Флэш-память (она же флеш-память, или flash memory) стала типовым устройством хранения данных практически во всех современных переносных и носимых устройствах, включая мобильные (сотовые) телефоны, музыкальные плееры, смартфоны, планшетные ПК, нетбуки, ноутбуки и т.д. Этот же тип памяти практически полностью завоевал и область бытовой/промышленной электроники: если телевизор "запоминает" номер программы и пользовательские параметры настройки даже после отключения от электрической розетки, значит в нем обязательно присутствует микросхема флэш-памяти. Еще одной областью применения флэш-памяти являются внешние устройства хранения: карты памяти всех видов и типов; накопители SSD (Solid State Disk, твердотельные диски) моделирующие работу обычных жестких дисков на основе микросхем флэш-памяти вместо магнитных пластин; а также всевозможные USB-диски (флэшка, флешка, флэш-накопитель, флэш-драйв и еще, наверное, два десятка чуть менее популярных названий как на русском, так и на английском языке).
Несколько типов карт памяти. Все они содержат внутри микросхему флэш-памяти (источник: Wikipedia).
Однако, несмотря на глобальное применение, флэш-память имеет специфические особенности, которые вполне можно назвать странностями. Наверное, об этом будет полезно знать любому владельцу мобильного телефона или любого другого современного "гаджета".
Дальнейшим развитием ПЗУ стала память PROM (Programmable Read-Only Memory, программируемая память "только чтение"), в которой запись в память (т.е. запись в эту память программы - программирование) производилась уже после выпуска микросхемы заводом-изготовителем. Сам процесс программирования (записи) производился в специальных устройствах - программаторах, поскольку для записи ячейки памяти требовалось более высокое напряжение, чем при считывании данных.
Достаточно быстро появилась потребность не только в однократной записи (программировании) ПЗУ, но и перепрограммировании (перезаписи) - появилась память EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory, стираемая/перезаписываемая программируемая память "только чтение").
Все современные USB-накопители используют флэш-память в качестве устройства хранения информации .
Если операции чтения и программирования (записи) ПЗУ незначительно изменились за последние 50 лет, то операция стирания (erase) памяти EPROM преобразована радикально. Дело в том, что перед записью новой информации в уже записанную ячейку памяти необходимо предварительно вернуть эту ячейку в "исходное" состояние, т.е. выполнить стирание. Сначала стирание проводили в специальных ультрафиолетовых "печках": на микросхеме UV EPROM (программируемая память "только чтение" с ультрафиолетовым стиранием) было специальное окошко из кварцевого стекла для освещения микросхемы УФ-лучами, затем научились стирать ПЗУ повышенным напряжением, т.е. стирание стало "электрическим", а ПЗУ стали называть памятью EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, электрически стираемая память "только чтение"). Далее отказались от программаторов, поскольку появились миниатюрные преобразователи DC-DC и программирование ПЗУ стало возможным без извлечения микросхемы ПЗУ из устройства - именно так сегодня программируются ПЗУ сотовых телефонов (обновляется их прошивка; кстати, слово "прошивка" сохранилось еще со времен магнитных сердечников, которые действительно прошивали проволокой: либо сквозь сердечник, либо проволока обходит сердечник).
И все бы было хорошо, но скорость стирания ЕEPROM на порядок превосходила скорости выполнения других операций с этой памятью, поэтому в качестве ПЗУ для хранения программ к ЕEPROM не было никаких претензий (можно немного подождать при обновлении прошивки), но эту память никто не представлял себе в качестве внешнего устройства хранения, способного заменить жесткие диски, гибкие диски (дискеты) и оптические диски. Решение проблемы оказалось настолько простым, что вполне может считаться "детским" - именно оно привело к появлению флэш-памяти. Однако предварительно нужно познакомиться с основами хранения информации в современной блочной памяти EEPROM, которую называют флэш-памятью.
Ячейкой флэш-памяти служит транзистор FG FET, отличающийся от обычного полевого транзистора дополнительной областью - изолированным затвором, не имеющим электрического контакта ни с одним из выводов транзистора и поэтому сохраняющим заряд неограниченно долгое время даже при отключении электропитания.
Электрическое поле между основным (управляющим, программирующим) затвором (Control Gate) и подложкой (Substrate) может полностью запереть транзистор, то есть закрыть канал между истоком (Source) и стоком (Drain), либо полностью открыть транзистор, то есть открыть канал между истоком и стоком. Поскольку управление транзистором производится электрическим полем, транзисторы такого типа названы полевыми. Кроме того, не существует никаких различий между истоком и стоком, и поэтому эти транзисторы также называют униполярными. Однако при определенных условиях можно сформировать заряд в специальной изолированной области между каналом и управляющим затвором. Эта область называется изолированным затвором (Floating Gate). Она не имеет внешних выводов и не подключена к электрическим цепям. Заряд на изолированном затворе препятствует воздействию основного поля управляющего затвора на канал, а отсутствие заряда разрешает обычный режим транзистора. Изолированный затвор потому и называется изолированным (а вовсе не "плавающим"), ведь он позволяет сохранять заряд даже при выключенном питании, поэтому память на основе транзисторов FG (MOS)FET является энергонезависимой (nonvolatile). Транзистор этого вида служит отдельной ячейкой EEPROM (а также флэш-памяти).
