Flash paměť - Flash memory

Demontovaný USB flash disk . Čip vlevo je flash paměť. Regulátor je na pravé straně.

SSD mSATA s odstraněným štítkem pro zobrazení čipové sady a NAND.

Flash paměť je elektronické energeticky nezávislé paměťové médium počítače, které lze elektricky vymazat a přeprogramovat. Dva hlavní typy flash paměti, NOR flash a NAND flash, jsou pojmenovány pro logické brány NOR a NAND . Flash NOR používá stejný design buněk, skládající se z MOSFETů s plovoucí bránou . Liší se na úrovni obvodu v závislosti na tom, zda je stav bitové linky nebo slovních linek vytažen vysoko nebo nízko. V NAND flash se vztah mezi bitovou linkou a slovními řádky podobá bráně NAND; v NOR flash to připomíná bránu NOR.

Flash paměť, typ paměti s plovoucí bránou , byla vynalezena v Toshiba v roce 1980 a je založena na technologii EEPROM . Toshiba začala prodávat flash paměť v roce 1987. EPROM musely být zcela vymazány před tím, než by mohl být přepsán. Paměť NAND flash však může být vymazána, zapsána a čtena v blocích (nebo stránkách), které jsou obecně mnohem menší než celé zařízení. Flash paměť NOR umožňuje zapsat jedno strojové slovo - na vymazané místo - nebo jej přečíst samostatně. Zařízení flash paměti se obvykle skládá z jednoho nebo více čipů paměti flash (každý s mnoha buňkami paměti flash) spolu se samostatným čipem řadiče paměti flash .

Typ NAND se vyskytuje hlavně v paměťových kartách , USB flash discích , discích SSD (vyráběných od roku 2009), funkčních telefonech , chytrých telefonech a podobných produktech pro obecné ukládání a přenos dat. Flash paměť NAND nebo NOR se také často používá k ukládání konfiguračních dat v mnoha digitálních produktech, což je úkol, který dříve umožňovala EEPROM nebo statická RAM napájená bateriemi . Klíčovou nevýhodou paměti flash je, že dokáže vydržet pouze relativně malý počet cyklů zápisu v konkrétním bloku.

Flash paměť se používá v počítačích , PDA , digitálních audio přehrávačích , digitálních fotoaparátech , mobilních telefonech , syntezátorech , video hrách , vědeckých přístrojích , průmyslové robotice a lékařské elektronice . Flash paměť má rychlý přístup ke čtení , ale není tak rychlá jako statická RAM nebo ROM. V přenosných zařízeních je upřednostňován před pevnými disky, protože je odolný vůči mechanickým nárazům.

Protože cykly mazání jsou pomalé, velké velikosti bloků používané při mazání paměti flash jí při zápisu velkého množství dat poskytují značnou rychlostní výhodu oproti non-flash EEPROM. Od roku 2019 stojí flash paměť mnohem méně než EEPROM programovatelná v bajtech a stala se dominantním typem paměti všude tam, kde systém vyžadoval značné množství energeticky nezávislého úložiště v pevném stavu . EEPROM se však stále používají v aplikacích, které vyžadují pouze malé množství úložiště, jak je detekováno sériovou přítomností .

Balíčky flash paměti mohou používat stohování matric s průchodkami přes křemík a několik desítek vrstev buněk 3D TLC NAND (na kostku) současně k dosažení kapacity až 1 tebibyte na balíček s použitím 16 skládaných matric a integrovaného ovladače blesku jako samostatné matrice uvnitř balík.

Dějiny

Pozadí

Počátky flash paměti lze vysledovat až k vývoji plovoucí brány MOSFET (FGMOS), známého také jako tranzistor s plovoucí bránou. Původní tranzistor MOSFET (tranzistor s efektem kovu a oxidu polovodiče), známý také jako tranzistor MOS, vynalezli egyptský inženýr Mohamed M. Atalla a korejský inženýr Dawon Kahng v Bell Labs v roce 1959. Kahng pokračoval ve vývoji variace, MOSFET s plovoucí bránou, s čínským inženýrem Simonem Minem Sze v Bell Labs v roce 1967. Navrhli, že by mohl být použit jako paměťové buňky s plovoucí bránou pro ukládání formy programovatelné paměti jen pro čtení ( PROM ), která je energeticky nezávislá a přeprogramovatelné.

Rané typy paměti s plovoucí bránou zahrnovaly v sedmdesátých letech EPROM (vymazatelný PROM) a EEPROM (elektricky vymazatelný PROM). Počáteční paměť s plovoucí bránou však vyžadovala, aby inženýři vybudovali paměťovou buňku pro každý bit dat, což se ukázalo jako těžkopádné, pomalé a drahé, což v sedmdesátých letech omezovalo paměť s plovoucí bránou na speciální aplikace, jako je vojenské vybavení a nejranější experimentální mobilní telefony .

Vynález a komercializace

Fujio Masuoka , když pracoval pro společnost Toshiba , navrhl nový typ paměti s plovoucí bránou, která umožňovala rychlé a snadné vymazání celých částí paměti připojením napětí na jeden vodič připojený ke skupině článků. To vedlo k Masuokovu vynálezu flash paměti v Toshibě v roce 1980. Podle Toshiby název „flash“ navrhl Masuokův kolega Shōji Ariizumi, protože proces mazání obsahu paměti mu připomínal záblesk fotoaparátu . Masuoka a jeho kolegové představili vynález NOR flash v roce 1984 a poté NAND flash na IEEE 1987 International Electron Devices Meeting (IEDM), který se konal v San Francisku.

Toshiba komerčně uvedla na trh paměť NAND flash v roce 1987. Společnost Intel Corporation představila první komerční flash čip typu NOR v roce 1988. Flash na bázi NOR má dlouhé časy mazání a zápisu, ale poskytuje plné adresy a datové sběrnice, což umožňuje náhodný přístup do libovolného umístění paměti. Díky tomu je vhodná náhrada za starší dělá paměť pouze pro čtení (ROM) čipy, které se používají k ukládání programového kódu, které jen zřídka je třeba aktualizovat, jako je počítač v systému BIOS nebo firmware ze set-top boxů . Jeho výdrž může být od pouhých 100 cyklů vymazání u flash paměti na čipu až po typičtější 10 000 nebo 100 000 cyklů mazání, až 1 000 000 cyklů mazání. Flash založený na NOR byl základem raných vyměnitelných médií založených na blesku; CompactFlash byl původně založen na tom, ačkoli později se karty přesunuly do levnějšího NAND flash.

NAND flash má kratší časy mazání a zápisu a vyžaduje menší plochu čipu na buňku, což umožňuje větší hustotu úložiště a nižší náklady na bit než u NOR flash. I/O rozhraní NAND flash však neposkytuje externí adresovou sběrnici s náhodným přístupem. Data musí být čtena spíše po blocích, s typickými velikostmi bloků stovky až tisíce bitů. Díky tomu je NAND flash nevhodný jako náhrada za ROM programu, protože většina mikroprocesorů a mikrokontrolérů vyžaduje náhodný přístup na úrovni bajtů. V tomto ohledu je NAND flash podobný jiným sekundárním zařízením pro ukládání dat , jako jsou pevné disky a optická média , a je proto velmi vhodný pro použití v zařízeních s velkokapacitním úložištěm, jako jsou paměťové karty a jednotky SSD (SSD). Flash paměťové karty a SSD ukládají data pomocí několika NAND flash paměťových čipů.

První formát vyměnitelné paměťové karty na bázi NAND byl SmartMedia , vydaný v roce 1995. Mnoho dalších následovalo, včetně MultiMediaCard , Secure Digital , Memory Stick a xD-Picture Card .

Pozdější vývoj

Nová generace formátů paměťových karet, včetně RS-MMC , miniSD a microSD , má extrémně malé rozměry. Například karta microSD má plochu něco málo přes 1,5 cm ² s tloušťkou menší než 1 mm.

NAND flash dosáhl významné úrovně hustoty paměti v důsledku několika hlavních technologií, které byly komerčně dostupné od konce 2000 do začátku roku 2010.

Technologie víceúrovňových buněk (MLC) ukládá do každé paměťové buňky více než jeden bit . Společnost NEC v roce 1998 prokázala technologii víceúrovňových buněk (MLC), přičemž 80 MB flash paměťový čip ukládá 2 bity na buňku. Společnost STMicroelectronics také v roce 2000 předvedla MLC s 64 MB flash paměťovým čipem NOR . V roce 2009 představily společnosti Toshiba a SanDisk NAND flash čipy s technologií QLC, které ukládají 4 bitů na buňku a mají kapacitu 64 Gbit. Společnost Samsung Electronics představila technologii tříúrovňových buněk (TLC), která ukládá 3 bity na buňku, a v roce 2010 začala sériově vyrábět čipy NAND s technologií TLC.

Bliká blesk

Technologie Charge Trap Flash (CTF) nahrazuje polysilikonovou plovoucí bránu, která je vložena mezi oxid blokovací brány nad a tunelový oxid pod ní, elektricky izolační vrstvou nitridu křemíku; vrstva nitridu křemíku zachycuje elektrony. CTF je teoreticky méně náchylný k úniku elektronů, což zajišťuje lepší uchování dat.

