Memorie flash

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 24 decembrie 2021; verificările necesită 20 de modificări .

Memoria flash ( memoria flash în engleză  ) este un fel de memorie reprogramabilă electric cu tehnologie semiconductoare ( EEPROM ). Același cuvânt este folosit în circuitele electronice pentru a se referi la soluții ROM complete din punct de vedere tehnologic sub formă de microcircuite bazate pe această tehnologie semiconductoare. În viața de zi cu zi, această expresie a fost atribuită unei clase largi de dispozitive de stocare în stare solidă .

Acest articol este despre tehnologia semiconductoarelor și componentele electronice aferente; există și alte articole despre unitățile SSD : card de memorie , unitate flash usb .

Datorită compactității, costului redus, rezistenței mecanice, volumului mare, vitezei și consumului redus de energie, memoria flash este utilizată pe scară largă în dispozitivele portabile digitale și mediile de stocare. Un dezavantaj serios al acestei tehnologii este resursa limitată de purtători [1] [2] , precum și sensibilitatea la descărcarea electrostatică.

Istorie

Precursorii tehnologiei de memorie flash pot fi considerați memorii doar pentru citire ( EPROM ) și ștergere electrică ( EEPROM ). Aceste dispozitive aveau, de asemenea, o serie de tranzistori cu poartă plutitoare , în care injecția de electroni în poarta plutitoare („scriere”) a fost efectuată prin crearea unei intensități mari a câmpului electric într-un dielectric subțire. Cu toate acestea, aria de cablare a componentelor din matrice a crescut dramatic dacă a fost necesar să se creeze un câmp invers pentru a elimina electronii din poarta plutitoare („ștergere”), motiv pentru care au apărut două clase de dispozitive: într-un caz, au sacrificat circuite de ștergere, obținând memorie de înaltă densitate de scris o dată, iar într-un alt caz, au realizat un dispozitiv complet funcțional, cu o capacitate mult mai mică.

În consecință, eforturile inginerilor au fost îndreptate spre rezolvarea problemei densității dispozitiei circuitelor de ștergere. Au fost încununați de succes - invenția inginerului Toshiba Fujio Masuoka ( Jap. 舛岡富士雄) în 1984. Numele „flash” a fost inventat și în Toshiba - Shoji Ariizumi , căruia procesul de ștergere a conținutului memoriei semăna cu o lanternă ( eng.  flash ). Masuoka și-a prezentat designul în 1984 la IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) ținută la San Francisco .

În 1988, Intel a lansat primul cip comercial NOR flash.

Tipul de memorie flash NAND a fost anunțat de Toshiba în 1989 la Conferința Internațională a Circuitelor Solid-State .

Cum funcționează

Componenta principală a memoriei flash este tranzistorul cu poartă plutitoare , care este un tip de MOSFET . Diferența sa este că are o poartă suplimentară (plutitoare) situată între poarta de control și stratul p. Poarta plutitoare este izolată și sarcina negativă stocată în ea va rămâne mult timp.

SLC și MLC

Există dispozitive în care o celulă unitară stochează un bit de informație sau mai mulți biți. În celulele de un bit, se disting doar două niveluri de încărcare pe poarta plutitoare. Astfel de celule sunt numite cu un singur nivel ( celulă cu un singur nivel, SLC ). În celulele multi-biți, se disting mai multe niveluri de încărcare; ele sunt numite multi-level ( multi-level cell, MLC [3] [4] ). Dispozitivele MLC sunt mai ieftine și mai încăpătoare decât dispozitivele SLC, dar au un timp de acces mai mare și un număr maxim de rescrieri cu un ordin de mărime mai mic [5] .

De obicei, MLC este înțeles ca memorie cu 4 niveluri de încărcare (2 biți) per celulă. Mai ieftină din punct de vedere al memoriei cu 8 nivele (3 biți) se numește TLC ( Triple Level Cell ) [3] [4] sau 3bit MLC (cum îl numește Samsung) [6] . Există, de asemenea, dispozitive cu 16 niveluri per celulă (4 biți), QLC ( celula cu patru niveluri ). În august 2018, Samsung Electronics a anunțat începerea producției în masă a SSD-urilor bazate pe memoria QLC V-NAND [7] .

Până în 2016, memoria pe mai multe niveluri domină piața. Cu toate acestea, produsele SLC, în ciuda capacității lor de multe ori mai mici, continuă să fie dezvoltate și produse pentru aplicații deosebit de critice [8] .

Memorie audio

O dezvoltare naturală a ideii de celule MLC a fost ideea de a scrie un semnal analogic în celulă . Cea mai mare utilizare a acestor cipuri flash analogice a fost în reproducerea fragmentelor de sunet relativ scurte în produse replicate ieftine. Astfel de microcircuite pot fi folosite în cele mai simple jucării, plăci de sunet, robote telefonice și așa mai departe. [9]

NOR și NAND

Memoria flash diferă prin metoda de conectare a celulelor într-o matrice.

Design-ul NOR folosește matricea clasică bidimensională de conductori , în care o celulă este stabilită la intersecția rândurilor și coloanelor. În acest caz, conductorul de rând a fost conectat la drenul tranzistorului, iar conductorul de coloană a fost conectat la a doua poartă. Sursa a fost conectată la un substrat comun tuturor.

Designul NAND este o matrice tridimensională. Baza este aceeași matrice ca și în NOR, dar în loc de un tranzistor la fiecare intersecție, este instalată o coloană de celule conectate în serie. În acest design, multe lanțuri de poartă sunt obținute într-o singură intersecție. Densitatea de ambalare poate fi crescută dramatic (la urma urmei, doar un conductor de poartă se potrivește cu o celulă într-o coloană), dar algoritmul pentru accesarea celulelor pentru citire și scriere devine considerabil mai complicat. De asemenea, în fiecare linie sunt instalate două tranzistoare MOS: un tranzistor de control al liniei de biți ( eng.  tranzistor de selectare a liniei de biți ), situat între o coloană de celule și o linie de biți, și un tranzistor de control al solului situat în fața pământului ( ing.  tranzistor de selectare a solului ).

