Флеш-пам’ять та її поширене використання

Флеш па́м'ять — це тип довготривалої комп'ютерної пам'яті, вміст якої можна видалити чи перепрограмувати електричним методом.

На відміну від англ. Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory, дії стирання виконуються лише блоками, на які розділений весь об'єм флеш пам'яті. У перших розробках флеш пам'яті весь об'єм складався лише з одного блока, її чип повинен був очищуватись повністю за один раз. При значно меншій ціні та значно більших об'ємах флеш пам'яті у порівнянні з EEPROM, вона стала домінуючою технологією у випадку, коли необхідно довготривале, стійке збереження інформації. Приклади її застосування найрізноманітніші: від цифрових аудіо-плеєрів, камер до мобільних телефонів і КПК. Флеш пам'ять також використовується в USB флеш дисках («пальчикового» або «переносного диску»), які зазвичай використовуються для збереження та передавання даних між двома комп'ютерами. Деяку популярність вона отримала в геймерському світі, де часто використовували EEPROM'и чи залежну від живлення SDRAM пам'ять для збереження інформації щодо прогресу гри.

Огляд

Флеш пам'ять — це один з типів пам'яті, яка може на довготривалий час зберігати певну інформацію, зовсім не використовуючи живлення. Крім цього, флеш-пам'ять має високу швидкість доступу до даних (хоча вона не настільки висока як у DRAM), кращий опір до зовнішніх впливів (кінетичний шок, вібрація, температура) та менше енергоспоживання, ніж у жорстких дисків. Ці характеристики пояснюють популярність флеш пам'яті для приладів, що залежать від батарейного живлення. Носії пам'яті, виконані з використанням флеш пам'яті (наприклад, карти пам'яті), набагато краще переносять зовнішні впливи та мають менший фізичний розмір, ніж інші носії даних (жорсткі диски, CD-ROM, DVD-ROM, магнітні стрічки).

Принцип дії

Флеш пам'ять зберігає інформацію в масиві «комірок», кожна з яких традиційно зберігає по одному біту інформації. Кожна комірка — це транзистор із плаваючим затвором. Новіші пристрої (інколи їх ще називають багатозарядними пристроями) можуть містити більше, ніж 1 біт в комірці, використовуючи два чи більше рівні електричних зарядів, розташованих при плаваючому затворі комірки.

У флеш пам'яті типу NOR кожна комірка схожа на стандартний MOSFET (оксидний напівпровідниковий польовий транзистор), але у ній є не один затвор, а два. Як і будь-який інший польовий транзистор, вони мають контрольний затвор (КЗ), а, окрім нього, ще й інший — плаваючий (ПЗ), замкнений всередині оксидного шару. ПЗ розташований між КЗ і підкладкою. Оскільки ПЗ відокремлений власним заізольованим шаром оксиду, будь-які електрони, що попадають на нього відразу потрапляють в пастку, що дозволяє зберігати інформацію. Захоплені плаваючим затвором електрони змінюють (практично компенсують) електричне поле контрольного затвору, що змінює порогову напругу (Vп) затвору. Коли з комірки «зчитують» інформацію, до КЗ прикладають певну напругу, в залежності від якої в каналі транзистора протікатиме або не протікатиме електричний струм. Ця напруга залежить від Vп комірки, яка в свою чергу контролюється числом захоплених плаваючим затвором електронів. Величина порогової напруги зчитується і перекодовується в одиницю чи нуль. Якщо плаваючий затвор може мати кілька зарядових станів, то зчитування відбувається за допомогою вимірювання сили струму в каналі транзистора.

Для запису інформації в "комірку" NOR необхідно зарядити плаваючий затвор. Цього досягають за допомогою тунельного ефекту, пропускаючи через канал транзистора порівняно високий струм, та подаючи на контрольний затвор підвищену напругу. При цьому виникають гарячі електрони, що мають достатню енергію для подолання оксидного шару та потрапляння на ізольований затвор.

Для очищення плаваючого затвору від електронів (стирання інформації) між контрольним затвором та стоком прикладають значну напругу зворотньої, ніж при запису, полярності, яка створює сильне електричне поле. Захоплені плаваючим затвором електрони висмоктуються цим полем, тунелюючи через оксидний шар.

У приладах з однотипною напругою (теоретично всі чипи, які доступні нам на сьогоднішній день) ця висока напруга створюється генератором підкачки заряду. Більшість сучасних компонентів NOR-пам'яті розділені на чисті сегменти, які часто називають блоками чи секторами. Всі комірки пам'яті в блоці повинні бути очищені одночасно. На жаль, метод NOR може в загальному випадку обробляти лише одну частину інформації типу byte чи word.

