Как устроена и работает флеш-память. Что такое флеш память

Во-первых, речь идет о сотнях тысяч циклов регистрации и удаления данных. Например, существует слишком много USB-накопителей и карт памяти, используемых в цифровых камерах.

Flash-память: что такое, описание, характеристика, как работает

Флэш-память — это быстро развивающаяся технология хранения цифровых данных. Они быстрее, надежнее и энергоэффективнее магнитных дисков, но их недостатки (стоимость, объем) замедляют внедрение. В этом материале мы рассмотрим, как работает флэш-память и что она собой представляет. Ознакомьтесь с его типом.

Флэш-память или флэш-память — это тип перепрограммируемого полупроводникового запоминающего устройства. Во флэш-памяти не используются механические элементы (вращающиеся шпиндели с дисками в подшипниках), применяемые в магнитной и визуальной памяти.

Ее также называют памятью на основе микросхем для цифровых данных.

Как работает флеш-память

Принцип функционирования микросхемы основан на плавающих затворах. Он расположен между P-слоем и управляющим затвором и изолирован диэлектрическим слоем. Это позволяет транзистору поддерживать заряд в течение длительного периода времени.

Блок или ячейка флэш-памяти представляет собой транзистор. Он представлен парой полупроводников NE с массой свободных носителей груза. До этого момента существуют полупроводники p-типа с дефицитом электронов. Он переносит электроны по SO-вызванным дыркам, которых не хватает для них, но не ток — разница в типе лечения, электроны и дырки не бегут для них.

Поверх полупроводника p располагается управляющий или дополнительный затвор — электрод. При подаче напряжения дырка отталкивается, а электроны притягиваются — образуется p — n контакт, и ток течет в транзистор.

Чтение и запись

Чтобы считать содержимое ячейки (состояние транзистора), на управляющий затвор подается напряжение, определяющее, содержит ли ячейка логический ноль или единицу. При нехватке электронов ток в дополнительном затворе равен нулю. Если их избыток — ток не идет — ячейка записывается в единицу.

Регистрация сложнее, поскольку диэлектрик препятствует прохождению электронов к плавающим затворам. Чтобы надавить на них, подается высокое положительное напряжение, которое проходит через слой непроводящего материала — потенциальный барьер. Чтобы снять информацию, на плавающий затвор транзистора подается отрицательное напряжение с низким потенциалом. В результате электроны покидают дополнительный затвор.

Определяя наличие или отсутствие нагрузки на плавающий затвор, контроллер «знает» содержимое ячейки памяти.

Типы флэш-памяти

Ячейки памяти в чипе могут хранить от одного до четырех и более битов информации.

Вместимость ячейки

Маленькие ячейки памяти работают с двумя нагрузками на плавающий затвор: нулевой и единичной нагрузкой. Они известны как уровневые запоминающие устройства — SLC. Они характеризуются коротким временем регистрации и достаточным количеством циклов перерегистрации более 100 000 повторений. Недостатком является их низкая производительность.

С развитием SLC появилась технология MLC. Это многоуровневые ячейки памяти. Обычно имеется четыре уровня заряда — два информационных бита. Технология позволила удвоить плотность записи за счет циклов перерегистрации — до 10 раз больше и более длительного времени доступа.

В последние годы были разработаны более совершенные типы памяти.

• TLC – благодаря высокой чувствительности и тончайшему управлению ячейка хранит 3 бита.
• QLC – память хранит 4 бита в ячейке. Начала массово появляться на рынке.С ростом плотности снижается ресурс элемента памяти, растёт требование к её чувствительности.

Технология

Для управления ячейкой управляющий затвор соединяется со строкой SO -CALLED Word Line на битовой линии со стоком транзистора.

Введена в 1980 году. Двумерная таблица с дренажными проводниками, подключенными к битовым линиям, и транзисторными затворами, подключенными к линиям слов. Это гарантирует быстрый доступ к содержимому любой ячейки. Он используется для хранения микроконтроллера и BIOS в собранной системе.

Имя no -or — логическое no or.

