Карты памяти.Флеш память




Ка́рта па́мяти (иногда неправильно флеш-ка́рта) — компактное электронное запоминающее устройство, используемое для хранения цифровой информации. Современные карты памяти изготавливаются на основе флеш-памяти, хотя принципиально могут использоваться и другие технологии. Карты памяти широко используются в электронных устройствах, включая цифровые фотоаппараты, сотовые телефоны, ноутбуки, портативные цифровые аудиопроигрыватели

Содержание

[скрыть]

· 1История

· 2Таблица некоторых форматов карт памяти

· 3Адаптеры карт памяти

· 4Карты памяти в игровых консолях

· 5См. также

· 6Примечания

· 7Ссылки

История[править | править вики-текст]

В числе первых коммерческих форматов карт памяти были платы PC Card (карты типа I), изготовлявшиеся по спецификации PCMCIA. Они появились в начале 1990-х годов, но в настоящее время используются в основном в промышленных целях и для подключения устройств ввода-вывода, таких как сетевые карты, модемы и жёсткие диски. В 1990-х годах появились карты памяти меньших форматов, чем PC Card, в том числе CompactFlash, SmartMedia и Miniature Card. Потребность в меньших картах для мобильных телефонов, КПК и компактных цифровых фотоаппаратов создала тенденцию, по которой всякий раз предыдущее поколение «компактных» карт выглядело крупным. В цифровых фотоаппаратах карты SmartMedia и CompactFlash применялись вполне успешно, в 2001 году SM захватили 50 % рынка цифровых камер, а CF полностью господствовали на рынке профессиональных цифровых камер. Однако, к 2005 г. карты SD/MMC почти полностью заняли место карт SmartMedia, хотя и не на том же уровне и в условиях жёсткой конкуренции с картами Memory Stick и CompactFlash. В промышленной индустрии, несмотря на почтенный возраст карт памяти PC card (PCMCIA), им до сих пор удаётся сохранять нишу, тогда как в мобильных телефонах и КПК они кое-где применялись до 2010 года, когда в новых телефонах высокого класса стали доминировать карты микро-SD.

С 2010 года новые продукты Sony (ранее использовавшие только карты памяти Memory Stick) и Olympus (ранее использовавшие только карты xD-Card) предлагаются с дополнительным слотом для SD-Card.[1] В войне форматов победителем вышли SD-карты.[2][3]

В конце 2013 года компания «Transcend» анонсировала выпуск карт памяти SDHC нового поколения — со встроенным Wi-Fi-модулем. С помощью специального приложения, «Wi-Fi SD», разработанного компанией для мобильных устройств (смартфоны, планшетные компьютеры) с операционными системами iOS и Android стало возможным осуществлять беспроводную передачу данных на мобильные устройства с фотоаппаратов, диктофонов, видеорегистраторов и т. д.

Таблица некоторых форматов карт памяти[править | править вики-текст]

Название Акроним Формфактор ТСЗАП
PC Card PCMCIA 85,6 × 54 × 3,3 мм Нет
CompactFlash I CF-I 43 × 36 × 3,3 мм Нет
CompactFlash II CF-II 43 × 36 × 5,5 мм Нет
SmartMedia SM / SMC 45 × 37 × 0,76 мм Нет
Memory Stick MS 50,0 × 21,5 × 2,8 мм MagicGate
Memory Stick Duo MSD 31,0 × 20,0 × 1,6 мм MagicGate
Memory Stick PRO Duo MSPD 31,0 × 20,0 × 1,6 мм MagicGate
Memory Stick PRO-HG Duo MSPDX 31,0 × 20,0 × 1,6 мм MagicGate
Memory Stick Micro M2 M2 15,0 × 12,5 × 1,2 мм MagicGate
Miniature Card   37 × 45 × 3,5 мм Нет
Multimedia Card MMC 32 × 24 × 1,5 мм Нет
Reduced Size Multimedia Card RS-MMC 16 × 24 × 1,5 мм Нет
MMCmicro Card MMCmicro 12 × 14 × 1,1 мм Нет
Secure Digital card SD 32 × 24 × 2,1 мм CPRM
SxS SxS   неизвестно
Universal Flash Storage UFS   неизвестно
miniSD card miniSD 21,5 × 20 × 1,4 мм CPRM
microSD card microSD 15 × 11 × 0,7 мм CPRM
xD-Picture Card xD 20 × 25 × 1,7 мм Нет
Intelligent Stick iStick 24 × 18 × 2,8 мм Нет
Serial Flash Module SFM 45 × 15 мм Нет
µ card µcard 32 × 24 × 1 мм неизвестно
NT Card NT NT+ 44 × 24 × 2,5 мм Нет

