Флеш-пам’ять та її використання,Кононенко

Основні поняття

Флеш-пам'ять - різновид твердотільної напівпровідникової енергонезалежною перезаписуваної пам'яті. Вона може бути прочитана скільки завгодно разів, але писати в таку пам'ять можна лише обмежене число раз (максимально - близько мільйона циклів [1]). Поширена флеш-пам'ять, що витримує близько 100 тисяч циклів перезапису - набагато більше, ніж здатна витримати дискета або CD-RW. Не містить рухомих частин, так що, на відміну від жорстких дисків, більш надійна і компактна. Завдяки своїй компактності, дешевизні і низькому енергоспоживанні флеш-пам'ять широко використовується в портативних пристроях, що працюють на батарейках і акумуляторах - цифрових фотокамерах і відеокамерах, цифрових диктофонах, MP3-плеєрах, КПК, мобільних телефонах, а також смартфонах і комунікаторах. Крім того, вона використовується для зберігання вбудованого програмного забезпечення в різних пристроях (маршрутизаторах, міні-АТС, принтерах, сканерах), різних контролерах. 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.

Застосування флеш пам'яті

Для технологій 20-го століття до винаходу цілком вистачало пристроїв, таких як карта пам`яті і USB-флеш-накопичувачі. Але в 21-м столітті стався бум на носії інформації з технологією флеш. В першу чергу флеш-пам`яттю обзавелися всі мобільні телефони, планшети, мультимедіа-програвачі та цифрові пристрої. Пізніше жодна інтерактивна іграшка для дітей не могла існувати без флеш-пам`яті. Технології на цьому не зупинилися. Щодня з`являються все нові пристрої, забезпечені таким чудовим видом пам`яті. Взяти хоча б ліхтарик для поліцейського. Завдяки наявності в ньому флеш-пам`яті правозахисник може вибирати необхідну йому фокусування і яскравість променя зі збережених налаштувань.

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. 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.