NAND-пам'ять використовує тунельну інжекцію для запису і тунельний випуск для вилучення. NAND'ова флеш-пам'ять формує ядро легкого USB-інтерфейсу запам'ятовуючих приладів, які також відомі як USB флешки.

Тоді, коли розробники збільшують густину флеш приладів, індивідуальні комірки діляться і кількість електронів в будь-якій комірці стає дуже малою. Парування між суміжними плаваючими затворами може змінити характеристики запису комірки. Нові реалізації, такі як заряджені пастки флеш пам'яті, намагаються забезпечити кращу ізоляцію між суміжними комірками.

Історія

Флеш пам'ять (обидва типи — NOR та NAND) була винайдена доктором Фуджіо Масуока, коли він працював на компанію Toshiba у 1984 р. Якщо вірити Toshiba, назва «Флеш» прийшла на думку колезі доктора Масуока — містеру Шої Аріїзумі, оскільки процеси видалення вмісту пам'яті нагадували йому спалах фотокамери (англ. flash). Доктор Масуока репрезентував винахід у 1984 році на зустрічі про Міжнародні Електронні Прилади (IEDM), яка відбулася в місті Сан-Хосе, Каліфорнія. Intel побачив високий потенціал цього винаходу і випустив перший комерційний чіп NOR флеш пам'яті у 1988 році.

Пам'ять, що базується на NOR має довготривалі цикли запису-видалення інформації, проте повноцінний адресний/інформаційний інтерфейс, який дає довільний доступ до будь-якої локації. Це робить його ідеальним для збереження програмного коду, який не потрібно часто оновлювати. Прикладом є комп'ютерний BIOS або програмне забезпечення різноманітних приладів. Цей інтерфейс витримує від 10 000 до 1 000 000 циклів видаляння інформації. Цей тип пам'яті став базою найперших переносних медіа; Compact Flash з самого початку базувався на ньому, хоча потім перейшов на дешевший варіант — NAND пам'ять.

NAND-флеш-пам'ять, яку Toshiba представила на ISSCC у 1989 році стала наступною. У ній швидше проходять цикли видалення-запису, вона має більшу внутрішню мережу, меншу ціну, і в 10 раз міцніша за свого попередника. Проте її інтерфейс вводу/виводу надає лише послідовний доступ до інформації. Саме тому її можна використовувати для пристроїв запису масової інформації, таких, як PC карточки, різні карти пам'яті і, в дещо меншій мірі, для комп'ютерної пам'яті. Перша картка, що базувалась на форматі NAND була SmartMedia, а після неї з'явились: Multimedia Card, Secure Digital, Memory Stick та xD-Picture карти пам'яті. Нове покоління цих форматів стає реальністю з RS-MMC, мікро та miniSD варіанти Secure Digital і нова USB-карта-пам'яті Intelligent Stick. Нові формати поставляються в значно зменшених розмірах, зазвичай менше, ніж 4 см2. Файл:I7.jpeg

Обмеження

Одним обмеженням флеш-пам'яті є те, що хоча вона і може читати чи запрограмувати одиницю інформації типу байт чи word за один відрізок часу у вибірковому методі доступу, вона також повинна очистити «блок» за той самий час. Стандартно всі біти при такій операції в блоці замінюються на 1. Діючи вже із чистим блоком будь-яке місце в межах блоку може бути запрограмоване. Проте як тільки біт стане рівним 0, лише видалення всього блоку змусить його повернутись назад в положення 1. Іншими словами, флеш-пам'ять (особливо флеш NOR) пропонує вибірковий метод читання і програмування операцій, Але не може дозволити вибірковий метод перезапису чи видалення. Хоча місце в пам'яті може бути переписаним до того часу, поки нові значення нульових бітів є надмножиною перезаписаних значень. Наприклад, число, яке складається з чотирьох бітів може бути очищене до 1111 , тоді записане як 1110. Успішний запис до цього числа може змінити його на 1010, тоді на 0010, і нарешті на 0000. Хоча структура інформації у флеш-пам'яті не може бути оновлена в кардинально простими шляхами, вона дозволяє «видаляти» її члени, позначаючи їх невірними. Ця техніка повинна бути дещо вдосконалена для багаторівневих приладів, де одна комірка пам'яті тримає більш, ніж 1 біт.

Якщо порівнювати з вінчестером, іншим обмеженням є той факт, що флеш-пам'ять має скінченну кількість циклів запису-видалення (більшість комерційно доступних флеш продуктів гарантують витримати 1 мільйон програмних циклів), тому це потрібно мати на увазі при переміщенні програм, розрахованих для вінчестера (наприклад операційні системи) на такі носії флеш-пам'яті, як CompactFlash.