Protože CTF nahrazuje polykrystalický křemík elektricky izolujícím nitridem, umožňuje menší články a vyšší odolnost (nižší degradace nebo opotřebení). Elektrony se však mohou zachytit a akumulovat v nitridu, což vede k degradaci, únik se zhoršuje při vysokých teplotách, protože elektrony se s rostoucími teplotami více excitují. Technologie CTF však stále využívá tunelovací oxid a blokovací vrstvu, které jsou slabými místy technologie, protože je lze stále poškodit obvyklými způsoby (oxid tunelu může být degradován v důsledku extrémně vysokých elektrických polí a blokovací vrstva v důsledku anody Vstřikování horkou dírou (AHHI).

Degradace nebo opotřebení oxidů je důvodem, proč má paměť flash omezenou výdrž a retence dat klesá (potenciál ztráty dat se zvyšuje) s rostoucí degradací, protože oxidy při degradaci ztrácejí své elektricky izolační vlastnosti. Oxidy musí izolovat proti elektronům, aby se zabránilo jejich úniku, což by způsobilo ztrátu dat.

V roce 1991 vědci NEC, včetně N.Kodamy, K.Oyamy a Hiroki Shiraiho, popsali typ flash paměti metodou zachycení náboje. V roce 1998 si Boaz Eitan ze společnosti Saifun Semiconductors (později získaný společností Spansion ) nechal patentovat technologii flash paměti s názvem NROM, která využívala vrstvu zachycující náboj, která nahradila konvenční plovoucí bránu používanou v konvenčních provedeních paměti flash. V roce 2000 výzkumný tým Advanced Micro Devices (AMD) vedený Richardem M. Fastowem, egyptským inženýrem Khaledem Z. Ahmedem a jordánským inženýrem Sameerem Haddadem (který se později připojil ke Spansion) demonstroval mechanismus zachycování náboje pro flash paměťové buňky NOR. CTF byl později komerčně dostupný společnostmi AMD a Fujitsu v roce 2002. Technologie 3D V-NAND (vertikální NAND) vertikálně hromadí paměťové buňky NAND flash v čipu pomocí technologie 3D CTP. Technologie 3D V-NAND byla poprvé oznámena společností Toshiba v roce 2007 a první zařízení s 24 vrstvami bylo poprvé uvedeno na trh společností Samsung Electronics v roce 2013.

Technologie 3D integrovaných obvodů

Technologie 3D integrovaných obvodů (3D IC) stohuje integrované obvody (IC) svisle do jednoho balíčku čipů 3D IC. Toshiba představila technologii 3D IC do flash paměti NAND v dubnu 2007, kdy debutovala o 16 GB kompatibilním s eMMC (produktové číslo THGAM0G7D8DBAI6, na webových stránkách pro spotřebitele často zkráceně THGAM) vestavěný flash paměťový čip NAND, který byl vyroben s osmi naskládanými 2 GB flash čipy NAND . V září 2007 společnost Hynix Semiconductor (nyní SK Hynix ) představila 24vrstvou technologii 3D IC s 16 GB flash paměťovým čipem, který byl vyroben s 24 naskládanými flash čipy NAND pomocí procesu lepení oplatky. Toshiba v roce 2008 také použila osmivrstvý 3D IC pro svůj 32 GB THGBM flash čip v roce 2008. V roce 2010 Toshiba použil 16vrstvý 3D IC pro 128 GB THGBM2 flash čip, který byl vyroben se 16 naskládanými 8 GB čipy. V 2010s, 3D ICs přišel do rozšířeného komerčního využití pro NAND flash paměti v mobilních zařízeních .

V srpnu 2017 jsou k dispozici karty microSD s kapacitou až 400 GB (400 miliard bajtů). Ve stejném roce společnost Samsung spojila stohování 3D IC čipů s technologiemi 3D V-NAND a TLC a vyrobila svůj 512 GB čip KLUFG8R1EM s 5 paměťovými flash paměťmi a osmi skládanými 64vrstvými V-NAND čipy. V roce 2019 vyrobil Samsung 1024 GB flash čip s osmi naskládanými 96vrstvými V-NAND čipy a technologií QLC.

Principy činnosti

Buňka flash paměti

Flash paměť ukládá informace do řady paměťových buněk vyrobených z tranzistorů s plovoucí bránou . V zařízeních s jednoúrovňovou buňkou (SLC) ukládá každá buňka pouze jeden bit informací. Zařízení s víceúrovňovými buňkami (MLC), včetně zařízení s tříúrovňovými buňkami (TLC), mohou ukládat více než jeden bit na buňku.

Plovoucí brána může být vodivá (typicky polykřemičitá ve většině druhů flash paměti) nebo nevodivá (jako u flash paměti SONOS ).

Plovoucí brána MOSFET

Ve flash paměti každá paměťová buňka připomíná standardní tranzistor s efektem pole s oxidem kovu a polovodičem (MOSFET) s tím rozdílem, že tranzistor má dvě brány místo jedné. Články lze chápat jako elektrický spínač, ve kterém protéká proud mezi dvěma svorkami (zdroj a odtok) a je řízen plovoucí bránou (FG) a řídicí bránou (CG). CG je podobný bráně v jiných tranzistorech MOS, ale pod tím je FG izolován všude kolem vrstvou oxidu. FG je vloženo mezi CG a kanálem MOSFET. Protože je FG elektricky izolován izolační vrstvou, elektrony na ní umístěné jsou zachyceny. Pokud je FG naplní elektrony, tento náboj obrazovky na elektrické pole od těžiště, a tím, zvýšení prahové napětí (V _T1 ) buňky. To znamená, že nyní musí být na CG aplikováno vyšší napětí (V _T2 ), aby byl kanál vodivý. Aby bylo možné odečíst hodnotu z tranzistoru, je na CG přivedeno mezilehlé napětí mezi prahová napětí (V _T1 a V _T2 ). Pokud kanál vede tímto mezilehlým napětím, FG musí být nenabitý (pokud by byl nabitý, nedostali bychom vedení, protože mezilehlé napětí je menší než V _T2 ), a proto je v bráně uloženo logické „1“. Pokud kanál nevede na středním napětí, znamená to, že FG je nabitý, a proto je v bráně uložena logická „0“. Přítomnost logické „0“ nebo „1“ je snímána určením, zda tranzistorem protéká proud, když je na CG uplatněno mezilehlé napětí. Ve víceúrovňovém buněčném zařízení, které ukládá více než jeden bit na článek, je snímáno množství proudu (nikoli pouze jeho přítomnost nebo nepřítomnost), aby se přesněji určila úroveň náboje na FG.

MOSFETy s plovoucí bránou jsou pojmenovány tak, protože mezi plovoucí bránou a křemíkem je elektricky izolační vrstva oxidu tunelu, takže brána „plave“ nad křemíkem. Oxid udržuje elektrony omezené na plovoucí bránu. Degradace nebo opotřebení (a omezená výdrž paměti Flash s plovoucí bránou) nastává v důsledku extrémně vysokého elektrického pole (10 milionů voltů na centimetr), které oxid zaznamenává. Tak vysoké hustoty napětí mohou v průběhu času v relativně tenkém oxidu rozbít atomové vazby, postupně degradovat jeho elektricky izolační vlastnosti a umožnit elektronům, aby se zachytily a volně prošly (únik) z plovoucí brány do oxidu, čímž se zvyšuje pravděpodobnost ztráty dat protože elektrony (jejichž množství se používá k reprezentaci různých úrovní náboje, každý přiřazený jiné kombinaci bitů v MLC Flash) jsou normálně v plovoucí bráně. To je důvod, proč se uchovávání dat snižuje a riziko ztráty dat se zvyšuje s rostoucí degradací.

Tunelování Fowler – Nordheim

Proces přesunu elektronů z řídicí brány do plovoucí brány se nazývá tunelování Fowler – Nordheim a zásadně mění vlastnosti buňky zvýšením prahového napětí MOSFETu. To zase mění proud odtokového zdroje, který protéká tranzistorem pro dané napětí brány, které se nakonec používá ke kódování binární hodnoty. Efekt tunelování Fowler-Nordheim je reverzibilní, takže k plovoucí bráně lze přidávat nebo odebírat elektrony, procesy tradičně známé jako psaní a mazání.

Vnitřní nabíjecí čerpadla

Navzdory potřebě relativně vysokého programování a mazání napětí prakticky všechny bleskové čipy dnes vyžadují pouze jediné napájecí napětí a vytvářejí vysoké napětí, které jsou vyžadovány pomocí nabíjecích pump na čipu .

Více než polovina energie spotřebované 1,8 V NAND flash čipem se ztrácí v samotné nabíjecí pumpě. Vzhledem k tomu, že měniče boostu jsou ze své podstaty účinnější než nabíjecí pumpy, výzkumníci vyvíjející SSD s nízkým výkonem navrhli návrat ke dvěma napájecím napětím Vcc/Vpp používaným u všech raných flash čipů a pohánějí vysoké napětí Vpp pro všechny flash čipy na SSD s jediným sdílený externí převodník posílení.

