Для чего нужна флеш память

Технологии флэш-памяти

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget — устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

Поскольку память с такой организацией считается первой представительницей семейства Flash, с нее и начнем. Схема логического элемента, собственно давшего ей название (NOR — Not OR — в булевой математике обозначает отрицание «ИЛИ»), приведена на рисунке.

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал — поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, — нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash, каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи — от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND — Not AND — в той же булевой математике обозначает отрицание «И». Отличается такая память от предыдущей разве что логической схемой.

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие — архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях 🙂 (а NOR — с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше — площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение — здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т. п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования — проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

И будет флэш…

Безусловно, флэш — перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas — флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC — error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек — это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит — электромагнитное, физическое (тряска и т. п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC — он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок — чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи — 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) — универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов — 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками — по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что — не взыщите 🙂 Надеюсь, материал был вам интересен.

Источник

Взгляд изнутри: Flash-память и RAM

Предисловие

Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям (1, 2, 3, 4). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.

Теоретическая часть

Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…

Какая память бывает?

На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.

Тут можно подробнее ознакомиться с ниже приведённой схемой и сравнением характеристик различных типов «твердотельной памяти». Или тут – жаль, что я был ещё ребёнком в 2003 году, в таком проекте не дали поучаствовать…

Современные типы «твердотельной памяти». Источник

Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах.

Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?

Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно подробная статья о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память (тут тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.

Схематическое представление транзистора с плавающим затвором. Источник

Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано тут. Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.

NB: «практически» — ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.

Там же, на ixbt, есть ещё одна статья, которая посвящена возможности записи на один транзистор с плавающим затвором нескольких бит информации, что существенно увеличивает плотность записи.

В случае рассматриваемой нами флешки память будет, естественно, NAND и, скорее всего, multi-level cell (MLC).

Если интересно продолжить знакомиться с технологиями Flash-памяти, то тут представлен взгляд из 2004 года на данную проблематику. А здесь (1, 2, 3) некоторые лабораторные решения для памяти нового поколения. Не думаю, что эти идеи и технологии удалось реализовать на практике, но, может быть, кто-то знает лучше меня?!

Что такое DRAM?

Если кто-то забыл, что такое DRAM, то милости просим сюда.

Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:

Устройство ячейки RAM. Источник

Опять-таки на ixbt есть неплохая статья, посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.

Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да, но всё-таки…

Часть практическая

Flash

Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:

Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти. Источник

Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы тут). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.

Корпус кварцевого генератора

Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:

Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита

А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:

Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий

Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.

После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:

«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)

Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый»
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:

Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.

В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Источник

Флэш-память: технология хранилища данных

Главная страница » Флэш-память: технология хранилища данных

Флэш-память (также известная как флэш-хранилище данных) — тип энергонезависимой памяти, поддерживающей функции очистки данных единицами, составляющими блоки. Такой блок, сохранённый на микросхеме флэш-памяти, удаляется до того момента, когда данные записываются (программируются) на микросхему. Каким образом технология хранилища помогает сохранять данные на протяжении длительного периода времени, независимо от включения/выключения флэш-устройства? Рассмотрим концепцию подробно с целью лучшего понимания функциональности.

Привычный потребительский спрос на Флэш-память

Частое применение флэш-памяти — использование в системах корпоративных серверов, хранилищах и сетевых технологиях, а также в широком спектре потребительских устройств. Давно привычными видятся, к примеру,

Так, твердотельные накопители, выстроенные на флэш-памяти типичного исполнения NAND, нередко используются для повышения производительности приложений, интенсивно использующих ввод-вывод. В свою очередь флэш-память типичного исполнения NOR традиционно используется для хранения управляющего кода, например, базовой системы ввода/вывода (BIOS) ПК.

Флэш-память активно используется для вычислений посредством оперативной памяти, что позволяет повысить производительность и масштабируемость систем, управляющих и анализирующих большие объёмы информации.