Цей ефект — часткове зміщення деякими драйверами до файлової системи, які обраховують записи і динамічні переміщення блоків, щоб розтягнути операції запису між секторами, або які обраховують підтвердження запису і переміщення, щоб розтягнути сектори у випадку невдалого запису.

Ціна флеш-пам'яті залишається значно вищою ніж відповідна ціна вінчестера, і це (разом зі скінченністю кількості циклів запису-видалення, про яку згадано раніше) утримує флеш-пам'ять від того, щоб стати основною заміною вінчестерів на нормальних настільних комп'ютерах чи ноутбуках. [ред.]

Доступ на низькому рівні

Низькорівневий доступ до фізичної флеш-пам'яті драйвером даного приладу відрізняється від доступу до інших типів пам'яті. Де звична RAM-пам'ять просто буде відповідати на запити читання та запису інформації і повертати результат цих операцій в ту ж мить, там флеш-пам'ять потребує додаткового часу, особливо коли використовується програмна пам'ять на кшталт ROM'а.

Коли зчитування даних може бути здійснене на індивідуальних адресах пам'яті NOR (але не NAND), операції розблокування (яка робить дії запису і видалення доступними), видалення і запису виконуються не однаково на різних видах флеш-пам'яті. Типовий розмір блоку становить 64, 128 або 256 Кб.

Одна група, яка носить назву ONFI (відкрита група по вдосконаленню NAND інтерфейсу) спрямована на розробку стандартизованого низькорівневого NAND- флеш-інтерфейсу, що зробить доступним можливість взаємодії між NAND-приладами від різних вендорів. Мета цієї групи включає розробку стандартизованого інтерфейсу на рівні чипа (схема розподілу виходів) для NAND-пам'яті, стандартний набір команд і механізм самоідентифікації. Специфікацію планують викласти в маси наприкінці 2006 року. [ред.] Пам'ять типу NOR

Режим читання NOR-пам'яті схожий до зчитування зі звичайної пам'яті, забезпечені адреси та шина даних вірно прив'язані, тому пам'яті типу NOR виглядають майже так само як і будь-яка залежна від адреси пам'ять. Флеш-пам'ять NOR може бути використана як пам'ять типу XIP (execute-in-place), а це означає що вона веде себе як ROM-пам'ять, прив'язуючись до конкретних адрес. Флеш пам'ять NOR немає впорядкування внутрішніх поганих блоків, тому коли флеш-блок втрачає свою внутрішню структуру, тоді або програма, яка використовує його повинна вчинити деякі дії, або прилад зупиняє роботу.

Розблоковуючи, видаляючи чи записуючи на NOR пам'ять спеціальні команди записуються на першу сторінку прив'язаної пам'яті. Ці команди визначають Загальний Стандартний інтерфейс (CFI), заснований Intel'ом, і флеш-область представить список всіх доступних команд фізичного драйвера.

Крім використання в ролі ROM'а, NOR пам'яті можуть, звичайно, також бути розділені файловою системою і тоді використовуватись у будь-якому приладі. Проте файлові системи NOR зазвичай дуже повільні при записі, якщо порівнювати із файловими системами, які побудовані на NAND пам'яті. [ред.] Пам'ять типу NAND

NAND флеш пам'яті не можуть забезпечити принцип «миттєвий запис» (XIP) через інші конструкційні принципи. Доступ до цієї пам'яті може бути здійснений методом блокових приладів, таких як вінчестери та карти пам'яті. Розмір блоків зазвичай має 512 або 2048 байт. В кожному блоці зарезервовано деяку кількість байт (зазвичай від 12 до 16), які зберігають різноманітні помилки і контрольну суму блоку.

Прилади типу NAND зазвичай залежать від програмної обробки блоків. Це означає, що коли зчитують логічний блок, він прив'язується до фізичного блоку, і що коли прилад має деяку кількість блоків, встановлених за своїми межами, вони встановлюються зі зміщенням, компенсуючи втрату поганих блоків і зберігають первинну і вторинну таблицю прив'язки.

Методи виправлення помилок та визначення контрольної суми зазвичай виявляють помилку, де один біт інформації в блоці невірний. Коли це трапляється, блок позначається як поганий в таблиці логічного розміщення, і його вміст (ще непошкоджений) копіюється у новий блок, а таблиця логічного розміщення знову змінюється. Якщо у пам'яті пошкоджено більш, ніж 1 блок, тоді вміст блоку практично втрачений, тобто стає неможливо відновити оригінальний вміст. Деякі прилади можуть навіть постачатись в комплекті з вже запрограмованою таблицею поганих блоків від виробника, оскільки деколи просто неможливо виробити безпомилкові пам'яті типу NAND.

