Флэш память что это

Постоянное снижение стоимости флеш-памяти за последние несколько лет заставило производителей искать пути удешевления производства, зачастую в ущерб качества конечного продукта. Использование низкосортных чипов и контроллеров, не прошедших контроль, как минимум, сильно снижает долговечность USB-флэшки или карты памяти, а как максимум, приводит к большому проценту брака или несовместимости с устройствами, для которых они предназначены. Попробуем кратко описать процесс изготовления флэш-памяти и систематизировать наиболее важную информацию, которая позволит нам сделать правильный выбор при покупке.

Песок, а особенно кварц, содержит большой процент диоксида кремния (SiO2), который является базовым ингредиентом для производства полупроводников. После добычи песка происходит очистка кремния от примесей. Кремний очищается в несколько этапов, чтобы достичь достаточного качества для производства полупроводников – его называют кремний полупроводниковой чистоты. Он настолько очищен от примесей, что допускается только один чужеродный атом на каждый миллиард атомов кремния. Получившаяся болванка монокристалла весит около 100 килограмм, при этом чистота кремния составляет 99,9999 процентов.

Далее болванка переходит на стадию пиления, когда из неё вырезаются тонкие отдельные диски кремния, называемые подложками (или «вафлями», wafers). Толщина диска составляет 250–1000мкм, а диаметр до 450мм.

После вырезания подложки полируются, пока их поверхность не достигнет зеркально гладкого состояния.

Затем на кремниевую пластину-подложку последовательно, один за другим, на высокотехнологичном оборудовании производят напыление технологических слоев. Этот процесс образует в объеме полупроводникового «пирога» нужные электронные компоненты, такие как: транзисторы, резисторы, конденсаторы и простые проводники. От состава слоев и рисунка масок зависят конечные свойства продукта.

Готовые подложки тестируются на так называемых установках зондового контроля. Они работают со всей подложкой. На контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет проводить электрические тесты.

В дальнейшем пластины разрезают на кристаллы, которые являются основой для изготовления микросхем памяти.

Затем необходимо провести проводные соединения, связывающие контакты, ножки упаковки и сам кристалл. Для этого могут быть использованы золотые, алюминиевые или медные соединения. Подобные технологические процессы в настоящее время могут осуществить лишь несколько предприятий, такие как Intel, AMD, Hitachi, Samsung, Toshiba.

Несмотря на совершенную вакуумную гигиену, беспылевое исполнение машин и рабочей одежды персонала, 100 процентного качества достичь не удается никогда. Даже малая доля примесей, пылинки, окислы способны привести полупроводники в негодное состояние. Теоретически, каждый чип по выходу с производственной линии должен быть проверен на надежность и быстродействие в соответствии со спецификацией. Чипы, показавшие устойчивую работу на всех тестах, относятся к классу А, чипы с небольшими дефектами будут отнесены к классу С, а чипы, имеющие значительные дефекты, обычно уничтожаются.

Как работает флэш память

Чипы класса А наиболее надежны и считаются чипами высшего качества. Они являются наиболее дорогими, потому что обеспечивают устойчивую работу в любых условиях. Чипы класса С применяются в изделиях, не столь требовательных к системной памяти, например, в калькуляторах и другой бытовой технике.

Обычно, производители продают чипы различных ценовых категорий в зависимости от объема их тестирования. Чипы верхней ценовой категории протестированы тщательно и гарантируется отсутствие ошибок в 99.9% случаев. Наименьшую цену имеют микросхемы, которые на скорость и надежность не тестировались, то есть покупатель приобретает чипы «как есть» и ему может не повезти. В этом случае тестирование возлагается на покупателя.

Основные производители модулей памяти (TOSHIBA, SAMSUNG, MICRON и др.) и контроллеров (PHISON, TOSHIBA и др.), закупаются непосредственно у изготовителей чипов. Лучшие производители используют чипы класса А, чтобы гарантировать надежность своей продукции. Некоторые мелкие «левые» производители покупают чипы либо на сером рынке, либо чипы низшего класса у производителей. Это позволяет поддерживать низкие цены, жертвуя качеством и надежностью.

