Flash-память. Принцип работы. Справочная информация - промэлектроника Особенность работы флэш-памяти

Несмотря на прогресс компьютерных технологий еще всего 3-4 года назад много новых компьютеров (а тем более старых) имели в своем составе флоппи-дисковод. Значительное удешевление оптических приводов и компакт-дисков не смогли заменить 3.5-дюймовые дискеты. Неудобно пользоваться оптическими носителями и все тут. Если считывание данных с них еще особого дискомфорта не вызывает, то вот запись и удаление уже требовали какого-то времени. Да и надежность дисков хоть и многократно выше чем у дискет, все равно через какое-то время, особенно после активного использования, начинает падать. Как всегда в самый неподходящий момент привод от старости (своей или диска) "взбрыкнет" и скажет, что диска на горизонте не заметно.

Вот и продержались дискеты так долго. Носить на них какую-нибудь мелочь вроде документов, либо исходных кодов программ еще вполне можно. Но сейчас и для этого типа данных порой не хватает 1.38 Мбайт свободного места.

Решение проблемы замаячило довольно давно. Имя ему флэш-память. Изобретена она была еще в 80-х годах прошлого века, но до реально массовых продуктов добралась к концу 90-х. И причем первое время у нас она была доступна в качестве карт-памяти, а затем в виде MP3-плееров, которые сегодня уже сменили аббревиатуру MP3 на более гордый и обобщающий эпитет "цифровой".

Далее последовало появление USB-флэш накопителей. Процесс их проникновения был по началу не самым быстрым. Начался он с появления решений на 16-64 Мбайт. Сейчас это мизер, но лет 8 назад по сравнению с дискетой это было ого-го как хорошо. А плюс к этому добавлялось удобство работы, высокая скорость чтения/записи и, конечно же, высокая цена. Тогда такие флэшки стояли дороже пишущего оптического привода, которые сами оценивались в сумму порядка $100.

Тем не менее, удобство флэшек оказало решающее влияние на выбор потребителя. В итоге в 2005 году начался настоящий бум. Стоимость флэш-памяти многократно упала, а вместе с ней выросла емкость накопителей. В итоге сегодня за каких-нибудь 2000-2500 рублей можно купить флэшку на 32 Гбайта, тогда как год назад такая стоила чуть ли не вдвое дороже.

Прогресс в области флэш-памяти оказался успешным на столько, что она сегодня уже начинает конкурировать с жесткими дисками. Пока что только в области скорости чтения/записи и времени доступа, а также в энергетических показателях и прочности, но победу по емкости в ближайшие годы также исключать нельзя. Единственное достоинство HDD – это цена. Один "жесткий" гигабайт стоит куда меньше. Но и это лишь вопрос времени.

Итак, флэш-память - это одна из наиболее перспективных компьютерных технологий для хранения данных. Но откуда она такая взялась и каковые ее возможные ограничения и недостатки? Как раз на эти все вопросы и призвана ответить эта статья.

Прошлое

В то время как японские грузчики разгружали одну из первых партий компьютеров Apple, привезенных в холодильниках из-за изображенного яблока на коробках, один японский ученый по имени Фуджио Масуоки трудился в стенах исследовательской лаборатории Toshiba над новым типом памяти. Название ей придумали не сразу, но перспективы изобретения ученому были видны с самого начала.

Впрочем, с названием определились довольно быстро. Коллега Фуджио, господин Шоджи Ариизуми, предложил назвать новую память "flash". Один из переводов этого слова обозначает вспышку фотоаппарата (да и в принципе любую другую вспышку света). На такую мысль Шоджи навел способ стирания данных.

Представлена новая технология была в 1984 году в Сан-Франциско на мероприятии под названием International Electron Devices Meeting (международная встреча производителей электронных устройств), проведенным институтом IEEE. Заметили ее сразу, причем довольно крупные компании. К примеру Intel выпустила свой первый коммерческий NOR-чип уже в 1988 году.

Пять лет спустя, в 1989 году, Toshiba на аналогичном мероприятии представила технологию NAND-флэш памяти. Сегодня именно этот тип применяется в подавляющем большинстве устройств. Почему именно - расскажем в следующем разделе.

NOR и NAND

NOR-память была представлена несколько раньше поскольку она чуть проще в производстве, да и ее транзисторы по своему строению напоминают обычный MOSFET-транзистор (канальный полевой униполярный МОП-транзистор). Разница заключается лишь в том, что в NOR-памяти транзистор в дополнение к контролирующему затвору имеет второй, "плавающий", затвор. Последний при помощи специального изолирующего слоя может удерживать электроны в течение многих лет, держа транзистор не разряженным.

Вообще свое название NOR-память получила из-за работы как NOR-затвор (NOR – логическая операция НЕ-ИЛИ; принимает значение "истина" только когда на оба входа подается "ложь"). Так что пустая ячейка NOR-памяти заполнена логическим значением "1". Кстати, тоже самое касается и NAND-памяти. И, как не сложно догадаться, она свое название получила из-за схожего принципа работы с NAND-затвором (NAND – логическая операция НЕ-И; принимает значение "ложь" только когда на оба входа подается "истина").

Во что выливается на практике эти самые "НЕ-И" и "НЕ-ИЛИ"? В то, что чип NOR-памяти можно очистить только целиком. Хотя в более современных инкарнациях данной технологии чип разбит на несколько блоков, занимающих обычно 64, 128 или 256 Кбайт. Зато этот тип памяти имеет внешнюю шину адресов, что позволяет побайтное чтение и программирование (запись). Это позволяет не только максимально точно получать доступ к данным напрямую, но и исполнять их прямо "на месте", не выгружая всю информацию в оперативную память. Эта возможность называется XIP (eXecute In Place – выполнение на месте).

Стоит также рассказать о сравнительно новой функции NOR-памяти под названием BBM (Bad Block Management - управление бэд-блоками). Со временем часть ячеек может придти в негодность (точнее станет недоступна их запись) и контроллер чипа, заметив это, переназначит адрес таких ячеек на другой, пока еще рабочий блок. Чем-то подобным занимаются и жесткие диски, о чем мы писали в статье " ".

Таким образом NOR-память хорошо подходит для тех случаев, когда требуется максимальная точность считывания данных и довольно редкое их изменение. Догадываетесь к чему мы клоним? Правильно - к прошивкам различных устройств, в частности BIOS системных плат, видеокарт и т.д. Именно там сейчас NOR-флэш и применяется чаще всего.

Что касается NAND, то с ней ситуация чуть "позаковыристей". Чтение данных может осуществляться только постранично, а запись - поблочно. Один блок состоит из нескольких страниц, а одна страница обычно имеет размер 512, 2048 или 4096 байт. Число страниц в блоке как правило варьируется от 32 до 128. Так что ни о каком исполнение "на месте" речи не идет. Еще одно ограничение NAND-памяти - это то, что запись в блок может осуществляться только последовательно.

В итоге подобная точность (хотя правильнее будет сказать "не точность") порой приводит к ошибкам, особенно если приходится иметь дело с MLC-памятью (об этом типе чуть ниже). Для их коррекции применяется механизм ECC. Он может исправить от 1 до 22 бит в каждых 2048 битах данных. Если исправление невозможно, то механизм определяет наличие ошибки во время записи или стирания данных и блок помечается как "плохой".

Кстати, для предотвращения образования бэд-блоков во флэш-памяти существует специальный метод под названием "wear levelling" (дословно "уровень износа"). Работает он довольно просто. Поскольку "живучесть" блока флэш-памяти зависит от количества операций стирания и записи, а для разных блоков это количество разное, контроллер устройства подсчитывает число этих операций для блоков, стараясь со временем проводить запись на те, что использовались меньше. То есть на те, которые меньше "изношены".

Ну а что касается области применения NAND-памяти, то благодаря возможности более плотного размещения транзисторов, а заодно более дешевого их изготовления, она как раз и используется во всех картах флэш-памяти и USB-флэшках, а также SSD.

Ну и немного об SLC (Single-Level Cell - одноуровневая ячейка) и MLC (Multi-Level Cell - многоуровневая ячейка) ячейках. Изначально был доступен только первый тип. Он предполагает, что в одной ячейке может храниться только два состояния, то есть один бит данных. Чипы MLC были придуманы позже. Их возможности чуть шире - в зависимости от напряжения контроллер может считать с них более двух значений (как правило четыре), что позволяет хранить в одной ячейке от 2 и более бит.

Достоинства MLC на лицо - при том же физическом размере в одну ячейку помещается вдвое больше данных. Недостатки, впрочем, не менее существенны. Прежде всего это скорость считывания - она естественно ниже, чем у SLC. Ведь требуется создание более точного напряжения, а после этого необходимо правильно расшифровать полученную информацию. И тут же возникает второй недостаток - неизбежные ошибки при считывании и записи данных. Нет, данные не повреждаются, но это сказывается на скорости работы.

Довольно существенный недостаток флэш-памяти - это ограниченное число циклов записи и стирания данных. В этом отношении она пока что не очень хорошо может соперничать с жесткими дисками, но в целом ситуация с каждым годом улучшается. Вот данные по времени службы разных типов флэш-памяти:

SLC NAND – до 100 тысяч циклов;
MLC NAND – до 10 тысяч циклов;
SLC NOR – от 100 до 1000 тысяч циклов;
MLC NOR – до 100 тысяч циклов.

Вот вам и еще один недостаток MLC-памяти - она менее долговечна. Ну а NOR-флэш вообще вне конкуренции. Правда, от этого мало толку обычному обывателю - все равно его флэшка вероятнее всего построена на основе NAND-флэш, да еще и на MLC-чипах. Впрочем, технологии не стоят на месте и уже в массы постепенно идет NAND-флэш с миллионым циклом записи и стирания данных. Так что со временем эти параметры станут для нас мало существенными.