·

MiniSD Card

 

·

CompactFlash (CF-I)

 

·

Memory Stick

 

·

MultiMediaCard (MMC)

 

·

SmartMedia

 

·

xD-Picture Card (xD)


SD-карты оснащённые модулем Wi-Fi. (например SD-карты Eye-Fi Class 6 с Wi-Fi 802.11n.)[4]

Адаптеры карт памяти[править | править вики-текст]

Адаптер флешечного типа для карт памяти разных форматов

· SD to CF (Secure Digital SD to CF CompactFlash Card Adapter Type II)

· SDHC to CF

· Micro SD/TF to CF

· MS to CF

· MicroSD (TF) to MS/MS Pro Duo

· MS to PC card

· Micro SD to SD

· USB (типа флешки)

 

Карты памяти в игровых консолях[править | править вики-текст]

Карта памяти для игровой консоли

Многие игровые консоли используют собственные твердотельные карты памяти для хранения данных. Хотя в домашних игровых консолях игры как правило записываются на лазерные диски или жёсткие диски из-за их большей ёмкости, в большинстве портативных игровых систем разработчики предпочитают встраивать картриджи и карты памяти из-за их низкого энергопотребления, малых физических размеров и механической простоты устройства.

Ёмкости в скобках относятся к официальным картам памяти, выпущенным в первых партиях.

· Линейка Microsoft Xbox:

· Xbox Memory Unit (8 Мбайт)

· Xbox 360 Memory Unit (64 Мбайт/256 Мбайт/512 Мбайт)

· Линейка Nintendo:

· Nintendo 64 Controller Pak (256 Кбит/32 Кбайт), поделённых на 123 страницы

· Nintendo GameCube Memory Card версии: 59 блоков (4 Мбит/512 Кбайт), 251 блок (16 Мбит/2 Мбайт) и 1019 блоков (64 Мбит/8 Мбайт)

· Wii Nintendo GameCube совместимая с Multimedia Card или совместимая с картой Secure Digital до 2 GB

· Nintendo DSi совместимая с картой Secure Digital

· Sega Dreamcast Visual Memory Unit (VMU) (128 Кбайт поделённых на 200 блоков)

· Карта памяти Sega Saturn может иметь 20 блоков с записями игр.

· Линейка Sony PlayStation:

· Карта памяти PlayStation (1 Мбит/128 Кбайт, поделённых на 15 блоков).

· PlayStation 2 использует карты 8 Мбайт для своего собственного контента и поддерживает карты памяти PlayStation для обратной совместимости. Сторонними производителями выпускаются карты большей ёмкости, но они не поддерживаются официально.

· Для ранних моделей PlayStation 3 характерна интеграция с CompactFlash, Secure Digital и Memory Stick PRO Duo. Внешние устройства позволяют импортировать и экспортировать сохранения на карты памяти PlayStation и PlayStation 2.

· Модели PSP-1000, −2000 и −3000 используют для хранения данных Memory Stick PRO Duo, тогда как модель PSP Go использует Memory Stick Micro.

· PlayStation Vita использует карты памяти собственного формата (от 4 до 32 Гбайт).

· Портативная игровая консоль GP2X на базе GNU/Linux использует карты SD/MMC.

· Neo Geo AES, разработанная в 1990 г. фирмой SNK Playmore, была первой игровой консолью, использующей карты памяти. Карты памяти AES совместимы также с Neo-Geo MVS для игровых автоматов.

 

Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации. Серьёзным недостатком данной технологии является ограниченный срок эксплуатации носителей,[1][2] а также чувствительность к электростатическому разряду.