Важно понимать, что с флэш-памятью так же, как и везде – за что вы платите, то и получаете. Если какая-то память предлагается по более дешевой цене, есть все основания полагать, что и качество у нее более низкое. Даже если на дешевую память дается гарантия, нередко она оказывается бесполезной из-за того, что проблемы обнаруживаются после истечения ее срока.

C 2011 года ООО «Компания «Мирекс» является ОЕМ-партнером корпорации «PHISON».

PHISON Electronics Corporation была создана в ноябре 2000 года в Синьчжу, Тайвань. Участвуя в разработке первого однокристального USB флеш-накопителя, Phison и сейчас является лидером на рынке контроллеров и приложений, включая USB, SD, еMMC, PATA и SATA. В 2011 году компания поставила более 500 миллионов контроллеров по всему миру, при этом ее выручка превысила 1 миллиард долларов. В круг основных партнеров и клиентов входят: Apple, Toshiba, Kingston Technology, Nokia, Motorola, Canon, NEC, HP, Sharp, Hynix Semiconductor, Intel, Micron, Sony.

Вся флэш-память под ТМ Mirex произведена этим мировым лидером на рынке контроллеров и приложений, из чипов класса А, на контроллерах и сборках собственного производства PHISON, с использованием чипов памяти Samsung или Toshiba.

Кристаллы для носителей Mirex производятся и отбираются в строгом соответствии международным стандартом качества, что позволяет защитить потребителя от досадных неожиданностей.

ФЛЭШ-ПАМЯТЬ: ФИЗИКА, ПРИМЕНЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Кандидат физико-математических наук А. ПЕРОВ, доцент кафедры теоретической физики Нижегородского государственного университета им. Н. И. ЛОБАЧЕВСКОГО.

Наука и жизнь // Иллюстрации

При чтении, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного потенциала на управляющем затворе, в подложке между истоком и стоком образуется проводящий канал и возникает ток (логическая единица).

Заряд на «плавающем» затворе меняет вольт-амперную характеристику транзистора так, что при обычном для чтения напряжении проводящий канал не появляется и тока между истоком и стоком не возникает (логический ноль).

При программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (на управляющий затвор приблизительно в два раза больше).

При стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны туннелируют на исток.

За последние три-четыре года флэш-память стала одним из самых популярных в общем ряду устройств хранения данных. Доминирование флэш-памяти на рынке связано с тем, что она находит широкое применение в относительно недорогих устройствах массового потребления: цифровых фото- и видеокамерах, компьютерах, мобильных телефонах, коммуникаторах, плеерах и т. д. Флэш-память — это электрически перепрограммируемое запоминающее устройство, которое, подобно магнитным носителям, сохраняет информацию при отключённом питании.

ЧТО ПРОИСХОДИТ В ЯЧЕЙКЕ ФЛЭШ-ПАМЯТИ

Первые серийные образцы флэш-накопителей работали довольно медленно, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет смотреть хранящийся в миниатюрной микросхеме полноформатный фильм или запускать операционную систему Windows XP. Некоторые крупные производители уже продемонстрировали компьютеры, в которых вместо жёсткого диска стоят чипы флэш-памяти, а чересчур оптимистичные наблюдатели и вовсе торопятся полностью похоронить винчестеры, как совсем недавно — флоппи-диски.

Однако у флэш-памяти есть один очень неприятный недостаток, препятствующий тому, чтобы этот тип носителя заменил все существующие оптические и магнитные накопители, и связан он с надёжностью и долговечностью. Дело в том, что флэш-память имеет конечное число циклов стирания и записи. По оценкам самих производителей, современная флэш-память способна выдержать в среднем порядка 100 тыс. циклов стирания-записи. С этим уже столкнулись владельцы цифровых фотоаппаратов и флэш-драйверов, интенсивно их эксплуатирующие. Физическая природа подобного ограничения изначально заложена в конструкции прибора.

