Флэш-память
Flash Memory (флэш-память) – это энергонезависимое запоминающее устройство, выполненное на основе полупроводников. Данные на флеш-картах можно воспроизводить и перезаписывать большое количество раз. Благодаря техническим решениям, не высокой стоимости, большому объему, низкому энергопотреблению, высокой скорости работы, компактности и механической прочности, флэш-память встраивают в цифровые портативные устройства и носители информации. С каждым годом производители выпускают все более компактные карты памяти, которые при этом имеют больший объем.
Принцип работы флэш-памяти
Элементарной ячейка хранения данных флэш-памяти представляет из себя транзистор с плавающим затвором. Особенность такого транзистора в том, что он умеет удерживать электроны (заряд). Вот на его основе и разработаны основные типы флэш-памяти NAND и NOR. Конкуренции между ними нет, потому что каждый из типов обладает своим преимуществом и недостатком.
Во флэш-памяти производители используют два типа ячеек памяти MLC и SLC.
- Флэш-память с MLC (Multi-level cell — многоуровневые ячейки памяти)ячейки более емкие и дешевые, но они с большим временем доступа и меньшим количеством циклов записи/стирания (около 10000).
- Флэш-память, которая содержит в себе SLC (Single-level cell — одноуровневые ячейки памяти) ячейки имеет максимальное количество циклов записи/стирания(100000) и обладают меньшим временем доступа.
Как работает флэш-память
Принцип работы флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («карман») полупроводниковой структуры. Изменение заряда (запись/стирание) выполняется приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта.
NAND,одна из архитектур флеш-памяти, хранит данные в массиве ячеек памяти, представляющих собой транзисторы с плавающим затвором. На картинке вы видите два затвора: управляющий (Control Gate) и плавающий (Floating Gate). Электроны перемещаются между управляющим затвором и каналом NAND (Channel) в направлении подачи напряжения.
Для программирования ячейки напряжение подается на управляющий затвор, что притягивает электроны вверх. Создается электрическое поле, позволяющее электронам проникнуть сквозь барьер из оксида к плавающему затвору. Оксид выполняет роль изолятора, не позволяя электронам двигаться дальше сквозь плавающий затвор.
Для стирания ячейки напряжение подается с другой стороны – на канал. При этом управляющий затвор заземляется, чтобы направить электроны от плавающего затвора через оксид обратно к каналу.
Суть работы флэш-памяти в том, что сначала нужно избавиться от старых электронов (стереть), и только потом можно применять новые (запрограммировать). Это и есть цикл перезаписи
Чтобы определить статус ячейки, на нее подают напряжение и смотрят на результат. И продолжают повышать напряжение, пока не добьются нужного, на что уходит время, которое влияет на скорость работы.
NOR
Устройство флэш-памяти с архитектурой NOR
Ее архитектура была разработана компанией Intel в далеком 1988 году. Как было написано ранее, чтобы получить доступ к содержимому ячейки памяти (инициализировать ячейку), нужно подать напряжение на управляющий затвор. Поэтому разработчики компании все управляющие затворы подсоединили к линии управления, которая называется линией слов (Word Line). Анализ информации ячейки памяти выполняется по уровню сигнала на стоке транзистора. Поэтому разработчики все стоки транзисторов подсоединили к линии, которая называется линией битов (Bit Line).
Архитектура NOR получила название благодаря логической операции ИЛИ — НЕ (в переводе с английского NOR). Принцип логической операции NOR заключается в том, что она над несколькими операндами (данные, аргумент операции…) дает единичное значение, когда все операнды равны нулю, и нулевое значение во всех остальных операциях. В нашем случае под операндами подразумевается значение ячеек памяти, а значит в данной архитектуре единичное значение на битовой линии будет наблюдается только в том случае , когда значение всех ячеек, которые подключены к битовой линии, будут равны нулю (все транзисторы закрыты). В этой архитектуре хорошо организован произвольный доступ к памяти, но процесс записи и стирания данных выполняется относительно медленно. В процессе записи и стирания применяется метод инжекции горячих электронов. Ко всему прочему микросхема флеш-памяти с архитектурой NOR и размер ее ячейки получается большим, поэтому эта память плохо масштабируется. Флеш-память с архитектурой NOR как правило используют в устройствах для хранения программного кода. Это могут быть телефоны, КПК, BIOS системных плат…
NAND
Устройство флэш-памяти с архитектурой NAND
Данный тип памяти был разработан компанией Toshiba. Эти микросхемы благодаря своей архитектуре применяют в маленьких накопителях , которые получили имя NAND (логическая операция И-НЕ). При выполнении операция NAND дает значение нуль только, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех других случаях. Как было написано ранее, нулевое значение это открытое состояние транзистора. В следствии этого в архитектуре NAND подразумевается, что битовая линия имеет нулевое значение в том случае, когда все подключенные к ней транзисторы открыты, и значение один, когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Такую архитектуру можно построить, если подсоединить транзисторы с битовой линией не по одному (так построено в архитектуре NOR) , а последовательными сериями (столбец из последовательно включенных ячеек).
Данная архитектура по сравнению с NOR хорошо масштабируется потому, что разрешает компактно разместить транзисторы на схеме. Кроме этого архитектура NAND производит запись путем туннелирования Фаулера — Нордхейма, а это разрешает реализовать быструю запись нежели в структуре NOR. Чтобы увеличить скорость чтения, в микросхемы NAND встраивают внутренний кэш. Как и кластеры жесткого диска так и ячейки NAND группируются в небольшие блоки. По этой причине при последовательном чтении или записи преимущество в скорости будет у NAND. Но с другой стороны NAND сильно проигрывает в операции с произвольным доступом и не имеет возможности работать на прямую с байтами информации. В ситуации когда нужно изменить всего несколько бит, система вынуждена переписывать весь блок, а это если учитывать ограниченное число циклов записи, ведет к большому износу ячеек памяти.
Флэшка
USB-флеш-накопитель(флешка) — запоминающее устройство, использующее в качестве носителя флеш-память, и подключаемое к компьютеру или иному считывающему устройству по интерфейсу USB, пришедшее на замену флоппи-дискам.
Флеш-накопители USB обычно являются съёмными и перезаписываемыми, и физически намного меньше, чем оптический диск. Большинство весит менее 25 грамм. USB-накопители часто используются для тех же целей, для которых когда-то использовались гибкие диски или компакт-диски; то есть для хранения, резервного копирования данных и передачи компьютерных файлов. Они меньше, быстрее, имеют гораздо большую ёмкость и более прочны и надежны, потому что у них нет движущихся частей. Кроме того, они невосприимчивы к магнитным полям (в отличие от флоппи-дисков) и не подвергаются воздействию поверхностных царапин (в отличие от компакт-дисков).