V kosmických lodích a dalších prostředích s vysokým zářením je nabíjecí pumpa na čipu první částí bleskového čipu, přestože flash paměti budou i nadále fungovat-v režimu pouze pro čtení-na mnohem vyšších úrovních radiace.

NOR blesk

Zapojení a struktura flash paměti NOR na křemíku

V NOR flash má každý článek jeden konec připojený přímo k zemi a druhý konec připojený přímo k bitové lince. Toto uspořádání se nazývá „blesk NOR“, protože funguje jako brána NOR: když je jeden ze slovních řádků (připojený k CG buňky) vynesen vysoko, odpovídající paměťový tranzistor působí tak, aby vytáhl výstupní bitovou linku nízko. NOR flash je i nadále technologií volby pro vestavěné aplikace vyžadující diskrétní energeticky nezávislé paměťové zařízení. Nízké latence čtení charakteristické pro zařízení NOR umožňují jak přímé spuštění kódu, tak ukládání dat v jednom paměťovém produktu.

Programování

Programování paměťové buňky NOR (nastavení na logickou 0) pomocí horké elektronové injekce

Vymazání paměťové buňky NOR (nastavení na logickou 1) pomocí kvantového tunelování

Jednoúrovňový zábleskový článek NOR ve svém výchozím stavu je logicky ekvivalentní binární hodnotě „1“, protože proudem bude proudit kanál pod aplikací příslušného napětí do řídicí brány, takže napětí bitové linky bude staženo dolů. Flash buňku NOR lze naprogramovat nebo nastavit na binární hodnotu „0“ následujícím postupem:

na CG je aplikováno zvýšené napětí (obvykle> 5 V)
kanál je nyní zapnutý, takže elektrony mohou proudit ze zdroje do odtoku (za předpokladu tranzistoru NMOS)
zdroj-odtokový proud je dostatečně vysoký, aby způsobil, že některé vysoce energetické elektrony přeskočí izolační vrstvou na FG, procesem nazývaným injekce horkých elektronů .

Mazání

K vymazání zábleskové buňky NOR (resetování do stavu „1“) je mezi CG a zdrojovým terminálem aplikováno velké napětí opačné polarity , které stahuje elektrony z FG kvantovým tunelem . Moderní čipy NOR flash paměti jsou rozděleny do segmentů pro mazání (často se nazývají bloky nebo sektory). Operaci vymazání lze provést pouze na blokovém základě; všechny buňky v mazacím segmentu musí být vymazány společně. Programování buněk NOR lze však obecně provádět po jednom bajtu nebo slově.

Zapojení a struktura flash paměti NAND na křemíku

Blesk NAND

NAND flash také používá tranzistory s plovoucí bránou , ale jsou spojeny způsobem, který připomíná bránu NAND : několik tranzistorů je zapojeno do série a bitová linka je vytažena nízko, pouze pokud jsou všechny řádky slov vytaženy vysoko (nad tranzistory) V _T ). Tyto skupiny jsou poté připojeny pomocí některých dalších tranzistorů k poli bitových linek ve stylu NOR stejným způsobem, jakým jsou jednotlivé tranzistory propojeny v NOR flash.

Ve srovnání s bleskem NOR přináší nahrazení jednotlivých tranzistorů skupinami propojenými v sérii další úroveň adresování. Zatímco NOR flash může adresovat paměť stránku po slovu, pak slovo NAND flash ji může řešit podle stránky, slova a bitu. Adresování na úrovni bitů vyhovuje bitovým sériovým aplikacím (například emulace pevného disku), které přistupují pouze k jednomu bitu najednou. Na druhou stranu aplikace Execute-in-place vyžadují, aby každý bit slova byl přístupný současně. To vyžaduje adresování na úrovni slov. V každém případě jsou možné režimy adresování bitů i slov s bleskem NOR nebo NAND.

Pro čtení dat je nejprve vybrána požadovaná skupina (stejným způsobem, jakým je vybrán jeden tranzistor z pole NOR). Dále většina slovních řádků se zastavil nad V. _T naprogramovaného bitu, přičemž jeden z nich se zastavil těsně nad V. _T z vymazané bitu. Skupina sérií provede (a vytáhne bitovou linku dolů), pokud zvolený bit nebyl naprogramován.

Navzdory dalším tranzistorům redukce zemních vodičů a bitových linek umožňuje hustší uspořádání a větší kapacitu úložiště na čip. (Uzemňovací vodiče a bitové linky jsou ve skutečnosti mnohem širší než čáry v diagramech.) Kromě toho je NAND flash obvykle povoleno obsahovat určitý počet poruch (očekává se, že NOR flash, jak se používá pro ROM BIOS , bude bez závad). Výrobci se snaží maximalizovat množství použitelného úložiště zmenšením velikosti tranzistorů.

Buňky NAND Flash se čtou analýzou jejich reakce na různá napětí.

Psaní a mazání

NAND flash používá tunel pro zápis a uvolnění tunelu pro mazání. Paměť NAND flash tvoří jádro vyměnitelných úložných zařízení USB známých jako USB flash disky , stejně jako většina dnes dostupných formátů paměťových karet a SSD .

Hierarchická struktura NAND Flash začíná na úrovni buňky, která vytváří řetězce, pak stránky, bloky, roviny a nakonec kostku. Řetězec je řada připojených buněk NAND, ve kterých je zdroj jedné buňky připojen k odtoku další. V závislosti na technologii NAND se řetězec obvykle skládá z 32 až 128 buněk NAND. Řetězce jsou uspořádány do stránek, které jsou následně organizovány do bloků, ve kterých je každý řetězec připojen k samostatnému řádku nazývanému bitová čára (BL). obsahuje určitý počet bloků, které jsou propojeny stejným BL. Flash matrice se skládá z jedné nebo více rovin a obvodových obvodů, které jsou potřebné k provádění všech operací čtení/ zápisu/ mazání.

Architektura NAND Flash znamená, že data lze číst a programovat na stránkách, obvykle o velikosti od 4 KiB do 16 KiB, ale lze je vymazat pouze na úrovni celých bloků skládajících se z více stránek a velikosti MB. Když je blok vymazán, všechny buňky jsou logicky nastaveny na 1. Data lze naprogramovat pouze v jednom průchodu na stránku v bloku, který byl vymazán. Všechny buňky, které byly programováním nastaveny na 0, lze resetovat na 1 pouze vymazáním celého bloku. To znamená, že než lze nová data naprogramovat na stránku, která již data obsahuje, musí být aktuální obsah stránky plus nová data zkopírován na novou, vymazanou stránku. Pokud je k dispozici vhodná stránka, lze na ni data okamžitě zapsat. Pokud není k dispozici žádná vymazaná stránka, je nutné před kopírováním dat na stránku v tomto bloku vymazat blok. Stará stránka je poté označena jako neplatná a je k dispozici pro vymazání a opětovné použití.

Vertikální NAND

3D NAND pokračuje ve škálování nad 2D.

Vertikální paměť NAND (V-NAND) nebo 3D NAND stohuje paměťové buňky svisle a využívá architekturu flash pasti . Svislé vrstvy umožňují větší plošnou bitovou hustotu, aniž by vyžadovaly menší jednotlivé buňky. Prodává se také pod ochrannou známkou BiCS Flash , což je ochranná známka společnosti Kioxia Corporation (dříve Toshiba Memory Corporation). 3D NAND byl poprvé představen společností Toshiba v roce 2007. V-NAND byl poprvé komerčně vyráběn společností Samsung Electronics v roce 2013.

Struktura

V-NAND používá zábleskovou geometrii zachycovače náboje (která byla komerčně zavedena v roce 2002 AMD a Fujitsu ), která ukládá náboj na vložený film z nitridu křemíku . Takový film je odolnější proti bodovým vadám a může být silnější, aby pojal větší počet elektronů. V-NAND obaluje planární záchytný článek náboje do válcového tvaru. V roce 2020 místo toho 3D NAND Flash paměti společností Micron a Intel používají plovoucí brány, ale vrstvy Micron 128 a vyšší 3D NAND paměti používají konvenční strukturu zachycovače náboje, kvůli rozpadu partnerství mezi společnostmi Micron a Intel. Nabíjecí past 3D NAND Flash je tenčí než 3D NAND s plovoucí bránou. V 3D NAND s plovoucí bránou jsou paměťové buňky od sebe zcela odděleny, zatímco v pasti 3D NAND svislé skupiny paměťových buněk sdílejí stejný materiál z nitridu křemíku.

Jednotlivé paměťové buňky jsou tvořeny jednou planární polykrystalickou vrstvou obsahující otvor vyplněný více soustřednými svislými válci. Polysilikonový povrch díry funguje jako hradlová elektroda. Nejvzdálenější válec s oxidem křemičitým funguje jako hradlové dielektrikum, uzavírá válec z nitridu křemíku, který uchovává náboj, a zase uzavírá válec s oxidem křemičitým jako tunelové dielektrikum, které obklopuje centrální tyč vodivého polysilikonu, který působí jako vodivý kanál.

Paměťové buňky v různých svislých vrstvách se navzájem neruší, protože náboje se nemohou pohybovat svisle přes médium pro ukládání nitridu křemíku a elektrická pole spojená s branami jsou v každé vrstvě těsně uzavřena. Vertikální kolekce je elektricky identická se skupinami propojenými sériově, ve kterých je konfigurována konvenční flash paměť NAND.