"Карточки"

Разобравшись с типами флэш-памяти теперь перейдем к реальным продуктам на ее основе. Само собой описание микросхем BIOS мы опустим, поскольку большинство читателей они интересуют мало. Также как не имеет смысла рассказывать о USB-флэшках. С ними все предельно просто: подключаются через интерфейс USB, установленные внутри чипы целиком и полностью зависят от производителя. Стандартов для этих носителей никаких нет, если не считать необходимость наличия совместимости с USB.

Зато стандарты требуются для флэш-карт, которые сегодня используются в цифровых фотоаппаратах, плеерах, мобильных телефонах и других мобильных устройствах. Карт-ридер для них имеется в большинстве ноутбуков и нетбуков, а еще такой можно встретить в бытовых DVD (или Blu-ray) проигрывателях, либо автомагнитолах.

Для этих устройств существует одна универсальная характеристика - число поддерживаемых карт памяти. Порой на карт-ридерах можно увидеть гордые надписи "20-в-1" или даже "30-в-1", означающие число поддерживаемых форматов. Но что самое удивительное, принципиально разных массовых форматов всего 6. Все остальные - это их модификации. Вот на этих шести стандартах мы и остановимся далее.

CompactFlash

Формат CompactFlash занимает особое место среди всех остальных форматов карт флэш-памяти. Прежде всего потому, что он был самым первым массовым стандартом. Его представила компания SanDisk в 1994 году. И до сих пор он активно применяется в цифровых зеркальных камерах, а также компьютерах-роутерах и других узкоспециализированных устройствах.

Самое интересное, что первые CF-карточки были основаны на NOR-чипах производства Intel. Но потом довольно быстро были переведены на NAND-флэш, что позволило снизить стоимость и повысить емкость.

CompactFlash создавался как формат для внешнего хранения данных. Но поскольку 15 лет назад карт-ридеров не было, да и USB только проектировался, CF-карты были созданы на основе спецификаций интерфейса ATA (IDE). Таким образом такая карточка может быть подключена к обычному IDE-разъему или вставлена в слот PC Card через пассивный адаптер. Именно поэтому CompactFlash очень удобно использовать в роутерах и аналогичных устройствах - скорость и большой объем там не требуются, а вот размеры, ударостойкость и малый нагрев куда более актуальны.

Кроме того не составляет труда сделать переходник для интерфейса USB или FireWire. И, что самое интересное, большинство карт-ридеров используют систему ввода/вывода CompactFlash для обмена данными между компьютером и другими форматами: SD/MMC, Memoty Stick, xD и SmartMedia.

Теперь о различных модификациях стандарта CompactFlash. Изначально такие карточки выпускались в едином "картридже" размером 43х36х3.3 мм. Он применяется и сегодня. Но когда был представлен однодюймовый винчестер IBM Microdrive, то был добавлен второй форм-фактор с размерами 43х36х5.0 мм. Таким образом первый стал называться CF Type I, а второй - CF Type II. После того как выпуск Microdrive (и его аналогов) был остановлен актуальность CF Type II сошла на нет.

Имеется у CompactFlash еще несколько ревизий. Их необходимость возникла по мере роста скоростей чтения/записи, а также объема. Так ревизия 2.0 повысила максимальную скорость до 16 Мбайт/с. Позже появилась ревизия 3.0, увеличившая это значение до 66 Мбайт/с. Ну и самая последняя версия 4.0/4.1 позволяет вести обмен данными на скорости до 133 Мбайт/с. Последнее значение соответствует стандарту UDMA133, который также уже теряет свою актуальность.

На смену четвертой ревизии уже подготавливается... нет, не новая ревизия - новый формат - CFast. Его главное принципиальное отличие - использование интерфейса SerialATA вместо IDE. Само собой это полностью перекрывает обратную совместимость с прежним типом разъема, зато увеличивает максимальную скорость до 300 Мбайт/с и возможность наращивания объема куда больше 137 Гбайт. Заметим, что для обмена данными CFast использует семь контактов, как и обычный SATA-интерфейс. Зато питание подается через 17 контактов, тогда как у SATA-устройств их 15. Так что напрямую подключить CFast-карту к материнской плате не получится, придется использовать переходник. Появится такие карточки должны уже в этом году. В январе на CES 2009 уже были продемонстрированы первые образцы емкостью 32 Гбайта.

Теперь остается рассказать о скорости обмена данными и доступных на сегодняшний день объемах карт CompactFlash. Скорость у CF-карточек (да и у остальных накопителей флэш-памяти, кроме SSD, тоже) измеряется точно так, как и у CD-дисков. То есть 1х соответствует 150 Кбайт/с. На самых быстрых представителях красуются надписи 300х, что соответствует есть 45 Мбайт/с. В принципе не мало, но и до жестких дисков на пару с SSD далеко. Но со временем скорость будет только возрастать.

Ну а что касается объема, то за все время были выпущены карты CompactFlash емкостью от 2 Мбайт до 100 Гбайт. Сегодня наиболее распространены варианты от 1 до 32 Гбайт. Впрочем, в продаже уже доступны версии на 48, 64 и 100 Гбайт, хотя они пока что довольно редки. Пока что формат CompactFlash предлагает самые емкие карты флэш-памяти. Но зато другие могут предложить иные преимущества. О них читаем далее.

SmartMedia

Вторым массовым форматом флэш-карт стал SmartMedia. Он был представлен на год позже CompactFlash - летом 1995 года. Собственно, он и создавался как конкурент CF. Что SmartMedia мог предложить? Прежде всего меньшие размеры. А если быть еще точнее, то только меньшую толщину - всего 0.76 мм; ширина и длина таких карточек была 45х37 мм, тогда как у CompactFlash эти параметры почти такие же - 43х36 мм. Надо отметить, что в плане толщины SM пока еще не превзошел ни один другой формат. Даже сверхкомпактные карты microSD "пожирнее" - 1 мм.

Подобного показателя удалось достигнуть благодаря изъятию чипа-контроллера. Он был перенесен в карт-ридер. Да и внутри самой SM-карты по началу мог размещаться один NAND-чип, по потом, по мере совершенствования технологии, их там стало больше.

Но отсутствие контроллера внутри карточки имеет определенные минусы. Во-первых по мере роста объема и выхода новых моделей носителей приходилось обновлять прошивку карт-ридера. Да и не всегда эта операция была доступна, если карт-ридер был совсем уж старым. Также со временем началась путаница с рабочим напряжением карт SmartMedia. Изначально оно было 5.0 В, а потом 3.3 В. И если карт-ридер не поддерживал одно из них, то с такими картами он работать не мог. Более того, при вставке карточки на 3.3 вольта в 5.0-вольтовый карт-ридер она могла повредиться или сгореть.

Во-вторых для формата SmartMedia невозможно использование метода подсчета уровня износа блоков флэш-памяти (метод wear levelling мы описали в прошлом разделе). А это потенциально угрожает сократить срок службы карты памяти.

Впрочем, все это не помешало довольно долго использовать SmartMedia в качестве основного формата для цифровых камер - в 2001 году его поддерживало до половины таких устройств на рынке, хотя тогда и рынок этот был куда поскромнее сегодняшнего. В других цифровых устройствах вроде плееров, КПК или мобильных телефонов SmartMedia себя на нашел. Да и производители камер стали отказываться от SM. Фотоаппараты становились все меньше и малой толщины этих карточек уже было недостаточно. Ну и второй существенный минус - рост потребности в большей емкости. Карты SmartMedia достигли объема всего 128 Мбайт. Планировались варианты на 256 Мбайт, но их так и не выпустили.

А вообще SmartMedia задумывался как замена для 3.5-дюймовых флоппи-дискет. Для них даже был выпущен специальный адаптер под названием FlashPath. Его представили в мае 1998 года и через год их было продано миллион штук. Разработан он был компанией SmartDisk, которая, кстати, выпускала аналогичные адаптеры и для карт MemoryStick и SD/MMC.

Самое удивительное, что работать FlashPath может с любым флоппи-дисководом, отменным логотипом "HD" (High-Density - высокая плотность). Короче подходит любой, который читает 1.44 Мбайт дискеты. Но есть одно "но". Без него никак не обойтись. А тут их даже два. Первое - для распознания FlashPath-адаптера и карточки внутри него требуется специальный драйвер. И если его под нужную ОС не имеется, то она в пролете. Так что загрузится с такой дискеты уже не получится. Второе "но" - скорость работы. Она не превышает таковую при работе с обычной дискеты. И если 1.44 Мбайт можно было скопировать или записать чуть больше чем за минуту, то на 64 Мбайта уйдет больше часа.

Сегодня формат SmartMedia можно назвать мертвым. Некоторые карт-ридеры все еще поддерживают работу с ним (особенно самые понтовые а-ля "все-в-1"), но эта совместимость просто не актуальна. Хотя, конечно, определенную лепту в развитие флэш-технологий этот стандарт внес.

Формат MMC был представлен третьим по счету в 1997 году. Его разработкой занимались SanDisk и Siemens AG. Аббревиатура MMC расшифровывается как MultiMediaCard, что сразу говорит предназначении стандарта - цифровые мультимедийные устройства. Именно там MMC чаще всего и применяется.

В принципе MMC очень сильно связан с SD, особенно их первые версии. Тем не менее, они разошлись в своем развитии и сегодня второй является наиболее распространенным. Так что о нем мы расскажем в следующем подразделе.