Содержание

[скрыть]

· 1История

· 2Принцип работы

o 2.1SLC- и MLC-приборы

§ 2.1.1Аудиопамять

o 2.23D NAND

o 2.3Многокристальные микросхемы

o 2.4NOR- и NAND-приборы

o 2.5Чтение

§ 2.5.1NOR

§ 2.5.2NAND

o 2.6Запись

§ 2.6.1NOR

§ 2.6.2NAND

· 3Технологические ограничения

o 3.1Ресурс записи

o 3.2Срок хранения данных

o 3.3Иерархическая структура

o 3.4Скорость чтения и записи

o 3.5Технологическое масштабирование

· 4Особенности применения

o 4.1NAND-контроллеры

o 4.2Специальные файловые системы

· 5Применение

o 5.1NOR

o 5.2NAND

· 6Рынок NAND-памяти

· 7См. также

· 8Примечания

· 9Ссылки

История[править | править вики-текст]

Предшественниками технологии флеш-памяти можно считать ультрафиолетово стираемые постоянные запоминающие устройства (EPROM) и электрически стираемые ПЗУ (EEPROM). Эти приборы также имели матрицу транзисторов с плавающим затвором, в которых инжекция электронов в плавающий затвор («запись») осуществлялась созданием большой напряженности электрического поля в тонком диэлектрике. Однако площадь разводки компонентов в матрице резко увеличивалась, если требовалось создать поле обратной напряжённости для снятия электронов с плавающего затвора («стирания»). Поэтому и возникло два класса устройств: в одном случае жертвовали цепями стирания, получая память высокой плотности с однократной записью, а в другом случае делали полнофункциональное устройство с гораздо меньшей ёмкостью.

Соответственно усилия инженеров были направлены на решение проблемы плотности компоновки цепей стирания. Они увенчались успехом изобретением инженера компании Toshiba Фудзио Масуокой в 1984 году. Название «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми, потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку на IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния.

В 1988 году Intel выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference.

Принцип работы[править | править вики-текст]

Транзистор с плавающим затвором

Основным компонентом в флеш памяти является транзистор с плавающим затвором, который является разновидностью МОП-транзисторов. Его отличие в том, что у него есть дополнительный затвор (плавающий), расположенный между управляющим затвором и p-слоем. Плавающий затвор изолирован и хранимый в нём отрицательный заряд будет оставаться надолго.

SLC- и MLC-приборы[править | править вики-текст]

Различают приборы, в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько бит. В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (single-level cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (multi-level cell, MLC [3][4]). MLC-приборы дешевле и более ёмки, чем SLC-приборы, однако имеют более высокое время доступа и примерно на порядок меньшее максимальное количество перезаписей[5].

Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита) на каждую ячейку. Более дешевую в пересчете на объём память с 8 уровнями (3 бита) чаще называют TLC (Triple Level Cell)[3][4] или 3bit MLC (MLC-3)[6]. Существуют экспериментальные устройства с 16 уровнями на ячейку (4 бита), 16LC[7] или QLC, однако с уменьшением техпроцесса их массовое производство маловероятно из-за чрезвычайно низкой надежности хранения[8].

К 2016 году многоуровневая память доминирует на рынке. Тем не менее SLC изделия, несмотря на многократно меньшую емкость, продолжают разрабатываться и выпускаться для особо ответственных применений.[9]

Аудиопамять[править | править вики-текст]

Естественным развитием идеи MLC-ячеек была мысль записать в ячейку аналоговый сигнал. Наибольшее применение такие аналоговые флеш-микросхемы получили в воспроизведении относительно коротких звуковых фрагментов в дешёвых тиражируемых изделиях. Такие микросхемы могут применяться в простейших игрушках, звуковых открытках и т. д.[10]

3D NAND[править | править вики-текст]

3D NAND. Красные горизонтали — затворы. Красная вертикаль — каналы полевых транзисторов. Жёлтая полоска — плавающие затворы.

Схемотехника NAND оказалась удобна для построения вертикальной компоновки блока ячеек на кристалле.[11][12][13]На кристалл послойно напыляют проводящие и изолирующие слои, которые образуют проводники затворов и сами затворы. Затем в этих слоях формируют множество отверстий на всю глубину слоев. На стенки отверстий наносят структуру полевых транзисторов — изоляторы и плавающие затворы. Таким образом формируют столбец кольцеобразных полевых транзисторов с плавающими затворами.

