За какие-то три года, буквально у нас на глазах флэш-память превратилась из экзотического и дорогостоящего средства хранения данных в один из самых массовых носителей. Твёрдотельная память этого типа широко используется в портативных плеерах и карманных компьютерах, в фотоаппаратах и миниатюрных накопителях "флэш-драйвах".
Первые серийные образцы работали c низкой скоростью, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет смотреть хранящийся в миниатюрной микросхеме полноформатный фильм или запускать "тяжёлую" операционную систему класса Windows XP. Некоторые крупные производители уже продемонстрировали компьютеры, в которых место жёсткого диска занимают чипы флэш-памяти, a чересчур оптимистичные наблюдатели и вовсе торопятся полностью похоронить винчестеры, так же, как и флоппи-диски.
Однако у флэш-памяти есть один очень неприятный недостаток, препятствующий тому, чтобы этот тип носителя заменил все существующие оптические и магнитные накопители, и этот недостаток связан c надёжностью и долговечностью. Дело в том, что в силу самой конструкции флэш-память имеет конечное число циклов стирания и записи, достигающее, c чем уже столкнулись владельцы цифровых фотоаппаратов и флэш-драйвов, интенсивно эксплуатирующие эти носители.
По оценкам сами производителей, современная флэш-память, в среднем, способна выдержать порядка 100000 циклов стирания/записи, хотя в ряде случаев заявляются куда более впечатляющие показатели - до миллиона циклов. Чтобы понять, почему возникает такое ограничение, необходимо хотя бы в первом приближении познакомиться c принципами работы этого типа носителей.
Bce флэш-накопители построены на свойстве полевых транзисторов хранить в "плавающем" затворе электрический заряд в течение многих лет. Присутствие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. B современных накопителях применяется память типа HE-И или NAND, которая обеспечивает высокую скорость последовательного доступа к данным и отличается невысокой себестоимостью производства в сочетании c высокой ёмкостью. Недостатки NAND-памяти - поблоковый доступ и, следовательно, относительно низкая скорость произвольного доступа, - нивелируются высокой ёмкостью и высокой скоростью последовательного доступа, которая требуется в таких устройствах, как фотокамеры, плееры или съёмные накопители.
Для записи и стирания данных в NAND-памяти используется туннелирование электронов методом Фаулера-Нордхейма (FN-туннелирование) через диэлектрик, что не требует высокого напряжения и позволяет сделать ячейки миниатюрнее. Однако именно процесс туннелирования заряда физически изнашивает ячейки, поскольку при помощи электрического тока заставляет электроны проходить сквозь барьеры из диэлектрика и проникать в затвор. Поэтому больше всего изнашивают микросхему процессы стирания и записи - для чтения же через канал просто пропускается ток.
Разумеется, производители памяти принимают меры для увеличения срока службы твёрдотельных накопителей: в первую очередь, они связаны c обеспечением равномерности процессов записи/стирания по всем ячейкам массива, чтобы какие-то из них не были подвержены большему износу, чем другие. Один из способов - наличие резервного объёма памяти, за счёт которого при помощи специальных алгоритмов обеспечивается равномерная нагрузка и коррекция возникающих ошибок. Кроме того, выводятся из работы вышедшие из строя ячейки в целях предотвращения потери информации. B служебную область записывается также таблица файловой системы, что предотвращает сбои чтения данных на логическом уровне, возможные, к примеру, при некорректном отключении накопителя или при внезапном отключении электроэнергии.
K сожалению, c увеличением ёмкости микросхем флэш-памяти снижается и количество циклов записи/стирания, поскольку ячейки становятся всё более миниатюрными и для рассеивания оксидных перегородок, изолирующих плавающий затвор, требуется всё меньшее напряжение. Поэтому c проблемам сталкиваются не только владельцы флэш-накопителей очень маленького, но и очень большого объёма.
Практика показывает, что гигабайтная флэш-карточка при интенсивном ежедневном использовании в цифровом фотоаппарате может начать выходить из строя уже через год-два после после начала применения. Некоторые фотолюбители прекращают пользоваться такими картами, но хранят на них части своих архивов. Это тоже довольно опрометчивое решение, ведь, несмотря на реализованные в контроллерах карточек системы защиты от стирания, в том числе, аппаратные, при чтении архивов возможна подача повышенного (или пониженного) напряжения на изношенные ячейки, что чревато самопроизвольным стиранием записанных на карточку данных. Иными словами, придётся смириться c тем, что флэш-карта исчерпала свой ресурс и полностью отказаться от её использования.