Tehnologia NOR vă permite să obțineți acces rapid la fiecare celulă în mod individual, dar zona celulei este mare. Dimpotrivă, NAND-urile au o zonă mică de celule, dar acces relativ lung la un grup mare de celule simultan. În consecință, domeniul de aplicare diferă: NOR este utilizat atât pentru memoria directă a programelor cu microprocesor, cât și pentru stocarea datelor auxiliare mici.

Numele NOR și NAND provin din asocierea circuitului pentru includerea celulelor într-o matrice cu circuitele cipurilor logice CMOS - elemente NOR și NAND .

NAND este cel mai frecvent utilizat pentru unități flash USB , carduri de memorie, SSD -uri ; și NOR în sistemele încorporate .

Au existat și alte opțiuni pentru combinarea celulelor într-o matrice, dar acestea nu au prins rădăcini.

Lectură

Pentru citire, se aplică o tensiune pozitivă la poarta de control. Dacă nu există nicio sarcină în poarta plutitoare, atunci tranzistorul va începe să conducă curentul. În caz contrar, nu curge nici un curent între sursă și scurgere. Pentru celulele MLC, trebuie făcute mai multe măsurători.

NICI

Pentru a citi o anumită celulă de memorie, este necesar să se aplice o tensiune intermediară porții sale de control (suficientă pentru conducerea tranzistorului numai dacă nu există nicio sarcină în poarta plutitoare). Celulele rămase din linie trebuie supuse unei tensiuni minime pentru a preveni conducerea acestor celule. Dacă nu există nicio taxă în celula care ne interesează, atunci va exista un curent între linia de biți (linia de biți engleză  ) și sol.

NAND

În acest aranjament, o tensiune intermediară este de asemenea aplicată la poarta de control a unei anumite celule. Restul porților de control din linie sunt alimentate pentru a se asigura că conduc curentul. Astfel, între sol și linie apare un curent dacă nu există nicio taxă în celula care ne interesează.

Înregistrare

Pentru înregistrare, încărcăturile trebuie să intre pe poarta plutitoare, dar aceasta este izolată cu un strat de oxid. Efectul de tunel poate fi folosit pentru a transporta taxe . Pentru descărcare, este necesar să se aplice o tensiune pozitivă mare la poarta de control: o sarcină negativă va părăsi poarta plutitoare folosind efectul de tunel. În schimb, trebuie aplicată o tensiune negativă mare pentru a încărca poarta plutitoare.

De asemenea, înregistrarea poate fi implementată utilizând injectarea media la cald . Când un curent curge între sursă și scurgerea tensiunii crescute, electronii pot depăși stratul de oxid și pot rămâne în poarta plutitoare. În acest caz, este necesar ca o sarcină pozitivă să fie prezentă pe poarta de control, care ar crea un potențial de injecție.

MLC folosește tensiuni și timpi diferite pentru a înregistra valori diferite [10] .

Fiecare scriere dăunează puțin stratului de oxid, astfel încât numărul de scrieri este limitat.

Scrierea în aspect NOR și NAND constă în două etape: mai întâi, toate tranzistoarele din linie sunt setate la 1 (fără taxă), apoi celulele dorite sunt setate la 0.

NICI

În prima etapă, celulele sunt curățate folosind efectul de tunel: se aplică o tensiune puternică tuturor porților de control. Injecția cu purtător cald este utilizată pentru a seta o anumită celulă la 0. Linia de descărcare este aplicată o tensiune mare. A doua condiție importantă pentru acest efect este prezența sarcinilor pozitive pe poarta de control. O tensiune pozitivă este aplicată doar unor tranzistori, o tensiune negativă este aplicată la restul tranzistorilor, deci zero este scris doar celulelor care ne interesează.

NAND

Prima etapă în NAND este similară cu NOR. Un efect de tunel este folosit pentru a seta o celulă la zero, spre deosebire de NOR. O tensiune negativă mare este aplicată porților de control care ne interesează.

3D NAND

Circuitul NAND s-a dovedit a fi convenabil pentru construirea unui aspect vertical al unui bloc de celule pe un cip [11] [12] [13] . Straturile conductoare și izolatoare sunt depuse pe cristal în straturi, care formează conductoarele de poartă și porțile în sine. Apoi, o multitudine de găuri sunt formate în aceste straturi pe toată adâncimea straturilor. Structura tranzistoarelor cu efect de câmp este aplicată pe pereții găurilor - izolatoare și porți plutitoare. Astfel, se formează o coloană de FET-uri inelare cu porți plutitoare.

O astfel de structură verticală sa dovedit a fi foarte reușită și a oferit o descoperire calitativă în densitatea memoriei flash. Unele companii promovează tehnologia sub propriile mărci, cum ar fi V-NAND, BiCS. Numărul de straturi crește odată cu dezvoltarea tehnologiei: de exemplu, în 2016 numărul de straturi ale unui număr de produse a ajuns la 64 [14] , în 2018 a fost stăpânită producția de memorie cu 96 de straturi [15] , în 2019 a anunțat Samsung dezvoltarea în serie a cristalelor cu 136 de straturi [16 ] . În 2021, producătorii au planificat să treacă la 256 de straturi, iar până în 2023 - la 512, ceea ce va permite plasarea a până la 12 terabytes de date pe un cip flash [17] . La sfârșitul lunii iulie 2022, compania americană Micron Technology a fost prima din lume care a lansat o memorie NAND cu 232 de straturi (memorie TLC cu șase avioane cu posibilitatea de citire independentă în fiecare plan) [18] , iar o săptămână mai târziu , la începutul lunii august 2022, Hynix a doborât acest record odată cu lansarea memoriei flash cu 238 de straturi [19] [20] ..

Microcircuite multicip

Pentru a economisi spațiu, un cip de memorie flash poate împacheta mai multe wafer-uri semiconductoare (cristale), până la 16 bucăți [21] .

