с увеличением количества бит в ячейке. Чем больше битов в ячейке, тем больше возможных состояний (каждое из которых представлено разным уровнем напряжения) в ячейке, и она становится более чувствительной к напряжениям, используемым для программирования. Напряжения можно регулировать, чтобы компенсировать деградацию оксида кремния, и по мере увеличения количества битов количество возможных состояний также увеличивается, и, таким образом, ячейка становится менее терпимой к корректировкам напряжений программирования, поскольку между уровнями напряжения меньше места. которые определяют каждое состояние в ячейке. [61]
Процесс перемещения электронов из управляющего затвора в плавающий затвор называется туннелированием Фаулера-Нордгейма , и он фундаментально меняет характеристики ячейки за счет увеличения порогового напряжения полевого МОП-транзистора. Это, в свою очередь, изменяет ток сток-исток, протекающий через транзистор при заданном напряжении на затворе, которое в конечном итоге используется для кодирования двоичного значения. Туннельный эффект Фаулера-Нордхейма обратим, поэтому электроны могут добавляться к плавающему затвору или удаляться из него — процессы, традиционно известные как запись и стирание. [62]
Несмотря на необходимость относительно высокого напряжения программирования и стирания, сегодня практически все флэш-чипы требуют только одного напряжения питания и вырабатывают необходимые высокие напряжения с помощью встроенных в кристалл зарядовых насосов .
Более половины энергии, потребляемой флэш-чипом NAND 1,8 В, теряется в самом насосе заряда. Поскольку повышающие преобразователи по своей природе более эффективны, чем зарядовые насосы, исследователи, разрабатывающие маломощные твердотельные накопители, предложили вернуться к двойному напряжению питания Vcc/Vpp, используемому на всех ранних флэш-чипах, обеспечивая высокое напряжение Vpp для всех флэш-чипов в SSD с помощью одного общий внешний повышающий преобразователь. [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70]
В космических кораблях и других средах с высоким уровнем радиации встроенный насос заряда выходит из строя первой частью флэш-чипа, хотя флэш-память будет продолжать работать – в режиме только для чтения – при гораздо более высоких уровнях радиации. [71]
Во флэш-памяти NOR один конец каждой ячейки подключен непосредственно к земле, а другой конец подключен непосредственно к битовой линии. Эта схема называется «NOR flash», потому что она действует как вентиль NOR: когда одна из словных линий (подключенная к CG ячейки) становится высокой, соответствующий запоминающий транзистор переводит выходную битовую линию в низкий уровень. NOR Flash продолжает оставаться предпочтительной технологией для встраиваемых приложений, требующих дискретного энергонезависимого запоминающего устройства. [ нужна цитация ] Низкие задержки чтения, характерные для устройств NOR, позволяют как напрямую выполнять код, так и хранить данные в одном продукте памяти. [72]
Одноуровневая флэш-ячейка NOR в состоянии по умолчанию логически эквивалентна двоичному значению «1», поскольку ток будет течь через канал при приложении соответствующего напряжения к управляющему затвору, так что напряжение битовой линии снижается. Флэш-ячейку NOR можно запрограммировать или установить в двоичное значение «0» с помощью следующей процедуры:
Чтобы стереть флэш-ячейку NOR (сбросить ее в состояние «1»), между CG и клеммой истока подается большое напряжение противоположной полярности , оттягивающее электроны от FG посредством квантового туннелирования . Современные микросхемы флэш-памяти NOR разделены на сегменты стирания (часто называемые блоками или секторами). Операцию стирания можно выполнять только поблочно; все ячейки в сегменте стирания должны быть стерты вместе. Однако программирование ячеек NOR обычно может выполняться по одному байту или слову за раз.
Во флэш-памяти NAND также используются транзисторы с плавающим затвором , но они соединены способом, напоминающим вентиль NAND : несколько транзисторов соединены последовательно, и битовая линия переводится на низкий уровень только в том случае, если все словные линии вытягиваются на высокий уровень (выше транзисторов). В Т ). Затем эти группы подключаются через несколько дополнительных транзисторов к массиву битовых строк в стиле NOR таким же образом, как отдельные транзисторы соединяются во флэш-памяти NOR.
По сравнению с флэш-памятью NOR замена отдельных транзисторов последовательно соединенными группами добавляет дополнительный уровень адресации. В то время как флэш-память NOR может обращаться к памяти по страницам, а затем по словам, флэш-память NAND может обращаться к ней 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, выполняемые на месте , требуют одновременного доступа к каждому биту слова. Для этого требуется адресация на уровне слов. В любом случае возможны как битовые, так и словесные режимы адресации с флэш-памятью NOR или NAND.
Для чтения данных сначала выбирается нужная группа (так же, как одиночный транзистор выбирается из массива NOR). Далее большая часть строк слов подтягивается выше V T2 , а одна из них подтягивается к V I. Последовательная группа будет проводить (и переводит битовую линию в низкий уровень), если выбранный бит не был запрограммирован.
Несмотря на дополнительные транзисторы, сокращение заземляющих проводов и битовых линий обеспечивает более плотную компоновку и большую емкость памяти на кристалл. (Земляные 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, используемая для ПЗУ BIOS , будет безотказный). Производители пытаются максимизировать объем полезной памяти, уменьшая размер транзисторов или ячеек, однако промышленность может избежать этого и достичь более высокой плотности хранения на кристалле, используя 3D NAND, в которой ячейки располагаются друг над другом.