Каждая ячейка флэш-памяти содержит один или два транзистора. В простейшем случае ячейка хранит один бит информации и собрана на полевом транзисторе с электрически изолированной областью («плавающим» затвором), способной хранить заряд многие годы. Присутствие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. «Плавающий» затвор хранит запрограммированное значение. Заряд на «плавающий» затвор в такой ячейке помещается методом инжекции «горячих» электронов, а снимается методом квантовомеханического туннелирования. В приборах с «плавающим» затвором запоминающей средой служит поликремний, изолированный от канала и затвора транзистора диэлектриком.

Туннелирование, по своей природе чисто квантовомеханический эффект, заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «высоты». Представим себе твёрдотельную структуру типа проводящая среда — изолятор — проводящая среда. Преодолеть потенциальный

барьер слоя диэлектрика, чтобы перейти из одного металлического контакта в другой, обычным способом (без внешних воздействий со стороны силовых полей) электрон не может — ему не хватает энергии. Но когда к металлическим контактам приложено достаточное напряжение, электрон, используя свою волновую природу, «просачивается» сквозь слой диэлектрика (туннелирует) и тем самым создаёт электрический ток.

БУДУЩЕЕ ФЛЭШ-ТЕХНОЛОГИЙ

Одно из направлений совершенствования флэш-накопителей — уменьшение их энергопотребле-ния и геометрических размеров с одновременным увеличением объёма памяти и быстродействия. Следует отметить, что совсем недавно свой полувековой юбилей отметил один из важнейших элементов любого персонального компьютера — жёсткий диск. Созданное пятьдесят лет назад устройство изменилось до неузнаваемости, в сотни раз уменьшилось в размерах и в тысячи раз увеличило ёмкость, проникло в совершенно неожиданные сферы, сохранив при этом основные принципы работы. Современное состояние рынка магнитных накопителей можно назвать тера-байтной эрой. Уже сейчас никого не удивишь ёмкостью жёстких дисков в сотни гигабайт. Первые терабайтные носители также со дня на день появятся в пользовательских компьютерах. И хотя в XXI веке активно развиваются другие технологии хранения данных, жёсткий диск не спешит сдавать свои позиции.

Безусловно, флэш — перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объёмов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, ещё слишком дороги, чтобы конкурировать с жёсткими дисками для настольных систем или ноутбуков. Сегодня сфера господства флэш-памяти в основном ограничивается мобильными устройствами.

В настоящее время американские исследователи разработали принципиально новую память, которая в теории позволит создавать крошечные накопители, вмещающие до терабайта данных. В отличие от флэш-памяти, где данные хранятся в виде заряда, в них используются металлизированные ячейки с функцией программирования, состоящие из разрозненных атомов меди. Под воздействием отрицательного заряда эти атомы выстраиваются в линию и формируют между двумя электродами «мост», проводящую нанопроволоку — получается логическая единица. Атомы в разгруппированном состоянии дают логический ноль. По утверждению авторов изобретения, процесс во многом похож на кристаллизацию воды и тоже полностью обратим — положительный заряд возвращает атомы в первоначальное положение, «мост» между электродами разрушается.

С новым устройством все ограничения на память в портативной электронике могут быть сняты. Можно записывать на видео и сохранять каждый момент всей своей жизни. Эта атомная память в тысячу раз экономичней флэш-памяти в плане потребления электрической энергии и в десять раз дешевле в пересчёте на один бит данных в основном благодаря тому, что для её изготовления нужны недорогие материалы. Крупнейшие производители уже проявили интерес к разработке, и первый чип на базе металлизированных ячеек планируется выпустить в течение следующих полутора лет.