Когда значение транзистора считывается, на его управляющий затвор подается напряжение, необходимое для обработки. Небольшая тенденция распространяется на остальную часть памяти. Для записи сначала на управляющий затвор подается сильный потенциал. Затем ячейка сбрасывается путем подачи положительного напряжения на улей и отрицательного напряжения на остальную часть ячейки.

В 1987 году была разработана более сложная трехмерная структура, в которой столбчатые и линейные разрезы образуют не ячейку, а их последовательность на третьем уровне. Надрезы образуют ряд контуров ворот. Последовательное соединение транзисторов увеличивает плотность ряда битовых линий, но отрицательно сказывается на сложности и скорости доступа к памяти.

Для считывания информации на линии подается напряжение, в то время как на других линиях напряжение разомкнуто. Разность потенциалов между линиями зависит от содержимого целевой смолы

В 2007 году была создана технология 3D NAND — технология многослойных транзисторов, позволяющая записывать данные с более высокой плотностью.

Исполнение

• Твердотельные диски (SSD) – замена винчестерам. Высокоскоростные накопители без механических частей. Отличаются высокой надёжностью – менее подвержены потерям информации при падении, работе в негоризонтальном положении, воздействии сильных электромагнитных полей. К компьютеру подключаются через SATA-интерфейс или разъём М.2.

• Флешки или USB-флэш-диски – портативные запоминающие устройства с USB-интерфейсом. Такие флеш-накопители применяются для переноса информации, резервного копирования, формирования загрузочных носителей.

Флэш-память или флэш-память — это тип перепрограммируемого полупроводникового запоминающего устройства. Во флэш-памяти не используются механические элементы (вращающиеся шпиндели с дисками в подшипниках), применяемые в магнитной и визуальной памяти.

Как компьютеры хранят информацию

Каждое устройство, внутри которого находится процессор, обрабатывает информацию в цифровой форме. Компьютер преобразует слова и числа в бесконечный ряд нулей и единиц — двоичный код. Например, буква «a» записывается как 01000001, а вопросительный знак — как 00111111111111111. Это относится ко всем буквам, цифрам и символам. Как различные устройства «понимают» все эти коды? Проще говоря, благодаря установленному международному стандарту ASCII.

Как же хранится информация на чипе памяти? Представьте себе несколько иной пример. Один человек стоит рядом с другим и использует восемь флажков для передачи информации другому. Оба человека знают код ASCII, но один поднятый флаг означает единицу, один опущенный флаг означает ноль.

В результате файл сохраняется в памяти компьютера, но на флэш-чипе (или магнитном диске) находятся миллиарды и миллиарды «флагов». На самом деле, это крошечные переключатели, называемые транзисторами, каждый из которых может быть «открыт» или «закрыт».

Таким образом, при наличии восьми транзисторов устройство может «запоминать» цифры или буквы. Каждый ноль или каждый — это немного, а каждый набор из восьми транзисторов — это байт. Стандартный SSD-диск емкостью 500 гигабайт может сохранить около 500 миллиардов символов.

Что такое флеш-память

Типичный транзистор — это простой электронный переключатель в состоянии поражения электрическим током. Это одновременно и преимущество, и недостаток. Преимуществом является то, что данные этих транзисторов можно относительно легко изменить. Недостатком является то, что при прерывании тока обычные транзисторы приобретают свое первоначальное состояние, и вся хранящаяся в них информация теряется.

Компьютерная память, функционирующая таким образом, называется памятью с произвольным доступом (RAM). Другой тип памяти — память только для чтения (ПЗУ), которая не страдает от этой проблемы.

Флэш-память разработана таким образом, что чип может хранить необходимую информацию практически бесконечно долго, даже при отключении питания.

Как работает флеш-память

Насколько эффективно хранение данных при отключении питания? Для этой цели используется другой тип транзистора, называемый транзистором с плавающим затвором.

Простейшие транзисторы имеют три соединения: затвор, исток и сток. Представьте себе водопроводную трубу, по которой вода не течет, но течет электричество. Точка, где ток входит в эту «трубу», называется источником, а точка, где ток выходит, называется стоком. Ворота расположены в центре. Когда транзистор открыт, ток через него течет свободно (это единица), когда закрыт — нет (это ноль). При отключении питания такие транзисторы также отключаются, а при включении восстанавливаются в исходное состояние.

