Твердотельные носители информации – Flash-карты

Во множестве современных портативных электронных устройств (карманных компьютерах, цифровых фотоаппаратах, МР3-плеерах, игровых приставках, мобильных телефонах и т.д.) используются твердотельные полупроводниковые энергонезависимые запоминающие устройства, называемые флэш-памятью (от англ. Flash – вспышка). Флэш-память была изобретена в 1984 г. доктором Фуджио Масуока (компания Toshiba). Название дано из-за сходства быстрого доступа к данным в ячейках с фотовспышкой. Флэш-память представляет собой разновидность EERPOM (Electrically Erasable Read Only Memory – ПЗУ с электронным стиранием). Она работает на основе КМОП-элементов (называемых также CMOS – Complimentary Metal Oxyde Semicondactor). Первичными ячейками флэш-памяти являются полевые транзисторы (рис. 1.19) с двумя изолирующими затворами: управляющим (control) и плавающим (float).

Под воздействием управляющего затвора создается канал для движения носителей заряда от истока к стоку. Некоторые электроны попадают на плавающий затвор, в результате формируется скрытый заряд, который может сохраняться там в течение нескольких лет. Малый заряд на затворе принимается за логическую единицу, большой – за нуль. При стирании на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение. Тогда электроны с плавающего затвора “стекают” на сток (туннелируют).

Рис. 1.19. Устройство ячейки флэш-памяти

Флэш-память может быть реализована на электронных логических элементах двух типов NOR (Not OR – отрицание “или”) и NAND (Not AND – отрицание “и”) рис. 1.20.

Рис. 1.20. Электронная организация памяти NOR (слева) и NAND (справа)

В чипах памяти на основе логики NOR каждая ячейка (полевой транзистор) подключена к трем независимым каналам: линии бит, линии слов и источнику заряда. Запись осуществляется при воздействии сигнала на управляющий затвор, между источником и стоком возникает электрический ток, на плавающий затвор впрыскиваются (происходит инжекция) быстрых (“горячих”) электронов. Они обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создающегося перед плавающим затвором. Для выборки данных напряжение подается на линию слов, подключенную к затвору. При большом заряде в плавающем затворе для движения электронов между источником и стоком создается препятствие, а разность потенциалов между ними остается значительной – считывается логический нуль. В противоположном случае считывается логическая единица. Такая схема обеспечивает высокие скорости перезаписи и короткое время доступа, однако имеет большой размер ячеек (к каждой из них требуется отдельный изолированный провод), и в ней сложно увеличивать плотность записи.

В ячейках NAND запись производится методом туннелирования электронов. Микросхемы NAND более надежны, имеют более высокую емкость, меньшие размеры блоков и ячеек, а следовательно, и меньшую стоимость. Полевые транзисторы подключаются к линиям бит последовательно, группами. Если они включены (открыты), то соответствующие проводники заземляются, разность потенциалов между ними и линиями слов исчезает. Поскольку падение напряжения происходит сразу на многих транзисторах, считывание информации затрудняется, однако из-за обращения одновременно к целой группе ячеек скорость чтения возрастает. Практически обращение к ячейкам происходит последовательно, а для компенсации возникающих при этом временных задержек используется внутренняя кэш-память. При записи в архитектуре NAND используется туннельная инжекция электронов, а при стирании их туннельное высвобождение. Это позволяет уменьшить энергопотребление.

Емкость микросхем NOR – от 64 Кбит до 8 Мбит, микросхем NAND – от 500 Кбит до 8 Мбит. Логические элементы в них объединяются в блоки по 128 Кбит в NOR и по 8 Кбит (с предварительной группировкой в “страницы” по 256 или 512 байт) в NAND.

В новой флэш-памяти NOR StrataFlash, разработанной Intel, используются много уровневые ячейки, каждая из которых может хранить по 2 или 4 бит. Для этого заряд условно делится на несколько уровней, каждому из которых соответствует определенная комбинация логических нулей и единиц.

Компания AMD для чипов архитектуры NAND разработала технологию MicroBit, увеличивающую вдвое емкость ячеек. Она предусматривает физическое разделение хранящего заряд плавающего затвора на два независимых элемента.