Разработан также и прототип одного из ключевых элементов компьютерной памяти — нанопровод из полупроводникового материала GeSbTe, обратимо меняющего фазовое состояние с переходом из аморфной структуры в кристаллическую. Нанопровод был изготовлен в процессе кристаллизации исходных реагентов при низких температурах в присутствии металлических катализаторов размером в нанометры. В итоге на поверхности кремниевого субстрата самопроизвольно образовался линейный фрагмент полупроводникового материала длиной в несколько микрон и диаметром 30—50 нанометров, что примерно соответствует размеру ста атомов. В ходе изучения свойств полученного наноматериала оказалось, что он обладает уникальными качествами для записи и хранения информации. У него низкое потребление энергии на запись одного бита информации, а время считывания, записи и удаления информации составляет всего 50 нс, что в 1000 раз меньше, чем у современных образцов флэш-накопителей. Продолжительность хранения данных без потребления энергии может достигать 100 тыс. лет, а плотность хранения данных позволит вместить в габариты стандартных флэш-карт или других модулей памяти терабайты данных. Концепция компьютерной памяти на фазовых переходах известна давно, но лишь сейчас впервые удалось продемонстрировать её на реальных прототипах в наномасштабе.

Gritsenko V. A., Nasyrov K. A., Novikov Yu. N. Aseev A. L.. High-Permittivity-Insulator EEPROM Cell Using Al2O3 and ZrO2 // Russian Mic-roelectronics, 2003, 32, № 2, p. 90

Gritsenko V. A., Nasyrov K. A., Novikov Yu. N., Aseev A. L., Yoon S. Y., Lee J.-W., Lee E.-H., Kim C. W. A new low voltage fast SONOS memory with high-k dielectric//Solid-State Electronics, 2003, 47, № 10, p. 1651.

Что такое Flash Memory?

Flash Memory/USB-накопитель или флэш-память — это миниатюрное запоминающее устройство, применимое в качестве дополнительного носителя информации и ее хранения. Устройство подключается к компьютеру или другому считывающему устройству через интерфейс USB.

USB-накопитель предназначен для многократного прочитывания записанной на нем информации в течение установленного срока эксплуатации, который обычно составляет от 10 до 100 лет. Производить же запись на флэш-память можно ограниченное количество раз (около миллиона циклов).

Флеш-память считается более надежным и компактным по сравнению с жесткими дисками (HDD), поскольку не имеет подвижных механических частей. Данное устройство довольно широко используется при производстве цифровых портативных устройств: фото и видеокамер, диктофонов и MP3-плееров, КПК и мобильных телефонов. Наряду с этим, Flash Memory используется для хранения встроенного ПО в различном оборудовании, таком как модемы, мини-АТС, сканеры, принтеры или же маршрутизаторы. Пожалуй, единственным недостатком современных USB-накопителей является их относительно малый объем.

История Flash Memory

Первая флеш-память появилась в 1984 году, ее изобрел инженер компании Toshiba Фудзио Масуокой (Fujio Masuoka), коллега которого Сёдзи Ариидзуми (Shoji Ariizumi) сравнил принцип действия данного устройства с фотовспышкой и впервые назвал его «flash». Публичная презентация Flash Memory состоялась в 1984 году на Международном семинаре по электронным устройствам, проходившем в Сан-Франциско, штат Калифорния, где данным изобретением заинтересовалась компанию Intel. Спустя четыре года ее специалисты выпустили первый флеш-процессор коммерческого типа. Крупнейшими производителями флэш-накопителей в конце 2010 года стали компания Samsung, занимающей 32% данного рынка и Toshiba — 17%.

Принцип работы USB-накопителя

Вся информация, записанная на Flash-накопитель и сохраненная в его массиве, который состоит из транзисторов с плавающим затвором, именуемыми ячейками (cell). В обычных устройствах с одноуровневыми ячейками (single-level cell), любая из них «запоминает» только один бит данных. Однако некоторые новые чипы с многоуровневыми ячейками (multi-level cell или triple-level cell) способны запомнить и больший объем информации. При этом на плавающем затворе транзистора должен использоваться различный электрический заряд.