Limitări tehnologice

Celulele de scriere și de citire diferă în ceea ce privește consumul de energie: dispozitivele de memorie flash atrag curent mare atunci când scriu pentru a genera tensiuni înalte, în timp ce atunci când citesc, consumul de energie este relativ mic.

Înregistrează resursa

Modificarea în sarcină este asociată cu acumularea de modificări ireversibile în structură și, prin urmare, numărul de intrări pentru o celulă de memorie flash este limitat. Numărul tipic de cicluri de ștergere-scriere variază de la o mie sau mai puțin la zeci și sute de mii, în funcție de tipul de memorie și de procesul de fabricație. Resursa garantată este semnificativ mai mică atunci când se stochează câțiva biți pe celulă (MLC și TLC) și când se utilizează procese tehnice de 30 nm și de clasă superioară.

Unul dintre motivele degradării este incapacitatea de a controla individual sarcina porții plutitoare din fiecare celulă. Faptul este că scrierea și ștergerea sunt efectuate pe mai multe celule în același timp - aceasta este o proprietate integrală a tehnologiei memoriei flash. Reportofonul controlează suficiența injecției de încărcare în funcție de celula de referință sau valoarea medie. Treptat, încărcarea celulelor individuale este nepotrivită și la un moment dat depășește limitele admise, care pot fi compensate prin injectarea mașinii de scris și percepute de cititor. Este clar că gradul de identitate celulară afectează resursa. Una dintre consecințele acestui fapt este că, odată cu scăderea normelor topologice ale tehnologiei semiconductoarelor, este din ce în ce mai dificil să se creeze elemente identice, astfel încât problema resurselor de înregistrare devine din ce în ce mai acută.

Un alt motiv este difuzia reciprocă a atomilor, regiunile izolatoare și conducătoare ale structurii semiconductoare, accelerate de gradientul câmpului electric din regiunea buzunarului și defecțiunile electrice periodice ale izolatorului în timpul scrierii și ștergerii. Acest lucru duce la o estompare a granițelor și o deteriorare a calității izolatorului, precum și la o scădere a timpului de stocare a încărcăturii.

Inițial, în anii 2000, pentru memoria de 56 nm, o astfel de resursă de ștergere a fost de până la 10 mii de ori pentru dispozitivele MLC și de până la 100 de mii de ori pentru dispozitivele SLC, cu toate acestea, cu o scădere a proceselor tehnice , numărul de ștergere garantate a scăzut . Pentru memoria de 34 nm (începutul anilor 2010), MLC obișnuit pe 2 biți garanta aproximativ 3-5 mii, iar SLC - până la 50 mii [22] . În 2013, modelele individuale au garantat de ordinul a câteva mii de cicluri pentru MLC și mai puțin de o mie (câteva sute) pentru TLC înainte de a începe degradarea [23] .

Tipul memoriei Resursă Exemple de soluții
SLC NOR 100.000 .. 1.000.000 Numonyx M58BW, Spansion S29CD016J
MLC NOR 100.000 Blitz Numonyx J3
SLC NAND 100.000 Samsung OneNAND KFW4G16Q2M
MLC NAND 1000 .. 10 000 Samsung K9G8G08U0M
TLC NAND 1000 Samsung SSD 840
3D MLC NAND 6000 .. 40 000 Samsung SSD 850 PRO, Samsung SSD 845DC PRO
3D TLC NAND 1000 .. 3000 Samsung SSD 850 EVO, Samsung SSD 845DC EVO, Crucial MX300

Cercetările sunt în desfășurare asupra unei tehnologii experimentale pentru restaurarea unei celule de memorie flash prin încălzirea locală a izolatorului porții la 800 °C timp de câteva milisecunde. [24]

Perioada de păstrare a datelor

Izolația buzunarului nu este ideală, încărcarea se schimbă treptat. Perioada de valabilitate a încărcăturii, declarată de majoritatea producătorilor pentru produse de uz casnic, nu depășește 10-20 de ani , desi garantia pe suporturi este data de cel mult 5 ani. În același timp, memoria MLC are un timp mai scurt decât SLC.

Condițiile de mediu specifice, cum ar fi temperaturile ridicate sau expunerea la radiații (radiații gamma și particule de înaltă energie), pot scurta catastrofal durata de viață a datelor.

Cu cipurile NAND moderne, la citire, datele pot fi corupte pe paginile adiacente dintr-un bloc. Efectuarea unui număr mare (sute de mii sau mai mult) de operații de citire fără rescriere poate accelera apariția unei erori [25] [26] .

Potrivit Dell, durata de stocare a datelor pe un SSD nealimentat este foarte dependentă de numărul de cicluri de scriere trecute (P/E) și de tipul de memorie flash, iar în cele mai rele cazuri poate fi de 3-6 luni [26]. ] [27] .

Structura ierarhică

Ștergerea, scrierea și citirea memoriei flash apar întotdeauna în blocuri relativ mari de diferite dimensiuni, în timp ce dimensiunea blocului de ștergere este întotdeauna mai mare decât blocul de scriere, iar dimensiunea blocului de scriere nu este mai mică decât dimensiunea blocului de citire. De fapt, aceasta este o caracteristică distinctivă a memoriei flash în raport cu memoria EEPROM clasică .

Ca rezultat, toate cipurile de memorie flash au o structură ierarhică pronunțată. Memoria este împărțită în blocuri, blocurile constau din sectoare, sectoare - din pagini. În funcție de scopul unui anumit microcircuit, adâncimea ierarhiei și dimensiunea elementelor pot varia.

De exemplu, un cip NAND poate avea o dimensiune a blocului de ștergere de sute de kiloocteți, o dimensiune a paginii de scriere și citire de 4 kiloocteți. Pentru microcircuitele NOR, dimensiunea blocului șters variază de la câțiva până la sute de kiloocteți, dimensiunea sectorului de scriere - până la sute de octeți, dimensiunea paginii de citire - de la câțiva până la zeci de octeți.

Viteza de citire și scriere

Timpul de ștergere variază de la unități la sute de milisecunde, în funcție de dimensiunea blocului șters. Timpul de înregistrare este de la zeci până la sute de microsecunde.

