Мікросхеми флеш-пам’яті

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Ім. О. Гончара 

Факультет фізики, електроніки 

та  комп¢ютерних систем

Кафедра радіоелектроніки

     Індивідуальне завдання

з курсу ²Надвеликі інтегральні мікросхеми²

на тему ²Мікросхеми флеш-пам’яті² 
 
 

Дніпропетровськ – 2010

     Содержание 

Введение…………………………………………………………………………. 3

1. Что такое flash-память?................................................................................ 5
2. Организация flash-памяти……………………………………………….… 10
3. Архитектура флэш-памяти………………………………………………... 14
4. Карты памяти (флэш-карты)……………………………………………… 19

Вывод………………………………………………………………...…………... 22

Литература............................................................................................................. 23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение

    Технология  флэш-памяти появилась в конце 80-х годов прошлого столетия и её начали использовать в качестве альтернативы UV-EPROM. С этого момента интерес к флэш-памяти с каждым годом неуклонно возрастает. Внимание, которое уделяется флэш-памяти, вполне объяснимо – ведь это самый быстрорастущий сегмент полупроводникового рынка. Ежегодно рынок флэш-памяти растет более чем на 15%, что превышает суммарный рост всей остальной полупроводниковой индустрии.

    Сегодня флэш-память можно найти в самых  разных цифровых устройствах. Её используют в качестве носителя микропрограмм  для микроконтроллеров HDD и CD-ROM, для хранения BIOS в ПК. Флэш-память используют в принтерах, КПК, видеоплатах, роутерах, брандмауэрах, сотовых телефонах, электронных часах, записных книжках, телевизорах, кондиционерах, микроволновых печах и стиральных машинах... список можно продолжать бесконечно. А в последние годы флэш становится основным типом сменной памяти, используемой в цифровых мультимедийных устройствах, таких как mp3-плееры и игровые приставки. А все это стало возможным благодаря созданию компактных и мощных процессоров. Однако при покупке какого-либо устройства, помещающегося в кармане, не стоит ориентироваться лишь на процессорную мощность, поскольку в списке приоритетов она стоит далеко не на первом месте.

    Начало  этому было положено в 1997 году, когда  флэш-карты впервые стали использовать в цифровых фотокамерах.

    При выборе портативных устройств самое  важное, на мой взгляд - время автономной работы при разумных массе и размерах элемента питания. Во многом это зависит от памяти, которая определяет объем сохраненного материала, и, продолжительность работы без подзарядки аккумуляторов. Возможность хранения информации в карманных устройствах ограничивается скромными энергоресурсами. Память, обычно используемая в ОЗУ компьютеров, требует постоянной подачи напряжения. Дисковые накопители могут сохранять информацию и без непрерывной подачи электричества, зато при записи и считывании данных тратят его за троих. Хорошим выходом оказалась флэш-память, не разряжающаяся самопроизвольно. Носители на ее основе называются твердотельными, поскольку не имеют движущихся частей. Отсутствие движущихся частей повышает надежность флэш-памяти: стандартные рабочие перегрузки равняются 15 g, а кратковременные могут достигать 2000 g, т. е. теоретически карта должна превосходно работать при максимально возможных космических перегрузках, и выдержать падения с трёхметровой высоты. Причем в таких условиях гарантируется функционирование карты до 100 лет.

    Многие  производители вычислительной техники  видят память будущего исключительно  твердотелой. Следствием этого стало практически одновременное появление на рынке комплектующих нескольких стандартов флэш-памяти.

     1.Что такое flash-память?

    Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти.

• Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи).
• Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных.
• Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

    В отличие от многих других типов полупроводниковой  памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего  из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации. Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM. В отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают. Замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов). Надёжность/долговечность: информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков). Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других механических носителях информации, большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей. Флэш-память исторически произошла от полупроводникового ROM, однако ROM-памятью не является, а всего лишь имеет похожую на ROM организацию. Множество источников (как отечественных, так и зарубежных) зачастую ошибочно относят флэш-память к ROM. Флэш никак не может быть ROM хотя бы потому, что ROM (Read Only Memory) переводится как "память только для чтения". Ни о какой возможности перезаписи в ROM речи быть не может!  Небольшая, по началу, неточность не обращала на себя внимания, однако с развитием технологий, когда флэш-память стала выдерживать до 1 миллиона циклов перезаписи, и стала использоваться как накопитель общего назначения, этот недочет в классификации начал бросаться в глаза. Среди полупроводниковой памяти только два типа относятся к "чистому" ROM - это Mask-ROM и PROM. В отличие от них EPROM, EEPROM и Flash относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент - nonvolatile read-write memory или NVRWM).

