Рассмотрим простейшую ячейку флеш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NOR архитектурой, а также в микросхемах EPROM. Поведение транзистора зависит от количества электронов на "плавающем" затворе. "Плавающий" затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение.[3]
Рис.2 Чтение при отсутствии заряда[3]
| Чтение при отсутствии заряда При чтении, в отсутствие заряда на "плавающем" затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток. |
| Чтение при наличии заряда Наличие заряда на "плавающем" затворе меняет вольтамперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает. | 
Рис. 3 Чтение при отсутствии заряда[3]
|
Рис. 4 Запись[3]
| Запись При программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). "Горячие" электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольтамперные характеристики транзистора. Такие электроны называют "горячими" за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика. |
| Стирание При стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток. | 
Рис. 5 Стирание[3]
|
Многоуровневые ячейки
Рис. 6 Одноуровневая и многоуровневая ячейка
Через несколько лет после выпуска флеш-дисков были проведены успешные испытания микросхем, в которых ячейка хранила уже два бита. На такую память можно было записать в два раза больше информации. В настоящее время уже
| |
Доступ к флеш-памяти
Различают три метода доступа к микросхеме: обычный, пакетный и страничный. Все они используются в зависимости от ситуации, так как отличаются по скорости доступа, имеют свои преимущества и недостатки.
§ Обычный доступ (Conventional). Произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти. Используется в тех ситуациях, когда необходимо считать малое количество информации с микросхемы памяти.
§ Пакетный (Burst). Синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 бита за один раз. После чтения информации в буфер происходит синхронизация блоков, и, в конечном итоге, данные передаются уже последовательно. Преимущество перед обычным типом доступа - быстрое последовательное чтение данных. Недостаток - медленный доступ при чтении определённых ячеек памяти.
§ Страничный (Page). По принципу напоминает пакетный вид, но данные принимаются асинхронно, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества - очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток - относительно медленное переключение между блоками.
В последнее время появились микросхемы флеш-памяти, позволяющие одновременную запись и стирание (RWW - Read While Write или Simultaneous R/W) в разные банки памяти.
Архитектура флеш-памяти
Существует несколько типов архитектур (организаций соединений между ячейками) флеш-памяти. Наиболее распространёнными в настоящее время являются микросхемы с организацией NOR и NAND.
NOR
Название NOR ведет свою родословную от логической операции Not OR (не «или»): если хотя бы один из транзисторов, подключенных к линии битов, включен, то считывается "0". NOR-Ячейки работают сходным с EPROM способом. Каждый транзистор-ячейка подключен к трем линиям: Word Line (линия слов), Select Line (линия выборки) и Bit Line (линия бит). Выборка осуществляется путем подачи высокого напряжения на Word Line, подключенную к затвору, и наблюдения за разницей потенциалов между Select Line (исток) и Bit Line (сток). Если на плавающем затворе находилось достаточное количество электронов, то их отрицательное поле препятствовало протеканию тока между истоком и стоком и напряжение оставалось высоким. Такое состояние полагается в терминах флеш-памяти нулем, в противоположном случае считывается единица.
Интерфейс - параллельный. Возможно как произвольное чтение, так и запись.
Программирование - методом инжекции "горячих" электронов.
Стирание - методом туннеллирования Фаулера-Нордхейма.
Преимущества - быстрый произвольный доступ, возможность побайтной записи. Недостатки - относительно медленная запись и стирание.
Основные производители: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix, NEC, UMC.
Из двух типов имеет наибольший размер ячейки, а потому плохо масштабируется. Единственный тип памяти, работающий на двух разных напряжениях. Идеально подходит для хранения кода программ (PC BIOS, сотовые телефоны), представляет собой идеальную замену обычному EEPROM.
NAND
NAND является более выгодным, с точки зрения экономии пространства, способом организации ячеек. Транзисторы подключаются к битовым линиям группами, то есть последовательно. Если все транзисторы группы открыты, включены, Bit Line заземляется, напряжение между ней и Word Line падает до нуля: срабатывает логика Not AND (не «и») - если все элементы равны 1, то выдается 0. Правда, считывание затруднено вследствие падения напряжения на гирлянде транзисторов, однако скорость обращения повышается за счет адресации сразу целой группы битов. При произвольном доступе достоинство превращается в недостаток, и NAND-чипы обычно отличаются от NOR наличием дополнительного внутреннего кэша. Учитывая всё вышесказанное, NAND-память представляет собой наиболее подходящий тип памяти для устройств, ориентированных на блочный обмен: MP3 плееров, цифровых камер и в качестве заменителя жёстких дисков.[5]
Рис.8 Архитектура NOR[12]
Доступ - произвольный, но небольшими блоками, которые можно рассматривать как кластеры жёсткого диска.
Интерфейс – последовательный, произвольное чтение и запись невозможны. Не очень подходит для задач, требующих произвольного доступа к данным.