Konstrukce

Růst skupiny buněk V-NAND začíná střídavým stohem vodivých (dopovaných) polysilikonových vrstev a izolačních vrstev oxidu křemičitého.

Dalším krokem je vytvoření válcového otvoru skrz tyto vrstvy. V praxi vyžaduje 128 čipů Gibit V-NAND s 24 vrstvami paměťových buněk asi 2,9 miliardy takových děr. Dále je na vnitřní povrch díry naneseno několik povlaků, nejprve oxid křemičitý, poté nitrid křemíku a poté druhá vrstva oxidu křemičitého. Nakonec je díra vyplněna vodivým (dopovaným) polykřemíkem.

Výkon

Od roku 2013 umožňuje V-NAND flash architektura čtení a zápis dvakrát rychleji než konvenční NAND a vydrží až 10krát déle, přičemž spotřebuje o 50 procent méně energie. Nabízejí srovnatelnou fyzickou bitovou hustotu pomocí 10nm litografie, ale mohou být schopné zvýšit bitovou hustotu až o dva řády, vzhledem k tomu, že V-NAND používá až několik stovek vrstev. Od roku 2020 vyvíjí Samsung čipy V-NAND se 160 vrstvami.

Náklady

Minimální bitové náklady na 3D NAND z nesvislé bočnice. Horní otvor se rozšiřuje o více vrstev, což působí proti zvýšení bitové hustoty.

Náklady na oplatku u 3D NAND jsou srovnatelné se zmenšeným (32 nm nebo méně) planárním NAND Flash. Když se však planární škálování NAND zastaví na 16 nm, může snížení nákladů na bit pokračovat pomocí 3D NAND počínaje 16 vrstvami. Avšak vzhledem k nesvislé boční stěně otvoru vyleptané vrstvami; i nepatrná odchylka vede k minimálním bitovým nákladům, tj. minimálnímu ekvivalentnímu pravidlu návrhu (nebo maximální hustotě) pro daný počet vrstev; tento minimální počet bitových nákladových vrstev klesá pro menší průměr otvoru.

Omezení

Blokovat vymazání

Jedním omezením paměti flash je, že ačkoliv je možné číst nebo programovat bajt nebo slovo najednou způsobem náhodného přístupu, lze jej vymazat vždy pouze po jednom bloku. Tím se obecně nastaví všechny bity v bloku na 1. Počínaje čerstvě vymazaným blokem lze naprogramovat jakékoli místo v tomto bloku. Jakmile je ale bit nastaven na 0, lze jej pouze vymazáním celého bloku změnit zpět na 1. Jinými slovy, flash paměť (konkrétně NOR flash) nabízí operace čtení a programování s náhodným přístupem, ale nenabízí libovolný náhodný -přístup přepsat nebo vymazat operace. Místo lze však přepsat, pokud je 0 bitů nové hodnoty nadmnožinou přepsaných hodnot. Například lze hodnotu nibble vymazat na 1111, poté zapsat jako 1110. Následné zápisy na tuto nibble ji mohou změnit na 1010, pak 0010 a nakonec 0000. V podstatě vymazáním se nastaví všechny bity na 1 a programování může vymazat pouze bity až 0. Některé souborové systémy určené pro flash zařízení využívají tuto možnost přepisu, například Yaffs1 , k reprezentaci sektorových metadat. Jiné systémy souborů Flash, jako je YAFFS2 , nikdy tuto schopnost „přepsat“ nevyužívají - dělají spoustu práce navíc, aby splnily pravidlo „jednou zapsat“.

Přestože datové struktury ve flash paměti nelze aktualizovat zcela obecnými způsoby, umožňuje to členům „odebrat“ jejich označením za neplatné. Tuto techniku může být nutné upravit pro víceúrovňová mobilní zařízení, kde jedna paměťová buňka pojme více než jeden bit.

Běžná zařízení typu flash, jako jsou USB flash disky a paměťové karty, poskytují pouze rozhraní na úrovni bloku nebo FTL ( Flash Translation Layer ), které pokaždé zapisuje do jiné buňky, aby zařízení bylo na úrovni opotřebení. Tím se zabrání přírůstkovému zápisu v rámci bloku; pomáhá však zařízení předčasně opotřebovat intenzivními vzory zápisu.

Opotřebení paměti

Dalším omezením je, že paměť flash má konečný počet cyklů vymazání programu (obvykle zapsaných jako cykly P/E). Většina komerčně dostupných flash produktů je zaručena, že vydrží přibližně 100 000 P/E cyklů, než opotřebení začne zhoršovat celistvost úložiště. Společnost Micron Technology a Sun Microsystems oznámily 17. prosince 2008 SLC NAND flash paměťový čip s hodnocením 1 000 000 cyklů P/E.

Garantovaný počet cyklů se může vztahovat pouze na nulový blok (jako je tomu u zařízení TSOP NAND) nebo na všechny bloky (jako v NOR). Tento efekt je v některých ovladačích firmwaru čipu nebo systému souborů zmírněn počítáním bloků zápisu a dynamického přemapování, aby se operace zápisu rozšířily mezi sektory; tato technika se nazývá vyrovnávání opotřebení . Dalším přístupem je provést ověření zápisu a přemapování na náhradní sektory v případě selhání zápisu, což je technika zvaná špatná správa bloků (BBM). U přenosných spotřebitelských zařízení tyto techniky správy opotřebení typicky prodlužují životnost paměti flash nad životnost samotného zařízení a v těchto aplikacích může být přijatelná určitá ztráta dat. Pro vysoce spolehlivé ukládání dat však není vhodné používat flash paměť, která by musela projít velkým počtem programovacích cyklů. Toto omezení nemá smysl pro aplikace „jen pro čtení“, jako jsou tenké klienty a směrovače , které jsou naprogramovány pouze jednou nebo maximálně několikrát během svého života.

V prosinci 2012 tchajwanští inženýři ze společnosti Macronix odhalili svůj záměr oznámit na mezinárodním setkání elektronických zařízení IEEE 2012, že přišli na to, jak zlepšit cykly čtení/zápisu flash paměti NAND z 10 000 až 100 milionů cyklů pomocí „samoopravného“ procesu který používal flash čip s „integrovanými ohřívači, které by mohly žíhat malé skupiny paměťových buněk“. Vestavěné tepelné žíhání mělo nahradit obvyklý mazací cyklus lokálním vysokoteplotním procesem, který nejen vymazal uložený náboj, ale také opravil elektronem indukované napětí v čipu, což dalo cykly zápisu nejméně 100 milionů. Výsledkem měl být čip, který bylo možné mazat a přepisovat znovu a znovu, i když by se měl teoreticky rozpadnout. Jakkoli by mohl být průlom Macronixu pro mobilní průmysl, neexistovaly žádné plány na komerční produkt s touto schopností, který by měl být vydán kdykoli v blízké budoucnosti.

Narušení čtení

Metoda používaná ke čtení NAND flash paměti může způsobit, že se blízké buňky ve stejném paměťovém bloku časem změní (stanou se naprogramovanými). Toto je známé jako narušení čtení. Mezní počet přečtení se obvykle pohybuje v řádu stovek tisíc čtení mezi intervenujícími operacemi mazání. Pokud budete číst souvisle z jedné buňky, tato buňka nezklame, ale spíše jedna z okolních buněk při následujícím čtení. Aby se předešlo potížím se čtením, bude řadič blesku obvykle počítat celkový počet čtení do bloku od posledního vymazání. Když počet překročí cílový limit, dotčený blok se zkopíruje do nového bloku, smaže se a poté se uvolní do fondu bloků. Původní blok je po vymazání jako nový. Pokud však ovladač blesku nezasáhne včas, dojde k chybě narušení čtení s možnou ztrátou dat, pokud jsou chyby příliš početné na to, aby je bylo možné opravit pomocí kódu pro opravu chyb .

Rentgenové efekty

Většina integrovaných obvodů s bleskem je dodávána v balíčcích BGA ( Ball Grid Array ) a dokonce i ty, které nejsou, jsou často namontovány na desku plošných spojů vedle jiných balíčků BGA. Po sestavení desky plošných spojů se desky s balíčky BGA často rentgenují, aby se zjistilo, zda kuličky vytvářejí správná spojení se správnou podložkou, nebo zda BGA potřebuje přepracovat . Tyto rentgenové paprsky mohou vymazat naprogramované bity ve flash čipu (převést naprogramované „0“ bity na vymazané „1“ bity). Smazané bity („1“ bity) nejsou ovlivněny rentgenovými paprsky.

Někteří výrobci nyní vyrábějí paměťová zařízení SD a USB odolná proti rentgenovému záření.

Přístup na nízké úrovni

Nízkoúrovňové rozhraní pro flash paměťové čipy se liší od ostatních typů paměti, jako jsou DRAM , ROM a EEPROM , které podporují bitovou alterabilitu (obě od nuly k jedné a jednu od nuly) a náhodný přístup přes externě přístupné adresové sběrnice .

Paměť NOR má externí sběrnici adres pro čtení a programování. U paměti NOR je čtení a programování s náhodným přístupem a odemykání a mazání je blokové. U paměti NAND je čtení a programování stránkové a odemykání a mazání blokové.