Основные характеристики USB-накопителя

Объем представленных в настоящее время флэш-накопителей измеряется от нескольких килобайт до сотен гигабайт.

В 2005 году специалисты компаний Toshiba и SanDisk провели презентацию NAND-процессора, общий объем которого составил 1 Гб. При создании данного устройства они применили технологию многоуровневых ячеек, когда транзистор способен хранить несколько бит данных, используя различный электрический заряд на плавающем затворе.

В сентябре следующего года компания Samsung представила общественности уже 4-гигабайтный чип, разработанный на основе 40-нм технологического процесса, а в конце 2009 года, технологи Toshiba заявили о создании 64 Гб флэш-накопителя, который был запущен в массвое производство уже в начале следующего года.

Летом 2010-го состоялась презентация первого в истории человечества USB-накопителя объемом 128 Гб, состоящий из шестнадцати модулей по 8 Гб.

В апреле 2011 года компании Intel и Micron объявили о создании MLC NAND флэш-чипа на 8 Гбайт, площадью 118 мм, почти вполовину меньше аналогичных устройств, серийное производство которого стартовало в конце 2011 года.

Типы карт памяти и Flash-накопителей

Применяется он в основном в профессиональном видео- и фото-оборудовании, поскольку имеет довольно большие размеры 43х36х3,3 мм, в результате чего довольно проблематично установить слот для Compact Flash в мобильные телефоны или MP3-плееры. При этом карта считается не очень надежной, а также не обладает высокой скоростью обработки данных. Максимально допустимый объём Compact Flash в настоящее время достигает 128 Гбайт, а скорость копирования данных выросла до 120 Мбайт/с.

RS-MMC/Reduced Size Multimedia Card — карта памяти, которая в два раза по длине меньше стандартной карты MMC — 24х18х1,4 мм и весом около 6 гр. При этом сохранены все остальные характеристики и параметры обычной MMC-карты. Для использования карт RS-MMC необходимо использовать адаптер.

MMCmicro — миниатюрная карта памяти с размерами всего 14х12х1,1 мм и предназначенная для мобильных устройств. Для ее применения необходимо использовать стандартный слот MMC и специальный переходник.

SD Card/Secure Digital Card – это более совершенная версия стандарта MMC, которая совместима с техникой SanDisk, Panasonic, Toshiba. Основным отличием SD Card от прототипа является наличие технологии защиты авторских прав, представленной в криптозащите от несанкционированного копирования, случайного стирания или механического переключения защиты от записи.

Несмотря на очень схожие с ММС-картой параметры и размеры 32х24х2,1 мм, данную карту нельзя использовать со стандартным слотом ММС.

SDHC/SD High Capacity — это SD-карта памяти высокой ёмкости, известные современным пользователям как SD 1.0, SD 1.1 и SD 2.0 (SDHC). Данный устройства различаются максимально допустимым объемом данных, который можно на них разместить. Так предусмотрены ограничения по емкости в виде 4 Гб для SD и 32 Гб для SDHC. При этом SDHC-карта обратно совместима с SD. Оба варианта могут быть представлены в трех форматах физических размеров: стандартный, mini и micro.

microSD/Micro Secure Digital Card – это самое компактное по данным на 2011 год съёмное устройствами флеш-памяти, его размеры составляют 11х15х1 мм, что позволяет использовать его мобильных телефонах, коммуникаторах и т. д. Переключатель защиты от записи расположен на адаптере microSD-SD, а максимально возможный объём карты составляет 32 Гб.

Memory Stick Micro/M2 – карта памяти, формат которой конкурирует по размеру с microSD, но при этом преимущество остается за устройствами Sony.