Наличие или отсутствие заряда на изолированном затворе можно интерпретировать как два различных состояния, то есть транзистор может стать ячейкой памяти для хранения одного бита информации. Итак, основной затвор служит для выборки ячейки памяти среди нескольких ячеек, подключенных к одной линии данных (адресация), а заряд или его отсутствие на изолированном затворе определяет состояние ячейки памяти.
Проникновение электронов сквозь слой диэлектрика в изолированный затвор объясняется тем, что при достаточно высоком напряжении проявляется волновая природа электронов, позволяющая просачиваться (перескакивать) через потенциальный барьер диэлектрика, что и называется туннельным переходом. Обычно для записи требуется 20 В, хотя для чтения достаточно 5 В.
Однако все достоинства (и главное из них - энергонезависимость) памяти EEPROM (или E2PROM) перечеркивались слишком большим временем на разряд (стирание) изолированного затвора (электронам приходится "перескакивать" обратно через слой диэлектрика): в старых микросхемах флэш-памяти на программирование (заряд) уходило примерно 1 мс, а на стирание (разряд) примерно 1 с (в тысячу раз больше).
В современной флэш-памяти групповой принцип используется не только для стирания, но и для записи: запись ведется страницами (размером от 512 байт до 4К), а стирание - группой (блоком) таких страниц любого размера, необходимого для проведения последующей записи.
Сотрудник компании Toshiba Фуджио Масуока еще в 1980 г. от собственного имени подал заявку на патент, суть которого состояла в одновременном блочном обслуживании страниц памяти, что впоследствии и было названо технологией флэш. Родная компания не препятствовала работе своего сотрудника по этой теме, но и не уделяла этому никакого внимания, полностью сосредоточившись на новых разработках микросхем обычной оперативной памяти DRAM. Поэтому только через четыре года (в 1984 г.) Фуджио Масуока смог представить первый прототип флэш-памяти на Международной конференции разработчиков электроники (International Electronics Developers Meeting) в г. Сан-Диего (США). Американские компании правильно оценили потенциал этой работы и немедленно обратились в Toshiba с предложениями о сотрудничестве. Компания Toshiba опять не придала этому никакого значения, хотя и выделила в помощь Масуока примерно 5 сотрудников на неполный рабочий день (все они скрупулезно перечислены в официальной истории по версии Toshiba [9]). В это же время Intel полностью прекратила все работы по UV-EEPROM, и около 300 инженеров немедленно были привлечены к разработке в неожиданно открывшейся новой области. Поэтому Intel обогнала Toshiba и первой выпустила в 1988 г. кристалл флэш-памяти типа NOR. На следующий год флэш-микросхему NAND показала и Toshiba.
Существуют разные мнения об интерпретации первого патента Масуока: была ли это память NOR, NAND или общий принцип обеих разновидностей. Однако Американский институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) в 1997 г. наградил Фуджио Масуока почетной премией им. Морриса Н. Либмана (Morris N. Liebman Memorial Award) именно как создателя флэш-памяти. Более того, долгое время от первенства в области флэш-памяти отказывались как Toshiba, так и Intel (поскольку Intel быстрее вышла на этап производства, но Toshiba первой начала реальные продажи). В Toshiba работу над NAND оценили в несколько сотен долларов в виде премии для Масуока (когда японская пресса назвала новую память наиболее выдающимся техническим достижением 1988 г.) и периодически пытались отстранить его от дальнейших исследований. В 1994 г. Фуджио Масуока покинул Toshiba и занял кафедру в одном из провинциальных японских университетов. К чести Toshiba, следует признать, что данная история послужила хорошим уроком, и теперь эта корпорация в приказном порядке финансирует и выделяет время для любых внеплановых разработок своих сотрудников.
Подробнее о флэш-памяти....
Несколько типов карт памяти. Все они содержат внутри микросхему флэш-памяти (источник: Wikipedia).
Однако, несмотря на глобальное применение, флэш-память имеет специфические особенности, которые вполне можно назвать странностями. Наверное, об этом будет полезно знать любому владельцу мобильного телефона или любого другого современного "гаджета".
Предыстория развития флеш устройств.