Изобретение технологии флэш-памяти

Впервые нечто подобное удалось изобрести учёному Фуджио Масуоке, который числился одним из ведущих сотрудников японской компании «Toshiba» в период 1980-х годов. Вместе с тем, соавтору изобретения Содзи Ариизуми приписывают появление термина «вспышка». Содзи Ариизуми разработал процесс стирания данных с полупроводникового чипа, объяснив этот процесс на примере вспышки фотокамеры.

Устройство цифрового исполнения, выполненное с применением модулей памяти типа Flash. Типичный пример современного электронного устройства широкого назначения

По сути, флэш-память берёт начало из принципов стираемых программируемых устройств EPROM, а также электрически стираемых модулей EEPROM. Флэш технически рассматривается вариантом EEPROM, но отрасль резервирует термин EEPROM для стираемой памяти на уровне байтов и применяет термин флэш-память к большей стираемой памяти на уровне блоков.

Устройства, использующие флэш-память, стирают данные на уровне блоков и перезаписывают данные на уровне байтов – «NOR Flash», или на уровне многобайтовых страниц – «NAND Flash». Флэш-память широко используется для хранения и передачи данных:

Как работает флеш-память?

Архитектура флэш-памяти содержит массив, укомплектованный большим количеством флэш-ячеек. Базовая ячейка флэш-памяти имеет накопительный транзистор с двумя затворами:

Последний в списке затвор, изолированный от остальной части транзистора тонким диэлектрическим материалом (оксидным слоем), хранит электрический заряд и контролирует поток электрического тока.

Электроны наполняют или освобождают зону плавающего затвора, что приводит к изменению порога напряжения накопительного транзистора. Изменением напряжения определяется статус программирования ячейки (ноль или единица).

Процесс туннелирования Фаулера-Нордхайма

Процесс, именуемый туннелированием Фаулера-Нордхайма, освобождает от электронов зону плавающего затвора. Добавление и удержание электронов в зоне плавающего затвора осуществляется процессом туннелирования Фаулера-Нордхайма, либо явлением, именуемым канальная инжекция горячих электронов.

Рабочая архитектура ячейки с плавающим затвором: 1 – управляющий затвор; 2 – плавающий затвор; 3 – канал; 4 – подзатворная оксидная плёнка; 5 – надканальная оксидная плёнка; 6 – исток; 7 – сток; 8 – подложка (основание)

Туннелированием Фаулера-Нордхайма данные стираются через сильный отрицательный заряд, присутствующий на управляющем элементе. Это заставляет электроны транспортироваться через канал, где существует сильный положительный заряд.

Обратное явление происходит при использовании туннелирования Фаулера-Нордхайма для захвата электронов в зоне плавающего затвора. Электронам удаётся прорываться через тонкий оксидный слой к плавающему затвору в присутствии сильного электрического поля. Способствует этому сильный отрицательный заряд истока и стока транзистора, а также сильный положительный заряд управляющего затвора.

Канал инжекции «горячих» электронов (инжекция «горячих» носителей) позволяет электронам прорваться через оксид затвора и менять пороговое напряжение плавающего затвора. Этот прорыв происходит, когда электроны получают достаточное количество энергии по причине высокого тока канала и заряда управляющего затвора.

Электроны перетекают в зону плавающего затвора независимо от того, получает ли устройство, содержащее элемент флэш-памяти, питание в результате электрической изоляции, создаваемой оксидным слоем. Эта характеристика позволяет флэш-памяти обеспечивать постоянное хранение информации.

Процесс туннелирования Фаулера-Нордхайма: 1 – строго негативный (отрицательный) потенциал; 2 – строго позитивный (положительный) потенциал; 3 – переход электронов через туннельный оксидный слой; 4 – строго негативный (отрицательный) потенциал

Ячейки EPROM и EEPROM работают аналогично флэш-памяти в плане записи (программирования) данными, но отличаются от флэш-памяти тем, как стираются записанные данные. EPROM стирается посредством ультрафиолетового излучения. ЭСППЗУ стирает данные в электронном виде на уровне байтов, тогда как флэш-память стирает электростатические данные на уровне блоков.