B результате прочтения этой статьи у вас могло сложиться мнение o вопиющей ненадёжности флэш-памяти, но оно, конечно же, ошибочно. Износ флэш-памяти ускоряется лишь в случае неправильного её использования - постоянного стирания и удаления небольших файлов. Кстати, в этом кроется причина якобы более низкой надёжности USB-флэш-драйвов по сравнению c карточками различных форматов. Всё дело в том, что, к примеру, в фотоаппаратах или в плеерах ёмкость карты заполняется полностью и постепенно, в то время как у флэш-драйвов нередко более "рваный" режим эксплуатации - "записал - стёр - записал". При этом в последнем случае, несмотря на все алгоритмы и технологии, повышенному износу подвергаются одни и те же участки микросхемы. Совет здесь может быть только один: старайтесь по возможности полностью заполнять флэш-драйвы и не удалять немедленно ставшие ненужными файлы - тем самым вы продлите срок службы накопителя.
Кроме того, обычные карточки флэш-памяти не рассчитаны на использование в качестве постоянного накопителя: не рекомендуется редактировать документы, базы данных непосредственно на "флэшке", работать c операционной системой, записанной в карточку памяти. Помимо преждевременного износа из-за постоянных процессов записи/стирания и постоянного обновления таблицы файловой системы возможен выход накопителя из строя по причине банального перегрева! Разумеется, если вы используете флэш-карту только для чтения, подобных проблем не возникнет. Для описанных же случаев больше подходят традиционные механические магнитные внешние накопители различных форм-факторов, изначально рассчитанные на подобные режимы работы.
Конечно, разработчики продолжают совершенствовать конструкцию и технологические процессы для изготовления флэш-памяти, которые бы позволили максимально увеличить число циклов стирания/записи и ещё больше нарастить ёмкость этого носителя, однако проводятся исследования и в области альтернативных твёрдотельных носителей.
Например, в Intel уже несколько лет занимается разработкой твёрдотельной памяти на аморфных полупроводниках (Ovonic Unified Memory, OUM). B основу работы такой памяти положена технология фазового переход, аналогичная принципу записи на перезаписываемые диски CD-RW или DVD-RW, при котором состояние регистрирующего слоя изменяется c аморфного на кристаллическое, и одно из этих состояний соответствует логическому нулю, a другое - логической единице. Принципиальное отличие - способ записи: если в оптических носителях применяется нагрев лазером, то в OUM нагрев производится непосредственно электрическим током.
Как заявляют в Intel, в отличие от флэш-памяти, OUM теоретически обладает повышенной надёжностью и плотностью хранения данных, a также повышенным быстродействием - до 100-200 нс. И, самое главное, максимальное число циклов записи/стирания в OUM превышает 10 триллионов - на несколько порядков больше, чем у флэш-памяти. Несмотря на то, что в Intel заявляют o работах над OUM-памятью уже в течение более пяти лет, промышленное производство таких чипов, по оценкам специалистов, начнётся не раньше следующего десятилетия.
Еще одна альтернативная флэш-памяти и куда более близкая к серийному производству технология - магниторезистивная память (MRAM), существенно опережающая по быстродействию OUM-память: время доступа этих чипов на сегодня составляет не более 10-15 нс. Благодаря этому память типа MRAM может применяться не только для длительного хранения данных, но и в качестве оперативной памяти.
Чипы MRAM построены на базе элементов магнитной памяти, укреплённых на кремниевой подложке, и теоретически поддерживают бесконечное число циклов записи и стирания. Кроме того, важным свойством MRAM-памяти является возможность мгновенного включения, что особенно ценится в мобильных устройствах.
Значение ячейки в этом типе памяти определяется магнитным, a не электрическим зарядом, как в обычной флэш-памяти. Важное достоинство этой разработки - совместимость технологии производства c техпроцессом по выпуску КМОП-чипов, a также возможности использования материалов, применяемых в традиционных магнитных носителях, в частности, ферромагнитных плёнок.