De obicei, timpul de citire pentru microcircuite NOR este normalizat la zeci de nanosecunde. Pentru cipurile NAND, timpul de citire este de zeci de microsecunde.

Scalare tehnologică

Datorită structurii sale foarte regulate și a cererii mari pentru volume mari, procesul de producție pentru flash NAND scade mai rapid decât pentru DRAM mai puțin obișnuit și logica aproape neregulată (ASIC). Concurența ridicată între câțiva producători de top nu face decât să accelereze acest proces [28] . În varianta legii lui Moore pentru circuitele logice, numărul de tranzistori pe unitate de suprafață se dublează în trei ani, în timp ce flash-ul NAND a arătat o dublare în doi ani. În 2012, tehnologia procesului de 19 nm a fost stăpânită de un joint venture între Toshiba și SanDisk [29] . În noiembrie 2012 [30] Samsung a început, de asemenea, producția pe tehnologia procesului de 19 nm (folosind în mod activ expresia „clasa 10 nm” în materialele de marketing, denotând un proces din intervalul 10-19 nm) [31] [32] [33] [ 34] .

ITRS sau companie 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Foaie de parcurs ITRS Flash 2011 [29] 32 nm 22 nm 20 nm 18 nm 16 nm
Foaie de parcurs ITRS Flash 2013 [35] [36] 17 nm 15 nm 14 nm
Samsung [29] [36]
Samsung 3D NAND (CTF) [36]
35-32 nm 27 nm 21 nm (MLC, TLC) 19 nm 19-16nm
V-NAND (24L)
12nm
V-NAND (32L)
16-10 nm 12-10 nm 12-10 nm
Micron, Intel [29] [36] 34-25 nm 25 nm 20 nm (MLC+HKMG) 20 nm (TLC) 16 nm 16nm
3D NAND
16nm
3D-NAND Gen2
12nm
3D NAND
12nm
3D NAND
Toshiba, Sandisk [29] [36] 43-32 nm 24 nm 19 nm (MLC, TLC) A-19 nm 15 nm BiCS
3D NAND de 15 nm
BiCS
3D NAND de 15 nm
12nm
3D NAND
12nm
3D NAND
SK Hynix [29] [36] 46-35 nm 26 nm 20 nm (MLC) 20 nm 16 nm 16 nm
3D V1
16 nm 12 nm 12 nm

Reducerea procesului tehnic a făcut posibilă creșterea rapidă a volumului cipurilor de memorie flash NAND. În 2000, memoria flash care folosea tehnologia 180 nm avea un volum de date de 512 Mbit per cip, în 2005 - 2 Gbit la 90 nm. Apoi a avut loc o tranziție la MLC, iar în 2008 cipurile aveau un volum de 8 Gbit (65 nm) [37] . În 2010, aproximativ 25-35% dintre cipuri aveau o dimensiune de 16 Gb, 55% erau de 32 Gb [38] . În 2012–2014, cipurile de 64 Gbit au fost utilizate pe scară largă în produse noi și a început introducerea modulelor de 128 Gbit (10% la începutul anului 2014) fabricate folosind procese de fabricație de 24–19 nm [37] [38] .

Pe măsură ce procesul de fabricație scade și se apropie de limitele fizice ale tehnologiilor actuale de fabricație , în special fotolitografia , se poate obține o creștere suplimentară a densității datelor prin trecerea la mai mulți biți per celulă (de exemplu, trecerea de la MLC de 2 biți la TLC de 3 biți). ), înlocuirea tehnologiilor cu celule FG cu tehnologia CTF sau trecerea la un aranjament tridimensional al celulelor pe o placă (3D NAND, V-NAND; cu toate acestea, acest lucru mărește etapa de proces). De exemplu, aproximativ în 2011–2012, toți producătorii au introdus goluri de aer între liniile de control, ceea ce a făcut posibilă continuarea scalarii dincolo de 24–26 nm [39] [40] , iar în 2013–2014, Samsung a început producția de masă de 24 - și 32-layer NAND [41] bazat pe tehnologia CTF [42] , inclusiv versiunea cu celule de 3 biți (TLC) [43] . Scăderea rezistenței la uzură (resursa de ștergere), care se manifestă printr-o scădere a procesului tehnic, precum și o creștere a ratei erorilor de biți, a impus utilizarea unor mecanisme mai complexe de corectare a erorilor și o reducere a volumelor de înregistrare garantate și perioade de garanție [44] . Cu toate acestea, în ciuda măsurilor luate, este probabil ca posibilitatea de scalare suplimentară a memoriei NAND să nu fie justificată economic [45] [46] sau imposibilă fizic. Sunt explorate multe înlocuitoare posibile pentru tehnologia memoriei flash, cum ar fi FeRAM , MRAM , PMC, PCM , ReRAM etc. [47] [48] [49]

Caracteristicile aplicației

Dorința de a atinge limitele de capacitate pentru dispozitivele NAND a dus la „standardizarea căsătoriei” – dreptul de a produce și vinde microcircuite cu un anumit procent de celule defecte și fără garanția că noi „blocuri proaste” nu vor apărea în timpul funcționării. Pentru a minimiza pierderea de date, fiecare pagină de memorie este prevăzută cu un mic bloc suplimentar în care este scrisă o sumă de control , informații pentru recuperarea din erorile pe un singur bit, informații despre elementele proaste de pe această pagină și numărul de scrieri pe această pagină.

Complexitatea algoritmilor de citire și admisibilitatea unui anumit număr de celule defecte au forțat dezvoltatorii să echipeze cipurile de memorie NAND cu o interfață de comandă specifică. Aceasta înseamnă că mai întâi trebuie să lansați o comandă specială pentru a transfera pagina de memorie specificată într-un buffer special din interiorul cipului, așteptați finalizarea acestei operațiuni, citiți bufferul, verificați integritatea datelor și, dacă este necesar, încercați să le restaurați. .