MMC в отличие от CompactFlash и SmartMedia имеет более компактные размеры. В плане длины и ширины: 24х32 мм. Толщина карточек MMC составляет 1.4 мм, что примерно в два раза больше, чем у SM. Но этот параметр не так критичен, чем два других измерения.

За все время существования MMC было представлено целых восемь различных модификаций его карт. Первая (просто MMC) для передачи данных использует однобитный последовательный интерфейс, а ее контроллер работает на частоте до 20 МГц. Это означает максимальную скорость не более 20 Мбит/с (2.5 Мбайт/с или примерно 17х). В принципе довольно скромно по современным меркам, но 12 лет назад этого было достаточно.

В 2004 году представили форм-фактор RS-MMC. Приставка RS означает Reduced-Size или "уменьшенный размер". Ее габариты следующие: 24х18х1.4 мм. Можно заметить, что почти в два раза уменьшилась высота. В остальном это была точно такая же MMC-карта памяти. Но для ее установки в карт-ридер необходимо использовать механический адаптер.

Довольно краткоживущим оказался формат DV-MMC (DV означает Dual-Voltage – двойное напряжение). Такие карты могли работать на стандартном напряжении 3.3 В и на пониженном 1.8 В. Нужно это для экономии энергии. Тут явно прослеживается ориентация на мобильные устройства. Но DV-MMC карточки быстро свернули в связи с появлением форматов MMC+ (или MMCplus) и MMCmobile.

MMC+ и MMCmobile довольно существенно отличались от оригинальной спецификации MMC и представляли собой ее четвертую версию. Впрочем, это не мешало им сохранить полную обратную совместимость со старыми карт-ридерами и устройствами, но для использования их новых возможностей требовалось обновление прошивки. А возможности эти были следующими. К однобитному интерфейсу обмена данными добавились 4- и 8-битные. Частота контроллера могла быть от 26 до 52 МГц. Все это поднимало максимальную скорость до 416 Мбит/с (52 Мбайт/с). Оба этих формата поддерживали работу с напряжением 1.8 или 3.3 В. По размерам они не отличились от MMC и RS-MMC, соответственно MMCplus и MMCmobile.

Позднее появился самый маленький MMC – MMCmicro. Размеры карточки были 14х12х1.1 мм. В основе этого формата лежал MMC+ с некоторыми ограничениями. В частности из-за отсутствия дополнительных контактов (у MMC их 7, у MMC+ - 13) интерфейс обмена данными не поддерживал 8-битную передачу данных.

Имеется еще такой не совсем обычный формат как miCard. Его представили летом 2007 года с целью создать универсальную карту, которую можно вставлять как в карт-ридер SD/MMC, так и в разъем USB. Первые карточки должны были иметь емкость 8 Гбайт. Максимум же достигает 2048 Гбайт.

Ну и последний - это SecureMMC. Он также основан на спецификации версии 4.х, что использована в MMC+. Его главная возможность - поддержка DRM-защиты. Кстати, именно этим изначально и отличался формат SD от MMC. SecureMMC – это попытка конкуренции с SD. Так что переходим к этому стандарту.

Формат SD (Secure Digital) на сегодняшний день является наиболее популярным. Он и его модификации используются везде: в цифровых плеерах и фотоаппаратах (даже в зеркальных), в КПК и мобильных телефонах. Вероятно причина этого заключается в его постоянной поддержке и развитии со стороны многих компаний.

Представлен же SD был в 1999 году компаниями Matsushita и Toshiba. Полноразмерная карточка Secure Digital по своим габаритам такая же, как и MMC – 32x24x2.1 мм. Большая толщина объясняется наличием блокирующего от записи ключа. Впрочем, спецификация SD позволяет делать карты и без оного (они называются Thin SD), тогда тощина снижается до 1.4 мм.

Изначально выход SD ставил своей целью конкуренцию с MemoryStick (о нем рассказывается ниже), который поддерживал DRM-защиту медиа-файлов. Тогда компании-разработчики ошибочно предположили, что гиганты медиа-индустрии так насядут на онлайн-магазины, что все файлы будут защищены DRM. Вот и решили подсуетиться.

В основу Secure Digital легли спецификации MMC. Именно поэтому карт-ридеры SD запросто работают с MMC. Почему не наоборот? Для оберегания контактов от износа у карт SD они были несколько утоплены в корпус. Поэтому контакты карт-ридера, нацеленного только на работу с MMC, просто не достанут до контактов SD-карты.

В плане разнообразия форматов SD не менее "скромный", чем его предшественник. Прежде всего стоит отметить, что было представлено еще два форм-фактора: miniSD (20х21.5х1.4 мм) и microSD (11x15x1). Последний изначально был создан SanDisk и назывался как T-Flash, а затем как TransFlash. А после его адаптировала в качестве стандарта ассоциация SD Card Association.

Остальные различия касаются емкости карточек. И тут есть определенная путаница. Началась она еще с первого поколения карт, которые достигли объема 2 Гбайта. SD-карта идентифицируется 128-битным ключом. Из них 12 бит используются для обозначения числа кластеров памяти и еще 3 бита для обозначения числа блоков в кластере (4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 или 512 - итого 8 значений, что соответствует трем битам памяти). Ну а стандартный размер блока для первых версий составлял 512 байт. Итого 4096х512х512 дает 1 Гбайт данных. Приплыли.

Когда "сверху" недостаток емкости стал поджимать появилась версия 1.01 спецификации, позволявшая использовать дополнительный бит для дополнительного определения объема блока - он теперь мог быть 1024 или 2048 байт, а максимальная емкость соответственно выросла до 2 и 4 Гбайт. Но вот незадача - старые устройства могли некорректно определять размер новых карт памяти.

В июне 2006 года появилась новая редакция стандарта - SD 2.0. Ему даже новое имя дали - SDHC или Secure Digital High Capacity (Secure Digital высокой емкости). Название говорит само за себя. Основное нововведение SDHC – возможность создания карточек объемом до 2 Тбайт (2048 Гбайт). Минимальная граница в принципе не ограничена, но на практике SDHC-карты имеют объем от 4 Гбайт. Примечательно, что искусственно ограничена максимальная граница - 32 Гбайт. Для более емких карт предлагается использовать стандарт SDXC (о нем ниже), хотя несколько производителей представили SDHC на 64 Гбайта.

Стандарт SD 2.0 использует для определения размера 22 бита данных, но четыре из них зарезервированы для будущего использования. Так что карт-ридеры, изначально не приспособленные для работы с SDHC, не смогут распознать новые карты памяти. Зато новое устройства запросто узнают старые карточки.

Вместе с анонсом формата SDHC появилась идентификация по скоростным классам. Их существует три варианта: SD Class 2, 4 и 6. Цифры эти обозначают минимальную скорость обмена данными для карточки. То есть карта с SD Class 6 обеспечит скорость минимум 6 Мбайт/с. Ну а верхняя граница естественно не ограничена, хотя пока что ситуация с картами SD обстоит примерно так же, как и с CompactFlash – самые быстрые представители достигли скорости 300х или 45 Мбайт/с.

Стоит добавить, что модернизации подверглись и миниатюрные форм-факторы. Про miniSDHC и microSDHC никто не забыл. Правда, попадаются в продаже в основном первые карточки. Сегодня их максимальный объем достиг уже 16 Гбайт, а на подходе 32 Гбайт варианты.

Ну и самая последняя новинка - стандарт . Назвали ли его версией 3.0 или нет, нам так выяснить не удалось. Однако от SDHC он отличается не столь значительно. Прежде всего для него сняли искусственное ограничение на максимальный объем, который теперь может достигать 2 Тбайт. Максимальная скорость обмена данными была повышена до 104 Мбайт/с, а в будущем обещают поднять ее до 300 Мбайт/с. Ну и в качестве основной файловой системы избрали exFAT (о ней рассказано ниже), тогда как SDHC довольствуется в большинстве случаев FAT32. Первые карточки SDXC уже были анонсированы и они имеют емкость 32 или 64 Гбайта. Но продуктов с их поддержкой еще потребуется обождать какое-то время.

Собственно о карточках SD все. Но в рамках этого стандарта выпустили еще несколько интересных вещей. К примеру, спецификацию SDIO (Secure Digital Input Output). Согласно ей используя форм-фактор и интерфейс карт SD можно создавать такие устройства как GPS-ресиверы, контроллеры Wi-Fi и Bluetooth, модемы, FM-тюнеры, Ethernet-адаптеры и др. То есть слот SD в этом случае служит неким аналогом USB.

SanDisk отличилась картами SD Plus, в которые сразу интегрирован USB-коннектор. Довольно интересную разработку представляет собой Eye-Fi. Это карта памяти со встроенным контроллером Wi-Fi. Последний может передавать данные с карточки на любой компьютер. Таким образом нет нужды даже извлекать ее из фотоаппарата или телефона.

Итого на сегодняшний день формат Secure Digital является самым популярным и быстрорастущим. Ему пока что пытается противостоять Sony со своими Memory Stick, но выходит у нее это плохо.

Memory Stick

Компания Sony известна своей нелюбовью к большинству форматов и стандартов, что не были разработаны ею. Оно и понятно - с них лицензионных отчислений не получишь. Так в итоге появились и DVD+R/RW и Blu-ray и карточки Memory Stick. Представленные в октябре 1998 года они до сих пор распространены только среди продукции Sony. Да и их выпуском занимается по большому счету только Sony и немного SanDisk. Итог этого закономерен: сравнительно слабая распространенность и более высокая цена, чем у других флэш-карт аналогичного объема.

За все время существования Memory Stick Sony выпустила целых семь модификаций. Причем, в отличие от MMC, все они в ходу. В итоге возникает закономерная путаница, а заодно производители карт-ридеров могут повысить число распознаваемых стандартов ихними продуктами.