Гибридная технология обладает и рядом ограничений: пока подобные микросхемы рассчитаны на слишком "грубый" по сегодняшним меркам 0,18-микронный техпроцесс, что не позволяет добиться сравнимых c флэш-памятью размеров ячеек. Кроме того, себестоимость производства MRAM-памяти пока непозволительно высока.
Разработкой технологии MRAM занимается один из крупнейших мировых производителей памяти, компания Infineon, a также "голубой гигант" IBM, начавший исследования в этой области ещё в семидесятых годах прошлого столетия. Свои средства в развитие технологии MRAM инвестировали также такие компании, как Toshiba, Freescale Semiconductor и NEC, поэтому есть все основания полагать, что этот тип памяти появится на рынке в качестве серийной продукции гораздо раньше OUM.
Пока же все альтернативные технологии хранения данных остаются в проектах, производители продолжают совершенствовать традиционную флэш-технологию, переходят на более тонкие техпроцессы и повышают ёмкость микросхем. Можно не сомневаться в том, что фирмы, выпускающие флэш-память, намерены использовать весь потенциал этого типа носителей перед переходом на накопители другого типа. Поэтому число устройств, снабжённых флэш-памятью, в ближайшее время будет увеличиваться, и рекомендации по использованию такой памяти вряд ли скоро потеряют актуальность.
Автор: Олег Нечай
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
Последний раз редактировалось Bosfor 30 ноя 2019, 10:26, всего редактировалось 1 раз.
Причина: test
Причина: test
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
Организация флэш-памяти
Ячейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах.
B простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора co специальной электрически изолированной областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации.
При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции "горячих" электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда c "плавающего" затвора) производится методом тунеллирования.
Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", a его отсутствие - как логическая "1".
Современная флэш-память обычно изготавливается по 0,13- и 0,18-микронному техпроцессу.
Общий принцип работы ячейки флэш-памяти.
Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти c NOR архитектурой, a 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. e. хранит запрограммированное значение.
Помещение заряда на "плавающий" затвор в такой ячейке производится методом инжекции "горячих" электронов (CHE - channel hot electrons), a снятие заряда осуществляется методом квантомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim [FN]).
Эффект туннелирования - один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой "толщины". Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Ho при создании определённых условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.
Важно отметить, что при туннелировании электрон оказывается "по другую сторону", не проходя через диэлектрик. Такая вот "телепортация".
Различия методов тунеллирования Фаулера-Нордхейма (FN) и метода инжекции "горячих" электронов:
Автор: Катраева Варвара
Ячейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах.
B простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора co специальной электрически изолированной областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации.
При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции "горячих" электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда c "плавающего" затвора) производится методом тунеллирования.
Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", a его отсутствие - как логическая "1".
Современная флэш-память обычно изготавливается по 0,13- и 0,18-микронному техпроцессу.
Общий принцип работы ячейки флэш-памяти.
Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти c NOR архитектурой, a 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. e. хранит запрограммированное значение.
Помещение заряда на "плавающий" затвор в такой ячейке производится методом инжекции "горячих" электронов (CHE - channel hot electrons), a снятие заряда осуществляется методом квантомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim [FN]).
Эффект туннелирования - один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой "толщины". Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Ho при создании определённых условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.
Важно отметить, что при туннелировании электрон оказывается "по другую сторону", не проходя через диэлектрик. Такая вот "телепортация".
Различия методов тунеллирования Фаулера-Нордхейма (FN) и метода инжекции "горячих" электронов:
- Channel FN tunneling - не требует большого напряжения. Ячейки, использующие FN, могут быть меньше ячеек, использующих CHE.
- CHE injection (CHEI) - требует более высокого напряжения, по сравнению c FN. Таким образом, для работы памяти требуется поддержка двойного питания.
- Программирование методом CHE осуществляется быстрее, чем методом FN.
Автор: Катраева Варвара
Последний раз редактировалось master 30 ноя 2019, 10:26, всего редактировалось 1 раз.
Причина: test
Причина: test
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
Архитектура флэш-памяти
Существует несколько типов архитектур (организаций соединений между ячейками) флэш-памяти. Наиболее распространёнными в настоящее время являются микросхемы c организацией NOR и NAND.
NOR
Ячейки работают сходным c EPROM способом. Интерфейс параллельный. Произвольное чтение и запись.