Такая вертикальная структура оказалась очень удачна и обеспечила качественный рывок плотности флеш-памяти. Некоторые компании продвигают технологию под своими торговыми марками, например V-NAND, BiCS. На 2016 год количество слоев топовых изделий достигло 64-х.[14]

Многокристальные микросхемы[править | править вики-текст]

Для экономии места в одну микросхему флеш-памяти может упаковываться несколько полупроводниковых пластин (кристаллов), до 16 штук[15].

NOR- и NAND-приборы[править | править вики-текст]

Компоновка шести ячеек NOR flash

Структура одного столбца NAND flash с 8 ячейками

Флеш память различается методом соединения ячеек в массив.

Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов — ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке.

Конструкция NAND — трёхмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется. Также в каждой линии установлено два МОП-транзистора. Управляющий транзистор разрядной линии (англ. bit line select transistor), расположенный между столбцом ячеек и разрядной линией. И управляющий транзистор заземления, расположенный перед землёй (англ. ground select transistor).

Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика. Наоборот, NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу к большой группе ячеек. Соответственно, различается область применения: NOR используется как непосредственная память программ микропроцессоров и для хранения небольших вспомогательных данных.

Названия NOR и NAND произошли от ассоциации схемы включения ячеек в массив со схемотехникой микросхем КМОП-логики.

NAND чаще всего применяется для USB флеш накопителей, карт памяти, SSD. NOR в свою очередь во встраиваемых системах.

Существовали и другие варианты объединения ячеек в массив, но они не прижились.

·

Программирование флеш-памяти

 

·

Стирание флеш-памяти

Чтение[править | править вики-текст]

Для чтения подаётся положительный заряд на управляющий затвор. Если в плавающем затворе отсутствует заряд, то транзистор начнёт проводить ток. В противном случае ток между истоком и стоком не возникает. Для MLC ячеек необходимо произвести несколько измерений.

NOR[править | править вики-текст]

Для чтения определённой ячейки памяти необходимо подать на её управляющий затвор промежуточный ток (достаточный для проводимости транзистора только при отсутствии заряда в плавающем затворе). На остальные ячейки в линии следует подать минимальный ток для исключения проводимости этих ячеек. Если в интересующей нас ячейке отсутствует заряд, то возникнет ток между разрядной линией (англ. bit line) и землёй.

NAND[править | править вики-текст]

В данной компоновке также подаётся промежуточный ток на управляющий затвор определённой ячейки. На остальные управляющие затворы в линии подаётся повышенное напряжение, чтобы они гарантировано проводили ток. Таким образом, возникнет ток между землёй и линией, если в интересующей нас ячейке отсутствует заряд.

Запись[править | править вики-текст]

Для записи заряды должны попасть в плавающий затвор, однако он изолирован слоем оксида. Для перенесения зарядов может использоваться эффект туннелирования. Для разряда необходимо подать большой положительный заряд на управляющий затвор: отрицательный заряд с помощью туннельного эффекта покинет плавающий затвор. И наоборот, для заряда плавающего затвора необходимо подать большой отрицательный заряд.

Также запись может быть реализована с помощью инжекции горячих носителей. При протекании тока между истоком и стоком повышенного напряжения электроны могут преодолевать слой оксида и оставаться в плавающем затворе. При этом необходимо, чтобы на управляющем затворе присутствовал положительный заряд, который создавал бы потенциал для инжекции.

В MLC для записи разных значений используются разные напряжения и время подачи. [16]

Каждая запись наносит небольшой ущерб оксидному слою, поэтому число записей ограничено.

Запись в NOR и NAND компоновке состоит из двух стадий: вначале все транзисторы в линии устанавливаются в 1 (отсутствие заряда), затем нужные ячейки устанавливаются в 0.

NOR[править | править вики-текст]

На первой стадии очистка ячеек происходит с помощью туннельного эффекта: на все управляющие затворы подаётся сильное напряжение. Для установки конкретной ячейки в 0 используется инжекция горячих носителей. На разрядную линию подаётся большое напряжение. Вторым важным условием этого эффекта является наличие положительных зарядов на управляющем затворе. Положительное напряжение подаётся лишь на некоторые транзисторы, на остальные транзисторы подаётся отрицательное напряжение. Таким образом ноль записывается только в интересующие нас ячейки.