Ячейки NAND Flash считываются путем анализа их реакции на различные напряжения. [59]
Флэш-память NAND использует туннельную инъекцию для записи и освобождение туннеля для стирания. Флэш-память NAND составляет основу съемных USB- накопителей, известных как USB-накопители , а также карт памяти большинства форматов и твердотельных накопителей, доступных сегодня.
Иерархическая структура флэш-памяти NAND начинается на уровне ячеек, где формируются строки, затем страницы, блоки, плоскости и, в конечном итоге, кристалл. Строка представляет собой серию связанных ячеек NAND, в которых исток одной ячейки соединен со стоком следующей. В зависимости от технологии NAND строка обычно состоит из от 32 до 128 ячеек NAND. Строки организуются в страницы, которые затем объединяются в блоки, в которых каждая строка связана с отдельной строкой, называемой битовой строкой. Все ячейки с одинаковой позицией в строке соединяются через управляющие элементы словесной линией. Плоскость содержит определенное количество блоков, соединенных одной битовой линией. Флэш-матрица состоит из одной или нескольких плоскостей и периферийной схемы, необходимой для выполнения всех операций чтения, записи и стирания.
Архитектура флэш-памяти NAND означает, что данные можно считывать и программировать (записывать) страницами, обычно размером от 4 до 16 КиБ, но стирать можно только на уровне целых блоков, состоящих из нескольких страниц. Когда блок стирается, все ячейки логически устанавливаются в 1. Данные можно запрограммировать только за один проход на страницу в стертом блоке. Любые ячейки, которые были установлены в 0 при программировании, могут быть сброшены в 1 только путем стирания всего блока. Это означает, что прежде чем 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 стертая страница доступна, данные могут быть немедленно записаны на нее. Если стертая страница недоступна, блок необходимо удалить перед копированием данных на страницу в этом блоке. Старая страница затем помечается как недействительная и доступна для удаления и повторного использования. [73]
Память Вертикальная NAND (V-NAND) или 3D NAND укладывает ячейки памяти вертикально и использует флэш-архитектуру с ловушкой заряда . Вертикальные уровни обеспечивают большую плотность битов площади без необходимости меньших по размеру отдельных ячеек. [74] Он также продается под торговой маркой BiCS Flash , которая является торговой маркой Kioxia Corporation (ранее Toshiba Memory Corporation). Впервые технология 3D NAND была анонсирована компанией Toshiba в 2007 году. [45] V-NAND была впервые серийно произведена компанией Samsung Electronics в 2013 году. [46] [47] [75] [76]
В V-NAND используется геометрия флэш-памяти с ловушкой заряда (которая была коммерчески представлена в 2002 году компаниями AMD и Fujitsu ) [44] , которая сохраняет заряд на встроенной пленке из нитрида кремния . Такая пленка более устойчива к точечным дефектам и ее можно сделать толще, чтобы удерживать большее количество электронов. V-NAND придает плоской ячейке-ловушке заряда цилиндрическую форму. [74] По состоянию на 2020 год во флэш-памяти 3D NAND от Micron и Intel вместо этого используются плавающие затворы, однако в памяти 3D NAND Micron уровня 128 и выше используется обычная структура ловушки заряда из-за прекращения партнерства между Micron и Intel. Ловушка заряда 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 ловушкой заряда вертикальные группы ячеек памяти используют один и тот же материал из нитрида кремния. [77]
Отдельная 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, заключая в себе цилиндр из нитрида кремния, который хранит заряд, в свою очередь заключая в себе цилиндр из диоксида кремния в качестве туннельного диэлектрика, который окружает центральный стержень из проводящего поликремния, который действует как проводящий канал. [74]
Ячейки памяти в разных вертикальных слоях не мешают друг другу, поскольку заряды не могут перемещаться вертикально через среду хранения из нитрида кремния, а электрические поля, связанные с затворами, тесно ограничены внутри каждого слоя. Вертикальная коллекция электрически идентична последовательно соединенным группам, в которых сконфигурирована обычная флэш-память NAND. [74]
Рост группы ячеек V-NAND начинается с чередования слоев проводящего (легированного) поликремния и изолирующих слоев диоксида кремния. [74]
Следующий шаг — сформировать цилиндрическое отверстие через эти слои. На практике для чипа V-NAND емкостью 128 Гбит 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, дырка заполняется проводящим (легированным) поликремнием. [74]
По состоянию на 2013 год [update]флэш-архитектура V-NAND позволяет выполнять операции чтения и записи в два раза быстрее, чем обычная NAND, и может работать до 10 раз дольше, потребляя при этом на 50 процентов меньше энергии. Они предлагают сопоставимую физическую плотность битов при использовании 10-нм литографии, но могут увеличить плотность битов до двух порядков, учитывая использование V-NAND до нескольких сотен слоев. [74] По состоянию на 2020 год чипы V-NAND со 160 слоями находятся в стадии разработки Samsung. [78]
Стоимость пластины 3D NAND сопоставима с уменьшенной (32 нм или меньше) планарной флэш-памятью NAND. [79] Однако, если масштабирование планарной NAND прекращается на 16 нм, снижение стоимости на бит может продолжаться за счет 3D NAND, начиная с 16 слоев. Однако из-за невертикальной боковой стенки отверстия протравливаются насквозь; даже небольшое отклонение приводит к минимальной стоимости бита, т. е. минимальному эквивалентному правилу проектирования (или максимальной плотности) для данного количества слоев; это количество слоев с минимальной стоимостью бита уменьшается для меньшего диаметра отверстия. [80]
Одним из ограничений флэш-памяти является то, что за раз ее можно стирать только блоками. Обычно при этом все биты в блоке устанавливаются в 1. Начиная со свежестертого блока, можно запрограммировать любое место внутри этого блока. 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 произвольных случайных операций. -доступ к операциям перезаписи или стирания. Однако местоположение можно перезаписать, если 0 бит нового значения являются расширенным набором перезаписанных значений. Например, значение полубайта может быть стерто до 1111, а затем записано как 1110. Последовательные записи в этот полубайт могут изменить его на 1010, затем на 0010 и, наконец, на 0000. По сути, стирание устанавливает все биты в 1, а программирование может очищать только биты. до 0. [81] Некоторые файловые системы, разработанные для флэш-устройств, используют эту возможность перезаписи, например Yaffs1 , для представления метаданных сектора. Другие флэш-файловые системы, такие как YAFFS 2, 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 совершенно общими способами, это позволяет «удалять» элементы, помечая их как недействительные. Этот метод, возможно, потребуется модифицировать для многоуровневых ячеек памяти, где одна ячейка памяти содержит более одного бита.