NOR vzpomínky

Flash NOR od Intelu

Čtení z NOR flash je podobné čtení z paměti s náhodným přístupem za předpokladu, že adresa a datová sběrnice jsou správně mapovány. Z tohoto důvodu může většina mikroprocesorů používat paměť NOR flash jako paměť typu XIP ( execute in place ), což znamená, že programy uložené v paměti NOR flash lze spouštět přímo z paměti NOR flash, aniž by bylo nutné je nejprve kopírovat do paměti RAM. NOR flash lze naprogramovat způsobem s náhodným přístupem podobným čtení. Programování mění bity z logického na nulu. Bity, které jsou již nulové, zůstanou beze změny. Vymazání musí proběhnout po bloku a resetuje všechny bity v vymazaném bloku zpět na jeden. Typické velikosti bloků jsou 64, 128 nebo 256 KiB .

Špatná správa bloků je v čipech NOR relativně nová funkce. U starších zařízení NOR, která nepodporují špatnou správu bloků, musí software nebo ovladač zařízení ovládající paměťový čip opravit bloky, které se opotřebovávají, jinak zařízení přestane spolehlivě fungovat.

Konkrétní příkazy používané k zamykání, odemykání, programování nebo mazání pamětí NOR se u každého výrobce liší. Aby nedocházelo k tomu, že je potřeba jedinečný software ovladače pro každé vyrobené zařízení, umožňují speciální příkazy Common Flash Memory Interface (CFI) zařízení identifikovat sebe sama a kritické provozní parametry.

Kromě použití jako ROM s náhodným přístupem lze NOR flash použít také jako úložné zařízení, a to využitím výhod programování s náhodným přístupem. Některá zařízení nabízejí funkce čtení i zápisu, takže kód se nadále spouští, i když na pozadí probíhá operace programu nebo mazání. Pro sekvenční zápisy dat mají čipy NOR flash ve srovnání s NAND flash obvykle nízké rychlosti zápisu.

Typický blesk NOR nepotřebuje kód pro opravu chyb .

NAND vzpomínky

Architektura NAND flash byla představena společností Toshiba v roce 1989. K těmto pamětím se přistupuje podobně jako k blokovým zařízením , jako jsou pevné disky. Každý blok se skládá z několika stránek. Stránky mají obvykle velikost 512, 2 048 nebo 4 096 bajtů. Ke každé stránce je přiřazeno několik bajtů (obvykle 1/32 velikosti dat), které lze použít k uložení kontrolního součtu kódu opravy chyb (ECC) .

Mezi typické velikosti bloků patří:

32 stran po 512+16 bajtech pro velikost bloku (efektivní) 16 KiB
64 stran o velikosti 2 048+64 bajtů pro velikost bloku 128 KiB
64 stran po 4 096+128 bajtech pro velikost bloku 256 KiB
128 stran po 4 096+128 bajtech pro velikost bloku 512 KiB.

Zatímco čtení a programování se provádí na stránce, mazání lze provádět pouze na základě bloku.

Zařízení NAND také vyžadují špatnou správu bloků softwarem ovladače zařízení nebo samostatným čipem řadiče . Karty SD například obsahují obvody řadiče pro provádění špatné správy bloků a vyrovnávání opotřebení . Když je k logickému bloku přistupováno softwarem na vysoké úrovni, je mapován na fyzický blok ovladačem nebo ovladačem zařízení. Několik bloků na flash čipu může být vyčleněno pro ukládání mapovacích tabulek, aby se vypořádaly se špatnými bloky, nebo systém může jednoduše zkontrolovat každý blok při zapnutí, aby vytvořil špatnou mapu bloků v RAM. Celková kapacita paměti se postupně zmenšuje, protože více bloků je označeno jako špatné.

NAND spoléhá na ECC při kompenzaci bitů, které mohou spontánně selhat během normálního provozu zařízení. Typické ECC opraví jednobitovou chybu v každém 2048 bitech (256 bajtech) pomocí 22 bitů ECC nebo jednobitovou chybu v každém 4096 bitech (512 bajtů) pomocí 24 bitů ECC. Pokud ECC nemůže chybu opravit během čtení, může chybu přesto detekovat. Při provádění operací mazání nebo programování může zařízení detekovat bloky, které nelze naprogramovat nebo vymazat, a označit je za špatné. Data se poté zapíší do jiného dobrého bloku a mapa špatného bloku se aktualizuje.

Hammingovy kódy jsou nejčastěji používaným ECC pro SLC NAND flash. Reed-Solomonovy kódy a BCH kódy (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem kódy) se běžně používají ECC pro MLC NAND flash. Některé flashové čipy MLC NAND interně generují příslušné kódy korekce chyb BCH.

Většina zařízení NAND je dodávána z továrny s některými špatnými bloky. Ty jsou obvykle označeny podle zadané strategie značení špatných bloků. Povolením některých špatných bloků dosahují výrobci mnohem vyšších výnosů, než by bylo možné, pokud by všechny bloky musely být ověřeny jako dobré. To výrazně snižuje náklady na flash NAND a pouze mírně snižuje úložnou kapacitu dílů.

Při spouštění softwaru z pamětí NAND se často používají strategie virtuální paměti : obsah paměti je nutné nejprve stránkovat nebo zkopírovat do paměti mapované v paměti RAM a tam ji spustit (což vede k běžné kombinaci NAND + RAM). Jednotka správy paměti (MMU) v systém je nápomocný, ale toto může být provedeno s překryvy . Z tohoto důvodu budou některé systémy používat kombinaci pamětí NOR a NAND, kde se jako softwarová ROM použije menší paměť NOR a větší paměť NAND se rozdělí na systém souborů pro použití jako energeticky nezávislá oblast pro ukládání dat.

NAND obětuje výhody NOR pro náhodný přístup a spouštění na místě. NAND je nejvhodnější pro systémy vyžadující vysokokapacitní ukládání dat. Nabízí vyšší hustotu, větší kapacitu a nižší náklady. Má rychlejší mazání, sekvenční zápisy a sekvenční čtení.

Standardizace

Skupina s názvem Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI) vyvinula standardizované nízkoúrovňové rozhraní pro NAND flash čipy. To umožňuje interoperabilitu mezi vyhovujícími zařízeními NAND od různých dodavatelů. Specifikace ONFI verze 1.0 byla vydána 28. prosince 2006. Specifikuje:

Standardní fyzické rozhraní ( pinout ) pro NAND flash v balících TSOP -48, WSOP -48, LGA -52 a BGA -63
Standardní sada příkazů pro čtení, zápis a mazání NAND flash čipů
Mechanismus pro vlastní identifikaci (srovnatelný s funkcí sériové detekce přítomnosti paměťových modulů SDRAM)

Skupinu ONFI podporují hlavní výrobci blesků NAND, včetně společností Hynix , Intel , Micron Technology a Numonyx , a také významní výrobci zařízení, která obsahují čipy NAND flash.

Dva hlavní výrobci flash zařízení, Toshiba a Samsung , se rozhodli použít rozhraní svého vlastního designu známé jako Toggle Mode (a nyní Toggle V2.0). Toto rozhraní není kompatibilní se specifikací ONFI pin-to-pin . Výsledkem je, že produkt určený pro zařízení jednoho dodavatele nemusí být schopen používat zařízení jiného dodavatele.

Skupina prodejců, včetně společností Intel , Dell a Microsoft , vytvořila pracovní skupinu NVMHCI ( Non-Volatile Memory Host Controller Interface ). Cílem skupiny je poskytnout standardní softwarová a hardwarová programovací rozhraní pro energeticky nezávislé paměťové subsystémy, včetně zařízení „flash cache“ připojeného ke sběrnici PCI Express .

Rozdíl mezi blesky NOR a NAND

Flash NOR a NAND se liší dvěma důležitými způsoby:

Spojení jednotlivých paměťových buněk je různé.
Rozhraní určené pro čtení a zápis do paměti je jiné; NOR umožňuje náhodný přístup , zatímco NAND umožňuje pouze přístup na stránku.

NOR a NAND flash získávají svá jména podle struktury propojení mezi paměťovými buňkami. V NOR flash jsou buňky připojeny paralelně k bitovým liniím, což umožňuje čtení a programování buněk jednotlivě. Paralelní připojení buněk připomíná paralelní připojení tranzistorů v bráně CMOS NOR. V NAND flash jsou buňky zapojeny do série, připomínající bránu CMOS NAND. Sériová připojení zabírají méně místa než paralelní, což snižuje náklady na flash NAND. To samo o sobě nebrání jednotlivým čtení a programování buněk NAND.

Každá záblesková buňka NOR je větší než záblesková buňka NAND - 10 F ² vs 4 F ² - i když používáte přesně stejnou výrobu polovodičových součástek, takže každý tranzistor, kontakt atd. Má přesně stejnou velikost - protože zábleskové články NOR vyžadují samostatný kovový kontakt pro každou buňku.