NAND[править | править вики-текст]

Первая стадия в NAND аналогична NOR. Для установки нуля в ячейку используется туннельный эффект, в отличие от NOR. На интересующие нас управляющие затворы подаётся большое отрицательное напряжение.

Технологические ограничения[править | править вики-текст]

Запись и чтение ячеек различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют большой ток при записи для формирования высоких напряжений, тогда как при чтении затраты энергии относительно малы.

Ресурс записи[править | править вики-текст]

Изменение заряда сопряжено с накоплением необратимых изменений в структуре и потому количество записей для ячейки флеш-памяти ограничено. Типичные количества циклов стирания-записи составляют от десятков и сотен тысяч до тысячи или менее, в зависимости от типа памяти и технологического процесса. Гарантированный ресурс значительно более низок при хранении нескольких бит в ячейке (MLC и TLC) и при использовании техпроцессов класса «30 нм» и более современных.

Одна из причин деградации — невозможность индивидуально контролировать заряд плавающего затвора в каждой ячейке. Дело в том, что запись и стирание производятся над множеством ячеек одновременно — это неотъемлемое свойство технологии флеш-памяти. Автомат записи контролирует достаточность инжекции заряда по референсной ячейке или по средней величине. Постепенно заряд отдельных ячеек рассогласовывается и в некоторый момент выходит за допустимые границы, которые может скомпенсировать инжекцией автомат записи и воспринять устройство чтения. Понятно, что на ресурс влияет степень идентичности ячеек. Одно из следствий этого — с уменьшением топологических норм полупроводниковой технологии создавать идентичные элементы все труднее, поэтому вопрос ресурса записи становится все острее.

Другая причина — взаимная диффузия атомов изолирующих и проводящих областей полупроводниковой структуры, ускоренная градиентом электрического поля в области кармана и периодическими электрическими пробоями изолятора при записи и стирании. Это приводит к размыванию границ и ухудшению качества изолятора, уменьшению времени хранения заряда.

Изначально, в 2000-х годах для 5х нм памяти такой ресурс стираний составлял до 10 тыс. раз для MLC-устройств и до 100 тыс. раз для SLC-устройств, однако с уменьшением техпроцессов количество гарантированных стираний снижалось. Для 3х нм памяти (начало 2010-х годов) обычная 2-битная MLC гарантировала порядка 3-5 тысяч, а SLC — до 50 тысяч.[17] В 2013 отдельные модели гарантировали порядка единиц тысяч циклов для MLC и менее тысячи (несколько сотен) для TLC до начала деградации[18].

Идут исследования экспериментальной технологии восстановления ячейки флеш-памяти путём локального нагрева изолятора затвора до 800°С в течение нескольких миллисекунд.[19]

Срок хранения данных[править | править вики-текст]

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий, не превышает 10—20 лет,[ источник не указан 1252 дня ] хотя гарантия на носители дается не более чем на 5 лет. При этом память MLC имеет меньшие сроки, чем SLC.

Специфические внешние условия, например, повышенные температуры или радиационное облучение (гамма-радиация и частицы высоких энергий), могут катастрофически сократить срок хранения данных.

У современных микросхем NAND при чтении возможно повреждение данных на соседних страницах в пределах блока. Осуществление большого числа (сотни тысяч и более) операций чтения без перезаписи может ускорить возникновение ошибки[20][21].

По данным Dell, длительность хранения данных на SSD, отключенных от питания, сильно зависит от количества прошедших циклов перезаписи (P/E) и от типа флеш-памяти и в худших случаях может составлять 3—6 месяцев[21][22].

Иерархическая структура[править | править вики-текст]

Стирание, запись и чтение флеш-памяти всегда происходит относительно крупными блоками разного размера, при этом размер блока стирания всегда больше, чем блок записи, а размер блока записи не меньше, чем размер блока чтения. Собственно это — характерный отличительный признак флеш-памяти по отношению к классической памяти EEPROM.