Обычные флэш-устройства, такие как USB-накопители и карты памяти, предоставляют только интерфейс блочного уровня или уровень трансляции флэш-памяти (FTL), который каждый раз записывает в другую ячейку для выравнивания уровня износа устройства. Это предотвращает инкрементную запись внутри блока; однако это помогает устройству избежать преждевременного износа из-за интенсивной записи.
Данные, хранящиеся на флэш-ячейках, постоянно теряются из-за захвата электронов [ необходимо определение ] . Скорость потерь увеличивается экспоненциально с увеличением абсолютной температуры . Например: для флэш-памяти NOR размером 45 нм за 1000 часов потеря порогового напряжения (Vt) при 25 градусах Цельсия примерно вдвое меньше, чем при 90 градусах Цельсия. [82]
Еще одним ограничением является то, что флэш-память имеет ограниченное количество циклов программного стирания (обычно записываемых как циклы P/E). [83] [84] 17 декабря 2008 года Micron Technology и Sun Microsystems анонсировали чип флэш-памяти SLC NAND, рассчитанный на 1 000 000 циклов P/E. [85] Более длинные циклы P/E промышленных твердотельных накопителей говорят об их уровне выносливости и делают их более долговечными. надежный для промышленного использования.
Гарантированный счетчик 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 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 заключается в проверке записи и переназначении резервных секторов в случае сбоя записи. Этот метод называется управлением плохими блоками (BBM). Для портативных потребительских устройств эти методы управления износом обычно продлевают срок службы флэш-памяти сверх срока службы самого устройства, и в этих приложениях некоторая потеря данных может быть приемлемой. Однако для высоконадежного хранения данных нецелесообразно использовать флэш-память, для которой придется пройти большое количество циклов программирования. Это ограничение не имеет смысла для приложений «только для чтения», таких как тонкие клиенты и маршрутизаторы , которые программируются только один или самое большее несколько раз за время своего существования.
В декабре 2012 года тайваньские инженеры из Macronix объявили о своем намерении объявить на Международной конференции IEEE по электронным устройствам в 2012 году, что они выяснили, как улучшить циклы чтения/записи флэш-памяти NAND с 10 000 до 100 миллионов циклов, используя процесс «самовосстановления». в котором использовался флэш-чип со «встроенными нагревателями, которые могли отжигать небольшие группы ячеек памяти». [86] Встроенный термический отжиг должен был заменить обычный цикл стирания локальным высокотемпературным процессом, который не только стирал накопленный заряд, но также восстанавливал электронно-индуцированное напряжение в чипе, обеспечивая не менее 100 миллионов циклов записи. . [87] В результате должен был появиться чип, который можно было стирать и перезаписывать снова и снова, даже если теоретически он должен был выйти из строя. Каким бы многообещающим ни был прорыв Macronix для мобильной индустрии, в ближайшем будущем не было планов по выпуску коммерческого продукта с такой возможностью. [88]
Метод, используемый для чтения флэш-памяти NAND, может привести к тому, что близлежащие ячейки в одном и том же блоке памяти со временем изменятся (запрограммируются). Это известно как нарушение чтения. Пороговое число операций чтения обычно составляет сотни тысяч операций чтения между промежуточными операциями стирания. При непрерывном чтении из одной ячейки эта ячейка не выйдет из строя, а одна из окружающих ячеек произойдет при последующем чтении. Чтобы избежать проблем с нарушением чтения, контроллер флэш-памяти обычно подсчитывает общее количество операций чтения блока с момента последнего стирания. Когда количество превышает целевой предел, затронутый блок копируется в новый блок, стирается, а затем помещается в пул блоков. Исходный блок после стирания выглядит как новый. Однако если флэш-контроллер не вмешается вовремя, произойдет ошибка нарушения чтения с возможной потерей данных, если ошибок слишком много, чтобы их можно было исправить с помощью кода, исправляющего ошибки . [89] [90] [91]
Большинство флэш-микросхем поставляются в корпусах с шариковой решеткой (BGA), и даже те, которые этого не делают, часто монтируются на печатной плате рядом с другими корпусами BGA. После сборки печатной платы платы с корпусами BGA часто просвечиваются, чтобы проверить, правильно ли соединяются шарики с нужной контактной площадкой или требуется ли доработка BGA . Эти рентгеновские лучи могут стереть запрограммированные биты во флэш-чипе (преобразовать запрограммированные биты «0» в стертые биты «1»). На стертые биты («биты «1») рентгеновские лучи не влияют. [92] [93]
Некоторые производители в настоящее время производят устройства памяти SD [94] и USB [95], устойчивые к рентгеновскому излучению .