Флэш-память типа NOR и NAND

Существует два типа флэш-памяти:

Оба типа — NOR и NAND, отличаются архитектурой и конструктивными характеристиками. Тип исполнения NOR Flash не использует общие компоненты и поддерживает параллельное подключение отдельных ячеек памяти, обеспечивая произвольный доступ к данным. Ячейка флэш-памяти NAND более компактна, имеет меньше разрядных линий, соединяющих транзисторы с плавающим затвором, что приводит к увеличению плотности сохраняемых данных.

Типовое исполнение NAND лучше всего подходит для последовательного, но не произвольного доступа к данным. Геометрия процесса флэш-памяти NAND разрабатывалась в ответ на достижение планарной шкалой NAND своего практического предела масштабирования. При чтении данных флэш-память типа NOR работает быстрее, но при стирании и записи отмечается существенное замедление по сравнению с типом NAND.

Канал «горячих» электронных инъекций (алгоритм построения): 1 – заряд высокого уровня; 2 – привлечение заряда; 3 – частичное «испарение» электронов и дрейф в зону затвора

Типовое исполнение NOR Flash программирует данные на уровне байтов. Типовое исполнение NAND Flash программирует данные страницами, которые по размеру больше байтов, но меньше блоков. Так, размер страницы обычно составляет 4 килобайта (КБ), тогда как размер блока варьируется от 128 до 256 КБ или мегабайт. Приложениями интенсивной записи вспышка NAND потребляет меньше энергии, чем вспышка NOR.

Флэш-память NOR более дорогая в производстве по сравнению с флэш-памятью NAND. Как правило, эта технология используется в основном на уровне бытовых встраиваемых устройств под загрузку, а также в приложениях только для чтения сохранённого кода. Между тем флэш-память NAND больше подходит для хранения данных на бытовых устройствах, а также на корпоративных серверах и в системах хранения, благодаря:

Бытовые современные устройства, например, телефоны с фотокамерой, поддерживают использование как NOR Flash, так и NAND Flash, в дополнение к другим технологиям памяти, чем обеспечивают лучшее выполнение кода и надёжное хранение данных.

Архитектура строения флэш-памяти

Традиционно флэш-память организована на кремниевой подложке (исполнение SSD). По сути, это твердотельные устройства, широко используемые, как в бытовой электронике, так и в корпоративных системах хранения данных. Существует три форм-фактора SSD, которые были определены Инициативой по твердотельному хранилищу:

Взаимное соответствие интерфейсов стандартного жёсткого диска HDD и накопителя на основе Flash позволяет решать задачи оперативной перестановки оборудования

Дополнительной подкатегорией является гибридный жесткий диск, который сочетает в себе обычный жесткий диск с флэш-модулем NAND. Гибридный жесткий диск обычно рассматривается как способ преодоления разрыва между вращающимися носителями и флэш-памятью.

Массив All-Flash и гибридная флэш-память

Появление флэш-памяти способствовало появлению массивов, полностью организованных на флэш-памяти. Эти системы содержат исключительно твердотельные накопители.

Массивы All-Flash предлагают преимущества в производительности, обещают снижение эксплуатационных расходов по сравнению с дисковыми массивами хранения. Основное отличие All-Flash заключается в базовой физической архитектуре, используемой для записи данных на запоминающее устройство.

Массивы на основе жестких дисков имеют приводной рычаг, благодаря которому происходит запись данных определенного блока в определённом секторе на диске. Системы флэш-памяти не требуют движущихся частей для записи данных. Записи производятся непосредственно во флэш-память, а пользовательское программное обеспечение обрабатывает данные.

Гибридный флэш-массив объединяет диски и твердотельные накопители. Гибридные массивы используют устройства SSD в качестве кэша для ускорения доступа к часто запрашиваемым горячим данным, которые впоследствии перезаписываются на внутренний диск. Многие предприятия обычно архивируют данные с диска по мере старения накопителя, реплицируя эти данные во внешнюю библиотеку магнитных лент.

Лента Flash plus, также известная как Flape, описывает тип многоуровневого хранилища, в котором первичные данные во флэш-памяти одновременно записываются в линейную ленточную систему.