Как следствие — все микросхемы флеш-памяти имеют ярко выраженную иерархическую структуру. Память разбивается на блоки, блоки состоят из секторов, секторы из страниц. В зависимости от назначения конкретной микросхемы глубина иерархии и размер элементов может меняться.

Например, NAND-микросхема может иметь размер стираемого блока в сотни кбайт, размер страницы записи и чтения — 4 кбайт. Для NOR-микросхем размер стираемого блока варьируется от единиц до сотен кбайт, размер сектора записи — до сотен байт, страницы чтения — единицы—десятки байт.

Скорость чтения и записи[править | править вики-текст]

Скорость стирания варьируется от единиц до сотен миллисекунд в зависимости от размера стираемого блока. Скорость записи — десятки-сотни микросекунд.

Обычно скорость чтения для NOR-микросхем нормируется в десятки наносекунд. Для NAND-микросхем скорость чтения составляет десятки микросекунд.

Технологическое масштабирование[править | править вики-текст]

Масштабирование техпроцесса изготовления флеш-памяти NAND в 2004—2013 годах. Показаны максимальные возможные объёмы данных для кристаллов, использующих однобитные (SLC) или двухбитные (MLC) ячейки. Также указана приблизительная площадь ячейки.

Из-за своей высокорегулярной структуры и высокого спроса на большие объёмы техпроцесс при изготовлении флеш-памяти NAND уменьшается более быстро, чем для менее регулярной DRAM-памяти и почти нерегулярной логики (ASIC). Высокая конкуренция между несколькими ведущими производителями лишь ускоряет этот процесс[23]. В варианте закона Мура для логических микросхем удвоение количества транзисторов на единицу площади происходит за три года, тогда как NAND-флеш показывала удвоение за два года. В 2012 году 19 нм техпроцесс был освоен совместным предприятием Toshiba и SanDisk[24]. В ноябре 2012 года[25] Samsung также начала производство по техпроцессу 19 нм (активно используя в маркетинговых материалах фразу «10нм-класс», обозначавшую какой-то процесс из диапазона 10—19 нм)[26][27][28][29].

ITRS или компании           2015* 2016*
ITRS Flash Roadmap 2011[24] 32 нм 22 нм 20 нм 18 нм 16 нм    
ITRS Flash Roadmap 2013[30][31]         17 нм 15 нм 14 нм
Samsung[24][31] Samsung 3D NAND (CTF)[31] 35-32 нм 27 нм 21 нм (MLC, TLC) 19 nm 19-16 нм V-NAND (24L) 12 нм V-NAND (32L) 12 нм
Micron, Intel[24][31] 34-25 нм 25 нм 20 нм (MLC + HKMG) 20 нм (TLC) 16 нм 12 нм 3D-NAND 3D-NAND Gen2
Toshiba, Sandisk[24][31] 43-32 нм 24 нм 19 нм (MLC, TLC) A-19 нм 15 нм 3D NAND BiCS 3D NAND BiCS
SK Hynix[24][31] 46-35 нм 26 нм 20 нм (MLC) 20 нм 16 нм 3D V1 12 нм

Уменьшение техпроцесса позволяло быстро наращивать объёмы чипов памяти NAND-флеш. В 2000 году флеш-память по технологии 180 нм имела объём данных в 512 Мбит на кристалл, в 2005 — 2 Гбит при 90 нм. Затем произошёл переход на MLC, и в 2008 чипы имели объём 8 Гбит (65 нм)[32]. На 2010 год около 35 %—25 % чипов имели размер 16 Гбит, 55 % — 32 Гбит[33]. В 2012—2014 годах в новых продуктах широко использовались кристаллы объёмом 64 Гбит, и начиналось внедрение 128 Гбит модулей (10 % на начало 2014 года), изготовленных по техпроцессам 24—19 нм[32][33].