Низкоуровневый интерфейс микросхем флэш-памяти отличается от интерфейсов других типов памяти, таких как DRAM , ROM и EEPROM , которые поддерживают возможность изменения битов (как от нуля к единице, так и от одного к нулю) и произвольный доступ через доступные извне адресные шины .
Память NOR имеет внешнюю адресную шину для чтения и программирования. Для памяти NOR чтение и программирование осуществляются с произвольным доступом, а разблокировка и стирание — поблочно. Для NAND-памяти чтение и программирование осуществляются постранично, а разблокировка и стирание — поблочно.
Чтение из флэш-памяти NOR аналогично чтению из оперативной памяти, при условии, что адрес и шина данных сопоставлены правильно. По этой причине большинство микропроцессоров могут использовать флэш-память NOR в качестве памяти выполнения на месте (XIP), а это означает, что программы, хранящиеся во флэш-памяти NOR, могут выполняться непосредственно из флэш-памяти NOR без необходимости предварительного копирования в ОЗУ. Флэш-память NOR может быть запрограммирована методом произвольного доступа, аналогично чтению. Программирование меняет биты с логической единицы на ноль. Биты, которые уже равны нулю, остаются неизменными. Стирание должно происходить поблочно и сбрасывает все биты в стертом блоке обратно в единицу. Типичные размеры блока — 64, 128 или 256 КиБ .
Управление плохими блоками — относительно новая функция в чипах NOR. В старых устройствах NOR, не поддерживающих управление сбойными блоками, программное обеспечение или драйвер устройства , управляющий микросхемой памяти, должны корректировать износ блоков, иначе устройство перестанет работать надежно.
Конкретные команды, используемые для блокировки, разблокировки, программирования или стирания памяти NOR, различаются у каждого производителя. Чтобы избежать необходимости использования уникального программного обеспечения драйвера для каждого устройства, специальные команды Common Flash Memory Interface (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 данных, используя преимущества программирования с произвольным доступом. Некоторые устройства предлагают функцию чтения во время записи, поэтому код продолжает выполняться даже во время выполнения программы или операции стирания в фоновом режиме. Для последовательной записи данных флэш-чипы NOR обычно имеют более низкую скорость записи по сравнению с флэш-памятью NAND.
Типичная флэш-память NOR не нуждается в коде исправления ошибок . [96]
Архитектура флэш-памяти NAND была представлена компанией Toshiba в 1989 году. [97] Доступ к этой памяти осуществляется так же, как и к блочным устройствам , таким как жесткие диски. Каждый блок состоит из нескольких страниц. Обычно страницы имеют размер 512, [98] 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 в себя:
Современная флэш-память NAND может иметь размер блока стирания от 1 до 128 МБ. Хотя чтение и программирование выполняются постранично, стирание может выполняться только поблочно. [101]
Устройства NAND также требуют управления плохими блоками с помощью программного обеспечения драйвера устройства или отдельной микросхемы контроллера . Некоторые SD-карты, например, включают в себя схему контроллера для управления поврежденными блоками и выравнивания износа . Когда к логическому блоку обращается программное обеспечение высокого уровня, он сопоставляется с физическим блоком драйвером устройства или контроллером. Ряд блоков на флэш-чипе может быть зарезервирован 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 оперативной памяти. Общий объем памяти постепенно уменьшается по мере того, как все больше блоков помечаются как плохие.
NAND использует ECC для компенсации битов, которые могут спонтанно выйти из строя во время нормальной работы устройства. Типичный ECC исправляет однобитовую ошибку в каждых 2048 битах (256 байтах), используя 22 бита ECC, или однобитовую ошибку в каждых 4096 битах (512 байтах), используя 24 бита ECC. [102] Если ECC не может исправить ошибку во время чтения, он все равно может обнаружить ошибку. При выполнении операций стирания или программирования устройство может обнаружить блоки, которые не удалось запрограммировать или стереть, и пометить их как плохие. Затем данные записываются в другой, исправный блок, и карта плохих блоков обновляется.
Коды Хэмминга являются наиболее часто используемыми ECC для флэш-памяти SLC NAND. Коды Рида-Соломона и коды BCH (коды Бозе-Чаудхури-Хоквенгема) обычно используются ECC для флэш-памяти MLC NAND. Некоторые флэш-чипы MLC NAND внутренне генерируют соответствующие коды исправления ошибок BCH. [96]
Большинство устройств NAND поставляются с завода с дефектными блоками. Обычно они помечаются в соответствии с определенной стратегией маркировки плохих блоков. Допуская наличие некоторых плохих блоков, производители достигают гораздо более высоких результатов , чем это было бы возможно, если бы все блоки должны были быть проверены на исправность. Это значительно снижает затраты на флэш-память NAND и лишь незначительно уменьшает емкость хранения деталей.