Kvůli sériovému připojení a odebrání kontaktů wordline zabere velká mřížka NAND flash paměťových buněk snad jen 60% plochy ekvivalentních NOR buněk (za předpokladu stejného rozlišení procesu CMOS , například 130 nm , 90 nm, nebo 65 nm). Návrháři NAND flash si uvědomili, že oblast čipu NAND, a tím i náklady, lze dále snížit odstraněním obvodů externí adresy a datové sběrnice. Místo toho by externí zařízení mohla komunikovat s NAND flash prostřednictvím sekvenčně přístupných příkazových a datových registrů, které by interně získávaly a vydávaly potřebná data. Tato volba designu znemožnila náhodný přístup k flash paměti NAND, ale cílem NAND flash byla výměna mechanických pevných disků , nikoli nahrazení ROM.

Atribut	NAND	ANI
Hlavní aplikace	Ukládání souborů	Provedení kódu
Kapacita skladu	Vysoký	Nízký
Cena za bit	Nízký
Aktivní výkon	Nízký
Pohotovostní režim		Nízký
Rychlost zápisu	Rychle
Rychlost čtení		Rychle
Provést na místě (XIP)	Ne	Ano
Spolehlivost		Vysoký

Napište vytrvalost

Odolnost zápisu blesku NOR s plovoucí bránou SLC je obvykle stejná nebo vyšší než u NAND flash, zatímco MLC NOR a NAND flash mají podobné schopnosti odolnosti. Jsou poskytnuty příklady hodnocení cyklů výdrže uvedených v katalogových listech pro NAND a NOR flash a také na paměťových zařízeních využívajících flash paměť.

Typ flash paměti	Hodnocení odolnosti (mazání na blok )	Příklady flash paměti nebo úložného zařízení
SLC NAND	100 000	Samsung OneNAND KFW4G16Q2M, Toshiba SLC NAND Flash čipy, Transcend SD500, Fujitsu S26361-F3298
MLC NAND	5 000 až 10 000 pro aplikace se střední kapacitou; 1 000 až 3 000 pro vysokokapacitní aplikace	Samsung K9G8G08U0M (příklad pro aplikace se střední kapacitou), Memblaze PBlaze4, ADATA SU900, Mushkin Reactor
TLC NAND	1 000	Samsung SSD 840
QLC NAND	?	SanDisk X4 NAND flash SD karty
3D SLC NAND	100 000	Samsung Z-NAND
3D MLC NAND	6 000 až 40 000	Samsung SSD 850 PRO, Samsung SSD 845DC PRO, Samsung 860 PRO
3D TLC NAND	1 000 až 3 000	Samsung SSD 850 EVO, Samsung SSD 845DC EVO, Crucial MX300, Memblaze PBlaze5 900, Memblaze PBlaze5 700, Memblaze PBlaze5 910/916, Memblaze PBlaze5 510/516, ADATA SX 8200 PRO (prodává se také pod značkou „XPG Gammix“, model S11 PRO)
3D QLC NAND	100 až 1 000	Samsung SSD 860 QVO SATA, Intel SSD 660p, Samsung SSD 980 QVO NVMe, Micron 5210 ION, Samsung SSD BM991 NVMe
3D PLC NAND	Neznámý	Ve vývoji společností SK Hynix (dříve Intel) a Kioxia (dříve Toshiba Memory).
SLC (plovoucí brána) NOR	100 000 až 1 000 000	Numonyx M58BW (Hodnocení odolnosti 100 000 vymazání na blok); Spansion S29CD016J (Hodnocení odolnosti 1 000 000 vymazání na blok)
MLC (floating-gate) NOR	100 000	Flash Numonyx J3

Použitím určitých algoritmů a návrhových paradigmat, jako je vyrovnávání opotřebení a nadměrné zajišťování paměti , je však možné výdrž úložného systému vyladit tak, aby splňovala specifické požadavky.

Aby bylo možné vypočítat životnost NAND flash, je třeba vzít v úvahu velikost paměťového čipu, typ paměti (např. SLC/MLC/TLC) a použití vzoru.

Při přidávání vrstev se výkon 3D NAND může snižovat.

Flash souborové systémy

Vzhledem ke zvláštním vlastnostem flash paměti se nejlépe používá buď s ovladačem k provádění vyrovnávání opotřebení a oprav chyb, nebo speciálně navrženými systémy souborů Flash, které šíří zápisy na média a zabývají se dlouhými časy mazání bloků NOR flash. Základní koncept systémů flashových souborů je následující: když má být flash úložiště aktualizováno, systém souborů zapíše novou kopii změněných dat do nového bloku, přemapuje ukazatele souborů a poté starý blok později smaže. má čas.

V praxi se systémy souborů flash používají pouze pro zařízení s paměťovou technologií (MTD), což jsou vestavěné paměti typu flash, které nemají řadič. Vyměnitelné flash paměťové karty , SSD, čipy eMMC / eUFS a USB flash disky mají vestavěné řadiče pro provádění vyrovnávání opotřebení a opravy chyb, takže použití konkrétního systému souborů Flash nepřináší žádné výhody.

Kapacita

Několik čipů je často uspořádáno nebo skládáno, aby se dosáhlo vyšších kapacit pro použití ve spotřebních elektronických zařízeních, jako jsou multimediální přehrávače nebo GPS . Škálování kapacity (zvýšení) flash čipů se používalo podle Moorova zákona, protože jsou vyráběny mnoha stejnými technikami a vybavením integrovaných obvodů . Od zavedení 3D NAND již není škálování nutně spojeno s Moorovým zákonem, protože již nejsou používány stále menší tranzistory (buňky).

Spotřebitelská paměťová zařízení typu flash jsou obvykle inzerována s použitelnými velikostmi vyjádřenými jako malá celočíselná síla dvou (2, 4, 8 atd.) A označení megabajtů (MB) nebo gigabajtů (GB); např. 512 MB, 8 GB. Patří sem SSD prodávané jako náhrada pevného disku v souladu s tradičními pevnými disky , které používají desetinná předpona . SSD označený jako „64 GB “ má tedy alespoň 64 × 1 000 ³ bajtů (64 GB). Většina uživatelů bude mít kvůli svým prostorům zabraným metadaty systému souborů o něco menší kapacitu, než je k dispozici pro jejich soubory.

Čipy flash paměti v nich jsou dimenzovány v přísných binárních násobcích, ale skutečná celková kapacita čipů není použitelná na rozhraní jednotky. Je podstatně větší než inzerovaná kapacita, aby umožnila distribuci zápisů ( vyrovnávání opotřebení ), šetření, kódy pro opravu chyb a další metadata potřebná interním firmwarem zařízení.

V roce 2005 Toshiba a SanDisk vyvinuly NAND flash čip schopný ukládat 1 GB dat pomocí technologie víceúrovňových buněk (MLC), schopný ukládat dva bity dat na buňku. V září 2005 společnost Samsung Electronics oznámila, že vyvinula první 2 GB čip na světě.

V březnu 2006 společnost Samsung oznámila flash pevné disky s kapacitou 4 GB, což je v podstatě stejná velikost jako menší pevné disky pro notebooky, a v září 2006 společnost Samsung oznámila 8 GB čip vyrobený pomocí 40 nm výrobního postupu. V lednu 2008 SanDisk oznámil dostupnost svých 16 GB karet MicroSDHC a 32 GB SDHC Plus.

Novější flash disky (od roku 2012) mají mnohem větší kapacitu, pojmou 64, 128 a 256 GB.

Společný vývoj ve společnostech Intel a Micron umožní výrobu 32vrstvých 3,5 terabajtových (TB) flash karet NAND a 10 TB standardních disků SSD. Zařízení obsahuje 5 balíků 16 × 48 GB TLC matric s použitím konstrukce plovoucí brány.

Flash čipy se i nadále vyrábějí s kapacitami pod 1 MB nebo přibližně (např. Pro BIOS-ROM a vestavěné aplikace).

V červenci 2016 společnost Samsung oznámila 4 TB Samsung 850 EVO, který využívá jejich 256 Gb 48vrstvý TLC 3D V-NAND. V srpnu 2016 společnost Samsung oznámila 32 TB 2,5palcový SAS SSD na základě jejich 512 Gbit 64-vrstvého TLC 3D V-NAND. Samsung dále očekává, že do roku 2020 odhalí SSD disky s až 100 TB úložiště.

Přenosové sazby

Paměťová zařízení Flash jsou obvykle mnohem rychlejší při čtení než zápisu. Výkon také závisí na kvalitě řadičů úložiště, které se stávají důležitějšími, když jsou zařízení částečně plná. I když jedinou změnou ve výrobě je smrštění, absence vhodného ovladače může mít za následek snížení rychlosti.

Aplikace

Sériový blesk

Sériový blesk: Silicon Storage Tech SST25VF080B

Sériový flash je malá flash paměť s malým výkonem, která poskytuje pouze sériový přístup k datům - místo adresování jednotlivých bytů uživatel čte nebo zapisuje velké souvislé skupiny bytů v adresním prostoru sériově. Serial Peripheral Interface Bus (SPI) je typický protokol pro přístup k zařízení. Když je sériový blesk začleněn do vestavěného systému , vyžaduje méně kabelů na desce plošných spojů než paralelní paměti flash, protože přenáší a přijímá data po jednom bitu. To může umožnit snížení místa na desce, spotřeby energie a celkových nákladů na systém.