Метод программного управления проник уже и на кухни. Если утюг можно считать устройством с ручным управлением (мы сами устанавливаем температуру регулятором, не доверяя эту операцию прибору), тостер - автоматическим агрегатом на основе дискретных элементов (при срабатывании термореле поджаренные ломтики выбрасывает наружу сам тостер), то кофе-машина и мультиварка стали полностью компьютеризованными устройствами, работающими на основе записанных в их памяти программ. Такая программа не должна теряться при выключении электропитания, поэтому необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое на английский манер называют памятью "только чтение" (ROM, Read-Only Memory). Устройство такого рода известны давно, начиная с ПЗУ на магнитных сердечниках, в которых наличие или отсутствие записи в ячейку обеспечивалось пропусканием изолированной проволоки через сердечник или вне его.Дальнейшим развитием ПЗУ стала память PROM (Programmable Read-Only Memory, программируемая память "только чтение"), в которой запись в память (т.е. запись в эту память программы - программирование) производилась уже после выпуска микросхемы заводом-изготовителем. Сам процесс программирования (записи) производился в специальных устройствах - программаторах, поскольку для записи ячейки памяти требовалось более высокое напряжение, чем при считывании данных.
Достаточно быстро появилась потребность не только в однократной записи (программировании) ПЗУ, но и перепрограммировании (перезаписи) - появилась память EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory, стираемая/перезаписываемая программируемая память "только чтение").
Все современные USB-накопители используют флэш-память в качестве устройства хранения информации .
Если операции чтения и программирования (записи) ПЗУ незначительно изменились за последние 50 лет, то операция стирания (erase) памяти EPROM преобразована радикально. Дело в том, что перед записью новой информации в уже записанную ячейку памяти необходимо предварительно вернуть эту ячейку в "исходное" состояние, т.е. выполнить стирание. Сначала стирание проводили в специальных ультрафиолетовых "печках": на микросхеме UV EPROM (программируемая память "только чтение" с ультрафиолетовым стиранием) было специальное окошко из кварцевого стекла для освещения микросхемы УФ-лучами, затем научились стирать ПЗУ повышенным напряжением, т.е. стирание стало "электрическим", а ПЗУ стали называть памятью EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, электрически стираемая память "только чтение"). Далее отказались от программаторов, поскольку появились миниатюрные преобразователи DC-DC и программирование ПЗУ стало возможным без извлечения микросхемы ПЗУ из устройства - именно так сегодня программируются ПЗУ сотовых телефонов (обновляется их прошивка; кстати, слово "прошивка" сохранилось еще со времен магнитных сердечников, которые действительно прошивали проволокой: либо сквозь сердечник, либо проволока обходит сердечник).
И все бы было хорошо, но скорость стирания ЕEPROM на порядок превосходила скорости выполнения других операций с этой памятью, поэтому в качестве ПЗУ для хранения программ к ЕEPROM не было никаких претензий (можно немного подождать при обновлении прошивки), но эту память никто не представлял себе в качестве внешнего устройства хранения, способного заменить жесткие диски, гибкие диски (дискеты) и оптические диски. Решение проблемы оказалось настолько простым, что вполне может считаться "детским" - именно оно привело к появлению флэш-памяти. Однако предварительно нужно познакомиться с основами хранения информации в современной блочной памяти EEPROM, которую называют флэш-памятью.
Основы.
Флэш-память гораздо ближе по своей природе к постоянным запоминающим устройствам (наиболее известным представителем которых является базовая система ввода/вывода - BIOS - любого персонального компьютера), чем к обычной оперативной памяти этого же компьютера. Уже давно микросхемы памяти EEPROM производятся на основе полевых транзисторов с дополнительным изолированным затвором FG FET (Floating-Gate Field Effect Transistor). Ячейкой флэш-памяти служит транзистор FG FET, отличающийся от обычного полевого транзистора дополнительной областью - изолированным затвором, не имеющим электрического контакта ни с одним из выводов транзистора и поэтому сохраняющим заряд неограниченно долгое время даже при отключении электропитания.
Электрическое поле между основным (управляющим, программирующим) затвором (Control Gate) и подложкой (Substrate) может полностью запереть транзистор, то есть закрыть канал между истоком (Source) и стоком (Drain), либо полностью открыть транзистор, то есть открыть канал между истоком и стоком. Поскольку управление транзистором производится электрическим полем, транзисторы такого типа названы полевыми. Кроме того, не существует никаких различий между истоком и стоком, и поэтому эти транзисторы также называют униполярными. Однако при определенных условиях можно сформировать заряд в специальной изолированной области между каналом и управляющим затвором. Эта область называется изолированным затвором (Floating Gate). Она не имеет внешних выводов и не подключена к электрическим цепям. Заряд на изолированном затворе препятствует воздействию основного поля управляющего затвора на канал, а отсутствие заряда разрешает обычный режим транзистора. Изолированный затвор потому и называется изолированным (а вовсе не "плавающим"), ведь он позволяет сохранять заряд даже при выключенном питании, поэтому память на основе транзисторов FG (MOS)FET является энергонезависимой (nonvolatile). Транзистор этого вида служит отдельной ячейкой EEPROM (а также флэш-памяти).
