Флэш-память. 
Основы функционирования систем сервиса. В 2 ч. Часть 2

Флэш-память (Flash-Memory) по типу запоминающих элементов и основным принципам работы подобна памяти типа EEPROM, однако ряд архитектурных и структурных особенностей позволяют выделить ее в отдельный класс. Разработка флэш-памяти считается кульминацией десятилетнего развития схемотехники памяти с электрическим стиранием информации.

В схемах флэш-памяти не предусмотрено стирание отдельных слов, стирание информации осуществляется либо для всей памяти одновременно, либо для достаточно больших блоков. Понятно, что это позволяет упростить схемы ЗУ, т. е. способствует достижению высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости. Технологически схемы флэш-памяти выполняются с высоким качеством и обладают очень хорошими параметрами.

Термин Flash (вспышка, мгновение) связан с характерной особенностью этого вида памяти, обладавшей свойством быстрого стирания всего массива данных одним сигналом.

Наряду со схемами с одновременным стиранием всего содержимого имеются схемы с блочной структурой, в которых весь массив памяти делится на блоки, стираемые независимо друг от друга. Объем таких блоков сильно разнится: от 256 байт до 128 Кбайт.

Число циклов репрограммирования для флэш-памяти хотя и велико, но ограничено, т. е. ячейки при перезаписи «изнашиваются».

Рис. 11.47. Схема подключения ЛИЗМОП-транзисторов с двойным.

затвором.

Рис. 71.48. Условные графические обозначения ИМС ПЗУ:

а — К1610РЕ1 — масочное ПЗУ; б — К556РТ14 — ППЗУ; в — К573РФ2 — РПЗУ-РФ; г — К558РР2 — РПЗУ-ЭС Одним из элементов структуры флэш-памяти является накопитель (матрица ЭП). В схемотехнике накопителей развиваются два направления: на основе ячеек типа «ИЛИ-HE» (NOR) и на основе ячеек типа «И-НЕ» (NAND).

Накопители на основе ячеек «ИЛИ-HE» (с параллельным включением ЛИЗ-МОП-транзисторов с двойным затвором) обеспечивают быстрый доступ к словам при произвольной выборке. Структура матрицы накопителя на основе ячеек «ИЛИ-HE» изображена на рис. 11.49. Каждый столбец представляет собою совокупность параллельно соединенных транзисторов. Разрядные линии выборки находятся под высоким потенциалом. Все транзисторы невыбранных строк заперты. В выбранной строке открываются и передают высокий уровень напряжения на разрядные линии считывания те транзисторы, в плавающих затворах которых отсутствует заряд электронов, и, следовательно, пороговое напряжение транзистора имеет нормальное (не повышенное) значение.

Рис. 11.49. Структура матрицы накопителя флэш-памяти на основе ячеек «ИЯИ-НЕ».

Структуры с ячейками «И-НЕ» более компактны, но не обеспечивают режима произвольного доступа и практически используются только в схемах замены магнитных дисков.

Флэш-память с адресным доступом, ориентированная на хранение не слишком часто изменяемой информации, может иметь одновременное стирание всей информации (архитектура Bulk Erase) или блочное стирание (архитектура Boot Block Flash-Memory).

Память типа Bulk Erase фирмы Intel имеет время записи байта около 10 мкс, допускает до 10⁵ циклов стирания. Время доступа при чтении равно приблизительно 100 нс, время стирания и время программирования всего кристалла составляет 0,6—4 с для кристаллов емкостью 256 Кбит — 2 Мбит.

Схемам типа Boot Block Flash Memory (Boot-блок «флэш-память», сокращенно ББФП) присуще блочное стирание данных и несимметричная блочная архитектура. Среди них имеется так называемый Boot- блок, содержимое которого аппаратно защищено от случайного стирания. В нем хранится программное обеспечение базовой системы ввода/ вывода микропроцессорной системы BIOS (Basic Input/Output System), необходимое для правильной эксплуатации и инициализации системы.

В составе блоков имеются также блоки параметров и главные блоки, не снабженные аппаратными средствами защиты от непредусмотренной записи. Блоки параметров хранят относительно часто меняемые параметры системы (коды идентификаторов, диагностические программы и т. п.). Главные блоки хранят основные управляющие программы и т. п.

В настоящее время выпускаются ИМС Boot Block Flash Memory с информационной емкостью до 256 Мбит и временем доступа при чтении 60—70 нс.

Важное место в иерархии ЗУ занимает файловая флэш-память. Файловая флэш-память ориентирована на замену твердых дисков, которая в сотни раз сокращает потребляемую мощность, в той же мере увеличивает механическую прочность и надежность ЗУ, уменьшает их размеры и вес, на несколько порядков повышает быстродействие при чтении данных, сохраняя при этом программную совместимость со средствами управления памятью. Вместе с тем, за дисковой памятью остаются преимущества по информационной емкости и стоимости.

Микросхемы файловой флэш-памяти фирмы Intel имеют информационную емкость 4—16 Гбит при временах доступа 70—150 нс.

В 1997 г. компания Intel представила новый вид флэш-памяти, названный СтратаФлэш (StrataFlash), в которой впервые в одном элементе памяти хранятся два бита, а не один. Это обеспечивается тем, что в плавающем затворе транзистора фиксируется не только наличие или отсутствие заряда, но и определяется его величина, которая может иметь несколько значений. Различая четыре уровня, можно хранить в одном элементе два бита.

До изобретения памяти СтратаФлэш для увеличения емкости ЗУ шли путем уменьшения размеров схемных элементов и других усовершенствований технологических процессов литографии. СтратаФлэш ознаменовала другой подход к этой проблеме. Хранения двух битов добились практически в тех же запоминающих элементах, которые ранее хранили один бит, преодолев трудности ужесточения допусков на величины вводимых в плавающий затвор зарядов. При этом от емкости 16 Гбит перешли к емкости 32 Гбит без заметных изменений площади кристалла.

Имея преемственность с ЗУ типов EEPROM и EPROM, разработанными ранее, схемы флэш-памяти предпочтительнее EEPROM по информационной емкости и стоимости в применениях, где не требуется индивидуальное стирание слов, а по сравнению с EPROM обладают тем преимуществом, что не требуют специальных условий и аппаратуры для стирания данных, которое к тому же происходит гораздо быстрее.

Двумя основными направлениями эффективного использования флэш-памяти являются хранение не очень часто изменяемых данных (обновляемых программ, в частности) и замена памяти на магнитных дисках.