При выполнении программного обеспечения из памяти NAND часто используются стратегии виртуальной памяти : содержимое памяти сначала должно быть выгружено или скопировано в отображаемую в память ОЗУ и выполнено там (что приводит к общей комбинации NAND + RAM). Полезен блок управления памятью (MMU) в системе, но это также можно сделать с помощью оверлеев . По этой причине в некоторых системах используется комбинация памяти NOR и NAND, где память NOR меньшего размера используется в качестве ПЗУ программного обеспечения, а память NAND большего размера разделяется 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.
Группа под названием Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI) разработала стандартизированный низкоуровневый интерфейс для флэш-чипов NAND. Это обеспечивает совместимость между соответствующими устройствами NAND от разных производителей. Спецификация ONFI версии 1.0 [103] была выпущена 28 декабря 2006 г. В ней указано:
Группу ONFI поддерживают основные производители флэш-памяти NAND, включая Hynix , Intel , Micron Technology и Numonyx , а также крупные производители устройств, включающих флэш-чипы NAND. [104]
Два крупнейших производителя флэш-устройств, Toshiba и Samsung , решили использовать интерфейс собственной разработки, известный как Toggle Mode (а теперь и Toggle). Этот интерфейс не совместим по выводам со спецификацией ONFI. В результате продукт, разработанный для устройств одного производителя, может оказаться неспособным использовать устройства другого производителя. [105]
Группа поставщиков, в том числе Intel , Dell и Microsoft , сформировала рабочую группу по интерфейсу хост-контроллера энергонезависимой памяти (NVMHCI). [106] Целью группы является предоставление стандартных программных и аппаратных интерфейсов программирования для подсистем энергонезависимой памяти, включая устройство «флэш-кэш», подключенное к шине PCI Express .
Флэш-память NOR и NAND различаются по двум важным признакам:
Флэш-память NOR и NAND получила свои названия из-за структуры взаимосвязей между ячейками памяти. [ нужна цитация ] Во флэш-памяти NOR ячейки подключаются параллельно битовым линиям, что позволяет считывать и программировать ячейки индивидуально. [112] Параллельное соединение ячеек напоминает параллельное соединение транзисторов в затворе CMOS NOR. [113] Во флэш-памяти NAND ячейки соединены последовательно, [112] напоминая КМОП-затвор NAND. Последовательные соединения занимают меньше места, чем параллельные, что снижает стоимость флэш-памяти NAND. [112] Сам по себе он не препятствует индивидуальному считыванию и программированию ячеек NAND. [ нужна цитата ]
Каждая флэш-ячейка NOR больше, чем флэш-ячейка NAND – 10 F 2 против 4 F 2 – даже при использовании точно такого же изготовления полупроводниковых устройств , и поэтому каждый транзистор, контакт и т. д. имеет точно такой же размер – потому что флэш-ячейки NOR требуют отдельный металлический контакт для каждой ячейки. [114]
Из-за последовательного соединения и удаления словных контактов большая сетка ячеек флэш-памяти NAND будет занимать, возможно, только 60% площади эквивалентных ячеек NOR [115] (при одинаковом разрешении процесса КМОП , например, 130 нм , 90 нм или 65 нм). Разработчики флэш-памяти NAND поняли, что площадь чипа NAND и, следовательно, его стоимость можно еще больше уменьшить, удалив схему внешнего адреса и шины данных. Вместо этого внешние устройства могут взаимодействовать с флэш-памятью NAND через регистры команд и данных с последовательным доступом, которые будут внутренне получать и выводить необходимые данные. Такой выбор конструкции сделал невозможным произвольный доступ к флэш-памяти NAND, но целью флэш-памяти NAND было заменить механические жесткие диски , а не ПЗУ.
Срок службы флэш-памяти NOR с плавающим затвором SLC обычно равен или превышает срок службы флэш-памяти NAND, в то время как флэш-память MLC NOR и NAND имеют схожие возможности долговечности. Приводятся примеры значений циклической выносливости, перечисленных в технических характеристиках флэш-памяти NAND и NOR, а также устройств хранения данных, использующих флэш-память. [116]
Однако, применяя определенные алгоритмы и парадигмы проектирования, такие как выравнивание износа и избыточное выделение памяти , можно настроить надежность системы хранения в соответствии с конкретными требованиями. [147]
Чтобы рассчитать срок службы флэш-памяти NAND, необходимо учитывать размер микросхемы памяти, тип памяти (например, SLC/MLC/TLC) и шаблон использования. Промышленные NAND пользуются спросом благодаря своей емкости, длительному сроку службы и надежности в чувствительных средах.
По мере увеличения количества битов на ячейку производительность и срок службы флэш-памяти NAND могут ухудшаться, что приводит к увеличению времени случайного чтения до 100 мкс для TLC NAND, что в 4 раза больше времени, необходимого для SLC NAND, и в два раза больше времени, необходимого для MLC NAND для случайного чтения. . [61]
Из-за особых характеристик флэш-памяти ее лучше всего использовать либо с контроллером для выравнивания износа и исправления ошибок, либо со специально разработанными флэш-файловыми системами, которые распределяют записи по носителю и справляются с длительным временем стирания флэш-блоков NOR. Основная концепция флэш-файловых систем заключается в следующем: когда флэш-память должна быть обновлена, файловая система записывает новую копию измененных данных в новый блок, переназначает указатели файлов, а затем стирает старый блок позже, когда он есть время.