Информация на флэш-микросхемах может храниться от 20 до 100 лет, данные с них можно сколько угодно раз считать и ограниченное число (от 10 тыс. до 1 млн.) раз перезаписать. Это связано с тем, что стирание данных при перезаписи приводит к износу микросхемы. С течением времени некоторые блоки перестают поддаваться очистке и записи данных. При приближении к предельной границе ячейки демонстрируют нарастающее число отказов и ошибок. Для продления жизни флэш-памяти используется технология управления ее износом (Wear Levelling Control). Она равномерно распределяет циклы записи и стирания по разным блокам. Наличие блоков данных, хранящих фрагменты файлов, которые долго не изменяются, приводит к усиленному износу оставшейся части памяти. Выход из строя одного блока не сказывается на работе остальных. Процесс удаления записанных, но более неиспользуемых (недействительных) блоков памяти называется “сборкой мусора” (Garbage Collection). Перед “сборкой мусора” выполняется поиск соответствующих фрагментов памяти, учет количества недействительных блоков чтения/записи, число предшествующих циклов стирания и выявление областей, в которых информация обновляется чаще, чем в других. Надежность хранения данных контролируется непосредственно во время записи: встроенный механизм сравнивает сохраненную информацию с исходной с помощью компаратора. Многие виды флэш-накопителей для исправления ошибок используют корректирующие коды. Используется также резервирование данных: создаются несколько копий таблиц, хранящих информацию о физическом расположении действительных, недействительных и дефектных блоках. Это позволяет восстановить данные при утрате их в одной из таблиц.

Для переноса на твердотельных картах памяти информации с портативных устройств на компьютер последний должен быть оснащен устройством чтения карт – карт-ридером. Пример - карт-ридер SanDisk ImageMate 12-in-1 (рис. 1.21, www.sandisk.ru), способный работать с картами 12 разных форматов и подключаемый к компьютеру посредством интерфейса USB 2.0 Hi-Speed.

Рис. 1.21. Карт-ридер SanDisk ImageMate 12-in-1

Разработки в области наращивания объемов памяти в сочетании с сокращением размеров носителей и энергопотреблением ведутся непрерывно и открывают ряд перспективных направлений развития твердотельной памяти:

· Применение кремниевых нанокристаллов (сфер диаметром около 5 нм), размещаемых между двумя оксидными слоями позволяет уменьшить размеры ячейки, упростить производство, увеличить скорость записи. Запись производится за счет способности кристаллов сохранять заряд. Туннелирование зарядов в нанокристаллы происходит значительно быстрее, чем в стандартных ячейках флэш-памяти.

· Ферроэлектрическая память (FeRAM – Ferroelectric Random Access Memory) основана на свойствах ферроэлектриков (называемых также сегнетоэлектриками), в обычном состоянии, состоящих из доменов с различными направлениями поляризации. Под воздействием электрического поля направление поляризации доменов изменяется (сравните с рис. 1.9, 1.10), направления поляризации становятся одинаковыми, а весь кристалл - однодоменным. После выключения поля это состояние сохраняется в течение длительного времени, что позволяет сохранять двоичные символы (“0” и “1”).

· Магниторезистивная память MRAM (Magneto-resistive RAM) основана на изменении электрического сопротивления проводника под действием магнитного поля. Ячейка MRAM состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных слоем магниторезистивного материала, сопротивление которого определяется ориентацией магнитных доменов ферромагнитных слоев. При одинаковом направлении намагниченности электрическое сопротивление ячейки мало (логическая единица). При противоположном направлении между слоями имеется сильное магнитное поле (как между полюсами подковообразного магнита). Действующая на электроны сила Лоренца заставляет их двигаться по окружностям и не пропускает через ячейку, в результате сопротивление ячейки возрастает (логический нуль). Скорость записи в такой ячейке выше, чем для флэш-памяти, запись и стирание могут осуществляться неограниченное число раз.

· Память на аморфных полупроводниках OUM (Ovonic Unifed Memory) основана на свойстве халькогенидных пленок и стекол переходить под действием электрического тока из аморфного (неупорядоченного, некристаллического) состояния в кристаллическое. Значительное различие электрического сопротивления в аморфном и кристаллическом состояниях позволяет записывать логические единицы и нули. Такая технология дает большее число циклов перезаписи (10¹⁰), большую, чем у флэш-памяти, скорость доступа, повышенную емкость и низкую себестоимость. Подобные технологии CRAM (Chalcogenide RAM) PRAM (Phase Change Memory) предусматривают переход из аморфного состояния в кристаллическое под действием электрического поля.