Наличие или отсутствие заряда на изолированном затворе можно интерпретировать как два различных состояния, то есть транзистор может стать ячейкой памяти для хранения одного бита информации. Итак, основной затвор служит для выборки ячейки памяти среди нескольких ячеек, подключенных к одной линии данных (адресация), а заряд или его отсутствие на изолированном затворе определяет состояние ячейки памяти.
Проникновение электронов сквозь слой диэлектрика в изолированный затвор объясняется тем, что при достаточно высоком напряжении проявляется волновая природа электронов, позволяющая просачиваться (перескакивать) через потенциальный барьер диэлектрика, что и называется туннельным переходом. Обычно для записи требуется 20 В, хотя для чтения достаточно 5 В.
Однако все достоинства (и главное из них - энергонезависимость) памяти EEPROM (или E2PROM) перечеркивались слишком большим временем на разряд (стирание) изолированного затвора (электронам приходится "перескакивать" обратно через слой диэлектрика): в старых микросхемах флэш-памяти на программирование (заряд) уходило примерно 1 мс, а на стирание (разряд) примерно 1 с (в тысячу раз больше).
Краткая история флэш-памяти.
Устранить недостаток неимоверно длительного стирания позволила простая и понятная идея японца Фуджио Масуока (Fujio Masuoka): программировать изолированные затворы по одному, а стирать - группами (блоками), причем иногда заранее. Эта концепция была названа Flash (флэш) по аналогии с фотовспышкой при фотосъемке. Название предложено коллегой Масуоки - г-ном Ариизуми (Ariizumi), который был поражен быстротой операции блочного стирания. Вместо последовательного применения операции стирания к каждой нужной ячейки, во флэш-памяти, в отличие от памяти EEPROM, операция стирания одновременно применяется к группе ячеек, поэтому чем больше эта группа, тем быстрее флэш-память подготовится к последующей записи.В современной флэш-памяти групповой принцип используется не только для стирания, но и для записи: запись ведется страницами (размером от 512 байт до 4К), а стирание - группой (блоком) таких страниц любого размера, необходимого для проведения последующей записи.
Сотрудник компании Toshiba Фуджио Масуока еще в 1980 г. от собственного имени подал заявку на патент, суть которого состояла в одновременном блочном обслуживании страниц памяти, что впоследствии и было названо технологией флэш. Родная компания не препятствовала работе своего сотрудника по этой теме, но и не уделяла этому никакого внимания, полностью сосредоточившись на новых разработках микросхем обычной оперативной памяти DRAM. Поэтому только через четыре года (в 1984 г.) Фуджио Масуока смог представить первый прототип флэш-памяти на Международной конференции разработчиков электроники (International Electronics Developers Meeting) в г. Сан-Диего (США). Американские компании правильно оценили потенциал этой работы и немедленно обратились в Toshiba с предложениями о сотрудничестве. Компания Toshiba опять не придала этому никакого значения, хотя и выделила в помощь Масуока примерно 5 сотрудников на неполный рабочий день (все они скрупулезно перечислены в официальной истории по версии Toshiba [9]). В это же время Intel полностью прекратила все работы по UV-EEPROM, и около 300 инженеров немедленно были привлечены к разработке в неожиданно открывшейся новой области. Поэтому Intel обогнала Toshiba и первой выпустила в 1988 г. кристалл флэш-памяти типа NOR. На следующий год флэш-микросхему NAND показала и Toshiba.
Существуют разные мнения об интерпретации первого патента Масуока: была ли это память NOR, NAND или общий принцип обеих разновидностей. Однако Американский институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) в 1997 г. наградил Фуджио Масуока почетной премией им. Морриса Н. Либмана (Morris N. Liebman Memorial Award) именно как создателя флэш-памяти. Более того, долгое время от первенства в области флэш-памяти отказывались как Toshiba, так и Intel (поскольку Intel быстрее вышла на этап производства, но Toshiba первой начала реальные продажи). В Toshiba работу над NAND оценили в несколько сотен долларов в виде премии для Масуока (когда японская пресса назвала новую память наиболее выдающимся техническим достижением 1988 г.) и периодически пытались отстранить его от дальнейших исследований. В 1994 г. Фуджио Масуока покинул Toshiba и занял кафедру в одном из провинциальных японских университетов. К чести Toshiba, следует признать, что данная история послужила хорошим уроком, и теперь эта корпорация в приказном порядке финансирует и выделяет время для любых внеплановых разработок своих сотрудников.
Подробнее о флэш-памяти....
Комментариев нет:
Отправить комментарий