На практике флэш-файловые системы используются только для устройств памяти (MTD), которые представляют собой встроенную флэш-память, не имеющую контроллера. Съемные карты флэш-памяти , твердотельные накопители, чипы eMMC / eUFS и флэш-накопители USB имеют встроенные контроллеры для выравнивания износа и исправления ошибок, поэтому использование конкретной файловой системы флэш-памяти может не принести пользы.
Несколько микросхем часто объединяются в массивы или кристаллы для достижения большей емкости [148] для использования в бытовых электронных устройствах, таких как мультимедийные проигрыватели или GPS . Масштабирование (увеличение) емкости флэш-чипов обычно соответствует закону Мура , поскольку они производятся с использованием многих одинаковых технологий и оборудования для интегральных схем . С момента появления 3D NAND масштабирование больше не обязательно связано с законом Мура, поскольку транзисторы (ячейки) меньшего размера больше не используются.
Потребительские флэш-накопители обычно рекламируются с указанием полезных размеров, выраженных небольшим целым числом, степенью двойки (2, 4, 8 и т. д.), и традиционным обозначением мегабайтов (МБ) или гигабайтов (ГБ); например, 512 МБ, 8 ГБ. Сюда входят твердотельные накопители , продаваемые в качестве замены жестких дисков, в соответствии с традиционными жесткими дисками , в которых используются десятичные префиксы . [149] Таким образом, SSD с маркировкой «64 ГБ » имеет размер не менее 64 × 1000 3 байта (64 ГБ). У большинства пользователей будет немного меньшая емкость, чем эта, доступная для их файлов, из-за места, занимаемого метаданными файловой системы, а также из-за того, что некоторые операционные системы сообщают о емкости SSD, используя двоичные префиксы , которые несколько больше, чем обычные префиксы.
Чипы флэш-памяти внутри них имеют строго двоичные кратные размеры, но фактическая общая емкость чипов не может быть использована в интерфейсе накопителя. Она значительно превышает заявленную емкость, чтобы обеспечить распределение операций записи ( выравнивание износа ), резервирование, коды исправления ошибок и другие метаданные, необходимые внутренней прошивке устройства.
В 2005 году Toshiba и SanDisk разработали флэш-чип NAND, способный хранить 1 ГБ данных с использованием технологии многоуровневых ячеек (MLC), способной хранить два бита данных на ячейку. В сентябре 2005 года компания Samsung Electronics объявила о разработке первого в мире чипа емкостью 2 ГБ. [150]
В марте 2006 года Samsung анонсировала флэш-жесткие диски емкостью 4 ГБ, что по сути того же порядка, что и жесткие диски для ноутбуков меньшего размера, а в сентябре 2006 года Samsung анонсировала чип емкостью 8 ГБ, произведенный с использованием 40-нм производственного процесса. [151] В январе 2008 года SanDisk объявила о выпуске карт MicroSDHC на 16 ГБ и SDHC Plus на 32 ГБ. [152] [153]
Более поздние флэш-накопители (по состоянию на 2012 год) имеют гораздо большую емкость: 64, 128 и 256 ГБ. [154]
Совместная разработка Intel и Micron позволит производить 32-слойные флэш-накопители NAND емкостью 3,5 ТБ ( требуются разъяснения ) и твердотельные накопители стандартного размера емкостью 10 ТБ. Устройство включает в себя 5 пакетов кристаллов TLC по 16 × 48 ГБ с использованием конструкции ячейки с плавающим затвором. [155]
Флэш-чипы продолжают производиться с емкостью менее или около 1 МБ (например, для BIOS-ROM и встроенных приложений).
В июле 2016 года Samsung анонсировала Samsung 850 EVO емкостью 4 ТБ [ необходимы разъяснения ] , в котором используется 48-слойная TLC 3D V-NAND емкостью 256 Гбит. [156] В августе 2016 года компания Samsung анонсировала 2,5-дюймовый твердотельный накопитель SAS емкостью 32 ТБ на базе 64-слойной TLC 3D V-NAND емкостью 512 Гбит. Кроме того, к 2020 году Samsung планирует представить твердотельные накопители емкостью до 100 ТБ. [157]
Устройства флэш-памяти обычно гораздо быстрее читают, чем записывают. [158] Производительность также зависит от качества контроллеров хранилища, которое становится более важным, когда устройства частично заполнены. [ неопределенно ] [158] Даже если единственным изменением в производстве является усадка штампа, отсутствие соответствующего контроллера может привести к снижению скорости. [159]
Последовательная флэш-память — это небольшая флэш-память с низким энергопотреблением, которая обеспечивает только последовательный доступ к данным — вместо обращения к отдельным байтам пользователь последовательно читает или записывает большие смежные группы байтов в адресном пространстве. Шина последовательного периферийного интерфейса (SPI) — это типичный протокол доступа к устройству. При включении во встраиваемую систему последовательная флэш-память требует меньше проводов на печатной плате , чем параллельная флэш-память, поскольку она передает и принимает данные побитно. Это может позволить сократить 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:
Существует два основных типа флэш-памяти SPI. Первый тип характеризуется небольшими страницами и одним или несколькими внутренними страничными буферами SRAM, позволяющими считывать всю страницу в буфер, частично изменять ее и затем записывать обратно (например, Atmel AT45 DataFlash или Micron Technology Page Erase NOR Flash). ). Второй тип имеет секторы большего размера, при этом наименьшие сектора, обычно встречающиеся во флэш-памяти SPI этого типа, имеют размер 4 КБ, но они могут достигать размера 64 КБ. Поскольку у этого типа флэш-памяти SPI отсутствует внутренний буфер 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 дублирует код.