Транзистор с плавающим затвором имеет второй дополнительный затвор. Когда он «открывается», между двумя воротами попадает очень слабый заряд. Вот как она производится. Этот заряд остается активным, даже когда устройство отключено от сети. Его можно обнулить, активировав второй затвор — путь заряда.

Flash plus tape, также называемая Flape, представляет собой тип многоуровневого хранилища, в котором первичные данные во флэш-памяти одновременно записываются на линейную ленточную систему.

Принцип работы

Элементарные ячейки хранения данных — это транзисторы с плавающим затвором (зарядом), которые могут удерживать электроны и являются элементарными ячейками хранения данных флэш-памяти. Основные типы флэш-памяти NAND и NOR основаны на транзисторах. Принцип основан на изменении заряда в изолированной области («кармане») полупроводниковой структуры для записи

Готовые работы на аналогичную тему

Рисунок 1: Архитектура памяти NOR

Рисунок 2: Архитектура памяти NAND

Производители флэш-памяти используют тип ячейки памяти $3500.

• MLC (Multi-Level Cell – многоуровневые ячейки памяти) – более емкие ячейки и более дешевые, но характеризуются большим временем доступа и небольшим числом циклов записи/стирания (около $10 \ 000$);
• SLC (Single-Level Cell – одноуровневые ячейки памяти) – ячейки с меньшим временем доступа и максимальным числом циклов записи/стирания ($100 \ 000$).

Рисунок 3: Основные элементы флэш-накопителя USB: $ 400 — USB-разъем, $ 3500 — контроллер, $ 3 — печатная плата, $ 4 — модуль памяти NAND, $ 5 — кристаллический генератор, $ 6 — светодиодный индикатор, $ 7 — переключатель защиты от записи, $ 8 — для дополнительных микросхем памяти Пространство.

Применение

Существует два основных применения флэш-памяти.

• в качестве мобильного носителя информации;
• в качестве хранилища программного обеспечения цифровых устройств.

Часто оба метода сочетаются в одном устройстве.

Использование памяти NOR, которая имеет относительно небольшой размер, призвано обеспечить быстрый доступ к случайным адресам и гарантировать отсутствие «мертвых зон» (стандартные микросхемы ПЗУ для работы микропроцессора, микросхемы начальной загрузки (POST и BIOS), средние микросхемы хранения данных, такие как DataFlash). Обычные размеры варьируются от 100 КБ до 256 МБ. Память NAND используется в мобильных устройствах и носителях информации, требующих больших объемов хранения данных. В основном это все типы USB-накопителей и карт памяти, а также мобильные устройства (телефоны, камеры, плееры). Память NAND интегрирована в мобильные телефоны и бытовую электронику, такую как телевизоры, сетевые маршрутизаторы, точки доступа, игровые приставки, фоторамки и навигационные устройства.

Рисунок 4: Различные типы флэш-карт

Виды и типы карт памяти и флэш-накопителей

CF (Compact Flash) — самый старый стандарт типа памяти. Они очень надежны, имеют относительно большую емкость (>128 ГБ) и высокую скорость передачи данных (120 МБ/с). Благодаря своим большим размерам они используются в профессиональном видео- и фотооборудовании.

Карты MMC (мультимедийные карты) имеют небольшой размер, очень совместимы с широким спектром устройств и содержат контроллер памяти. Карты SD (Secure Digital Cards) являются развитием стандарта MMC. Карты имеют криптографическую защиту от несанкционированного копирования, улучшенную защиту от случайного удаления или уничтожения и механический переключатель защиты от записи. Максимальная емкость составляет до 4 Гб. Максимальная емкость SDHC (SD High Capacity) составляет 32 ГБ.

Также доступны карты MiniSD и microSD.

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

Флэш-память — это самая дешевая форма полупроводниковой памяти. В отличие от динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) и статической памяти с произвольным доступом (SRAM), флэш-память:…

Характеристики

Скорость некоторых устройств флэш-памяти может достигать 100 МБ/с4. Карты флэш-памяти обычно имеют широкий диапазон скоростей и обычно рассчитаны на стандартную скорость CD-драйвера (150 кбит/с). Установленная скорость 100x, таким образом, означает 100 x 150 КБ/с = 15 000 КБ/с = 14,65 МБ/с.