Началось все с просто Memory Stick. Это вытянутая карта памяти размером 50х21.5х2.8 мм. Своей формой она чем-то напоминает пластинку жевательной резинки. Отличалась она, как мы писали выше, поддержкой DRM, которая так и не потребовалась. Емкость варьировалась от 4 до 128 Мбайт.

Со временем этого стало недостаточно, а поскольку обновленного стандарта еще не разработали, был анонсирован формат Memory Stick Select. Это обычная карточка Memory Stick, но внутри нее располагалось два чипа памяти по 128 Мбайт каждый. И между ними можно было переключаться при помощи специального переключателя на самой карте. Не очень удобное решение. Поэтому оно и было временным и промежуточным.

С малой емкостью удалось справиться выпустив в 2003 году Memory Stick PRO. Теоретически такая карта памяти может хранить до 32 Гбайт данных, но на практике более 4 Гбайт их не делали. Само собой большинство старых устройств не распознает PRO-версию, но зато новые запросто узнают Memory Stick первого поколения. Еще большую сумятицу вносит подвариант стандарта High Speed Memory Stick PRO. Такими были все Memory Stick PRO емкостью от 1 Гбайта. Понятно, что они могли работать в специальном высокоскоростном режиме. И очень радует, что все они обратно совместимы и с более старыми девайсами, только что скорость падала до обычной.

Со временем стало ясно, что потребуется идти по пути уменьшения карточек, а то "пластинки" Memory Stick далеко не везде удобно использовать. Так появились Memory Stick Duo размером 31х20х1.6 мм - чуть меньше Secure Digital. Но вот незадача, эти карты имели в своей основе первую версию стандарта Memory Stick, а вместе с ним и ограничение на максимальный объем. 128 Мбайт для 2002 года как-то уже совсем не солидно. Так и появился Memory Stick PRO Duo в 2003 году. И именно этот стандарт сегодня развивается более всего - уже существуют карты на 16 Гбайт, на подходе 32 Гбайт варианты, ну а теоретический предел по уверениям Sony составляет 2 Тбайта.

В декабре 2006 года Sony, совместно с SanDisk, анонсировала новую модификацию своих карт флэш-памяти - Memory Stick PRO-HG Duo. Его главное отличие от других вариантов - более высокая скорость работы. В дополнение к 4-битному интерфейсу обмена данными был добавлен 8-битный. Да и поднялась частота контроллера с 40 до 60 МГц. В итоге теоретический скоростной предел увеличился до 480 Мбит/с или 60 Мбайт/с.

Ну и следуя последнему писку моды в феврале 2006 года появился формат карточек Memory Stick Micro (или его еще называют M2), с габаритами 15х12.5х1.2 мм - это чуть больше microSD. Их емкость варьируется от 128 до 16 Гбайт, а теоретически может быть 32 Гбайта. Через переходник карта памяти M2 может быть вставлена в слот для Memory Stick PRO, но если ее объем более 4 Гбайт, то могут возникнуть определенные проблемы с распознанием.

Вот такая вот загогулина. Если разобраться, то в принципе и не сложно: Memory Stick – оригинальный формат не самых компактных размеров, Memory Stick PRO – вариант с большей емкостью и скоростью работы, Memory Stick (PRO) Duo - уменьшенная версия карточек, Memory Stick PRO-HG Duo – ускоренный вариант Memory Stick PRO Duo, Memory Stick Micro (M2) – самые маленькие Memory Stick. Теперь можно перейти к самому последнему стандарту - xD.

xD-Picture Card

Компании Olympus и Fujifilm посчитали, что существовавшие в первые годы этого века форматы флэш-карт не соответствуют ихним представлениям об идеальном хранилище данных для фотоаппаратов. Иначе чем объяснить разработку собственного стандарта xD-Picture Card?

Из названия формата следует, что он создан для хранения изображений. Но Olympus выпускает на его основе цифровые диктофоны, а Fujitsu - MP3-плееры. Впрочем, последних устройств куда меньше, чем фотоаппаратов с поддержкой xD. Однако если сравнить суммарный объем продаж цифровых камер Fujitsu и Olympus, то они никак не превзойдут показатели лидеров рынка - Canon и Nikon. А лидеры преспокойно используют CompactFlash в зеркальных камерах среднего и высшего уровней, а в остальных отлично прижился стандарт Secure Digital. Ну а раз распространение у карточек xD не очень большое, то в своем развитии они отстают от наиболее популярных форматов, а к тому же стоят дороже их. Примерно в 2-3 раза, если брать карты одной емкости.

Очевидно, что главная ориентация разработчиков формата xD (кстати, выпуском карт на его основе занимаются Toshiba и Samsung) заключалась в уменьшении размера карты памяти. Ее габариты следующие - 20х25х1.78 мм. Примерно как две Memory Stick Micro.

Емкость самой первой версии карт xD варьируется от 16 до 512 Мбайт. Представлены они были в июле 2002 года. Однако в феврале 2005 года появилось первое обновление, позволившее довести максимальный объем до 8 Гбайт. Новый стандарт назывался xD Type M. Увеличить объем удалось за счет применения MLC-памяти, которая в то же время оказалась более медленной. xD-карты Type M достигли объема 2 Гбайт. И пока что этот предел не преодолен ни Type M, ни более новыми стандартами.

Чтобы решить проблему скорости в ноябре 2005 года представили xD Type H. Этот формат был основан на памяти SLC, раз его выпуск решили прекратить в 2008 году из-за высокой себестоимости. Зато ему на смену в апреле 2008 года был выпущен Type M+. Карты этого формата примерно в 1.5 раза быстрее Type M.

Обратная совместимость различных версий форматов xD верна только для самых новых устройств - они запросто распознают более старые версии карточек. А вот старые устройства не обязательно узнают новые карты. Тут примерно такая же ситуация, как и у других стандартов.

Что касается скорости, то, как и в плане объема, xD совсем не блещет. Сегодня средняя скорость чтения Type M+ составляет 6.00 Мбайт/с (40х), а записи - 3.75 Мбайт/с (25х).

Итого формат xD-Picture Card в рознице более дорог, чем SD и CF. Карты памяти достаточно компактны, но их емкость уже не соответствует современным требованиям. Тоже самое касается и скорости работы. Для съемки видео с разрешением 640х480 при 30 кадров в секунду Type M+ еще достаточно. Но вот для сегодняшних зеркальных камер, снимающих кадры разрешением 12-24 МП и видео в формате 720p и 1080p этого явно мало. Тут совсем неплохо иметь карточку на 200-300х. Так что особого смысла в продолжении поддержки и развитии xD мы не видим. Не удивимся также, если вдруг его решат прикрыть, а следующее поколение камер переведут на SD и/или CF.

Аббревиатура SSD стала появляться в лентах новостей и названиях статей относительно недавно - пару лет назад. Причина этого в том, что массовой эта технология начала становиться только когда для хранения данных все чаще стала использоваться флэш-память, а упомянутые заголовки (и текст) новостей твердили о скором бурном росте этого рынка, попутно обещая вытеснение HDD. По крайней мере из сегмента ноутбуков и нетбуков.

Но самое интересное, что SSD не обязательно есть накопитель на основе флэш-памяти. SSD или Solid State Drive означает твердотельный накопитель. То есть тут важен скорее принцип, чем тип - для хранения данных используется "твердая" память. Память, которая не вращается, не вертится и не прыгает. Так что SSD вовсе не пару лет, а формально лет пятьдесят. Называлась тогда эта технология иначе, но опять же - тут важен принцип. А принцип сохранился.

Сегодня же актуальны два типа SSD: на основе энергозависимой памяти и на основе энергонезависимой. Первые - это те, что используют в своей основе SRAM или DRAM память. Еще их называют RAM-drive. Периодически такие SSD анонсируются производителями как сверхбыстрые носители данных. Некоторые из них даже позволяют самостоятельно наращивать объем, когда на плате банально установлены разъемы для обычных модулей памяти (DDR, DDR2 или DDR3 в самом современном варианте).

Ну а энергонезависимая память - это конечно же флэш. Создавать SSD на ее основе могли уже давно, но объемы такие накопителей были далеки от возможностей жестких дисков, а себестоимость значительно выше. Да и скорость не блистала. Но сегодня эти недостатки постепенно устраняются.

Первое поколение SSD имело емкость от 16 до 64 Гбайт, а стоили такие "флэшки" сотни и тысячи долларов. Это было примерно два года назад. Сегодня доступны варианты на 64-512 Гбайт при цене $200-1500. До винчестеров далеко, но уже куда лучше. За и на подходе SSD на 1 Тбайт в формате 2.5-дюймового жесткого диска. Напомним, что мобильные HDD пока не превысили объема 500 Гбайт. А настольные только-только добрались до отметки 2 Тбайта. Так что SSD идет вперед прямо-таки семимильными шагами.

Что касается скорости работы, то она также постоянно растет. Первое поколение SSD несколько отставало от мобильных жестких дисков, но современные накопители уже превзошли его. Достаточно вспомнить представленный в прошлом году SSD Intel X25-M, который имеет скорость чтения 250 Мбайт/с, а записи - 70 Мбайт/с. И стоит он не как полет на МКС - порядка $350 при объеме 80 Гбайт.

Конечно, существуют особо скоростные модели от Fusion-IO со скоростью чтения/записи 800/694 Мбайт/с или PhotoFast G-Monster PCIe SSD с 1000/1000 Мбайт/с, но оцениваются они в сумму как небольшой реактивный самолет. Ну и конечно же для обмена данными они используют не SerialATA, а обычный PCI Express x8 - этот стандарт пока еще способен обеспечить требуемую пропускную способность. Кстати, PCI Express x1 активно применяется для подключения SSD в нетбуках. Именно в таком формате выполнены их хранилища данных - в виде небольшой платы PCI-E x1.