Наглядный пример организации системного хранилища на основе оборудования класса «All-Flash». Низкие эксплуатационные расходы и высокая производительность

Помимо массивов флэш-памяти, возможность вставлять твердотельные накопители в серверы на базе x86 повышает популярность технологии. Эта схема называется флэш-памятью на стороне сервера и позволяет компаниям обходить ограничения поставщика, связанные с приобретением дорогих и интегрированных массивов флэш-памяти.

Недостаток размещения флэш-памяти на сервере заключается в том, что заказчикам необходимо создавать аппаратную систему внутри компании, включая покупку и установку стёка программного обеспечения для управления хранением у стороннего поставщика.

Плюсы и минусы технологии флэш-памяти

Flash является наименее дорогой формой полупроводниковой памяти. В отличие от динамического оперативного запоминающего устройства (DRAM) и статического ОЗУ (SRAM), флэш-память:

Кроме того, типовое исполнение NOR Flash, к примеру, поддерживает быстрое случайное чтение, в то время как NAND Flash обеспечивает быстрое последовательное чтение и запись.

SSD с чипами флэш-памяти NAND обеспечивает значительно более высокую производительность, чем традиционные магнитные носители — жёсткие диски и магнитная лента. Флэш-накопители также потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла, чем жёсткие диски. Корпоративные системы хранения, оснащённые флэш-накопителями, имеют низкую задержку (измеряется в микросекундах или миллисекундах).

Основными недостатками флэш-памяти являются механизм износа и межклеточные помехи по мере уменьшения размеров матриц. Проявляются дефекты бит, связанные с чрезмерно большим числом циклов программирования / стирания.

В конечном итоге разрушается оксидный слой, улавливающий электроны. Ухудшение структуры способно искажать установленное изготовителем пороговое значение, при котором определяется статус заряда (нуль или единица). Возможны блокирования электронов внутри оксидного изоляционного слоя, что также приводит к ошибкам.

Типовое исполнение флэш-памяти NAND

Производители полупроводниковых флэш-накопителей NAND разработали различные типы памяти, подходящие для широкого спектра случаев использования данных.

Следующая таблица представляет различные типы флэш-памяти NAND:

Типичное исполнение флэш-памяти NOR

Два основных типа флэш-памяти NOR делятся на устройства, имеющие:

Типичное исполнение NOR Flash изначально предлагалось только с параллельным интерфейсом. Архитектура параллельных NOR модулей предлагает высокую производительность, безопасность и дополнительные функции. Основное использование таких устройств отмечается для нужд:

Ячейки таких NOR Flash соединены параллельно для произвольного доступа. Конфигурация предназначена для случайного чтения, связанного с инструкциями микропроцессора, а также для выполнения кодов, используемых в портативных электронных устройствах, почти исключительно из потребительского разнообразия.

Флэш-память NOR Flash с последовательным интерфейсом имеет меньшее количество выводов и более компактную упаковку, что делает этот вариант менее дорогим, чем параллельный. Варианты использования для последовательной вариации NOR включают:

Будущее коммерческого рынка флэш-памяти

Рынок флэш-памяти продолжает рассматривать прогрессивные изменения форм-фактора и вариантов развёртывания. Поставщики массивов хранения добавляют поддержку интерфейса контроллера энергонезависимой памяти (NVMe). Речь идёт о протоколе, который ускоряет передачу данных между клиентскими системами и флэш-хранилищем. Хост-контроллер NVMe использует быстродействующую шину PCIe.

Использование шины PCIe позволяет приложению напрямую обмениваться данными с флэш-хранилищем, уменьшая скачки в сети, которые могут возникнуть с адаптерами и маршрутизаторами главной шины. Интерфейс PCIe обеспечивает появление дисков, основанных на спецификации NVMe, предоставляя альтернативу, которая, по мнению экспертов, может заменить форм-факторы 2,5 и 3,5 дюйма. Твердотельные накопители NVMe подключаются к незанятым слотам сервера на компьютере, что снижает стоимость и сложность транспортировки, связанные с кабельными сетями.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Источник