Твердотільні носії інформації - flash-карти - студопедія
Під впливом керуючого затвора створюється канал для руху носіїв заряду від джерела до стоку. Деякі електрони потрапляють на плаваючий затвор, в результаті формується прихований заряд, який може зберігатися там протягом декількох років. Малий заряд на затворі приймається за логічну одиницю, великий - за нуль. При стирання на керуючий затвор подається висока негативна напруга. Тоді електрони з плаваючого затвора "стікають" на стік (туннелируют).
Мал. 1.19. Пристрій осередки флеш-пам'яті
Флеш-пам'ять може бути реалізована на електронних логічних елементах двох типів NOR (Not OR - заперечення "або") і NAND (Not AND - заперечення "і") рис. 1.20.
Мал. 1.20. Електронна організація пам'яті NOR (зліва) і NAND (праворуч)
У чіпах пам'яті на основі логіки NOR кожна комірка (польовий транзистор) підключена до трьох незалежних каналів: лінії біт, лінії слів і джерела заряду. Запис здійснюється при впливі сигналу на керуючий затвор, між джерелом і стоком виникає електричний струм, на плаваючий затвор впорскується (відбувається інжекція) швидких ( "гарячих") електронів. Вони мають енергію, достатню для подолання потенційного бар'єру, що створюється перед плаваючим затвором. Для вибірки даних напруга подається на лінію слів, підключену до затвору. При великому заряді в плаваючому затворі для руху електронів між джерелом і стоком створюється перешкода, а різниця потенціалів між ними залишається значною - зчитується логічний нуль. В протилежному випадку зчитується логічна одиниця. Така схема забезпечує високі швидкості перезапису і короткий час доступу, проте має великий розмір осередків (до кожної з них потрібен окремий ізольований провід), і в ній складно збільшувати щільність запису.
В осередках NAND запис проводиться методом тунелювання електронів. Мікросхеми NAND більш надійні, мають більш високу ємність, менші розміри блоків і осередків, а отже, і меншу вартість. Польові транзистори підключаються до ліній біт послідовно, групами. Якщо вони включені (відкриті), то відповідні провідники заземляются, різниця потенціалів між ними і лініями слів зникає. Оскільки падіння напруги відбувається відразу на багатьох транзисторах, зчитування інформації ускладнюється, однак через звернення одночасно до цілої групи осередків швидкість читання зростає. Практично звернення до осередків відбувається послідовно, а для компенсації виникаючих при цьому тимчасових затримок використовується внутрішня кеш-пам'ять. При записи в архітектурі NAND використовується тунельна інжекція електронів, а при стирання їх тунельний вивільнення. Це дозволяє зменшити енергоспоживання.
Ємність мікросхем NOR - від 64 Кбіт до 8 Мбіт, мікросхем NAND - від 500 Кбіт до 8 Мбіт. Логічні елементи в них об'єднуються в блоки по 128 Кбіт в NOR і по 8 Кбіт (з попереднім угрупованням в "сторінки" по 256 або 512 байт) в NAND.
У новій флеш-пам'яті NOR StrataFlash, розробленої Intel, використовуються багато рівневі комірки, кожна з яких може зберігати по 2 або 4 біт. Для цього заряд умовно ділиться на кілька рівнів, кожному з яких відповідає певна комбінація логічних нулів і одиниць.
Компанія AMD для чіпів архітектури NAND розробила технологію MicroBit, що збільшує вдвічі ємність осередків. Вона передбачає фізичне поділ зберігає заряд плаваючого затвора на два незалежних елемента.