Столь высокие скоростные показатели для SSD-накопителей были достигнуты благодаря параллельному считыванию данных сразу с нескольких чипов. К примеру упомянутый выше Intel X25-M работает по принципу RAID-массива уровня 0. То есть один бит пишется на первый чип, второй на второй и так далее. Организовать подобный механизм для обычной USB-флэшки или карты памяти крайне сложно, поскольку в них практически всегда устанавливается только один чип флэш-памяти.

Для увеличения емкости и снижения стоимости в SSD довольно часто используют MLC-память (в том числе и в X25-M). Более дорогие модели оснащаются SLC-чипами. Но если на USB-флэшку или какую-нибудь SD-карточку вы записываете данные сравнительно редко, то на SSD запись ведется непрерывно во время работы. Причем в большинстве случаев вы этого даже не знаете. Современные программы постоянно ведут различные логи; операционная система перемещает в своп-файл малоиспользуемые данные, высвобождая таким образом ОЗУ; даже элементарный доступ к файлу требует записи времени доступа.

Так что по-любому в SSD приходится устанавливать более долговечные чипы. Еще приходится беспокоиться об алгоритмах вычисления уровня износа и перераспределения данных - они должны быть более совершенными, чем у обычных флэшек. SSD-накопители даже имеют дополнительный чип энергозависимой кэш-памяти, как обычный жесткий диск. В кэше находятся данные об адресах блоков и данные об уровне износа. При выключении последние сохраняются на флэш-память.

В любом случае пока что технология SSD-накопителей на основе флэша продолжает бурно развиваться. Она предлагает несколько неоспоримых преимуществ перед HDD:

значительно меньшее время доступа к данным;
постоянная скорость чтения данных;
нулевой уровень шума;
меньшее энергопотребление.

На текущий момент остается довести число циклов перезаписи до такого количества, чтобы об этом можно было совсем не беспокоится. Емкость будет расти и без того. Не исключено, что в ближайшие 2-3 года она догонит и даже обгонит жесткие диски. Ну а цена падает сама собой, если технология перспективна, активно продвигается и уровень продаж постоянно растет. Не знаем, сможет ли SSD вытеснить HDD на рынке настольных компьютеров, но на мобильные они уже замахиваются.

Будущее

Собственно мы подошли к концу. Вывод из вышесказанного можно сделать следующий: флэш-память в будущем будет все больше распространяться и совершенствоваться. Пока не ясно, сможет ли она заменить жесткие диски, но задатки к этому у нее имеются. Но тут есть еще одна загвоздка - файловая система.

Современные файловые системы оптимизированы для использования вместе с жесткими дисками. А ведь HDD - это вовсе не SSD по своей структуре. Прежде всего доступ к данным на винчестере осуществляется при помощи LBA-адресации. Блок такого адреса позволяет вычислить на какой пластине, на какой дорожке и в каком секторе расположена запрашиваемая информация. Но вот незадача - у флэш нет пластин, дорожек и секторов. Но есть блоки, поделенные на страницы. Сегодня эта проблема решается трансляцией адресов из одного формата в другой, но куда удобнее было бы, если б все это происходило напрямую.

Еще одна особенность флэш-памяти - запись может осуществляться только в предварительно очищенные блоки. А эта операция занимает определенное время. Вот и неплохо бы очищать неиспользуемые совсем блоки во время простоя.

Современные дисковые файловые системы оптимизированы для минимизации времени доступа к данным - они стараются, чтобы их поиск происходил максимально быстро по диску. Но для флэш-памяти это просто неактуально - доступ ко всем блокам осуществляется одинаково быстро. Ну и не помешает поддержка вычисления уровня износа флэш-чипов со стороны файловой системы.

Так что дело ближайшего будущего - это выпуск новых файловых систем, оптимизированных для работы с флэш-памятью. Такие впрочем уже существуют, но современные ОС плохо их поддерживают. Примечательно, что одной из первых стала FFS2 от Microsoft, которую та выпустила еще в начале 90-х годов.

ОС Linux не отстает от прогресса. Для нее были созданы файловые системы JFFS, JFFS2, YAFFS, LogFS, UBIFS. Отличилась и Sun, разработав ZFS, которая недавно . Она оптимизирована не только для жестких дисков, но и для флэш-накопителей. Причем как для использования их в качестве основного хранилища, так и как кэша.

Тем не менее, сегодня самой популярной файловой системой для флэшек (не считая SSD) остается FAT и FAT32. Это просто удобнее всего. Они поддерживаются всеми операционными системами, не требуют драйверов. Но и их уже недостаточно для работы. К примеру ограничение на максимальный размер файла (4 Гбайта) уже становится неприемлемым.

Впрочем, у Microsoft есть замена - exFAT, ранее известная как FAT64. Как мы уже писали, она выбрана в качестве основной ФС для карт SDXC. Помимо оптимизации под флэш-память она поддерживает файлы размером до 16 экзабайт (16.7 миллионов терабайт), а в одну папку можно записать более 65536 файлов.

Поддерживается exFAT сегодня операционными системами Windows Mobile версии 6.0 и выше, Windows XP SP2 и выше, Windows Vista SP1, Windows Server 2008 и Windows 7 со сборки 6801. Заметим, что в Windows Vista флэш-накопитель на основе exFAT не способен использоваться как кэш в функции ReadyBoost. Соответствующая поддержка появится в Windows 7. Ну а что касается других ОС, то для Linux доступен бесплатный модуль ядра, позволяющий использовать exFAT только для чтения.

Так что наиболее перспективной ОС для флэш-приводов сегодня выглядит ZFS и exFAT. Но обе распространены весьма слабо, хотя у последней есть больше шансов стать популярной. Ее уже выбрали в качестве основной для карт SD последнего поколения и все наиболее популярные версии Windows ее "знают".

В остальном будем ждать дальнейшего наращивания емкости флэшек и снижения их стоимости. Технология эта очень хороша, поэтому мы желаем ей только успеха.

В статье рассказывается о принципах построения микросхем памяти и дается обзор различных видов памяти разрабатываемых и производимых компанией STMicroelectronics, одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов, в том числе микросхем па-мяти, и обладающей уникальной технологией производства Flash-памяти и программируе-мых систем памяти на одном кристалле.

Все статьи цикла:

1. Виды микросхем памяти компании STMicroelectronics

Уважаемый читатель! В последнее время на страницах специализированных журналов часто встречаются публикации посвященные микросхемам памяти различных производителей, в том числе и обзорные статьи. Вместе с тем, далеко не всегда при перечислении компаний-производителей микросхем памяти обращается должное внимание на одного из миро-вых лидеров в этой области - компанию STMicroelectronics. Для восполнения пробелов в данном вопросе и предназначена серия статей, первая из которых предлагается Вашему вниманию.

В настоящее время компания STMicroelectronics (ST) разрабатывает и производит в промышленных масштабах следующие виды микросхем памяти:

EPROM - широко представлена память с ультрафиолетовым стиранием и с однократным программированием, в том числе стандартные микросхемы памяти OTP и UV EPROM, усовершенствованные микросхемы памяти OTP и UV EPROM семейства Tiger Range, микросхемы нового типа памяти FlexibleROM, разработаного для замены Mask-ROM, а также микросхемы памяти PROM и RPROM компании WSI (США), вошедшей в состав ST;
EEPROM и SERIAL NVM (последовательная энергонезависимая долговременная память) - из последовательной перепрограммируемой энергонезависимой памяти выпуска-ются микросхемы памяти EEPROM с различным шинным интерфейсом, последовательная FLASH-память, стандартные микросхемы памяти специального назначения (ASM) и бескон-тактные (CONTACTLESS MEMORIES) микросхемы памяти;
Flash-память - в производстве у ST находятся микросхемы Flash-памяти: индустриального стандарта с различным питанием, микросхемы Flash-памяти с усовершенствованной архитектурой для различных областей применения, микросхемы с разнородной памятью и микросхемы Flash-памяти семейства "LightFlash";
SRAM - ST производит асинхронные маломощные микросхемы памяти SRAM с различным питанием и быстродействием;
NVRAM - имеются решения для SRAM с батарейной поддержкой по питанию и генераторов импульсов времени (часов истинного времени);
PSM - в соответствии со стратегическим направлением создания "систем на кристал-ле", ST разрабатывает и производит микросхемы программируемых систем памяти, которые обеспечивают комплексное системное решение памяти для микроконтроллеров и разработок на сигнальных процессорах (DSP);
Smartcard - в наличии большой ассортимент микросхем для Smartcard и систем обес-печения безопасности.

Виды и основные серии микросхем памяти производимых компанией STMicroelectron-ics представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Виды и основные серии микросхем памяти компании STMicroelectronics

EPROM, EEPROM и Flash - в чем разница?

Первыми технологиями энергонезависимой памяти были EPROM (стираемая программи-руемая постоянная память) и EEPROM (электронно-перепрограммируемая постоянная память). В EPROM данные могут быть записаны в память один раз и, впоследствии, считываться любое число раз. Если EPROM имеет специальный корпус с прозрачным окном, то содержимое памяти может быть стерто ультрафиолетовым облучением, а затем перепро-граммировано с новыми данными.

EEPROM более гибко. Она обеспечивает многократное перепрограммирование ячеек памяти, но плата за эту гибкость - более сложная структура ячейки памяти, что увеличивает стоимость и понижает плотность хранения. По этой причине EPROM используется главным образом в качестве удобной памяти для хранения больших объемов кодов программы, а EEPROM для хранения параметров и другой информации, которая нуждается в регулярном обновлении.