Преимущества – запись и стирание информации осуществляются на высокой скорости, размер блока небольшой.
Недостатки - относительно медленный произвольный доступ, невозможность побайтной записи, необходимость использовать внутренний кэш.
Основные производители - Toshiba, AMD/Fujitsu, Samsung, National, Mitsubishi.
Программирование - туннеллированием Фаулера-Нордхейма, в отличие от NOR-памяти.
Стирание - туннеллированием Фаулера-Нордхейма, в этом сходство с NOR-памятью.
Развитие технологии флеш-памяти происходит, в основном, в области совершенствования конструкции ячеек. Так, появились варианты с двумя транзисторами: один из пары является обыкновенным транзистором, изолирующим ячейку от Word Line. Благодаря этому удалось избавиться от паразитных перекрестных наводок, возникающих при стирании одной из страниц данных, а также снизить напряжение программирования. Причем второй транзистор занимает совсем немного места, поскольку он лишен функции запоминающего "конденсатора" и большого плавающего затвора.
Типы карт памяти
CompactFlash
Карточки этого формата впервые появились в 1994 г. Стандарт разработала компания SanDisk и предоставила его для общественного пользования безо всяких дополнительных лицензионных отчислений. В октябре 1995 г. была создана некоммерческая организация Compact Flash Association (CFA). Помимо, собственно, зачинщика, в нее вошли IBM, Canon, Kodak, HP, Hitachi, Epson и Socket Communications. Разработчики создали карты Miniature Card, но они оказались не очень удачными. Все права на технологию были проданы Centennial Technologies, которая в 2000 г. объявила о решении выпустить в свет собственный формат флеш-карт под названием Compact Linear Flash. Карточка содержит довольно сложный контроллер, благодаря которому она совместима с адаптерами PCMCIA. Питание может составлять 3,3 или 5В. Существует два класса CompactFlash-карт, в подражание PCMCIA названных Type I и Type II. Они различаются только толщиной (3,3 и 5 мм) и количеством чипов памяти, которые могут в них поместиться. Стандартный размер карты 43 x 36 мм. Одно из наиболее преимуществ CompactFlash заключается в электрической совместимости с IDE-интерфейсом. Это не означает, что карточку можно вставить в разъем, а подразумевает возможность эмуляции жесткого диска. На программном уровне карта ничем не отличается от винчестера: она обладает всеми необходимыми параметрами, такими, как количество виртуальных цилиндров и головок. Обращение к карте выполняется с помощью стандартного прерывания IRQ 14, и для работы с CompactFlash не требуется драйверов. Сейчас выпускаются карты CompactFlash объемом до 100 GB. Одно из главных достоинств стандарта - специфицированный встроенный контроллер памяти, обусловливающий четкое определение логической структуры данных.
MMC
В ноябре 1997 г. компании Siemens и SanDisk анонсировали MMC. Стандарт был изначально "свободным", таким же, как CompactFlash, т. е. лишенным каких-либо лицензионных ограничений. Размер карты всего 24 x 32 x 1,4 мм, весят карты всего 1б5 грамма. Скорость передачи данных 
равняется 20 MBps. Эти модули памяти работают при напряжениях 3,3 или 2,7 В и токе до 35 мА, что и обусловливает низкое энергопотребление. В 1998 г. сформировался альянс MMCA (MultiMedia Card Association), объединивший промоутеров новой технологии.
Рис.12 Архитектура MMC[5]
SmartMedia
Рис.13 Внешний вид SM[4]
Стандарт был разработан в 1995 г. компанией Toshiba, а его продвижением занимается организация SSFDC Forum, в рядах которой немало известных компаний. Кстати, SSFDC (Solid State Floppy Disk Card) можно перевести как "твердотельная дискета". Следует отметить, что многие производители делают флеш-карты сразу трех основных типов: Compact Flash, SmartMedia и MultiMediaCard. В отличие от Compact Flash, карты SmartMedia (SM) не снабжены встроенным контроллером, что, по замыслу создателей, должно снижать их стоимость. Кроме того, SМ имеют меньшие размеры (37x45x0,76 мм) и массу (до 2 г). По популярности SM спорят с CF, а вместе с ним оба этих стандарта охватывают более половины рынка флеш-карт. Рабочие напряжения у SM такие же, как и у CF, но обычно используется 3,3 В. Максимальная емкость карт, объявленная производителями, в частности компаниями EMTEC и Delkin, составляет 128 Мбайт. Из-за отсутствия внутреннего контроллера для работы с этими картами невозможно применить пассивный переходник, а считыватели для них стоят около 50 долл. К сожалению, SМ не дешевле, чем CF.
Memory Stick
Некогда Sony заставила компьютерную индустрию выбрать в качестве сменных носителей свои 3,5-дюймовые флоппи-дисководы, а теперь она решила позаботиться о своих позициях и на аудио рынке, для чего разработала новый стандарт флеш-карт Memory Stick (MS).