Эти два типа нелегко заменить, поскольку они не имеют одинаковой распиновки, а наборы команд несовместимы.
Большинство FPGA основаны на ячейках конфигурации SRAM и требуют внешнего устройства конфигурации, часто последовательного флэш-чипа, для перезагрузки битового потока конфигурации при каждом цикле включения питания. [160]
С ростом скорости современных процессоров параллельные флэш-устройства часто работают намного медленнее, чем шина памяти компьютера, к которому они подключены. И наоборот, современная SRAM обеспечивает время доступа менее 10 нс , а DDR2 SDRAM — менее 20 нс. По этой причине часто желательно перенести код, хранящийся во флэш-памяти, в ОЗУ; то есть код копируется из флэш-памяти в ОЗУ перед выполнением, чтобы ЦП мог получить к нему доступ на полной скорости. Прошивка устройства может храниться на последовательном флэш-чипе, а затем копироваться в SDRAM или SRAM при включении устройства. [161] Использование внешнего последовательного флэш-устройства вместо встроенной флэш-памяти устраняет необходимость значительного компромисса с процессом (производственный процесс, который хорош для высокоскоростной логики, обычно не подходит для флэш-памяти, и наоборот). Если принято решение считать прошивку одним большим блоком, обычно добавляют сжатие, чтобы можно было использовать флэш-чип меньшего размера. С 2005 года многие устройства используют последовательную флэш-память NOR, чтобы отказаться от параллельной флэш-памяти NOR для хранения прошивки. Типичные области применения последовательной флэш-памяти включают хранение встроенного ПО для жестких дисков , адаптеров сетевого интерфейса Ethernet , модемов DSL и т. д.
Еще одно недавнее применение флэш-памяти — замена жестких дисков . Флэш-память не имеет механических ограничений и задержек, присущих жестким дискам, поэтому твердотельный накопитель (SSD) привлекателен с точки зрения скорости, шума, энергопотребления и надежности. Флеш-накопители набирают популярность в качестве дополнительных устройств хранения данных для мобильных устройств; они также используются вместо жестких дисков в высокопроизводительных настольных компьютерах и некоторых серверах с архитектурами RAID и SAN .
Остаются некоторые аспекты твердотельных накопителей на базе флэш-памяти, которые делают их непривлекательными. Стоимость гигабайта флэш-памяти остается существенно выше, чем у жестких дисков. [162] Также флэш-память имеет ограниченное количество циклов P/E ( программирование/стирание ), но, похоже, в настоящее время это находится под контролем, поскольку гарантии на твердотельные накопители на основе флэш-памяти приближаются к гарантиям современных жестких дисков. [163] Кроме того, удаленные файлы на твердотельных накопителях могут оставаться в течение неопределенного периода времени, прежде чем будут перезаписаны свежими данными; Методы стирания или уничтожения или программное обеспечение, которые хорошо работают на магнитных жестких дисках, не влияют на твердотельные накопители, ставя под угрозу безопасность и судебно-медицинскую экспертизу. Однако из-за так называемой команды TRIM , используемой большинством твердотельных накопителей, которая помечает адреса логических блоков, занятые удаленным файлом, как неиспользуемые для включения сборки мусора , программное обеспечение для восстановления данных не может восстановить файлы, удаленные с них.
Для реляционных баз данных или других систем, требующих транзакций ACID , даже скромный объем флэш-памяти может обеспечить значительное ускорение по сравнению с массивами дисков. [164]
В мае 2006 года Samsung Electronics анонсировала два ПК на базе флэш-памяти, Q1-SSD и Q30-SSD, которые должны были стать доступными в июне 2006 года, оба из которых использовали твердотельные накопители емкостью 32 ГБ и, по крайней мере, первоначально были доступны только в Южной Корее . [165] Выпуск Q1-SSD и Q30-SSD был отложен и, наконец, был отправлен в конце августа 2006 года. [166]
Первым доступным ПК на базе флэш-памяти стал Sony Vaio UX90, предварительный заказ которого был объявлен 27 июня 2006 года, а поставки в Японию начались 3 июля 2006 года с жестким диском с флэш-памятью емкостью 16 ГБ. [167] В конце сентября 2006 года Sony увеличила объем флэш-памяти Vaio UX90 до 32 ГБ. [168]
Твердотельный накопитель предлагался в качестве опции для первого MacBook Air , представленного в 2008 году, а с 2010 года все модели поставлялись с SSD. Начиная с конца 2011 года в рамках инициативы Intel Ultrabook все большее количество ультратонких ноутбуков поставляется со стандартными твердотельными накопителями.
Существуют также гибридные методы, такие как гибридный диск и ReadyBoost , которые пытаются объединить преимущества обеих технологий, используя флэш-память в качестве высокоскоростного энергонезависимого кэша для файлов на диске, к которым часто обращаются, но редко изменяются, например файлы приложений и файлы. исполняемые файлы операционной системы .