Punctul slab al memoriei flash este numărul de cicluri de rescriere dintr-o pagină. Situația este agravată și de faptul că sistemele de fișiere standard  - adică sistemele standard de gestionare a fișierelor pentru sistemele de fișiere utilizate pe scară largă - scriu adesea date în același loc. Directorul rădăcină al sistemului de fișiere este actualizat frecvent, astfel încât primele sectoare de memorie își vor consuma rezerva mult mai devreme. Distribuția sarcinii va prelungi semnificativ durata de viață a memoriei [50] .

Controlere NAND

Pentru a simplifica utilizarea cipurilor de memorie flash NAND, acestea sunt utilizate împreună cu cipuri speciale - controlere NAND. Aceste controlere trebuie să efectueze toate lucrările grele de întreținere a memoriei NAND: conversia interfețelor și protocoalelor, adresarea virtualizării (pentru a ocoli celulele defecte), verificarea și restaurarea datelor la citire, îngrijirea diferitelor dimensiuni ale blocurilor de ștergere și scriere ( amplificare de scriere), având grijă de actualizarea periodică a blocurilor înregistrate, repartizarea uniformă a sarcinii pe sectoare în timpul înregistrării ( Wear leveling).

Cu toate acestea, sarcina de a distribui uniform uzura nu este necesară, astfel încât cele mai simple controlere pot fi instalate în cele mai ieftine produse de dragul economiei. Astfel de carduri de memorie flash și chei USB vor eșua rapid dacă sunt suprascrise frecvent. Dacă aveți nevoie să scrieți foarte des date pe unități flash, este de preferat să utilizați produse scumpe cu memorie mai durabilă (MLC în loc de TLC, SLC în loc de MLC) și controlere de înaltă calitate.

Controlerele NAND scumpe pot fi însărcinate cu „accelerarea” cipurilor de memorie flash prin distribuirea datelor unui fișier pe mai multe cipuri. Timpul de scriere și citire a unui fișier este mult redus.

Sisteme de fișiere speciale

Adesea, în aplicațiile încorporate, memoria flash poate fi conectată direct la dispozitiv - fără controler. În acest caz, sarcinile controlerului trebuie efectuate de driverul software NAND din sistemul de operare. Pentru a nu efectua lucrări redundante privind distribuția uniformă a înregistrărilor pe pagini, ei încearcă să folosească astfel de medii cu sisteme de fișiere speciale : JFFS2 [51] și YAFFS [52] pentru Linux etc.

Aplicație

Există două utilizări principale pentru memoria flash: ca suport de stocare pentru computere și gadgeturi electronice și ca stocare pentru software (" firmware ") pentru dispozitive digitale. Adesea, aceste două aplicații sunt combinate într-un singur dispozitiv.

Când este stocat în memoria flash, este posibil să actualizați cu ușurință firmware -ul dispozitivelor în timpul funcționării.

NOR

NOR flash este cel mai aplicabil în dispozitivele cu memorie nevolatilă relativ mică, care necesită acces rapid la adrese aleatoare și cu garanția că nu există elemente dăunătoare:

  • Memorie de program încorporată a microcontrolerelor cu un singur cip. Volumele tipice sunt de la 1 KB la 1 MB.
  • Chip-uri ROM cu acces aleatoriu standard pentru a lucra cu microprocesorul.
  • Chip- uri de bootstrap specializate pentru computere ( POST și BIOS ), procesoare DSP și logică programabilă . Volumele tipice sunt unitățile și zeci de megaocteți.
  • Cip -uri de stocare a datelor de dimensiuni medii, cum ar fi DataFlash . Echipat de obicei cu o interfață SPI și ambalat în cutii miniaturale. Volume tipice - de la sute de kb la maxim tehnologic.

NAND

Acolo unde sunt necesare cantități record de memorie, flash-ul NAND este în afara competiției. Cipurile NAND au prezentat o creștere constantă a volumelor, iar pentru 2012 NAND a avut volume record pe microansamblu cu 8 cipuri de 128 GB (adică volumul fiecărui cip este de 16 GB sau 128 Gbit) [53] .

În primul rând, memoria flash NAND este utilizată în toate tipurile de suporturi de date mobile și dispozitive care necesită cantități mari de stocare pentru a funcționa. Practic, acestea sunt chei USB și carduri de memorie de toate tipurile, precum și dispozitive mobile precum telefoane, camere foto, playere media.

Memoria flash NAND a făcut posibilă miniaturizarea și reducerea costurilor platformelor de calcul bazate pe sisteme de operare standard cu software avansat. Au început să fie încorporate în multe aparate electrocasnice: telefoane mobile și televizoare, routere de rețea și puncte de acces, playere media și console de jocuri, rame foto și navigatoare.

Viteza mare de citire face ca memoria NAND să fie atractivă pentru stocarea în cache a hard diskului. În același timp, sistemul de operare stochează datele utilizate frecvent pe un dispozitiv solid-state relativ mic și scrie date de uz general pe o unitate de disc mare [54] . De asemenea, este posibil să combinați un buffer flash de 4-8 GB și un disc magnetic într-un singur dispozitiv, un hard disk hibrid (SSHD, unitate hibridă solid-state).

Datorită vitezei mari, volumului și dimensiunii compacte, memoria NAND înlocuiește în mod activ alte tipuri de media din circulație. În primul rând, dischetele și unitățile de dischetă [55] au dispărut, iar popularitatea unităților de bandă magnetică a scăzut . Media magnetice a fost aproape complet eliminată din aplicațiile mobile și media.

Standardizare Interfețe de nivel scăzut

Open NAND Flash Interface (ONFI) este implicată în standardizarea pachetelor, interfețelor, sistemelor de comandă și problemelor de identificare a cipurilor de memorie flash NAND . Primul standard a fost specificația ONFI versiunea 1.0 [56] lansată pe 28 decembrie 2006, urmată de ONFI V2.0, V2.1, V2.2, V2.3, V3.0 (2011) [57] . Grupul ONFI este susținut de Intel , Micron Technology , Hynix , Numonyx [58] .

Samsung și Toshiba își dezvoltă propriul standard DDR alternativ la ONFI, Toggle Mode. Prima revizuire a fost lansată în 2009, a doua în 2010 [57] .