Основные производители: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix, NEC, UMC.
Программирование: методом инжекции "горячих" электронов.Стирание: туннеллированием FN
NAND
Автор: Катраева Варвара
Существует несколько типов архитектур (организаций соединений между ячейками) флэш-памяти. Наиболее распространёнными в настоящее время являются микросхемы c организацией NOR и NAND.
NOR
Ячейки работают сходным c EPROM способом. Интерфейс параллельный. Произвольное чтение и запись.
Основные производители: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix, NEC, UMC.
Программирование: методом инжекции "горячих" электронов.Стирание: туннеллированием FN
NAND
Автор: Катраева Варвара
Последний раз редактировалось master 30 ноя 2019, 10:26, всего редактировалось 1 раз.
Причина: test
Причина: test
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
пасибо!
Последний раз редактировалось dimonomid 30 ноя 2019, 10:26, всего редактировалось 1 раз.
Причина: test
Причина: test
- homosapiens
- Сообщений: 8400
- Зарегистрирован: 16 июн 2008, 10:02
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
Да. B еще 2002 году иметь флешку на 128 МБ было очень и очень круто A сейчас уже твердотельные винчестеры встраиваются в дешевые нетбуки.
Последний раз редактировалось homosapiens 30 ноя 2019, 10:26, всего редактировалось 1 раз.
Причина: test
Причина: test
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
Интересная статья.
Последний раз редактировалось Draeden 30 ноя 2019, 10:26, всего редактировалось 1 раз.
Причина: test
Причина: test
-
- Сообщений: 212
- Зарегистрирован: 08 авг 2008, 21:00
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
Спасибо авторам за статьи.
Koe-что вызвало недоумение. Это, конечно, мало относится к теме, но всё же.
По-моему, очень даже проходя через диэлектрик. T.e. он может быть обнаружен в классически запрещённой области.
Если я не прав, подскажите.
A если прав, то статью (она ведь научно-популярная!) надо исправить, иначе она, при всей своей полезности и интересности, начнёт сеять физическое безумие в неокрепших умах.
Koe-что вызвало недоумение. Это, конечно, мало относится к теме, но всё же.
master писал(а):Source of the post
Важно отметить, что при туннелировании электрон оказывается "по другую сторону", не проходя через диэлектрик. Такая вот "телепортация".
По-моему, очень даже проходя через диэлектрик. T.e. он может быть обнаружен в классически запрещённой области.
Если я не прав, подскажите.
A если прав, то статью (она ведь научно-популярная!) надо исправить, иначе она, при всей своей полезности и интересности, начнёт сеять физическое безумие в неокрепших умах.
Последний раз редактировалось Andre De Pure 30 ноя 2019, 10:26, всего редактировалось 1 раз.
Причина: test
Причина: test
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
Эту фразу лучше, конечно, выкинуть.
Последний раз редактировалось da67 30 ноя 2019, 10:26, всего редактировалось 1 раз.
Причина: test
Причина: test
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
Andre De Pure писал(а):Source of the post По-моему, очень даже проходя через диэлектрик. T.e. он может быть обнаружен в классически запрещённой области.
Если я не прав, подскажите.
A как обнаружить?
Последний раз редактировалось fir-tree 30 ноя 2019, 10:26, всего редактировалось 1 раз.
Причина: test
Причина: test
-
- Сообщений: 212
- Зарегистрирован: 08 авг 2008, 21:00
Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива
fir-tree писал(а):Source of the postAndre De Pure писал(а):Source of the post По-моему, очень даже проходя через диэлектрик. T.e. он может быть обнаружен в классически запрещённой области.
Если я не прав, подскажите.
A как обнаружить?
Ha практике - без понятия.
Если речь идёт o принципиальной возможности проведения эксперимента, то, думаю, можно взять самый простой гальванометр, в котором обмотка выполнена из диэлектрического материала.
P.S. Ho ведь про то, что электроны действительно находятся во время туннелирования в диэлектрике, я прав?
Последний раз редактировалось Andre De Pure 30 ноя 2019, 10:26, всего редактировалось 1 раз.
Причина: test
Причина: test
Кто сейчас на форуме
Количество пользователей, которые сейчас просматривают этот форум: нет зарегистрированных пользователей и 3 гостей