Інформація на флеш-мікросхемах може зберігатися від 20 до 100 років, дані з них можна скільки завгодно раз вважати і обмежене число (від 10 тис. До 1 млн.) Раз перезаписати. Це пов'язано з тим, що стирання даних при перезапису призводить до зносу мікросхеми. З плином часу деякі блоки перестають піддаватися очищенню та запису даних. При наближенні до граничної межі осередку демонструють дедалі більше число відмов і помилок. Для продовження життя флеш-пам'яті використовує технологію контролю її зносом (Wear Levelling Control). Вона рівномірно розподіляє цикли запису і стирання по різних блоках. Наявність блоків даних, що зберігають фрагменти файлів, які довго не змінюються, призводить до посиленого зносу решти пам'яті. Вихід з ладу одного блоку не позначається на роботі інших. Процес видалення записаних, але більш невикористовуваних (недійсних) блоків пам'яті називається "збіркою сміття" (Garbage Collection). Перед "складанням сміття" виконується пошук відповідних фрагментів пам'яті, облік кількості недійсних блоків читання / запису, число попередніх циклів стирання і виявлення областей, в яких інформація оновлюється частіше, ніж в інших. Надійність зберігання даних контролюється безпосередньо під час запису: вбудований механізм порівнює збережену інформацію з вихідної за допомогою компаратора. Багато видів флеш-накопичувачів для виправлення помилок використовують коригуючі коди. Використовується також резервування даних: створюються кілька копій таблиць, що зберігають інформацію про фізичне розташування дійсних, недійсних і дефектних блоках. Це дозволяє відновити дані при втраті їх в одній з таблиць.
Для перенесення на твердотільних картах пам'яті інформації з портативних пристроїв на комп'ютер останній повинен бути оснащений пристроєм читання карт - карт-рідером. Приклад - карт-рідер SanDisk ImageMate 12-in-1 (рис. 1.21, www.sandisk.ru), здатний працювати з картами 12 різних форматів і підключається до комп'ютера за допомогою інтерфейсу USB 2.0 Hi-Speed.
Мал. 1.21. Карт-рідер SanDisk ImageMate 12-in-1
Розробки в області нарощування обсягів пам'яті в поєднанні зі скороченням розмірів носіїв і енергоспоживанням ведуться безперервно і відкривають ряд перспективних напрямків розвитку твердотільної пам'яті:
· Застосування кремнієвих нанокристалів (сфер діаметром близько 5 нм), що розміщуються між двома оксидними шарами дозволяє зменшити розміри осередку, спростити виробництво, збільшити швидкість запису. Запис проводиться за рахунок здатності кристалів зберігати заряд. Туннелирование зарядів в нанокристали відбувається значно швидше, ніж в стандартних осередках флеш-пам'яті.
· Ферроелектріческая пам'ять (FeRAM - Ferroelectric Random Access Memory) заснована на властивості ферроелектріков (званих також сегнетоелектриками), в звичайному стані, що складаються з доменів з різними напрямками поляризації. Під впливом електричного поля напрям поляризації доменів змінюється (порівняйте з рис. 1.9, 1.10), напрямку поляризації стають однаковими, а весь кристал - однодоменних. Після виключення поля цей стан зберігається протягом тривалого часу, що дозволяє зберігати двійкові символи ( "0" і "1").
· Магніторезистивну пам'ять MRAM (Magneto-resistive RAM) заснована на зміні електричного опору провідника під дією магнітного поля. Осередок MRAM складається з двох шарів феромагнетика, розділених шаром магниторезистивного матеріалу, опір якого визначається орієнтацією магнітних доменів феромагнітних шарів. При однаковому напрямку намагніченості електричний опір осередки мало (логічна одиниця). При протилежному напрямку між шарами є сильне магнітне поле (як між полюсами подковообразного магніту). Діюча на електрони сила Лоренца змушує їх рухатися по колах і не пропускає через осередок, в результаті опір комірки зростає (логічний нуль). Швидкість запису в такій комірці вище, ніж для флеш-пам'яті, запис і стирання можуть здійснюватися необмежену кількість разів.
· Пам'ять на аморфних напівпровідниках OUM (Ovonic Unifed Memory) заснована на властивості халькогенідних плівок і стекол переходити під дією електричного струму з аморфного (невпорядкованого, некристаллического) стану в кристалічний. Істотна різниця електричного опору в аморфному і кристалічному станах дозволяє записувати логічні одиниці і нулі. Така технологія дає більше число циклів перезапису (10 10), велику, ніж у флеш-пам'яті, швидкість доступу, підвищену ємність і низьку собівартість. Подібні технології CRAM (Chalcogenide RAM) PRAM (Phase Change Memory) передбачають перехід з аморфного стану в кристалічний під дією електричного поля.