Много микросхем — много памяти

Пока всё, о чём мы говорили, помещается на одной микросхеме, но это максимум 128 гигабайт. Чтобы получить терабайт, можно точно так же поставить 8 микросхем друг на друга и соединить их все с контроллером памяти:

Больше 8 микросхем поставить друг на друга можно, но работать с ними будет гораздо сложнее. Дело в том, что компьютеру очень удобно работать с числами, кратными восьми, потому что в одном байте 8 бит. Поэтому для управления одновременно 8 микросхемами компьютеру нужно передать один управляющий байт, а для 9 или 12 микросхем — нужно уже 2 байта. А это в два раза больше передаваемых данных и в 128 раз увеличивает нагрузку на контроллер памяти, который следит за ошибками.

Короче: как работает флешка

• Есть «ловушки» электрического заряда. В них хранятся биты данных.
• «Ловушки» аккуратно укладываются на плоскости, очень плотно.
• Потом эти плоскости укладываются в несколько этажей.
• Потом эти «многоэтажки» ещё раз укладываются друг на друга.
• Всё это хозяйство подключается к управляющему чипу.
• Получается флешка.

Если оставить флешку без внимания на 5—7 лет, часть её данных потеряется. За 20—30 лет из-за квантовых эффектов флешка в принципе придёт в негодность. Поэтому наслаждайтесь жизнью сегодня 🙂

Виды и типы карт памяти и флэш-накопителей

Замечание 1

CF (Compact Flash) – старейший стандарт типов памяти. Обладает высокой надежность, достаточно большой объем ($128$ Гб и больше) и высокую скорость передачи данных ($120$ Мб/с). Из-за больших размеров применяется в профессиональном видео- и фотооборудовании.

MMC (Multimedia Card) обладает небольшим размером, высокой совместимостью с различными устройствами и содержит контроллер памяти. SD Card (Secure Digital Card) – результат развития стандарта MMC. Карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи. Максимальная емкость до $4$ Гб. SDHC (SD High Capacity) имеет максимальную емкость $32$ Гб.

Существуют также карты miniSD и microSD.

Замечание 2

Основными производителями NAND-флэш-памяти являются фирмы Micron/Intel, SK Hynix, Toshiba/SanDisk, Samsung. Основные производители контроллеров флэш-памяти NAND – Marvell, LSI-SandForce и производители памяти NAND.

ФЛЭШ-ПАМЯТЬ: ФИЗИКА, ПРИМЕНЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Кандидат физико-математических наук А. ПЕРОВ, доцент кафедры теоретической физики Нижегородского государственного университета им. Н. И. ЛОБАЧЕВСКОГО.

Наука и жизнь // Иллюстрации

При чтении, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного потенциала на управляющем затворе, в подложке между истоком и стоком образуется проводящий канал и возникает ток (логическая единица).

Заряд на «плавающем» затворе меняет вольт-амперную характеристику транзистора так, что при обычном для чтения напряжении проводящий канал не появляется и тока между истоком и стоком не возникает (логический ноль).

При программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (на управляющий затвор приблизительно в два раза больше).

При стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны туннелируют на исток.

За последние три-четыре года флэш-память стала одним из самых популярных в общем ряду устройств хранения данных. Доминирование флэш-памяти на рынке связано с тем, что она находит широкое применение в относительно недорогих устройствах массового потребления: цифровых фото- и видеокамерах, компьютерах, мобильных телефонах, коммуникаторах, плеерах и т. д. Флэш-память — это электрически перепрограммируемое запоминающее устройство, которое, подобно магнитным носителям, сохраняет информацию при отключённом питании.

ЧТО ПРОИСХОДИТ В ЯЧЕЙКЕ ФЛЭШ-ПАМЯТИ

Первые серийные образцы флэш-накопителей работали довольно медленно, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет смотреть хранящийся в миниатюрной микросхеме полноформатный фильм или запускать операционную систему Windows XP. Некоторые крупные производители уже продемонстрировали компьютеры, в которых вместо жёсткого диска стоят чипы флэш-памяти, а чересчур оптимистичные наблюдатели и вовсе торопятся полностью похоронить винчестеры, как совсем недавно — флоппи-диски.

