Физика ФЛЭШ накопителей и их перспекива

Bosfor · Сообщение **Bosfor** » 28 июн 2006, 08:36

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

master · Сообщение **master** » 29 июн 2006, 16:32

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]).

Код: Выбрать все

<table><tr><td><br /></td></tr><tr><td><br /></td><td><img alt="" border="0" height="140" src="http://stud.ibi.spb.ru/katraeva/img/1.gif" width="300" /></td><td><br /></td><td><~text text="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."></~text></td><td><br /></td></tr><tr><td><br /></td></tr><tr><td><br /></td><td><~text text="Наличие заряда на "плавающем" затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает."></~text></td><td><br /></td><td><img alt="" border="0" height="140" src="http://stud.ibi.spb.ru/katraeva/img/2.gif" width="300" /></td><td><br /><br /></td></tr><tr><td><br /></td></tr><tr><td><br /></td><td><img alt="" border="0" height="220" src="http://stud.ibi.spb.ru/katraeva/img/3.gif" width="271" /></td><td><br /></td><td><~text text="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 вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют "горячими" за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика."></~text></td><td><br /><br /></td></tr><tr><td><br /></td></tr><tr><td><br /></td><td><~text text="При стирании высокое напряжение подаётся на исток. Ha управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток."></~text></td><td><br /></td><td><img alt="" border="0" height="201" src="http://stud.ibi.spb.ru/katraeva/img/4.gif" width="300" /></td><td><br /></td></tr><tr><td><br /></td></tr></table>

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

master · Сообщение **master** » 29 июн 2006, 17:11

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

dimonomid · Сообщение **dimonomid** » 30 янв 2009, 13:55

пасибо!

homosapiens · Сообщение **homosapiens** » 30 янв 2009, 17:12

Да. B еще 2002 году иметь флешку на 128 МБ было очень и очень круто A сейчас уже твердотельные винчестеры встраиваются в дешевые нетбуки.

Draeden · Сообщение **Draeden** » 30 янв 2009, 17:32

Интересная статья.

Andre De Pure

Спасибо авторам за статьи.

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.

da67 · Сообщение **da67** » 31 янв 2009, 14:12

Эту фразу лучше, конечно, выкинуть.

fir-tree · Сообщение **fir-tree** » 31 янв 2009, 15:42

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?

Andre De Pure

fir-tree писал(а):Source of the post
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?

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?

yourdomain.com