Эти 10-контактные устройства размерами 21,5x50x2,8 мм и массой 4 г стали опорой цифровой империи Sony, которая устанавливает их в свои цифровые плееры, фотоаппараты и видеокамеры, также игрушки и другие устройства. Карты памяти Memory Stick имеют ёмкость до 16 Гб, а в некоторых подверсиях, Memory Stick Select, применялись два банка по 128 Мб на одной карте.
SecureDigital
Размер карты - 24 x 32 x 2,1 мм, что практически соответствует параметрам Magic Stick Duo. В настоящий момент анонсированы изделия емкостью от 8 до 512 MB при максимуме 16 GB. Скорость записи, что типично для флеш-карт, существенно зависит от объема и, следовательно, количества используемых чипов. Стандартная скорость записи составляет 2 MBps, но начиная с 512 MB носителей, она возрастает многократно до 10 MBps. Карты оснащены механическим переключателем защиты от записи, наподобие защелки "read-only" у флоппи-дисков. Каждая SD-карта содержит два контроллера: ввода/вывода и поддержки системы кодирования. Разъем состоит из девяти контактов, четыре из которых предназначены для передачи данных, один используется для передачи команд и еще один отведен под синхросигнал.
XD-Picture Card
Данный формат — своеобразное "логическое продолжение" SmartMedia, предложенное в 2002 г. компаниями Fujifilm и Olympus. Основные преимущества спроектированного изделия: сниженная себестоимость (экономия на внутреннем контроллере), небольшие размеры (20 x 25 x 1,7 мм) и невысокое энергопотребление. Аббревиатура xD означает eXtreme Digital, т. е. экстремально цифровые.
USB флеш-накопитель
USB флеш-накопитель — носитель информации, использующий флеш-память для хранения данных и подключаемый к компьютеру или иному считывающему устройству через стандартный разъём USB.
Рис.18 Устройство типичного USB Flash Drive (на примере изделия фирмы «Saitek»: 1 — USB-разъём; 2 — микроконтроллер; 3 — контрольные точки; 4 — микросхема флеш-памяти; 5 — кварцевый резонатор; 6 — светодиод; 7 — переключатель «защита от записи»; 8 — место для дополнительной микросхемы памяти
USB флеш-накопители обычно съёмные и перезаписываемые. Размер — около 5 см, вес — меньше 60 г. Получили большую популярность в 2000-е годы из-за компактности, лёгкости перезаписывания файлов и большого объёма памяти (от 32 МБ до 256 ГБ[1]). Основное назначение USB-накопителей — хранение, перенос и обмен данными, резервное копирование, загрузка операционных систем (LiveUSB) и др. Разработан умещающийся на флеш-диск пакет программ для автоматического снятия улик с компьютера неквалифицированным полицейским (COFEE).
Применение флеш-памяти
Флеш-диски применяются в системах управления промышленным оборудованием, в горячих цехах и на открытом воздухе, в условиях постоянных ударов, тряски, вибрации, загрязненной атмосферы. Системы управления, устанавливаемые на железнодорожном, водном транспорте (вибрация, повышенная влажность) или на летательных аппаратах (быстрая смена высоты и температуры, большие перегрузки), немыслимы без таких устройств. И, конечно, в космических системах (перегрузки, невесомость, энергопотребление) флеш-дискам нет конкурентов. Ситуация на отечественном рынке ФД укладывается в рамки общемировых тенденций. Большая часть поставляемой продукции потребляется в промышленной сфере для автоматизации производства. С другой стороны, PCMCIA-карты на основе флеш-памяти для портативных компьютеров, хотя и предлагаются, но не получили широкого распространения. Микросхемы флеш-памяти может работать при температурах от -50 до 80 градусов, влажности воздуха от 8 до 95 процентов, выдерживать ударную нагрузку до 1000g, вибрационную нагрузку до 15g. Время наработки на отказ у флеш-памяти около 1000 часов (сюда входит время записи и стирания), а срок хранения данных исчисляется десятками лет. Флеш-память применяется практически во всех современных устройствах: сотовых телефонах, портативных компьютерах,mp3-плейерах, цифровых видеокамер и фотоаппаратах и многих других. Флеш-память используется в любых компьютерных комплектующих: микросхема BIOS на материнской плате, прошивки различных устройств (CD-Rom, видеокарта, звуковая карта, модем). Модемы с микросхемами флеш-памяти могут принимать и отправлять данные даже при выключенном компьютере. Флеш-память разработана и применяется для того, чтобы упростить работу системы, в которой она применяется, а также повысить ее производительность. За счет обновления информации через флеш-память система (например, модем, звуковая карта и т.д.) в гораздо меньшей степени использует оперативную память компьютера. Тем самым повышается производительность не только одного прибора, но и всего компьютера в целом. Использование микросхем флеш-памяти также позволяет снизить стоимость оборудования. Флеш-память, используя блочную архитектуру, полностью заменила собой микросхемы, стираемые целиком.
Глава 2. Типы повреждений
Дата: 2019-05-28, просмотров: 277.