Interfețe de nivel înalt

Pe lângă standardizarea directă a cipurilor de memorie, există o formalizare specifică a accesului la memoria pe termen lung din interfețele digitale comune. De exemplu, grupul Interfață controler gazdă cu memorie non-volatilă lucrează la standardizarea creării de unități SSD pentru interfața PCI Express .

Soluțiile integrate de memorie și controler sub formă de microcircuite se deosebesc, de exemplu, memoria eMMC încorporată este utilizată pe scară largă , folosind o interfață electrică similară cu MMC , dar realizată sub forma unui microcircuit [59] . Această interfață este dezvoltată de JEDEC .

Piața NAND

Principalii producători de memorie flash NAND: Micron/Intel, SK Hynix, Toshiba/SanDisk, Samsung. Pentru 2014 aproximativ 35-37% din piata este ocupata de Toshiba/SanDisk si Samsung. 17% din livrări sunt efectuate de Micron/Intel, alte 10% de Hynix. Dimensiunea totală a pieței NAND este estimată la aproximativ 20-25 de miliarde de dolari SUA, de la 40 la 60 de miliarde de gigaocteți sunt produși pe an, dintre care un sfert este memorie eMMC încorporată. În 2013, memoria a fost fabricată în principal conform proceselor tehnice în intervalul 20-30 nm, în 2014 memoria de 19 nm câștiga popularitate. Mai puțin de 2% din piață a fost ocupată de memoria 3D-NAND de la Samsung, alți producători plănuind să producă 3D NAND de la jumătatea anului 2015 [38] .

Doar mai puțin de 5% din memoria NAND livrată în 2012-2014 avea celule pe un singur bit (SLC), 75% era memorie pe doi biți (MLC) și 15-25% era memorie pe trei biți (TLC, în principal Samsung și Toshiba/SanDisk, cu mijlocul anului 2014-2015 și altele) [38] .

Principalii producători de controlere de memorie flash NAND: Marvell, LSI-SandForce, de asemenea producători de memorie NAND. Pentru controlere eMMC (eMCP) sunt fabricate de: Samsung, SanDisk, SK Hynix, Toshiba, Micron, Phison, SMI, Skymedi [38] .