По состоянию на 2012 год [update]предпринимаются попытки использовать флэш-память в качестве основной памяти компьютера, DRAM . [169]
Транзисторы с плавающим затвором во флэш-накопителе удерживают заряд, который представляет данные. Этот заряд со временем постепенно утекает, что приводит к накоплению логических ошибок , также известных как « гниение битов » или «затухание битов». [170]
Неясно, как долго данные во флэш-памяти будут сохраняться в архивных условиях (т. е. при благоприятной температуре и влажности при нечастом доступе с профилактической перезаписью или без нее). В технических характеристиках микроконтроллеров ATmega на базе флэш -памяти компании Atmel обычно указывается срок хранения 20 лет при 85 °C (185 °F) и 100 лет при 25 °C (77 °F). [171]
Срок хранения варьируется в зависимости от типа и модели флэш-памяти. При подаче питания и простое заряд транзисторов, хранящих данные, регулярно обновляется прошивкой флэш -накопителя. [170] Способность сохранять данные различается в зависимости от устройства флэш-памяти из-за различий в прошивке, избыточности данных и алгоритмах исправления ошибок . [172]
В статье CMU в 2015 году говорится: «Современные флэш-устройства, которые не требуют обновления флэш-памяти, имеют типичный срок хранения 1 год при комнатной температуре». И это время удерживания экспоненциально уменьшается с повышением температуры. Это явление можно смоделировать уравнением Аррениуса . [173] [174]
Некоторые FPGA основаны на ячейках флэш-конфигурации, которые используются непосредственно как (программируемые) переключатели для соединения внутренних элементов вместе с использованием того же типа транзистора с плавающим затвором, что и ячейки флэш-памяти в устройствах хранения данных. [160]
Один источник утверждает, что в 2008 году объем производства и продаж индустрии флэш-памяти составил около 9,1 миллиарда долларов США. Другие источники оценивают объем рынка флэш-памяти в 2006 году в более чем 20 миллиардов долларов США, что составляет более восьми процентов от общего рынка полупроводников и более 34 процентов от общего рынка полупроводниковой памяти. [175] В 2012 году рынок оценивался в 26,8 млрд долларов. [176] Производство чипа флэш-памяти может занять до 10 недель. [177]
Ниже приведены крупнейшие производители флэш-памяти NAND по состоянию на второй квартал 2023 года. [178]
По состоянию на первый квартал 2022 года Samsung остается крупнейшим производителем флэш-памяти NAND. [181]
Помимо отдельных микросхем флэш-памяти, флэш-память также встроена в микроконтроллеры (MCU) и устройства «система-на-кристалле» (SoC). [198] Флэш-память встроена в чипы ARM , [198] которых по состоянию на 2019 год было продано 150 миллиардов единиц по всему миру [update], [199] и в программируемые устройства «система-на-кристалле» (PSoC), продано 1,1 миллиарда единиц по состоянию на 2012 год. [update]. [200] В сумме это составляет по меньшей мере 151,1 миллиарда микросхем MCU и SoC со встроенной флэш-памятью, в дополнение к 45,4 миллиардам известных продаж отдельных флэш-чипов по состоянию на 2015 год [update], что в общей сложности составляет не менее 196,5 миллиардов чипов, содержащих флэш-память.
Благодаря своей относительно простой структуре и высокой потребности в большей емкости флэш-память NAND является наиболее агрессивно масштабируемой технологией среди электронных устройств . Жесткая конкуренция среди нескольких ведущих производителей только усиливает агрессивность в сокращении правил проектирования МОП-транзисторов с плавающим затвором или технологических узлов. [90] Хотя ожидаемые сроки сокращения составляют два раза каждые три года в соответствии с исходной версией закона Мура , в последнее время в случае флэш-памяти NAND этот процесс был ускорен до двух раз каждые два года.
Поскольку размер ячеек флэш-памяти MOSFET достигнет минимального предела 15–16 нм, дальнейшее увеличение плотности флэш-памяти будет обусловлено TLC (3 бита на ячейку) в сочетании с вертикальным укладкой плоскостей памяти NAND. Снижение срока службы и увеличение частоты неисправимых ошибок по битам, сопровождающие уменьшение размера объекта, могут быть компенсированы улучшенными механизмами исправления ошибок. [206] Даже с учетом этих достижений, возможно, будет невозможно экономически масштабировать вспышку до меньших и меньших размеров, поскольку количество удерживающих электронов снижается. Многие многообещающие новые технологии (такие как FeRAM , MRAM , PMC , PCM , ReRAM и другие) находятся на стадии исследования и разработки как возможные более масштабируемые замены флэш-памяти. [207]
Флеш-память можно перепрограммировать до 100 раз.
Устройства работают от одного источника питания (от 2,7 В до 3,6 В), имеют секторную архитектуру, встроенные алгоритмы, высокую производительность и гарантию выносливости в течение 1 000 000 циклов программирования/стирания.
изоригинала (PDF) 31 октября 2009 г.,
PSoC
... использует уникальный процесс Flash:
SONOS
Результаты квалификации надежности показывают, что прогнозируемая частота сбоев при сохранении данных составляет намного меньше 1 ppm в течение 20 лет при 85 °C или 100 лет при 25 °C.
Поставки единиц продукции увеличились на 64% в 1999 году по сравнению с предыдущим годом и, по прогнозам, вырастут на 44% до 1,8 миллиарда единиц в 2000 году.