В последние годы в полупроводниковой промышленности наблюдается быстрый рост в секторе электронной Flash-памяти, которая находит все большее применение во многих устройствах телесвязи, автомобильной электронике, компьютерах и бытовых приборах, но которую не многие изготовители полупроводниковых изделий могут производить в промышленных объемах и недорого для потребителя.

Flash-память относится к классу полупроводниковой памяти с долговременным хранением (NON-VOLATILE) или энергонезависимой от внешнего питания. До ее появления наибо-лее востребованными видами памяти на рынке была DRAM (динамическое ОЗУ с произвольной выборкой) и SRAM (статическое ОЗУ с произвольной выборкой). Несмотря на их энергозависимость это обусловлено возможностью обеспечения высокой скорости записи, что обязательно для оперативной памяти. Кроме того, малые размеры ячеек памяти DRAM позволяют получить высокую плотность для хранения, которая сегодня обычно составляет 256 Mбит и до 1 Гбит в перспективе. Преимуществом SRAM является меньшие непроизво-дительные затраты, а также (для некоторых типов) более высокая скорость чтения - обычно на порядок быстрее чем DRAM. DRAM и SRAM - одни из основных компонентов персональных компьютеров.

Технология Flash первоначально использовалась как вариант замены EPROM. Подобно EEPROM, Flash-память электрически стираема и фактически не имеет ограничений по числу циклов перепрограммирования, но, в отличие от EEPROM, микросхемы Flash-памяти дешевле в производстве и могут иметь очень большие емкости для хранения. Flash-память, в отличие от EEPROM, не надо стирать полностью перед перезаписью, что придает ей дополни-тельное преимущество. Она обычно организована в виде множества секторов, каждый из ко-торых может быть индивидуально перепрограммирован.

Развитие технологии Flash-памяти осуществляется по двум основным направлениям: уменьшение размеров ячеек за счет новых технологических процессов изготовления (0.25µ, 0.18µ, 0.13µ, 0.10µ ...) и оптимизации архитектуры памяти для конкретных приложений. По сравнению с DRAM Flash-память труднее в разработке и производстве. Поэтому ее развитие по плотности отстает от DRAM примерно на одну градацию. То есть, если DRAM произво-дится по 0.18µ технологии, то Flash-память будет производиться по 0.25µ технологии.

Преследуя честолюбивые замыслы, компания ST начала разрабатывать и производить Flash-память по новым технологиям опережающими темпами с целью выравнивая ее технологии с технологией DRAM. С этой же целью был создан Центр в Agrate (Италия). Надежды компании производить Flash с плотностью памяти не хуже чем у DRAM основаны на внедрении методов многоразрядной ячейки. Поэтому в ближайшей перспективе следует ждать появление микросхем Flash-памяти с емкостью до 1 Гбит.

Второй подход, который ST успешно реализует - развитие микросхем специального назначения с архитектурами, которые в максимально возможной степени оптимизированы для конкретных условий эксплуатации. Здесь многое зависит от тесного взаимодействия с ведущими производителями современной электронной аппаратуры и тенденциям ее развития. В этом направлении ST имеет значительное преимущество по сравнению с другими производителями Flash-памяти, особенно в области компьютерной периферии, средств связи и автоэлектроники.

Бурный рост применения Flash-памяти объясняется стремительным развитием электронных устройств и носит объективный характер. Например, на рынке сотовых телефонов сначала использовались микросхемы Flash-памяти с небольшой емкостью (1…4 Mб) для хранения кода. Затем функциональные возможности сотовых телефонов резко возросли вплоть до обеспечения Internet, GPS, интерактивной выдачи новостей, телевизионной конфе-ренц-связи и CD музыки. Каждая новая сервисная функция требует увеличения количества Flash-памяти для хранения кода, емкости которой за это время возросли до 128 Мб. Сейчас сотовый телефон оснащается фотокамерой, биометрическим сенсором, возможностью загрузки музыки и программ. Это означает, что если сейчас для сотового телефона в основном достаточно иметь 8 Мб Flash-памяти, то к концу 2004 года полностью будут задействованы имеющиеся сегодня возможности в 128 Мб Flash-памяти.

Более важно то, что стандартные микросхемы Flash-памяти не являются лучшим выбором для этих продуктов. Взаимоисключающие потребности в максимизации характеристик, уменьшения стоимости и потребляемой мощности могут быть осуществлены только частично и применительно для конкретного применения в сотовых телефонах.

Подобный рост можно предсказать и для различного рода приставок (Set-top box) и для рынка DVD. И здесь, чтобы соответствовать потребностям и требованиям этого рынка, который особенно чувствителен к стоимости и качественным характеристикам, нужна специализированная Flash-память с архитектурой оптимизированной для этого рынка (например, x32 архитектура с двумя банками памяти и 100 MГц характеристикой группового считывания), которая будет использоваться скорее чем стандартные микросхемы Flash-памяти.

Работа на опережение потребностей рынка помогла STMicroelectronics разработать новые изделия типа сверхбыстрого (25 нс!) времени выборки в микросхемах Flash-памяти для жесткого диска компьютера и первую в мире Flash-память на 32 Мбит, комбинирующую ар-хитектуру с двумя банками памяти и быстрый доступ с полнофункциональным режимом по-страничного доступа при питании 1,8 В для следующего поколения сотовых телефонов.

Flash, EPROM и EEPROM используют один и тот же базовый механизм плавающего затвора для запоминания данных, но различные методы для записи и чтения данных. В каждом случае, базовая ячейка памяти состоит из одного МОП-транзистора с двумя затворами: регулирующего, который связан со схемой управления чтения - записи, и плавающего, который локализован между регулирующим затвором и каналом МОП-транзистора (часть МОП-транзистора между истоком и стоком). Схема базовой ячейки EPROM приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Базовая ячейка EPROM

В отличие от стандартного МОП-транзистора, в микросхемах памяти имеются два затвора, которые полностью электрически изолированы слоем диоксида кремния от остальной части электрической схемы. Так как плавающий затвор физически очень близок к каналу МОП-транзистора, то даже очень малый электрический заряд на нем оказывает влияние на электрическое сопротивление транзистора. Применяя соответствующие сигналы к регули-рующему затвору, и измеряя изменение сопротивления транзистора, можно определить на-личие электрического заряда на плавающем затворе. Поскольку плавающий затвор электрически изолирован от остальной части схемы, требуются специальные методы для переноса на нем заряда. Один из методов состоит в заполнении канала МОП-транзистора электронами высокой энергии, прикладывая относительно высокое напряжение к регулирующему затвору и стоку МОП-транзистора. Некоторые из таких "горячих" электронов имеют достаточную энергию для пересечения потенциального барьера между каналом и плавающим затвором. При снятии высокого напряжения они остаются захваченными плавающим затвором. Имен-но такой метод используется для программирования ячейки памяти в EPROM и Flash-памяти.

Эта методика, известная как канальная инжекция горячими электронами (CHE), может использоваться для переноса заряда на плавающий затвор, но она не обеспечивает его сброса. Технология EPROM достигает этого за счет облучения всей матрицы памяти ультрафиолетовым светом, который придает захваченным электронам достаточно энергии для выхода из плавающего затвора. Это достаточно простой и эффективный метод стирания.

Второй метод удаления заряда основан на использовании так называемого туннельного эффекта. Электроны покидают плавающий затвор при прикладывании к истоку МОП-транзистора достаточно большого напряжения, которое заставляет электроны "прокладывать туннель" поперек изолирующей оксидной пленки к истоку. Число электронов, которые могут прокладывать туннель поперек изоляционного слоя в данном времени, зависит от толщины слоя и величины подаваемого напряжения. Для реальных уровней напряжения и ограниченного времени стирания изоляционный слой должен быть очень тонок - обычно 10 нм (100 Ангстрем).

Рис. 3. Базовая ячейка EEPROM

В микросхемах памяти EEPROM туннельный эффект используется для "зарядки" и "разрядки" плавающего затвора согласно полярности прикладываемого туннельного напряжения (рисунок 3). Поэтому, несмотря на то, что Flash-технология не просто прививка механизма стирания EEPROM на технологию EPROM, Flash-память может рассматриваться как запоминающее устройство, которое программируется подобно EPROM и стирается подобно EEPROM.

Наиболее существенное отличие EPROM от других двух видов памяти находится в толщине оксидной пленки, которая отделяет плавающий затвор от истока. В EPROM - это обычно 20…25 нм и этого достаточно много для реализации туннельного эффекта при прак-тических напряжениях. У Flash-памяти (рисунок 4) толщина туннельной оксидной пленки составляет 10 нм, и ее качество оказывает существенное влияние на характеристики и надежность микросхемы памяти. Это одна из основных причин того, что только относительно немногие производители электронных компонентов овладели технологией Flash-памяти, а еще меньшее количество способно квалифицировано надежно комбинировать Flash-технологию с другими КМОП компонентами для создания изделий типа микроконтроллеров со встроенной Flash-памятью.

Традиционно, плавающий затвор использовался для хранения одного информационного разряда, который считывался путем сравнения порогового напряжения МОП-транзистора с опорной величиной, но появились более сложные методы чтения - записи, которые позво-ляют различать более двух энергетических состояний плавающего затвора, что эквивалентно хранению двух и более битов на одном плавающем затворе. Это крупное научно-техническое достижение, потому что хранение двух битов в одной ячейке позволяет удвоить емкости микросхем памяти, не изменяя их физических размеров. STMicroelectronics - одна из немногих компаний, которая может предложить микросхемы Flash-памяти с архитектурой на основе многоразрядной ячейки.