Vezi și

Note

  1. Simona Boboila, Peter Desnoyers. Write Endurance in Flash Drives: Measurements and Analysis   // RAPID . — San Jose, California: Northeastern University, 2010. Arhivat din original pe 17 martie 2013.
  2. Hasso Plattner, Alexander. Zeier. Gestionarea datelor în memorie: tehnologie și aplicații . — SpringerLink : Bucher. - Springer, 2012. - P. 45. - 267 p. — ISBN 3-642-29575-4 . Arhivat pe 7 mai 2018 la Wayback Machine
  3. 1 2 Kristian Vättö, Understanding TLC NAND Arhivat 25 iulie 2013 la Wayback Machine // Anandtech, 23 februarie 2012
  4. 1 2 iXBT.com :: Toate știrile :: Intel și Micron au stăpânit lansarea memoriei flash NAND pe 3 biți conform standardelor de 25 nm  (link inaccesibil)
  5. Dennis Martin. NAND Flash - Rezistenta . Demartek, Storage Decisions Conference (12 iunie 2013). — „Durata tipică MLC 10.000 sau mai puține cicluri de scriere  MLC-2: 3.000 - 10.000 cicluri de scriere  MLC-3: 300 - 3.000 de cicluri de scriere”. Consultat la 9 ianuarie 2015. Arhivat din original pe 9 ianuarie 2015.
  6. Samsung Mass Producing 128Gb 3-bit MLC NAND Flash Kevin Parrish // Tom's Hardware, 11 aprilie 2013
  7. Samsung lansează producția de SSD-uri produse în serie bazate pe memoria QLC V-NAND . Preluat la 8 august 2018. Arhivat din original la 8 august 2018.
  8. Toshiba lansează Ruggedized 16Gb SLC NAND . Consultat la 19 noiembrie 2016. Arhivat din original pe 20 noiembrie 2016.
  9. http://www.nuvoton.com/NuvotonMOSS/Community/ProductInfo.aspx?tp_GUID=d2589477-840d-4046-9c3a-2e0e457048b3 Arhivat 7 iulie 2011 la Wayback Machine ISD ChipCorder
  10. Thomas Schwarz. Elementele de bază ale porții plutitoare . Preluat la 12 martie 2017. Arhivat din original la 1 octombrie 2017.
  11. Revizuirea a doua versiune a Samsung 850 EVO: cu 48 de straturi TLC 3D V-NAND în interior . Preluat la 11 iulie 2016. Arhivat din original la 8 iulie 2016.
  12. Samsung trece la producția de masă de memorie flash 3D . Consultat la 19 noiembrie 2016. Arhivat din original pe 12 noiembrie 2016.
  13. Noua fabrică 3D NAND a Toshiba va începe operațiunile în vara anului 2018 . Consultat la 19 noiembrie 2016. Arhivat din original pe 20 noiembrie 2016.
  14. Toshiba începe prima livrare de mostre din lume de memorie flash 3D cu 64 de straturi . Consultat la 19 noiembrie 2016. Arhivat din original pe 20 noiembrie 2016.
  15. Samsung începe producția de memorie 3D NAND cu 96 de straturi . Preluat la 8 august 2018. Arhivat din original la 8 august 2018.
  16. Samsung începe producția în masă a 3D NAND cu 136 de straturi și SSD de 256 GB pe o nouă memorie Copie de arhivă din 4 august 2020 la Wayback Machine // fcenter.ru
  17. Cum se potrivește 1TB pe un microSD? - Analiza | Droider.ru . Preluat la 7 septembrie 2021. Arhivat din original pe 7 septembrie 2021.
  18. [1] Arhivat 3 august 2022 la Wayback Machine World, prima memorie NAND cu 232 de straturi din lume, arhivată pe 28 iulie 2022 la Wayback Machine // 28/07/2022
  19. SK hynix dezvoltă cel mai înalt  bliț NAND 4D cu 238 de straturi din lume . SK hynix (2 august 2022). Preluat la 5 august 2022. Arhivat din original la 5 august 2022.
  20. Gennady Detinich. SK hynix a doborât recordul Micron și a introdus cea mai mare memorie flash din lume - 238 de straturi . 3DNews (3 august 2022). Preluat la 5 august 2022. Arhivat din original la 5 august 2022.
  21. „NAND flash MCP (pachet cu mai multe cipuri) cu o stivă NAND cu 16 matrițe) . Consultat la 12 iunie 2012. Arhivat din original pe 4 iunie 2012.
  22. Comparație între tehnologiile flash NAND utilizate în stocarea SolidState Arhivat la 4 martie 2016 la Wayback Machine , IBM 2010 „Tabelul 1. Performanță de rezistență pentru diverse noduri tehnologice”
  23. http://www.altec-cs.com/downloads/altec_white_paper/WP_Avoiding_premature_failures_of_NAND_Flash_memory_for_duplex-printing_e10.pdf Arhivat 4 martie 2016 la Wayback Machine „Rezultat din reducerea continuă a dimensiunii structurii chip-urilor de memorie flash de 2 biți Memoria flash MLC și MLC pe 3 biți (TLC) NAND … uneori permite doar 1.000 de cicluri P/E (MLC) și/sau doar câteva sute de cicluri P/E (TLC) per celulă de memorie flash înainte de degradare”; „Tabelul 1: Cicluri tipice P/E...”
  24. Memoria flash supraviețuiește 100 de milioane de cicluri - Spectrul IEEE . Consultat la 4 decembrie 2012. Arhivat din original pe 4 decembrie 2012.
  25. Considerații de proiectare și utilizare pentru memoria flash NAND (link în jos) . Data accesului: 15 octombrie 2012. Arhivat din original la 19 iulie 2011. 
  26. 1 2 Flash Memory Technology Direction Arhivat 11 septembrie 2014 la Wayback Machine , Jim Cooke, 2007 Reducing Read Disturb """ Regula generală pentru citirile excesive pe bloc între operațiunile ERASE: SLC - 1.000.000 de cicluri READ; MLC - 100.000 de cicluri de citire”
  27. Întrebări frecvente despre unitatea cu stare solidă (SSD) Arhivată la 8 octombrie 2013 la Wayback Machine // Dell: „6. Mi-am deconectat unitatea SSD și am pus-o în stocare. Cât timp mă pot aștepta ca unitatea să-mi păstreze datele fără a fi nevoie să reconectați unitatea? … În MLC și SLC, acest lucru poate fi de până la 3 luni și cel mai bun caz poate fi mai mult de 10 ani”
  28. Kawamatus, Tatsuya Technology For Managing Nand Flash . Hagiwara sys-com co., LTD. Data accesării: 1 august 2011.  (link inaccesibil)
  29. 1 2 3 4 5 6 Foaia de parcurs tehnologică pentru memoria flash NAND (link indisponibil) . techinsights (aprilie 2013). Consultat la 9 ianuarie 2015. Arhivat din original pe 9 ianuarie 2015. 
  30. Clarke, Peter (20 noiembrie 2012). „Samsung preia memoria NAND sub 20-nm” Arhivat 28 noiembrie 2012 pe Wayback Machine eetimes.com. Preluat la 21 decembrie 2012.
  31. Anand, Lal Shimpi . Samsung SSD 840 EVO Review: 120 GB, 250 GB, 500 GB, 750 GB și 1 TB Modele testate , AnandTech (25 iulie 2013). Arhivat din original pe 9 ianuarie 2015. Recuperat la 9 ianuarie 2015. « Samsung numește cel mai recent proces NAND 10nm-class sau 1x-nm, care se poate referi la dimensiunile caracteristicilor de la 10nm la 19nm, dar am auzit că se numește și 19nm TLC. »
  32. Samsung eșantioane SSD 3D NAND . „ObjectiveAnalysis” (iulie 2014). Consultat la 9 ianuarie 2015. Arhivat din original pe 9 ianuarie 2015. : " .Samsung și-a prezentat NAND de 19 nm numindu-l un produs de „clasa 10 nm”. Încă o dată, presa a înțeles greșit și a transmis lumii că Samsung era înaintea tuturor concurenților săi »