Однако у флэш-памяти есть один очень неприятный недостаток, препятствующий тому, чтобы этот тип носителя заменил все существующие оптические и магнитные накопители, и связан он с надёжностью и долговечностью. Дело в том, что флэш-память имеет конечное число циклов стирания и записи. По оценкам самих производителей, современная флэш-память способна выдержать в среднем порядка 100 тыс. циклов стирания-записи. С этим уже столкнулись владельцы цифровых фотоаппаратов и флэш-драйверов, интенсивно их эксплуатирующие. Физическая природа подобного ограничения изначально заложена в конструкции прибора.

Каждая ячейка флэш-памяти содержит один или два транзистора. В простейшем случае ячейка хранит один бит информации и собрана на полевом транзисторе с электрически изолированной областью («плавающим» затвором), способной хранить заряд многие годы. Присутствие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. «Плавающий» затвор хранит запрограммированное значение. Заряд на «плавающий» затвор в такой ячейке помещается методом инжекции «горячих» электронов, а снимается методом квантовомеханического туннелирования. В приборах с «плавающим» затвором запоминающей средой служит поликремний, изолированный от канала и затвора транзистора диэлектриком.

Туннелирование, по своей природе чисто квантовомеханический эффект, заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «высоты». Представим себе твёрдотельную структуру типа проводящая среда — изолятор — проводящая среда. Преодолеть потенциальный

барьер слоя диэлектрика, чтобы перейти из одного металлического контакта в другой, обычным способом (без внешних воздействий со стороны силовых полей) электрон не может — ему не хватает энергии. Но когда к металлическим контактам приложено достаточное напряжение, электрон, используя свою волновую природу, «просачивается» сквозь слой диэлектрика (туннелирует) и тем самым создаёт электрический ток.

БУДУЩЕЕ ФЛЭШ-ТЕХНОЛОГИЙ

Одно из направлений совершенствования флэш-накопителей — уменьшение их энергопотребле-ния и геометрических размеров с одновременным увеличением объёма памяти и быстродействия. Следует отметить, что совсем недавно свой полувековой юбилей отметил один из важнейших элементов любого персонального компьютера — жёсткий диск. Созданное пятьдесят лет назад устройство изменилось до неузнаваемости, в сотни раз уменьшилось в размерах и в тысячи раз увеличило ёмкость, проникло в совершенно неожиданные сферы, сохранив при этом основные принципы работы. Современное состояние рынка магнитных накопителей можно назвать тера-байтной эрой. Уже сейчас никого не удивишь ёмкостью жёстких дисков в сотни гигабайт. Первые терабайтные носители также со дня на день появятся в пользовательских компьютерах. И хотя в XXI веке активно развиваются другие технологии хранения данных, жёсткий диск не спешит сдавать свои позиции.

Безусловно, флэш — перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объёмов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, ещё слишком дороги, чтобы конкурировать с жёсткими дисками для настольных систем или ноутбуков. Сегодня сфера господства флэш-памяти в основном ограничивается мобильными устройствами.

В настоящее время американские исследователи разработали принципиально новую память, которая в теории позволит создавать крошечные накопители, вмещающие до терабайта данных. В отличие от флэш-памяти, где данные хранятся в виде заряда, в них используются металлизированные ячейки с функцией программирования, состоящие из разрозненных атомов меди. Под воздействием отрицательного заряда эти атомы выстраиваются в линию и формируют между двумя электродами «мост», проводящую нанопроволоку — получается логическая единица. Атомы в разгруппированном состоянии дают логический ноль. По утверждению авторов изобретения, процесс во многом похож на кристаллизацию воды и тоже полностью обратим — положительный заряд возвращает атомы в первоначальное положение, «мост» между электродами разрушается.

С новым устройством все ограничения на память в портативной электронике могут быть сняты. Можно записывать на видео и сохранять каждый момент всей своей жизни. Эта атомная память в тысячу раз экономичней флэш-памяти в плане потребления электрической энергии и в десять раз дешевле в пересчёте на один бит данных в основном благодаря тому, что для её изготовления нужны недорогие материалы. Крупнейшие производители уже проявили интерес к разработке, и первый чип на базе металлизированных ячеек планируется выпустить в течение следующих полутора лет.