По мере уменьшения техпроцесса и его приближению к физическим пределам текущих технологий изготовления, в частности, фотолитографии, дальнейшее увеличение плотности данных может быть обеспечено переходом на большее количество бит в ячейке (например, переход с 2-битной MLC на 3-битную TLC), заменой FG-технологии ячеек на CTF технологию или переходом на трёхмерную компоновку ячеек на пластине (3D NAND, V-NAND; однако при этом увеличивается шаг техпроцесса). Например, приблизительно в 2011—2012 годах всеми производителями были внедрены воздушные промежутки между управляющими линиями, позволившие продолжить масштабирование далее 24—26 нм[34][35], а Samsung с 2013—2014 года начала массовый выпуск 24- и 32-слойной 3D NAND[36] на базе CTF технологии[37], в том числе, в варианте с 3-х битными (TLC) ячейками[38]. Проявляющееся с уменьшением техпроцесса уменьшение износостойкости (ресурса стираний), а также увеличение темпа битовых ошибок потребовало применение более сложных механизмов коррекции ошибок и снижения гарантированных объёмов записи и гарантийных сроков[39]. Однако, несмотря на принимаемые меры, вероятно, что возможности дальнейшего масштабирования NAND-памяти будут экономически не оправданы[40][41] или физически невозможны. Исследуется множество возможных замен технологии флеш-памяти, в частности, FeRAM, MRAM, PMC, PCM, ReRAM и т. п.[42][43][44]

Особенности применения[править | править вики-текст]

Стремление достичь предельных значений ёмкости для NAND-устройств привело к «стандартизации брака» — праву выпускать и продавать микросхемы с некоторым процентом бракованных ячеек и без гарантии непоявления новых «bad-блоков» в процессе эксплуатации. Чтобы минимизировать потери данных, каждая страница памяти снабжается небольшим дополнительным блоком, в котором записывается контрольная сумма, информация для восстановления при одиночных битовых ошибках, информация о сбойных элементах на этой странице и количестве записей на эту страницу.

Сложность алгоритмов чтения и допустимость наличия некоторого количества бракованных ячеек вынудило разработчиков оснастить NAND-микросхемы памяти специфическим командным интерфейсом. Это означает, что нужно сначала подать специальную команду переноса указанной страницы памяти в специальный буфер внутри микросхемы, дождаться окончания этой операции, считать буфер, проверить целостность данных и, при необходимости, попытаться восстановить их.

Слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи в одной странице. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что стандартные файловые системы — то есть стандартные системы управления файлами для широко распространенных файловых систем — часто записывают данные в одно и то же место. Часто обновляется корневой каталог файловой системы, так что первые секторы памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволит существенно продлить срок работы памяти. Подробнее про задачу равномерного распределения износа[45] см.: Wear leveling (англ.).

Подробнее о проблемах управления NAND-памятью, вызванных разным размером страниц стирания и записи, см.: Write amplification (англ.).

NAND-контроллеры[править | править вики-текст]

Для упрощения применения микросхем флеш-памяти NAND-типа они используются совместно со специальными микросхемами — NAND-контроллерами. Эти контроллеры должны выполнять всю черновую работу по обслуживанию NAND-памяти: преобразование интерфейсов и протоколов, виртуализация адресации (с целью обхода сбойных ячеек), проверка и восстановление данных при чтении, забота о разном размере блоков стирания и записи, забота о периодическом обновлении записанных блоков (есть и такое требование), равномерное распределение нагрузки на секторы при записи (Wear leveling).

Однако задача равномерного распределения износа не обязательна, поэтому в самых дешевых изделиях ради экономии могут устанавливаться наиболее простые контроллеры. Такие флеш-карты памяти и USB-брелоки быстро выйдут из строя при частой перезаписи, или при использовании файловой системы, отличной от той, на которую рассчитан контроллер. При необходимости очень частой записи данных на флешки предпочтительно не изменять штатную файловую систему и использовать дорогие изделия с более износостойкой памятью (MLC вместо TLC, SLC вместо MLC) и качественными контроллерами.

На дорогие NAND-контроллеры также может возлагаться задача «ускорения» микросхем флеш-памяти путём распределения данных одного файла по нескольким микросхемам. Время записи и чтения файла при этом сильно уменьшается.

Подробнее по этой теме см. en:Flash memory controller.

Специальные файловые системы[править | править вики-текст]

Зачастую во встраиваемых применениях флеш-память может подключаться к устройству напрямую — без контроллера. В этом случае задачи контроллера должен выполнять программный NAND-драйвер в операционной системе. Чтобы не выполнять избыточную работу по равномерному распределению записи по страницам, стараются эксплуатировать такие носители со специальными файловыми системами: JFFS2[46] и YAFFS[47] для Linux и др.