Рис. 4. Базовая ячейка Flash

Хотя все микросхемы Флэш-памяти используют одну и ту же базовую запоминающую ячейку, имеется множество видов их связей в пределах всей матрицы памяти. Наиболее известными архитектурами являются NOR (НЕ) и NAND (И-НЕ). Эти условия традиционной комбинаторной логики определяют топологию матрицы памяти и виды связи к отдельным ячейкам при обращении к ним для чтения и записи.

Первоначально, имелось ясное различие между этими двумя существенно различными архитектурами. NOR устройства демонстрировали существенно более быстрые времена считывания (предоставляя лучшие возможности для хранения кода), а NAND устройства предлагали более высокие плотности хранения (так как ячейка NAND приблизительно на 40 % меньше чем ячейка NOR). Однако появление технологии многоразрядной ячейки сдвигает баланс явно к NOR архитектурам. Кроме того, надо учитывать, что в NOR архитектуре уси-лители считывания сигнала имеют прямой доступ к каждой ячейке памяти, а в NAND архитектуре сигнал усилителя считывания должен пройти через множество других ячеек, каждая из которых может вносить определенную погрешность. Поэтому маловероятно, что схема NAND может быть с двухразрядной ячейкой памяти, а для NOR архитектуры следует ожидать появления в скором времени четырехразрядной ячейки и ее преимущество окончательно утвердиться.

2. Микросхемы памяти EPROM компании ST

Компания STMicroelectronics (ST) производит весьма конкурентоспособные микросхемы памяти EPROM. Непрерывные усовершенствования технологии производства приводят к расширению их возможностей, более высокой емкости и понижению напряжения питания. Компания находится в числе мировых лидеров-производителей памяти типа OTP и EPROM с ультрафиолетовым стиранием, которая удобна для разработки, производства и для замены масочной ROM ввиду того, что они программируются на завершающей стадии производства.

Выпускаемые микросхемы обладают емкостью от 64 кбит до 64 Мбит при питании 5 и 3 В, достаточным быстродействием, различными корпусами, в том числе и для поверхностного монтажа. Организация памяти устройств может быть типа x8, x16 и x8/x16. Расшифровка обозначений микросхем памяти ST вида OTP и UV EPROM приведена на Рис.5.

Рис. 5. Маркировка микросхем EPROM ST

Набор продукции включает стандартные микросхемы с питанием 5 В и 3,3 В, усовершенствованные микросхемы семейства Tiger Range с питанием 3 В (2,7…3,6 В) и микросхемы нового семейства FlexibleROM™.

Микросхемы этих типов памяти доступны в FDIP керамических корпусах с окошком и PDIP пластиковых двурядных корпусах, а также в корпусах PLCC и TSOP для поверхностного монтажа. Основные параметры стандартных микросхем памяти EPROM приведены в таблице 1.

Таблица 1. OTP и UV EPROM

Обьем	Обозначение	Описание	Корпус
Питание 5 В
64 кб	M27C64A	64 кб (x8), 100 - 200 нс	FDIP28W, PLCC32
256 кб	M27C256B	256 кб (x8), 45 - 150 нс
512 кб	M27C512	512 кб (x8), 45 - 150 нс	FDIP28W, PDIP28, PLCC32, TSOP28
	M27C516	512 кб (x16), 35 - 100 нс	PLCC44, TSOP40B
1 Мб	M27C1001	1 Мб (x8), 35 - 150 нс
	M27C1024	1 Мб (x16), 35 - 150 нс
2 Мб	M27C2001	2 Мб (x8), 35 - 100 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27C202	2 Мб (x16), 45 - 100 нс	FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40B
4 Мб	M27C4001	4 Мб (x8), 35 - 150 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27C4002	4 Мб (x16), 45 - 150 нс
	M27C400	4 Мб (x8/x16), 50 - 100 нс	FDIP40W, PDIP40
8 Мб	M27C801	8 Мб (x8), 45 - 150 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27C800	8 Мб (x8/x16), 50 - 120 нс
16 Мб	M27C160	16 Мб (x8/x16), 50 - 120 нс	FDIP42W, PDIP42, PLCC44, SO44
32 Мб	M27C322	32 Мб (x16), 50 - 100 нс	FDIP42W, PDIP42, PSDIP42
	M27C320	32 Мб (x8/x16), 50 - 100 нс	TSOP48, SO44
64 Мб*	M27C642	64 Мб (x16), 80 - 100 нс	FDIP42W, PDIP42
	M27C640	64 Мб (x8/x16), 80 - 100 нс	TSOP48
Питание 3,3 В
16 Мб	M27V160	16 Мб (x8/x16), 100 - 150 нс	FDIP42W, PDIP42, SO44
32 Мб	M27V322	32 Мб (x16), 100 - 150 нс	FDIP42W, PDIP42

* в разработке

Усовершенствованная низковольтная серия Tiger Range

Для низковольтной серии Tiger Range компания STMicroelectronics использовала новейшую технологию OTP и UV EPROM. Структурные усовершенствования, связанные с толщиной основных слоев, позволили значительно улучшить электрические характеристики. Уменьшение на 25% толщины оксидного слоя затвора позволило снизить пороговое напряжение ячейки и увеличить скорость выборки при питании от 2,7 В и выше во всем температурном диапазоне от -40 до +85°C.

Улучшая электрические характеристики, ST стремиться обеспечить потребителя изделиями с новыми качествами и поэтому рекомендует заказчикам заменить "V" серию с питанием 3…3,6 В на серию "W" - Tiger Range, которая имеет лучшие характеристики при питании 2,7…3,6 В. Временные параметры для серии Tiger Range гарантируются двойным тестированием микросхем при напряжении 2,7 В и 3 В. Время доступа при питании 2,7 В маркируется на микросхеме и более быстрое время доступа специфицируется в описании.

Времена доступа для напряжения питания выше 2,7 В являются рабочими. Состав семейства микросхем Tiger Range приведен в таблице 2.

Таблица 2. OTP и UV EPROM типа Tiger Range, питание 3 В

Объем	Обозначение	Описание	Корпус
256 кб	M27W256	256 кб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP28W, PDIP28, PLCC32, TSOP28
	M27W512	512 кб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP28W, PDIP28, PLCC32, TSOP28
1 Мб	M27W101	1 Мб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27W102	1 Мб (x16), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40B
2 Мб	M27W201	2 Мб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27W202	2 Мб (x16), 100 нс (80нс/3В)	FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40B
4 Мб	M27W401	4 Мб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27W402	4 Мб (x16), 100 нс (80нс/3В) - 120 нс	FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40A
	M27W400	4 Мб (x8/x16), 100 нс (80нс/3В) - 120нс	FDIP40W, PDIP40, PLCC44
8 Мб	M27W801	8 Мб (x8), 100 нс (80нс/3В) - 120 нс	FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A
	M27W800	8 Мб (x8/x16), 100 нс (90нс/3В)	FDIP42W, PDIP42, PLCC44

Семейство UV и OTP EPROM Tiger Range характеризуется сверхмалым потреблением, высокой скоростью работы и одновременно быстрым доступом с коротким временем программирования. Время программирования микросхем одинаково как для пословного, так и побайтного режимов программирования. Для самых последних микросхем с плотностью 4 Мб и 8 Мб скорость программирования доведена до 50 мкс на слово или байт. Данные по потреблению и производительности серии Tiger Range приведены в таблице 3.

Таблица 3. Tiger Range

Обозначение	Объем (Организация)	Потребление	Скорость выборки	Скорость программирования
M27W256	256 кб (x8)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/байт
M27W512	512 кб (x8)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/байт
M27W101	1 Мб (x8)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/байт
M27W102	1 Мб (x16)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/слово
M27W201	2 Мб (x8)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/байт
M27W202	2 Мб (x16)	20мA при 5MГц	100 нс (80нс/3В)	100 мкс/слово
M27W401	4 Мб (x8)	15мA при 5MГц	80 нс (70нс/3В)	100 мкс/байт
M27W402	4 Мб (x16)	15мA при 5MГц	100 нс (80нс/3В)	100 мкс/слово
M27W400	4 Мб (x8/x16)	20мA при 8MГц	100 нс (80нс/3В)	50 мкс/слово
M27W801	8 Мб (x8)	15мA при 5MГц	100 нс (80нс/3В)	50 мкс/байт
M27W800	8 Мб (x8/x16)	30мA при 8MГц	100 нс (90нс/3В)	50 мкс/слово

Микросхемы низковольтной серии Tiger Range полностью совместимы по штырькам со стандартной серией 5В UV и OTP EPROM. Это гарантирует их полное соответствие для приложений, в которых микропроцессорное питание заменяется с 5 В на 3 В (таблица 4).

Таблица 4. Совместимость UV и OTP EPROM по питанию

3 В Обозначение	Объем (Организация)	5 В Обозначение
M27W256	256 кб (x8)	M27C256B
M27W512	512 кб (x8)	M27C512
M27W101	1 Mб (x8)	M27C1001
M27W102	1 Mб (x16)	M27C1024
M27W201	2 Mб (x8)	M27C2001
M27W202	2 Mб (x16)	M27C202
M27W401	4 Mб (x8)	M27C4001
M27W402	4 Mб (x16)	M27C4002
M27W400	4 Mб (x8/x16)	M27C400
M27W801	8 Mб (x8)	M28C801
M27W800	8 Mб (x8/x16)	M27C800

Уже много лет сохраняется тенденция к более высоким плотностям памяти. Отвечая требованиям потребителей, компания ST постоянно развивает как свои технологии производства, так и сами компоненты.