В основном размеры микросхем флэш-памяти варьируются от килобайт до нескольких гигабайт.

В 2005 году компания SanDisk представила чип NAND 1GB 5, основанный на технологии многоуровневых ячеек. В этом чипе один транзистор может хранить несколько битов, используя различные уровни заряда на плавающем затворе.

В сентябре 2006 года компания Samsung представила 8-гигабайтный чип на основе техпроцесса 40 нм6. В конце 2007 года компания Samsung представила первый в мире чип флэш-памяти NAND с многоуровневыми ячейками (MLC), выполненный по техпроцессу 30 нм. Объем памяти чипа также составляет 8 ГБ. Ожидается, что чип памяти поступит в массовое производство в 2009 году.

Во многих случаях в устройствах используются многочиповые массивы для увеличения емкости. До 2007 года USB-устройства и карты памяти могли иметь емкость от 512 МБ до 64 ГБ. Максимальная емкость USB-устройств составляла 4 ТБ.

Файловые системы

Основным недостатком флэш-памяти является количество циклов перезаписи. Это усугубляется тем, что операционная система часто записывает данные в одно и то же место. Например, таблицы файловой системы часто обновляются, поэтому емкость первого сегмента памяти исчерпывается гораздо быстрее. Балансировка нагрузки может значительно продлить срок службы памяти.

Для решения этой проблемы были созданы специальные файловые системы — JFFS27 и YAFFS8 для GNU/Linux и MicrosoftWindows.

Применение

Флэш-память наиболее известна благодаря использованию в USB-накопителях. В основном это флэш-память типа NAND, которая подключается через USB к интерфейсу USB Mass Storage Interface (USB MSC). Все современные операционные системы поддерживают этот интерфейс.

Благодаря высокой скорости, емкости и компактному размеру флэш-накопители USB полностью заменили на рынке дискеты. Например, одна компания прекратила выпуск компьютеров с гибкими дисками9 в 2003 году.

В настоящее время доступны разнообразные флэш-накопители USB различных форм и цветов. На рынке существуют флэш-накопители с автоматическим шифрованием записанных данных. Японская компания SolidAlliance производит флэш-накопители в виде продуктов питания10.

Существуют специальные дистрибутивы GNU/Linux и версии программного обеспечения, которые можно запускать непосредственно с USB-накопителя, например, для использования приложений в интернет-кафе.

Технология Windows Vista позволяет повысить производительность при использовании флэш-накопителей USB или специальных флэш-накопителей, встроенных в компьютер.11 Флэш-память активно используется в портативных устройствах (фотоаппараты, мобильные телефоны) Он также является основой для карт памяти, таких как SecureDigital (SD) и MemoryStick. Помимо USB-накопителей, значительная доля рынка портативных накопителей данных приходится на флэш-память.

NOR в основном используется в BIOS и ПЗУ таких устройств, как DSL-модемы и маршрутизаторы. При использовании флэш-памяти прошивку можно легко обновить, а скорость записи и емкость менее важны.

В настоящее время активно рассматривается вопрос о замене жестких дисков на флэш-память. Это сокращает время загрузки и увеличивает срок службы компьютера при дефиците движущихся частей. Например, XO-1, «ноутбук за 100 долларов», активно разрабатываемый для третьего мира, использует 1 ГБ флэш-памяти вместо жесткого диска.12 Распространение ограничено высокой ценой за ГБ и ограниченным количеством циклов записи, что сокращает срок службы жесткого диска. Это ограничено из-за

Поскольку доступ к слоям транзистора может осуществляться одновременно, большая часть необходимых данных может быть получена одновременно. Для этого в этом многослойном пироге создаются туннели. Эти кабели соединяют различные части памяти с верхним и нижним кабелями соответственно.

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 флэш-накопитель остается без присмотра в течение пяти-семи лет, часть данных теряется. Через 20-30 лет флэш-накопитель будет практически бесполезен из-за квантовых явлений. Так что наслаждайтесь своей жизнью сегодня 🙂 .