ROM:

• ROM (Read Only Memory) - память только для чтения. Русский эквивалент - ПЗУ (Постоянно Запоминающее Устройство). Если быть совсем точным, данный вид памяти называется Mask-ROM (Масочные ПЗУ). Память устроена в виде адресуемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого может кодировать единицу информации. Данные на ROM записывались во время производства путём нанесения по маске (отсюда и название) алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало "0" или "1". Mask-ROM отличается сложностью модификации содержимого (только путем изготовления новых микросхем), а также длительностью производственного цикла (4-8 недель). Поэтому, а также в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, данный тип памяти не получил широкого распространения. 
  Преимущества: 
  1. Низкая стоимость готовой запрограммированной микросхемы (при больших объёмах производства). 
  2. Высокая скорость доступа к ячейке памяти. 
  3. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям. 
  Недостатки: 
  1. Невозможность записывать и модифицировать данные после изготовления. 
  2. Сложный производственный цикл.
• PROM - (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ. В качестве ячеек памяти в данном типе памяти использовались плавкие перемычки. В отличие от Mask-ROM, в PROM появилась возможность кодировать ("пережигать") ячейки при наличии специального устройства для записи (программатора). Программирование ячейки в PROM осуществляется разрушением ("прожигом") плавкой перемычки путём подачи тока высокого напряжения. Возможность самостоятельной записи информации в них сделало их пригодными для штучного и мелкосерийного производства. PROM практически полностью вышел из употребления в конце 80-х годов. 
  Преимущества:  
  1. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям. 
  2. Возможность программировать готовую микросхему, что удобно для штучного и мелкосерийного производства. 
  3. Высокая скорость доступа к ячейке памяти. 
  Недостатки:  
  1. Невозможность перезаписи 
  2. Большой процент брака 
  3. Необходимость специальной длительной термической тренировки, без которой надежность хранения данных была невысокой

NVRWM:

• EPROM  
  Различные источники по-разному расшифровывают аббревиатуру EPROM - как Erasable Programmable ROM или как Electrically Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ или электрически программируемые ПЗУ). В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (соответственно появилась возможность перезаписывать содержимое памяти). Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. Микросхемы, стирание которых производится путем засвечивания ультрафиолетом, были разработаны Intel в 1971 году, и носят название UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet) - ультрафиолет). Они содержат окошки из кварцевого стекла, которые по окончании процесса стирания заклеивают. 
  Достоинство: Возможность перезаписывать содержимое микросхемы 
  Недостатки:  
  1. Небольшое количество циклов перезаписи. 
  2. Невозможность модификации части хранимых данных. 
  3. Высокая вероятность "недотереть" (что в конечном итоге приведет к сбоям) или передержать микросхему под УФ-светом (т.н. overerase - эффект избыточного удаления, "пережигание"), что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к её полной негодности.
• EEPROM (EEPROM или Electronically EPROM) - электрически стираемые ППЗУ были разработаны в 1979 году в той же Intel. В 1983 году вышел первый 16Кбит образец, изготовленный на основе FLOTOX-транзисторов (Floating Gate Tunnel-OXide - "плавающий" затвор с туннелированием в окисле). 
   
  Главной отличительной особенностью EEPROM (в т.ч. Flash) от ранее рассмотренных нами типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи. 
  Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM:  
  1. Увеличенный ресурс работы. 
  2. Проще в обращении. 
  Недостаток: Высокая стоимость
• Flash (полное историческое название Flash Erase EEPROM): 
   
  Изобретение флэш-памяти зачастую незаслуженно приписывают Intel, называя при этом 1988 год. На самом деле память впервые была разработана компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было начато производство 256Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году Intel разработала собственный вариант флэш-памяти. 
  Во флэш-памяти используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра или страницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, однако в некоторых видах флэш-памяти объём блока может достигать 256КБ. Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями. 
  Преимущества флэш-памяти по сравнению с EEPROM:  
  1. Более высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт того, что стирание информации во флэш производится блоками. 
  2. Себестоимость производства флэш-памяти ниже за счёт более простой организации. 
  Недостаток: Медленная запись в произвольные участки памяти.