Existuje několik důvodů, proč sériové zařízení s menším počtem externích pinů než paralelní zařízení může výrazně snížit celkové náklady:

Mnoho ASIC je omezeno padem, což znamená, že velikost matrice je omezena počtem padů drátových vazeb , spíše než složitostí a počtem bran použitých pro logiku zařízení. Odstranění vazebních podložek tak umožňuje kompaktnější integrovaný obvod na menší matrici; tím se zvyšuje počet raznic, které mohou být vyrobeny na oplatce , a tím se snižují náklady na raznici.
Snížení počtu externích kolíků také snižuje náklady na montáž a balení . Sériové zařízení může být zabaleno v menším a jednodušším balení než paralelní zařízení.
Menší a nižší balíčky počtu pinů zabírají menší plochu PCB.
Nižší počet pinů zjednodušuje směrování DPS .

Existují dva hlavní typy blesků SPI. První typ se vyznačuje malými stránkami a jednou nebo více interními vyrovnávacími paměťmi stránek SRAM, které umožňují načtení celé stránky do vyrovnávací paměti, částečné úpravy a její zpětné přepsání (například Atmel AT45 DataFlash nebo Micron Technology Page Erase NOR Flash ). Druhý typ má větší sektory, kde nejmenší sektory typicky nalezené v tomto typu SPI flash jsou 4 kB, ale mohou mít velikost až 64 kB. Protože tento typ SPI flash postrádá interní vyrovnávací paměť SRAM, musí být celá stránka přečtena a upravena, než bude zapsána zpět, takže bude její správa pomalá. Druhý typ je však levnější než první, a proto je dobrou volbou, když aplikace stínuje kód.

Tyto dva typy nejsou snadno zaměnitelné, protože nemají stejný vývod a sady příkazů nejsou kompatibilní.

Většina FPGA je založena na konfiguračních buňkách SRAM a vyžaduje externí konfigurační zařízení, často sériový flash čip, k opětovnému načtení konfiguračního bitového proudu při každém cyklu napájení.

Uložení firmwaru

S rostoucí rychlostí moderních procesorů jsou paralelní flash zařízení často mnohem pomalejší než paměťová sběrnice počítače, ke kterému jsou připojeny. Naopak moderní SRAM nabízí přístupové časy pod 10 ns , zatímco DDR2 SDRAM nabízí přístupové časy pod 20 ns. Z tohoto důvodu je často žádoucí stínovat kód uložený ve flashi do RAM; to znamená, že kód je zkopírován z flash do RAM před spuštěním, aby k němu CPU mohl přistupovat plnou rychlostí. Firmware zařízení může být uložen v sériovém flash zařízení a poté zkopírován do SDRAM nebo SRAM, když je zařízení napájeno. Použití externího zařízení pro sériový flash než flash na čipu odstraňuje potřebu výrazného kompromisu v procesu (výrobní proces, který je vhodný pro vysokorychlostní logiku, obecně není vhodný pro flash a naopak). Jakmile je rozhodnuto číst firmware jako jeden velký blok, je běžné přidat kompresi, aby bylo možné použít menší flash čip. Mezi typické aplikace pro sériový flash patří ukládání firmwaru pro pevné disky , ethernetové řadiče, DSL modemy , bezdrátová síťová zařízení atd.

Flash paměť jako náhrada za pevné disky

Jedna novější aplikace pro flash paměť je jako náhrada za pevné disky . Flash paměť nemá mechanická omezení a latence pevných disků, takže disk SSD (SSD) je atraktivní z hlediska rychlosti, hluku, spotřeby energie a spolehlivosti. Flash disky získávají trakci jako sekundární úložná zařízení mobilních zařízení; používají se také jako náhrada pevných disků ve vysoce výkonných stolních počítačích a některých serverech s architekturou RAID a SAN .

Některé aspekty flash disků SSD zůstávají neatraktivní. Náklady na gigabajt flash paměti zůstávají výrazně vyšší než u pevných disků. Také paměť flash má konečný počet cyklů P/E ( program/mazání ), ale zdá se, že je v současné době pod kontrolou, protože záruky na flash disky SSD se blíží zárukám současných pevných disků. Odstraněné soubory na jednotkách SSD mohou navíc zůstat po neomezenou dobu, než budou přepsány novými daty; vymazávací nebo skartovací techniky nebo software, které fungují dobře na magnetických pevných discích, nemají na disky SSD žádný vliv, ohrožují zabezpečení a forenzní zkoumání. Vzhledem k takzvanému příkazu TRIM, který používá většina disků SSD, který označí adresy logických bloků obsazené odstraněným souborem jako nepoužité, aby bylo umožněno shromažďování odpadků , software pro obnovu dat nedokáže obnovit soubory z nich odstraněné.

U relačních databází nebo jiných systémů, které vyžadují transakce ACID , může i malé množství flash paměti nabídnout obrovské zrychlení v polích diskových jednotek.

V květnu 2006 společnost Samsung Electronics oznámila, že budou k dispozici dva počítače s flash pamětí, Q1-SSD a Q30-SSD, které budou k dispozici v červnu 2006, přičemž oba používají 32 GB SSD a byly alespoň zpočátku k dispozici pouze v Jižní Koreji . Uvedení Q1-SSD a Q30-SSD bylo odloženo a nakonec bylo odesláno koncem srpna 2006.

Prvním počítačem na bázi flash paměti, který byl k dispozici, byl Sony Vaio UX90, ohlášený k předobjednávce 27. června 2006 a začal být v Japonsku dodáván 3. července 2006 s 16 GB pevným diskem s flash pamětí. Na konci září 2006 Sony upgradovalo flash paměť Vaio UX90 na 32 Gb.

K prvnímu MacBooku Air uvedenému v roce 2008 byl volitelně nabízen disk SSD a od roku 2010 byly všechny modely dodávány s jednotkou SSD. Počínaje koncem roku 2011 jako součást společnosti Intel ‚s Ultrabook iniciativy, zvyšující se počet ultratenkých notebooků jsou dodávány s SSD standardní.

Existují také hybridní techniky, jako je hybridní disk a ReadyBoost, které se pokoušejí spojit výhody obou technologií a používají flash jako vysokorychlostní energeticky nezávislou mezipaměť pro soubory na disku, na které se často odkazuje, ale jen zřídka se mění, například aplikace a spustitelné soubory operačního systému .

Flash paměť jako RAM

Od roku 2012 dochází k pokusům použít flash paměť jako hlavní paměť počítače DRAM .

Archivní nebo dlouhodobé skladování

Tranzistory s plovoucí bránou v paměťovém zařízení flash udržují náboj, který představuje data. Tento náboj v průběhu času postupně uniká, což vede ke kumulaci logických chyb , známých také jako „ bit rot “ nebo „bit fading“.

Uchování dat

Není jasné, jak dlouho budou data na flash paměti přetrvávat za archivních podmínek (tj. Benigní teplota a vlhkost s občasným přístupem s profylaktickým přepisem nebo bez něj). Katalogové listy bleskových mikrokontrolérů „ ATmega “ společnosti Atmel obvykle slibují retenční časy 20 let při 85 ° C (185 ° F) a 100 let při 25 ° C (77 ° F).

Rozsah uchování se u různých typů a modelů flash úložiště liší. Při napájení a nečinnosti je nabíjení tranzistorů uchovávajících data pravidelně obnovováno firmwarem flash paměti. Schopnost uchovávat data se u různých flash paměťových zařízení liší v důsledku rozdílů ve firmwaru, redundanci dat a algoritmech pro opravu chyb.

Článek z CMU z roku 2015 uvádí „Dnešní flash zařízení, která nevyžadují aktualizaci blesku, mají typický retenční věk 1 rok při pokojové teplotě“. A ten retenční čas exponenciálně klesá s rostoucí teplotou. Tento jev lze modelovat pomocí Arrheniovy rovnice .

Konfigurace FPGA

Některé FPGA jsou založeny na konfiguračních buňkách flash, které se používají přímo jako (programovatelné) přepínače k propojení vnitřních prvků dohromady, přičemž se používá stejný druh tranzistoru s plovoucí bránou, jako jsou buňky pro ukládání dat flash v zařízeních pro ukládání dat.

Průmysl

Jeden zdroj uvádí, že v roce 2008 průmysl flash pamětí zahrnuje přibližně 9,1 miliardy USD na výrobu a prodej. Jiné zdroje uvádějí, že trh s flash pamětí dosáhl v roce 2006 velikosti více než 20 miliard USD, což představuje více než osm procent celkového trhu s polovodiči a více než 34 procent z celkového trhu s polovodičovými paměťmi. V roce 2012 byl trh odhadován na 26,8 miliardy USD. Výroba čipu flash paměti může trvat až 10 týdnů.

Výrobci

V prvním čtvrtletí roku 2019 následují největší výrobci flash pamětí NAND.

Zásilky

Zásilky s flash pamětí ( odhad vyrobených jednotek)
Rok (y)	Diskrétní flash paměťové čipy	Kapacita paměti flash ( gigabajty )	Buňky paměti MOSFET s plovoucí bránou (miliardy)
1992	26 000 000	3	24
1993	73 000 000	17	139
1994	112 000 000	25	203
1995	235 000 000	38	300
1996	359 000 000	140	1121
1997	477 200 000+	317+	2533+
1998	762,195,122	455+	3 642+
1999	12 800 000 000	635+	5 082+
2000–2004	12 800 000 000	134 217 728 000 (NAND)	1 073 741 824 000 (NAND)
2005–2007	?
2008	1,226,215,645 (mobilní NAND)
2009	1,226,215,645+ (mobilní NAND)
2010	7 280 000 000+
2011	8 700 000 000
2012	5,151,515,152 ( sériový )
2013	?
2014	?	59 000 000 000	118 000 000 000+
2015	7 692 307 692 (NAND)	85 000 000 000	170 000 000 000+
2016	?	100 000 000 000	200 000 000 000+
2017	?	148 200 000 000	296 400 000 000+
2018	?	231 640 000 000	463 280 000 000+
2019	?	?	?
2020	?	?	?
1992–2020	45 358 454 134+ paměťových čipů	758 057 729 630+ gigabajtů	2 321 421 837 044 miliard+ buněk

Kromě jednotlivých čipů flash paměti je paměť flash integrována také do čipů mikrokontroléru (MCU) a zařízení typu systém na čipu (SoC). Flash paměť je integrována do čipů ARM , kterých se od roku 2019 celosvětově prodalo 150 miliard kusů, a do programovatelných zařízení typu system-on-chip (PSoC), kterých se od roku 2012 prodalo 1,1 miliardy kusů. To dohromady činí nejméně 151,1 miliardy Čipy MCU a SoC s integrovanou flash pamětí, kromě 45,4 miliard známých prodejů jednotlivých flash čipů od roku 2015, celkem tedy nejméně 196,5 miliardy čipů obsahujících flash paměť.

Škálovatelnost blesku

Díky své relativně jednoduché struktuře a vysoké poptávce po vyšší kapacitě je paměť NAND flash nejagresivněji škálovanou technologií mezi elektronickými zařízeními . Silná konkurence mezi několika nejlepšími výrobci jen zvyšuje agresivitu při zmenšování pravidla návrhu MOSFET s plovoucí bránou nebo uzlu technologické technologie. Zatímco očekávaná časová osa zmenšování je faktor dva každé tři roky na původní verzi Moorova zákona , toto bylo v poslední době v případě NAND flash zrychleno na faktor dva každé dva roky.

ITRS nebo společnost	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018
ITRS Flash Roadmap 2011	32 nm	22 nm	20 nm	18 nm	16 nm
Aktualizovaný plán ITRS Flash					17 nm	15 nm	14 nm
Samsung (Samsung 3D NAND)	35–20 nm	27 nm	21 nm ( MLC , TLC )	19–16 nm 19–10 nm (MLC, TLC)	19–10 nm V-NAND (24L)	16–10 nm V-NAND (32L)	16–10 nm	12–10 nm	12–10 nm
Micron , Intel	34–25 nm	25 nm	20 nm (MLC + HKMG)	20 nm (TLC)	16 nm	16 nm 3D NAND	16 nm 3D NAND	12 nm 3D NAND	12 nm 3D NAND
Toshiba , WD ( SanDisk )	43–32 nm 24 nm (Toshiba)	24 nm	19 nm (MLC, TLC)		15 nm	15 nm 3D NAND	15 nm 3D NAND	12 nm 3D NAND	12 nm 3D NAND
SK Hynix	46–35 nm	26 nm	20 nm (MLC)		16 nm	16 nm	16 nm	12 nm	12 nm

Protože velikost funkce MOSFET buněk flash paměti dosahuje minimálního limitu 15-16 nm, další zvýšení hustoty záblesku bude řízeno TLC (3 bity/buňka) v kombinaci s vertikálním stohováním paměťových rovin NAND. Snížení výdrže a nárůst neopravitelných bitových chyb, které doprovázejí zmenšování velikosti funkce, lze kompenzovat vylepšenými mechanismy opravy chyb. I s těmito pokroky může být nemožné ekonomicky škálovat blesk na menší a menší rozměry, protože počet elektronů držících kapacitu se snižuje. Mnoho slibných nových technologií (jako FeRAM , MRAM , PMC , PCM , ReRAM a další) je předmětem zkoumání a vývoje, protože je to možné, škálovatelnější náhrady za flash.

Časová osa

Datum zavedení	Název čipu	Kapacita balíčku paměti (v bitech ; Megabitů (Mb), Gigabitů (Gb), Terabitů (Tb)	Typ blesku	Typ buňky	Výrobci	Proces	Plocha
1984	?	?	ANI	SLC	Toshiba	?	?
1985	?	256 kb	ANI	SLC	Toshiba	2 000 nm	?
1987	?	?	NAND	SLC	Toshiba	?	?
1989	?	1 Mb	ANI	SLC	Seeq , Intel	?	?
1989	?	4 Mb	NAND	SLC	Toshiba	1 000 nm	?
1991	?	16 Mb	ANI	SLC	Mitsubishi	600 nm	?
1993	DD28F032SA	32 Mb	ANI	SLC	Intel	?	280 mm²
1994	?	64 Mb	ANI	SLC	NEC	400 nm	?
1995	?	16 Mb	DINOR	SLC	Mitsubishi, Hitachi	?	?
		16 Mb	NAND	SLC	Toshiba	?	?
		32 Mb	NAND	SLC	Hitachi, Samsung , Toshiba	?	?
		34 Mb	Seriál	SLC	SanDisk	?	?
1996	?	64 Mb	NAND	SLC	Hitachi , Mitsubishi	400 nm	?
		64 Mb	NAND	QLC	NEC	400 nm
		128 Mb	NAND	SLC	Samsung, Hitachi	?
1997	?	32 Mb	ANI	SLC	Intel, Sharp	400 nm	?
1997	?	32 Mb	NAND	SLC	AMD, Fujitsu	350 nm	?
1999	?	256 Mb	NAND	SLC	Toshiba	250 nm	?
1999	?	256 Mb	NAND	MLC	Hitachi	250 nm	?
2000	?	32 Mb	ANI	SLC	Toshiba	250 nm	?
		64 Mb	ANI	QLC	STMicroelectronics	180 nm	?
		512 Mb	NAND	SLC	Toshiba	?	?
2001	?	512 Mb	NAND	MLC	Hitachi	?	?
		1 Gibit	NAND	MLC	Samsung	?	?
		1 Gibit	NAND	MLC	Toshiba, SanDisk	160 nm	?
2002	?	512 Mb	NROM	MLC	Saifun	170 nm	?
2002	?	2 Gb	NAND	SLC	Samsung, Toshiba	?	?
2003	?	128 Mb	ANI	MLC	Intel	130 nm	?
2003	?	1 Gb	NAND	MLC	Hitachi	130 nm	?
2004	?	8 Gb	NAND	SLC	Samsung	60 nm	?
2005	?	16 Gb	NAND	SLC	Samsung	50 nm	?
2006	?	32 Gb	NAND	SLC	Samsung	40 nm	?
Duben 2007	THGAM	128 Gb	Skládaný NAND	SLC	Toshiba	56 nm	252 mm²
Září 2007	?	128 Gb	Skládaný NAND	SLC	Hynix	?	?
2008	THGBM	256 Gb	Skládaný NAND	SLC	Toshiba	43 nm	353 mm²
2009	?	32 Gb	NAND	TLC	Toshiba	32 nm	113 mm²
2009	?	64 Gb	NAND	QLC	Toshiba, SanDisk	43 nm	?
2010	?	64 Gb	NAND	SLC	Hynix	20 nm	?
	?	64 Gb	NAND	TLC	Samsung	20 nm	?
	THGBM2	1 Tb	Skládaný NAND	QLC	Toshiba	32 nm	374 mm²
2011	KLMCG8GE4A	512 Gb	Skládaný NAND	MLC	Samsung	?	192 mm²
2013	?	?	NAND	SLC	SK Hynix	16 nm	?
2013	?	128 Gb	V-NAND	TLC	Samsung	10 nm	?
2015	?	256 Gb	V-NAND	TLC	Samsung	?	?
2017	?	512 Gb	V-NAND	TLC	Samsung	?	?
	?	768 Gb	V-NAND	QLC	Toshiba	?	?
	KLUFG8R1EM	4 Tb	Skládaný V-NAND	TLC	Samsung	?	150 mm²
2018	?	1 Tb	V-NAND	QLC	Samsung	?	?
2018	?	1,33 Tb	V-NAND	QLC	Toshiba	?	158 mm²
2019	?	512 Gb	V-NAND	QLC	Samsung	?	?
	?	1 Tb	V-NAND	TLC	SK Hynix	?	?
	eUFS (1 TB)	8 Tb	16vrstvý skládaný V-NAND	QLC	Samsung	?	150 mm²

Viz také

eMMC
Flash paměťový řadič
Seznam systémů souborů Flash
microSDXC (až 2 TB ) a následný formát Secure Digital Ultra Capacity ( SDUC ) podporující karty až 128 TiB
Otevřete pracovní skupinu rozhraní NAND Flash
Paměť pro čtení (RMM)
Univerzální flash úložiště
Zabezpečení jednotky USB flash
Zesílení zápisu

Languages

In other projects