  33. Familia Samsung 840 EVO SSD: rapidă, mare și responsabilă , PCWorld (25 iulie 2013). Arhivat din original pe 9 ianuarie 2015. Recuperat la 9 ianuarie 2015. : « procesul de fabricație de 19 nm utilizat pentru a produce NAND. Samsung din anumite motive numește această clasă de 10 nm sau 1x NAND, dar ne-au asigurat că este de 19 nm. »
  34. Assessment of the Potential & Maturity of Selected Emerging Research Memory Technologies Arhivat 18 aprilie 2012 la Wayback Machine // ITRS 2010
  35. Tabelul ORTC1 Rezumat 2013 Obiective de tendințe tehnologice ORTC Arhivat la 21 ianuarie 2015 la Wayback Machine // ITRS din EDIȚIA ITRS 2013 Arhivat la 21 septembrie 2014 la Wayback Machine
  36. 1 2 3 4 5 6 Foaia de parcurs tehnologică pentru memoria flash NAND (link indisponibil) . techinsights (aprilie 2014). Consultat la 9 ianuarie 2015. Arhivat din original pe 9 ianuarie 2015. 
  37. 1 2 Edward Grochowski, Robert E. Fontana, Provocări viitoare ale tehnologiei pentru produsele NAND Flash și HDD Arhivat la 9 ianuarie 2015 la Wayback Machine // Flash Memory Summit, 2012  : diapozitivul 6 „Foaia de parcurs pentru densitatea circuitului de memorie flash proiectată NAND»
  38. 1 2 3 4 5 Sean Yang. Dinamica ofertei: creștere limitată și cotă constantă. Cota de piata (baza de productie  ) . Actualizare 2014 NAND Flash Market. Oferta, cererea și nu numai . TrendForce. Data accesului: 9 ianuarie 2015. Arhivat din original la 13 ianuarie 2015.
  39. Jeongdong Choe (TechInsights) . Comparing Leading-Edge NAND Flash Memories  (engleză) , EETimes (25 iulie 2013). Arhivat din original pe 12 ianuarie 2015. Recuperat la 11 ianuarie 2015.  „Toți producătorii de NAND au adoptat un proces de degajare a aerului pentru a obține performanță și fiabilitate ridicate. Toshiba a implementat un proces de deschidere a aerului pe dispozitivul său NAND de 19 nm, în timp ce Samsung l-a adoptat pe 21 nm. IMFT a folosit un proces mai matur de degajare a aerului atât pe structura wordline, cât și pe linia de biți încă de la tehnologia sa NAND de 25 nm.”
  40. Nirmal Ramaswamy, Thomas Graettinger, (Micron) . Scalare flash NAND: nod de 20 nm și mai jos. Iată câteva dintre problemele fundamentale de proiectare a celulelor luate în considerare și abordate pentru a ajunge la această tehnologie de celule plane.  (engleză) , EE Times-Asia (5 iulie 2013). Arhivat din original pe 12 ianuarie 2015. Recuperat la 11 ianuarie 2015.  „Acest lucru devenise deja o problemă la nodul de 25 nm care necesita desfășurarea unui spațiu de aer între celule pentru a reduce interferența”.
  41. Peter Clarke . NAND, DRAM 3D-Transition Roadmaps  (engleză) , EETimes (25 august 2014). Arhivat din original pe 12 ianuarie 2015. Preluat la 11 ianuarie 2015.
  42. Dick James . The Second Shoe Drops - Samsung V-NAND Flash  (engleză) , ChipWorks (5 august 2014). Arhivat din original la 1 ianuarie 2015. Preluat la 11 ianuarie 2015.
  43. Rick Merritt . Sfaturi Samsung NAND vertical pe 3 biți. Gigantul coreean începe o inițiativă de stocare inteligentă  (engleză) , EETimes (5 august 2014). Arhivat din original pe 13 ianuarie 2015. Preluat la 11 ianuarie 2015.
  44. Lal Shimpi, Anand . ClearNAND de la Micron: 25nm + ECC, Combats Creșterea ratelor de eroare , Anandtech (2 decembrie 2010). Arhivat din original pe 3 decembrie 2010. Preluat la 2 decembrie 2010.
  45. Ed Oswald . Tehnologia actuală a unităților SSD este condamnată, spune Microsoft Research , ExtremeTech  ( 20 februarie 2012). Arhivat din original pe 9 ianuarie 2015. Preluat la 9 ianuarie 2015.
  46. Grupp, Laura M., John D. Davis, Steven Swanson. Viitorul sumbru al memoriei flash NAND  // Proceedings of the 10th USENIX Conference on File and Storage Technologies. - Asociația USENIX, 2012. Arhivat din original pe 6 septembrie 2015.
  47. Kim, Kinam; Koh, Gwan-Hyeob. Tehnologia memoriei viitoare, inclusiv noi  amintiri emergente . - Serbia și Muntenegru: Proceedings of the 24th International Conference on Microelectronics, 2004. - P. 377-384.
  48. Tom Coughlin; Ed Grochowski. Mulțumim pentru Amintiri : Tehnologii emergente de memorie non-volatile  . Asociații Coughlin; SNIA 2014 Storage Developer Conference (15 septembrie 2014). Data accesului: 9 ianuarie 2015. Arhivat din original la 13 ianuarie 2015.
  49. Prezentare generală a tehnologiilor emergente de memorie nevolatilă Arhivat 16 mai 2022 la Wayback Machine // Nanoscale Res Lett. 2014; 9(1): 526. 25 sept 2014. doi:10.1186/1556-276X-9-526
  50. Flash Wear-Leveling . Preluat la 22 martie 2013. Arhivat din original la 24 iunie 2016.
  51. ELJonline: Sisteme de fișiere Flash pentru sistemele Linux încorporate - Articole Linux pentru dispozitive - Linux pentru dispozitive (link în jos) . Consultat la 12 decembrie 2007. Arhivat din original pe 5 decembrie 2012. 
  52. Vă prezentăm YAFFS, primul sistem de fișiere flash specific NAND - Știri - Linux pentru dispozitive (downlink) . Consultat la 12 decembrie 2007. Arhivat din original la 12 septembrie 2012. 
  53. [ „Opt pot fi combinate pentru a produce... cip de memorie flash de 128 GB)”  (engleză) (link inaccesibil) . Consultat la 12 iunie 2012. Arhivat din original la 27 aprilie 2012.   „ Opt pot fi combinate pentru a produce... cip de memorie flash de 128 GB  ]
  54. ReadyBoost - Utilizarea cheii USB pentru a accelera Windows Vista - Tom Archer's Blog - Site Home - MSDN Blogs . Consultat la 12 decembrie 2007. Arhivat din original pe 23 mai 2006.
  55. RIP Floppy Disk Arhivat 16 februarie 2009 la Wayback Machine // BBC NEWS, Marea Britanie, 1 aprilie 2003
  56. ONFI 1.0 (link descendent) . Consultat la 12 decembrie 2007. Arhivat din original pe 28 noiembrie 2007. 
  57. 1 2 Anexa 3: Dezvoltarea standardelor de interfață NAND Flash ale diferitelor fabrici  . Raport anual al pieței NAND Flash 2012. raport de analiză a industriei . ChinaFlashMarket.com (13 ianuarie 2013). Data accesului: 9 ianuarie 2015. Arhivat din original la 1 august 2014.
  58. Membri ONFI (link inaccesibil) . Consultat la 12 decembrie 2007. Arhivat din original la 16 octombrie 2007. 
  59. Piața aplicațiilor de produse legate de NAND Flash  . Raport anual al pieței NAND Flash 2012. raport de analiză a industriei . ChinaFlashMarket.com (13 ianuarie 2013). Data accesului: 9 ianuarie 2015. Arhivat din original la 1 august 2014.

Link -uri