Разработан также и прототип одного из ключевых элементов компьютерной памяти — нанопровод из полупроводникового материала GeSbTe, обратимо меняющего фазовое состояние с переходом из аморфной структуры в кристаллическую. Нанопровод был изготовлен в процессе кристаллизации исходных реагентов при низких температурах в присутствии металлических катализаторов размером в нанометры. В итоге на поверхности кремниевого субстрата самопроизвольно образовался линейный фрагмент полупроводникового материала длиной в несколько микрон и диаметром 30—50 нанометров, что примерно соответствует размеру ста атомов. В ходе изучения свойств полученного наноматериала оказалось, что он обладает уникальными качествами для записи и хранения информации. У него низкое потребление энергии на запись одного бита информации, а время считывания, записи и удаления информации составляет всего 50 нс, что в 1000 раз меньше, чем у современных образцов флэш-накопителей. Продолжительность хранения данных без потребления энергии может достигать 100 тыс. лет, а плотность хранения данных позволит вместить в габариты стандартных флэш-карт или других модулей памяти терабайты данных. Концепция компьютерной памяти на фазовых переходах известна давно, но лишь сейчас впервые удалось продемонстрировать её на реальных прототипах в наномасштабе.

Gritsenko V. A., Nasyrov K. A., Novikov Yu. N. Aseev A. L.. High-Permittivity-Insulator EEPROM Cell Using Al2O3 and ZrO2 // Russian Mic-roelectronics, 2003, 32, № 2, p. 90

Gritsenko V. A., Nasyrov K. A., Novikov Yu. N., Aseev A. L., Yoon S. Y., Lee J.-W., Lee E.-H., Kim C. W. A new low voltage fast SONOS memory with high-k dielectric//Solid-State Electronics, 2003, 47, № 10, p. 1651.

Лекция 8. Флеш-память.

Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти (ПППЗУ).

Она может быть прочитана сколько угодно раз (в пределах срока хранения данных, типично — 10-100 лет), но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов [1] ). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW.

Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах — фото- и видеокамерах, диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, принтерах, сканерах, модемax), различных контроллерах.

Также в последнее время широкое распространение получили USB флеш-накопители («флешка», USB-драйв, USB-диск), практически вытеснившие дискеты и CD.

На конец 2008 года основным недостатком, не позволяющим устройствам на базе флеш-памяти вытеснить с рынка жёсткие диски, является высокое соотношение цена/объём, превышающее этот параметр у жестких дисков в 2—3 раза. В связи с этим и объёмы флеш-накопителей не так велики. Хотя работы в этих направлениях ведутся. Удешевляется технологический процесс, усиливается конкуренция. Многие фирмы уже заявили о выпуске SSD-накопителей объёмом 256 Гб и более. Например в ноябре 2009 года компания OCZ предложила SSD-накопитель ёмкостью 1 ТБ и 1,5 млн циклов перезаписи.

Современные SSD-накопители базируются на многоканальных контроллерах, обеспечивающих параллельное чтение сразу из нескольких микросхем флеш памяти. За счет этого их производительность выросла на столько, что ограничивающим фактором стала уже пропускная способность интерфейса SerialATA II.

История флеш-памяти

Флеш-память была изобретена инженером 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. Intel увидела большой потенциал в изобретении и в 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference. У него была больше скорость записи и меньше площадь чипа.

На конец 2008 года, лидерами по производству флеш-памяти являются Samsung (31% рынка) и Toshiba (19% рынка, включая совместные заводы с Sandisk). (Данные согласно iSupply на Q4’2008).

Стандартизацией чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0 [3] , выпущенная 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND-чипов: Intel, Hynix и Micron Technology. [4]

USB-накопитель на флеш-памяти