См. также: TRIM

Применение[править | править вики-текст]

Существует два основных способа применения флеш-памяти: как мобильный носитель информации и как хранилище программного обеспечения («прошивки») цифровых устройств. Зачастую эти два применения совмещаются в одном устройстве.

При хранении во флеш-памяти возможно простое обновление прошивок устройств в процессе эксплуатации.

NOR[править | править вики-текст]

Применение NOR-флеши, устройства энергонезависимой памяти относительно небольшого объёма, требующие быстрого доступа по случайным адресам и с гарантией отсутствия сбойных элементов:

· Встраиваемая память программ однокристальных микроконтроллеров. Типовые объёмы — от 1 кбайта до 1 Мбайта.

· Стандартные микросхемы ПЗУ произвольного доступа для работы вместе с микропроцессором.

· Специализированные микросхемы начальной загрузки компьютеров (POST и BIOS), процессоров ЦОС и программируемой логики. Типовые объёмы — единицы и десятки мегабайт.

· Микросхемы хранения среднего размера данных, например, DataFlash. Обычно снабжаются интерфейсом SPI и упаковываются в миниатюрные корпуса. Типовые объёмы — от сотен кбайт до технологического максимума.

Максимальное значение объёмов микросхем NOR — до 256 Мбайт[48].

NAND[править | править вики-текст]

Флеш-карты разных типов (спичка для сравнения масштабов)

Там, где требуются рекордные объёмы памяти — NAND-флеш вне конкуренции. Чипы NAND показывали постоянное повышение объёмов, и на 2012 год NAND имел рекордные объёмы на 8-кристальную микросборку в 128 Гбайт (то есть объём каждого кристалла 16 Гбайт или 128 Гбит)[49].

В первую очередь NAND флеш-память применяется во всевозможных мобильных носителях данных и устройствах, требующих для работы больших объёмов хранения. В основном, это USB-брелоки и карты памяти всех типов, а также мобильные устройства, такие, как телефоны, фотоаппараты, медиаплееры.

Флеш-память типа NAND позволила миниатюризировать и удешевить вычислительные платформы на базе стандартных операционных систем с развитым программным обеспечением. Их стали встраивать во множество бытовых приборов: сотовые телефоны и телевизоры, сетевые маршрутизаторы и точки доступа, медиаплееры и игровые приставки, фоторамки и навигаторы.

Высокая скорость чтения делает NAND-память привлекательной для кэширования винчестеров. При этом часто используемые данные операционная система хранит на относительно небольшом твердотельном устройстве, а данные общего назначения записывает на дисковый накопитель большого объёма[50]. Также возможно объединение флеш-буфера на 4—8 ГБ и магнитного диска в едином устройстве, гибридном жёстком диске (SSHD, Solid-state hybrid drive).

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам, NAND-память активно вытесняет из обращения носители других типов. Сначала исчезли дискеты и дисководы гибких магнитных дисков[51], снизилась популярность накопителей на магнитной ленте. Магнитные носители практически полностью вытеснены из мобильных и медиаприменений.

Стандартизацией интерфейсов чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface (ONFI). Первым стандартом стала спецификация ONFI версии 1.0[52], выпущенная 28 декабря 2006 года, за ней последовали ONFI V2.0, V2.1, V2.2, V2.3, V3.0 (2011)[53]. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND-чипов: Intel/Micron Technology и Hynix[54]. Альтернативой стандартам ONFI является спецификация Toggle DDR, выпущенная в 2009 году, и достигшая во второй версии (2010) паритета по скоростям с ONFI V3.0[53]. Часть памяти выпускается со встроенными в единый корпус или на чип контроллерами, например, широко применяется встраиваемая eMMC память, использующая электрический интерфейс, сходный с MMC[55].

 

Рынок NAND-памяти[править | править вики-текст]

Основные производители NAND-флеш-памяти: Micron/Intel, SK Hynix, Toshiba/SanDisk, Samsung. На 2014 год около 35—37 % рынка занимают Toshiba/SanDisk и Samsung. 17 % поставок осуществляет Micron/Intel, ещё 10 — Hynix.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-04-20 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: