Флэш-накопители

Курсовая  работа по дисциплине «Информационные  технологии» 

на тему:

РАЗВИТИЕ  ТЕХНОЛОГИИ ФЛЭШ-НАКОПИТЕЛЕЙ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург

2009

     Содержание 

Введение

     Технология  флэш-памяти появилась около 20-ти лет  назад. В конце 80-х годов прошлого столетия флэш-память начали использовать в качестве альтернативы EPROM (электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ).

     Рынок флэш-памяти – самый быстрорастущий сегмент полупроводникового рынка. Ежегодно он растет более чем на 15 %, что превышает суммарный рост всей остальной полупроводниковой индустрии. Количество компаний, выпускающих этот тип памяти, стремительно увеличивается, а цена на неё так же быстро падает. В 2000 году объёмы производства флэш-памяти превысили объёмы производства SRAM. В 2002 году общемировой объем продаж флэш-памяти составил 7,7 млрд. долларов.

     Сегодня флэш-память применяется в самых разных цифровых устройствах.

     Занимая в начале своего пути лишь небольшую рыночную нишу, сейчас флэш – одна из основных технологий полупроводниковой памяти, и можно с уверенностью сказать, что ее путь развития еще не закончен. 

     1 История развития  флэш-памяти

     Флэш-память была изобретена Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в компании Toshiba в 1984 году. Имя «флэш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Сёдзи Ариизуми (Shoji Ariizumi), потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку на конференции в IEEE (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния. Intel увидела большой потенциал в изобретении и в 1988 году выпустила первый коммерческий флэш-чип NOR-типа.

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

     Стандартизацией чипов флэш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0, выпущенная в 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается крупнейшими производителями NAND чипов: Intel, Micron Technology и Sony.

     Флэш-память (Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Она может быть прочитана сколько угодно раз, но записывать данные в такую память можно лишь ограниченное число раз. Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

     Благодаря своей компактности, дешевизне и  низкой потребности в электроэнергии флэш-память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах: цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных периферийных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, коммуникаторах, принтерах, сканерах).

     2 Организация флэш-памяти

     Ячейки  флэш-памяти бывают как на одном, так  и на двух транзисторах.

     В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью («плавающим» затвором — floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации (рисунок 1).

Рисунок 1 – Ячейка флэш-памяти

     При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки):

• методом инжекции «горячих» электронов — подвижные носители заряда в твердом проводнике, становятся «горячими» при протекании электрического тока через проводник под действием достаточно сильного электрического поля;
• методом туннелирования электронов — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике.

     Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с «плавающего» затвора — плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, то есть он электрически не связан с другими электродами и его потенциал «плавает».) производится всегда единственным способом — методом тунеллирования.

     Как правило, наличие заряда на транзисторе  понимается как логический ноль «0», а его отсутствие — как логическая единица «1».

     2.1 Общий принцип работы ячейки флэш-памяти

     Рассмотрим  простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NOR архитектурой, а также в микросхемах EPROM.

     Поведение транзистора зависит от количества электронов на «плавающем» затворе. «Плавающий» затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит записанное в ячейку значение.

     Помещение заряда на «плавающий» затвор в такой ячейке производится методом инжекции «горячих» электронов (CHE — channel hot electrons), а снятие заряда осуществляется методом квантомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim).

     Эффект  туннелирования — один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «толщины». Для наглядности можно представить себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой за счёт только своей энергии электрон не может — её на это не хватает. Но при создании определённых внешних условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток (рисунок 2).

     При считывании данных, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток (рисунок 2).

     Рисунок 2 — Считывание данных, в отсутствие заряда

       на «плавающем» затворе

     Наличие заряда на «плавающем» затворе меняет вольтамперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает (рисунок 3).

Рисунок 3 — Считывание данных при наличие

заряда  на «плавающем» затворе

     При записи данных в ячейку на сток и  управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). «Горячие» электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольтамперные характеристики транзистора (рисунок 4).

     Рисунок 4 — Запись данных в ячейку флэш-памяти

     При стирании данных в ячейке высокое  напряжение подаётся на исток. На управляющий  затвор (опционально) подаётся высокое  отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток (рисунок 5).

     Рисунок 5 — Стирание данных из ячейки флэш-памяти

     2.2 Методы формирования заряда в ячейке флэш-памяти

• FN tunneling — не требует большого напряжения. Размер ячейки, использующие FN, могут быть меньше ячеек, использующих CHE.
• CHEI — требует более высокого напряжения, по сравнению с FN.

     Таким образом, для разных режимов работы памяти используются напряжения разных значений, то есть требуется поддержка двойного питания. Программирование методом CHE осуществляется быстрее, чем методом FN.

     Следует заметить, что, кроме FN и CHE, существуют другие методы программирования и стирания ячейки, которые успешно используются на практике, однако два описанных применяются чаще всего.

     Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку флэш-памяти, поэтому в новейших микросхемах некоторых производителей применяются специальные алгоритмы, оптимизирующие процесс стирания-записи, а также алгоритмы, обеспечивающие равномерное использование всех ячеек в процессе функционирования.

     2.3 Виды ячеек

     Stacked Gate Cell — ячейка с многослойным затвором. Метод стирания данных — Source-Poly FN Tunneling, метод записи — Drain-Side CHE Injection.

     SST Cell, или Super Flash Split-Gate Cell (Silicon Storage Technology - компания-разработчик технологии) - ячейка с расщеплённым затвором. Метод стирания - FN Tunneling, метод записи - Source-Side CHE Injection.

     Two Transistor Thin Oxide Cell - двухтранзисторная ячейка с тонким слоем окисла. Метод стирания — Drain-Poly FN Tunneling, метод записи - Drain FN Tunneling.

     Кроме наиболее часто встречающихся ячеек  с «плавающим» затвором, существуют также ячейки на основе SONOS-транзисторов, которые не содержат плавающего затвора. В SONOS-ячейках функцию «плавающего» затвора и окружающего его изолятора выполняет композитный диэлектрик (ONO). Расшифровывается SONOS (Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) как полупроводник – диэлектрик – нитрид – диэлектрик – полупроводник. Вместо давшего название этому типу ячейки нитрида в будущем планируется использовать поликристаллический кремний.

      Многоуровневые ячейки.

     В последнее время многие компании начали выпуск микросхем флэш-памяти, в которых одна ячейка хранит не один, а два бита. Технология хранения двух и более бит в одной ячейке получила название MLC (multilevel cell —многоуровневая ячейка - рисунок 6).

     В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памяти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может принимать одно из двух состояний — «0» или «1». Во флэш-памяти эти два состояния различаются по величине заряда, помещённого на «плавающий» затвор транзистора. В отличие от «обычной» флэш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещённых на «плавающий» затвор, и, соответственно, может принимать большее число состояний. При этом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений бит.

     Во  время записи на плавающий" затвор помещается количество заряда, соответствующее  необходимому состоянию. От величины заряда на «плавающем» затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную последовательность бит.

     Основные  преимущества MLC микросхем:

• При равном размере микросхем и одинаковом техпроцессе «обычной» и MLC-памяти, последняя способна хранить больше информации (размер ячейки тот же, а количество хранимых в ней бит - больше).
• На основе MLC создаются микросхемы большего, чем на основе однобитных ячеек, объёма.

     Основные  недостатки MLC:

• Снижение надёжности, по сравнению с однобитными ячейками, и, соответственно, необходимость встраивать более сложный механизм коррекции ошибок (чем больше бит на ячейку - тем сложнее механизм коррекции ошибок)
• Быстродействие микросхем на основе MLC зачастую ниже, чем у микросхем на основе однобитных ячеек.
• Хотя размер MLC-ячейки такой же, как и у однобитной, дополнительно требуется место на специфические схемы чтения/записи многоуровневых ячеек.

     2.4 Доступ к флэш-памяти

     Существует  три основных типа доступа:

• обычный (Conventional): произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти;
• пакетный (Burst): синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 слова. Считанные данные передаются последовательно, передача синхронизируется. Преимущество перед обычным типом доступа - экономия времени на быстром последовательном чтении данных. Недостаток — медленный произвольный доступ;
• страничный (Page): асинхронный, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества: очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток: относительно медленное переключение между страницами.

  3 Архитектура флэш-памяти

     Существует  несколько типов архитектур (организаций  соединений между ячейками) флэш-памяти. Наиболее распространёнными в настоящее  время являются микросхемы с организацией NOR и NAND.

     NOR (NOT OR, ИЛИ-НЕ)

     Интерфейс параллельный. Произвольное чтение и  запись.

     Преимущества: быстрый произвольный доступ, возможность побайтной записи.

     Недостатки: относительно медленная запись и стирание.

     Имеет наибольший размер ячейки, а потому плохо масштабируется. Единственный тип памяти, работающий на двух разных напряжениях. Идеально подходит для хранения кода программ (PC BIOS, сотовые телефоны), идеальная замена обычному EPROM (рисунок 7).

     Основные  производители: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix.

Программирование: методом инжекции ???"горячих" электронов 
Стирание: туннеллированием FN

Рисунок 7 – Тип архитектуры NOR

     NAND (NOT AND, И-НЕ)

     Доступ  произвольный, но небольшими блоками (наподобие  кластеров жёсткого диска). Последовательный интерфейс. Не так хорошо, как AND. Память подходит для задач, требующих произвольного доступа (рисунок 8).

     Преимущества: быстрая запись и стирание, небольшой размер блока.

     Недостатки: относительно медленный произвольный доступ, невозможность побайтной записи.

     Наиболее  подходящий тип памяти для приложений, ориентированных на блочный обмен: MP3 плееров, цифровых камер и в качестве заменителя жёстких дисков.

     Основные  производители: Toshiba, AMD/Fujitsu, Samsung, National

     Программирование: туннелированием FN

Стирание: туннеллированием FN

     Рисунок 8 – Тип архитектуры NAND

     AND (И)

     Доступ  к ячейкам памяти последовательный, архитектурно напоминает NOR и NAND, комбинирует их лучшие свойства. Небольшой размер блока, возможно быстрое мультиблочное стирание. Подходит для потребностей массового рынка (рисунок 9).

     Основные  производители: Hitachi и Mitsubishi Electric.

     Программирование: туннелированием FN

     Стирание: туннеллированием FN

     Рисунок 9 – Тип архитектуры AND

     DiNOR (Divided bit-line NOR, ИЛИ-НЕ  с разделёнными  разрядными линиями)

     Тип памяти, комбинирующий свойства NOR и NAND. Доступ к ячейкам произвольный. Использует особый метод стирания данных, предохраняющий ячейки от пережигания (что способствует большей долговечности памяти). Размер блока в DiNOR всего лишь 256 байт (рисунок 10).

     Основные  производители: Mitsubishi Electric, Hitachi, Motorola.

     Программирование: туннелированием FN

     Стирание: туннеллированием FN

     Рисунок 10 – Тип архитектуры DiNOR

      4 Флэш-брелки с интерфейсом USB 2.0

     Флэш-брелки с интерфейсом USB 2.0 — наиболее универсальное  и распространенное на сегодня средство хранения и переноса пользовательских данных. Наиболее емкие устройства этого класса (16, 32 Гбайт) способны хранить обширную коллекцию музыки или несколько фильмов в DVD-качестве, а уж для складирования текстовых и табличных рабочих документов предоставляемых флэш-накопителями объемов хватает с избытком.

     A-Data Usb Flash Drive S701 8GB — крохотный флэш-брелок, идеально подходящий для покупателя, у которого имеется нетбук с SSD в качестве основного накопителя, и дополнительные 8 Гбайт памяти могут прийтись очень кстати. Обращаться с устройством удобно: ребристые «щечки» накопителя приятны на ощупь; разъем USB 2.0 в дорожном положении утоплен в корпус и выдвигается при помощи расположенного сбоку ползунка. В рабочем состоянии разъём фиксируется, и убрать его заново в корпус можно, только надавив на ползунок и лишь затем сдвинув его вдоль корпуса. На тестировании A-Data Usb Flash Drive S701 продемонстрировал неплохие результаты по чтению, однако по скорости записи информации оказался далеко не первым.

     Флэш-накопитель A-Data Usb Flash Drive PD16 32GB отнесен производителем к категории Sport Series — и действительно, демонстрируемая им скорость последовательной записи оказалась существенно выше, чем у предшествующей модели. Со скоростью же случайной записи не все просто: образец продемонстрировал при взаимодействии с тестовым компьютером под Windows Vista невероятно низкую скорость — всего 0,4 Мбайт/с. В то же время с Windows XP она достигает разумных 6,3 Мбайт/с. Брелок выполнен вполне традиционно для таких устройств; широкое пластиковое ушко на заднем торце позволяет подвешивать его на ремешок для ношения на шее или на запястье. Для внимательного владельца флэш-накопителя, впрочем, риск потерять или забыть где-то крышечку, в любом случае близок к нулю.

     Apacer Handy Steno AH422 2G + microSDHC/SD reader представляет собой натуральный гаджет — комбинацию флэш-накопителя на 2 Гбайт и адаптера для карт формата microSD и microSDHC. Такой вариант, несомненно, придется по душе тем, кто активно пользуется подобными картами (например, регулярно обновляет музыкальную коллекцию в собственном телефоне), но постоянно носить с собой переходник microSD — SD не готов. В данном же случае полезное само по себе устройство хранения данных снабжено еще и адаптером. Увесистая конструкция с явно немалым содержанием металла в корпусе снабжена проймой для крепления телефонного шнурка. Крышечка, прикрывающая разъем USB, на корпусе не фиксируется, однако, учитывая заметную массу и яркий цвет, забыть ее где-нибудь на столе у компьютера, из которого извлекается Apacer Handy Steno AH422, будет непросто. Скоростные характеристики устройства, учитывая его небольшой объем, достаточно хороши — впрочем, в данном случае снова наблюдается загадочное значимое расхождение в результатах тестов на среднюю скорость случайной записи в ОС Windows Vista (3,7 Мбайт/с) и Windows XP (6 Мбайт/с).

     Образцом классического стиля флэш-брелка, творчески модернизированного в соответствии с веяниями времени, можно считать Kingston Data Traveler 150 32GB. Его толстенький пластиковый корпус с рисунком — гладкий, однако видимых отпечатков пальцев на нем не остается. Вся конструкция, традиционно для крупных USB-накопителей этой марки, солидная и внушающая уверенность в своей надежности. Защитная крышка USB-разъема отлично фиксируется на обоих торцах накопителя; имеется пройма под телефонный шнурок. Скоростные характеристики модели отличные.

     В названии накопителя OCZ Ruggedized (shock resistant & water proof) USB 2.0 32GB отражено его основное достоинство. Корпус устройства отличается повышенной пылевлагозащищенностью, а также устойчивостью к ударам и падениям. Благодаря ребристым боковинам довольно крупный корпус устройства уверенно лежит в руке; случайно выскользнуть ему вряд ли удастся. Резиновая крышечка в транспортном положении прилегает к корпусу достаточно плотно, так что защита от брызг (например, пролитого на клавиатуру кофе) имеется. Рассеянным любителям надежных и емких «флэшек», несомненно, придется по душе тот факт, что снятая с USB-разъема крышка не оставляется на произвол судьбы. Ее можно насадить на специальную заглушку, прикрепленную на цепочке к противоположному торцу корпуса (цепочку, впрочем, можно отстегнуть).

     По-другому  смотрится OCZ Diesel USB 2.0 16GB: лаконичный темный алюминиевый корпус, прозрачная крышка USB-разъема и прозрачное же ушко для шнурка с противоположного торца. Эта модель продемонстрировала сравнимые с предшественницей результаты на тестах считывания и несколько менее выдающиеся — на тестах записи. Кроме того, для этой модели мы также наблюдали заметное расхождение в скоростных показателях при взаимодействии с ОС Vista и Windows XP.

     Patriot Memory XPorter MAGNUM 210x 64GB — образец воплощенной солидности. Беря в руку этот накопитель, понимаешь: вот они, 64 Гбайт, — не зря устройство носит имя одного из самых мощных серийных пистолетов современности. Впрочем, широкий корпус может стать препятствием для использования в некоторых моделях ноутбуков и нетбуков (вследствие неудачного расположения USB-портов в них) и почти наверняка будет блокировать расположенные поблизости USB-порты. Тем не менее скоростные показатели данной модели весьма достойны. На мой взгляд, это наилучший на сегодняшний день выбор.

     Основной  особенностью новых флэш-накопителей  Stealth M является наличие аппаратного средства под названием Bluefly, которое компания характеризует, как «процессор безопасности». На Bluefly возложена защита информации с помощью шифрования (рисунок 11).

     По  данным производителя, Bluefly является первым в мире «выделенным аппаратным процессором безопасности» для USB-накопителей. Он защищает информацию от несанкционированного доступа и воздействия вредоносного программного обеспечения. Уникальной особенностью продукта является функция SafeShare, представляющая совместный доступ к защищенной информации нескольким пользователям.

     Накопители  Stealth M имеют интерфейс USB. Они выпускаются в нескольких вариантах объема, максимальный из которых — 32 ГБ.

Рисунок 11— Флэш-накопитель Stealth M

     В феврале 2009 году появились новые  представители уникальных USB flash-накопителей – металлические USB People (рисунок 12). Металлический полированный корпус и три цвета на выбор: серебро, золото, графит. Подвижные ручки-ножки, голова является колпачком для разъема USB.

     Данное исполнение USB People позиционирует продукцию как бизнес-сувенир. Смотрятся такие флэш-накопители очень эффектно!

     Техническая информация: материал — полированный металл; размер —4,4 х 8,5 х 1,7 см; доступный объем памяти — до 8 Гб.

Рисунок 12 - USB People

     Следующие модели представляют собой уникальные USB-накопители с неповторимым дизайном и стилем — элегантное ожерелье, стильный гаджет, романтический подарок (таблица 1).

Таблица 1 — USB флэш-накопители серии Luxury