Перший, вільний від помилок фізичний блок (блок № 0) завжди гарантує свою читабельність і не може бути пошкодженим. З цього випливає, що всі життєво важливі вказівники для розподілення пам'яті і впорядкування поганих блоків приладу повинні бути розміщені всередині цього блоку (зазвичай вказівник на погані таблиці блоків, і т. д.). Якщо прилад використовується, щоб завантажувати ОС, цей блок повинен містити Таблицю завантаження (Master Boot Record).

Коли запускати програмне забезпечення з пам'яті NAND, використовується стратегія віртуальної пам'яті: вміст пам'яті спочатку нумерується, або просто копіюється в розподілену пам'ять RAM, а тоді вже звідти виконується.

По цій причині деякі системи будуть використовувати комбінації пам'ятей NOR та NAND, де менша NOR пам'ять використовуватиметься як програмний ROM, а більша NAND пам'ять розбивається на розділи файловою системою, щоб зберігати різну інформацію. [ред.] Об'єм

Стандартні частини флеш пам'яті (індивідуальні внутрішні компоненти, або «чипи») дуже сильно відрізняються в об'ємі інформації, від кібіта до гікабітів кожна. Чипи часто з'єднують в один, щоб досягнути вищих ємностей для використання в таких приладах як iPod nano або SanDisk Sansa e200. Місткість флеш чипів дотримується закону Мура, оскільки вони розроблені тими самими процесами, що використовуються й для вироблення інших інтегрованих циклів. Проте в даній технології були також стрибки поза законом Мура через різні інновації.

У 2005 році Toshiba та SanDisk розробили флеш чип типу NAND, який міг містити 8 гібібітів інформації, використовуючи технологію MLC (багаторівневі комірки), яка зберігала 2 біти інформації в одній комірці. У вересні 2005 року компанія Samsung Electronics анонсувала, що вона розробила перший у світі 16 гібібітний чип.

У березні 2006 року Samsung анонсує флеш вінчестери з місткістю у 32 гібібіти, по суті з таким самим розміром, як і в найменших вінчестерах ноутбуків. А у вересні 2006 року, Samsung анонсувала результат виготовлення 32 гібібітних чипів, розміром в 40 нм. [1]

Для деяких продуктів флеш пам'яті, таких як карти пам'яті та USB пам'ять, на середину 2006 року 256Мб-тові і продукти меншої місткості сильно знецінились. Ємність 1Гб стала звичною для людей, які не використовують флеш пам'ять екстенсивно, але все більше і більше клієнтів закуповуються 2-ма та 4-ма Гігабайтними флеш приладами. Hitachi має конкурентноспроможний механізм вінчестера (називається Microdrive), який може поміститись всередині оболонки звичайної карточки CompactFlash. Його ємність — до 8Гб. BiTMicro пропонує 155 Гігабайтний, товщиною у 3.5 дюйми, твердий диск, названий «Edisk»'ом. [ред.]

Швидкість

Флеш-пам'ять доступна у декількох швидкостях. Деякі визначають швидкість приблизно в 2 Мб/с, 12 Мб/с, і т. д. Проте інші карточки просто мають рейтинг 100×, 130×, 200×, і т. д. Для таких карток за 1× беруть швидкість 150 Кб/с. Це була швидкість, якою могли передавати інформацію перші CD прилади, і її запозичили флеш картки пам'яті. Хоча коли порівнювати 100× карточку до карточки, яка передає зі швидкістю в 12 Мб/с використовують такі перетворення: 150 КБ × 100 = 15 000 Кб/с

Щоб перетворити Кб в Мб, ділимо на 1024: 15 000Кб ÷ 1024 = 14.65 Мб/с

Хоча насправді 100x картки на 2.65 Мб/с швидші, ніж картки, які вимірюються у швидкості в 12 Мб/с. [ред.] Пошкодження інформації та її відновлення

Найбільшою поширеною помилкою втрати інформації картки флеш-пам'яті є те, що її витягують із пристрою, коли інформація ще продовжується писатись. Ситуація погіршується, якщо використовувати несумісні файлові системи, що не розроблені для приладів, які виймаються, або якщо існує асинхронізація (коли інформація ще стоїть в черзі на запис, а в той момент відключають пристрій).

В деяких випадках можливо відновити інформацію з флеш пам'яті. Евристичний метод та метод Грубого втручання є прикладами відновлення, які можуть повернути загальну інформацію, збережену на карті флеш пам'яті. [ред.] Виробники флеш пам'яті Samsung Intel Atmel Qimonda STMicroelectronics Spansion Sharp Corporation Toshiba Sandisk Micron Technology SimpleTech Kingston Technology Hynix Winbond Excel Semiconductor SST Macronix Lexar Eon Silicon Solution Inc. (ESSI) AMIC Technology