Гибкость EPROM, ее более низкие производственные издержки и возможность программирования на завершающей стадии производства ведут к тому, что многие заказчики теперь предпочитают использовать данный вид памяти вместо масочной ROM. Диапазон памяти EPROM ST включает много типов микросхем, которые могут легко использоваться взамен масочной ROM (таблица 5).

Таблица 5. Замена Mask ROM высокоплотной EPROM

Обозначение	Организация	Скорость выборки	Потребление
Питание 5 В
M27C801	x8	45 нс	35 мА при 5 MГц
M27C800*	x8/x16	50 нс	70 мА при 8 MГц
M27C160*	x8/x16	50 нс	70 мА при 8 MГц
M27C322*	x16	50 нс	50 мА при 5 MГц
M27C320*	x8/x16	50 нс	70 мА при 8 MГц
Питание 2,7 В (min)
M27W801*	x8	100 нс (80 нс/3В)	15 мА при 5 MГц
M27W800*	x8/x16	100 нс (90 нс/3В)	30 мА при 8 MГц

* заменяющие Mask ROM

Для примера рассмотрим более подробно 32 Mбит микросхему M27C320 (4M x 8 или 2M x 16), которая предназначена в основном для игральных автоматов, DVD проигрывателей и многих других приложений, где для микропроцессорных систем требуется много памяти для данных или программных кодов.

Логическая схема данного устройства приведена на рис. 6, а режимы работы представлены в таблице 6. В режиме чтения требуется одно питающее напряжения. Все входы совместимы c TTL схемами за исключением Vрр и A9 с напряжением 12 В для электронной подписи производителя микросхемы.

Рис. 6. Логическая схема M27C320

Таблица 6. Режимы работы M27C320

M27C320 имеет два вида режима чтения - пословный и побайтный. Вид чтения определяется уровнем сигнала на выводе BYTE. При высоком уровне сигнала на этом штырьке выбирается считывание по словам и контакт Q15A-1 используется для вывода данных по Q15. При низком уровне сигнала на BYTE устанавливается режим побайтового считывания и кон-такт Q15A-1 используется для адресации входа по A-1.

M27C320 имеет две функции управления и для получения данных на выходах они обе должны быть логически активны. Кроме того, должен быть выбран вид считывания по словам или по байтам. Выход E используется для выбора устройства и управления потреблением. Блокирующий выход (G) управляет выходом и используется для управления считыванием с ячейки данных к выходным контактам независимо от выбора устройства.

M27C320 имеет дежурный режим, в котором потребление понижается до 50 - 100 мкА. M27C320 переходит в этот режим при наличии высокого уровня логического сигнала на входе Е. В дежурном режиме все выходы находятся в состоянии высокого импеданса независимо от сигнала на входе G.

Поскольку EPROM обычно используются в больших массивах памяти, эти схемы имеют функцию двухлинейного управления, которая обеспечивает обращение к памяти нескольких устройств. Такая функция в M27C320 позволяет экономно расходовать пространство памяти и предупреждает конфликтные ситуации при обращении к памяти нескольких устройств.

Так как микросхемы памяти EPROM обычно работают в условиях неустановившихся переходных напряжений в цепях питания, для сглаживания тока рекомендуется на каждой схеме использовать керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ между Vcc и Vss и один электролитический конденсатор емкостью 4,7 мкФ между Vcc и Vss на каждые восемь микросхем. Этот конденсатор должен быть установлен около точки подключения электропитания на плате.

В поставляемых микросхемах M27C320 все ячейки памяти находятся в состоянии "1". Данные вводятся путем выборочного программирования "0" в требуемых местоположениях разрядов. Программируется только ноль, но в информационном слове могут присутствовать как единицы, так и нули. M27C320 находится в режиме программирования при напряжении на входе Vpp равном 12,5 В, на G - напряжение высокого логического уровня (Vih) и на Е подаются импульсы низкого логического уровня (Vil).

Запрограммированные данные поступают параллельно по 16 бит на контакты вывода данных. В режиме программирования уровни сигналов для адресации и входных данных должны соответствовать TTL логике, а питающее напряжение Vcc находиться в пределах 6,25 В ± 0,25 В.

Алгоритм программирования PRESTO III обеспечивает программирование всего массива с гарантированным временем до 100 с. Программирование слова осуществляется последовательностью импульсов 50 мкс на слово с проверкой.

Имеется возможность программирования нескольких M27C320 параллельно с различными данными. При этом используется высокий уровень логического сигнала на входе Е для запрета программирования. Проверка программирования осуществляется считыванием. Имеется режим доступа к электронной подписи производителя. Более подробные сведения приводятся в описании микросхемы .

Технология ST в отношении EPROM непрерывно совершенствуется. Новые перспективы открываются с внедрением новой архитектуры микросхем памяти, основанной на использовании многобитных ячеек памяти для получения высоких плотностей записи, начиная с емкости в 64 Mбит. Кроме того, каждая новая разработка содержит несколько фотолитогра-фических новшеств, улучшающих электрические характеристики микросхем.

С входом в состав STMicroelectronics компании WAFERSCALE INC. (США) открылись возможности поставок микросхем памяти типа PROM (programmable ROM) / RPROM (re-programmable ROM). Основные параметры семейства высокоэффективных PROM и RPROM микросхем памяти выполненных по КМОП технологии компании WSI приведены в таблице 7. Эти микросхемы доступны в трех температурных диапазонах работы: коммерческом (от 0 до +70°C), индустриальном (от -40 до +85°C) и военном (от -55 до +125°C). Кроме того, некоторые компоненты изготавливаются по стандарту для военного назначения (SMD), в том числе и EPROM (Таблица 8).

Таблица 7. КМОП PROM/RPROM компании WSI

Обозначение	Описание	Корпуса
WS57C191C	16 кб (2 кб x 8), 25 - 55 нс	CERDIP24, 0.6"; PLDCC28; PDIP24, 0.6"
WS57C291C	16 кб (2 кб x 8), 25 - 55 нс	PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3"
WS57LV291C	16 кб (2 кб x 8), 70 - 90 нс	CERDIP24, 0.3"
WS57C45 (заказ)	16 кб (2 кб x 8), 25 - 45 нс	CERDIP24, 0.3"; PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3"
WS57C43C	32 кб (4 кб x 8), 25 - 70 нс	CLLCC28; CERDIP24, 0.6"; PLDCC28; PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3"
WS57C49C	64 кб (8 кб x 8), 25 - 70 нс	CLLCC28; CERDIP24, 0.6"; Ceramic Flatpack24; PLDCC28; CLDCC28; PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3"
WS57C51C	128 кб (16 кб x 8), 35 - 70 нс
WS57C71C	256 кб (32 кб x 8), 35 - 70 нс	CLLCC32; CERDIP28, 0.6"; PLDCC32; CLDCC32; CERDIP28, 0.3"

Таблица 8. Military EPROM

Обозначение	Описание	Корпуса
WS57C128FB	128 кб (16 кб x 8), 35-70 нс	CLLCC32; CERDIP28, 0.6"; PLDCC32; CLDCC32
WS57C256F	256 кб (32 кб x 8), 35-70 нс	CLLCC32; CERDIP28, 0.6"; PLDCC32; CLDCC32; PDIP28 0.6"; CERDIP28, 0.3"
27C010L	1 Мб (128 кб х 8), 35 - 200 нс	CERDIP32, CLLCC32

Самой последней разработкой компании STMicroelectronics в области электрически про-граммируемых ПЗУ является семейство FlexibleROM™, которое может использоваться как простая замена для любого ПЗУ. Это одноразовое программируемое семейство, изготавливаемое по 0,15 мкм технологии компании ST, доступно потребителю с начальной емкостью памяти в 16 Mбит. Новое семейство микросхем памяти "FlexibleROM" относится к типу энергонезависимой памяти и предназначено для хранения программного кода. "FlexibleROM" - идеально подходит для использования вместо масочного ПЗУ (MaskROM) и перехода от Flash-памяти на ПЗУ после отладки программы, если в дальнейшем не планируется изменения программного кода.

Эти микросхемы памяти оптимизированы для хранения программного кода и могут использоваться в игровых приставках, DVD проигрывателях и в приставках к телевизору, а также в офисных устройствах автоматизации и для компьютерной периферии.

Семейство FlexibleROM имеет все необходимое, чтобы заменить масочное ПЗУ и обеспечить выгоды потребителю благодаря своей гибкости и стоимости модернизации. Основные характеристики микросхем данного семейства приведены в таблице 9.

Таблица 9. Семейство FlexibleROM

Микросхемы доступны как в "пустых", так и в предварительно запрограммированных версиях. Имеющаяся возможность предварительного программирование позволяет потребителю сократить время производственного цикла. Например, по сравнению с масочным ПЗУ экономия по времени составляет до двух недель при использовании программирования с кодом клиента при изготовлении микросхемы.

Благодаря технологии, основанной на флэш, время программирования также существенно уменьшено. Микросхемы FlexibleROM обеспечены типовой способностью многословной программы с большим потоком данных, что позволяет программировать устройство с емкостью 64 Mбит всего за девять секунд.

Еще одним преимуществом по сравнению с другими одноразово программируемыми ПЗУ является высокая производительность программирования, поскольку 100% функциональных возможностей массива памяти проверяются в ходе тестирования.

Микросхемы семейства памяти FlexibleROM используют питание напряжением от 2,7 В до 3,6 В для операций чтения и от 11,4 В до 12,6 В для программирования. Устройства организованы как x16-бит, при включении питания по умолчанию устанавливается режим памя-ти "Чтение", так что они могут читаться как ПЗУ (ROM) или ЭПЗУ (EPROM).

В настоящее время доступны образцы M27W016 (DIL или SM корпус) и M27W064 (SM корпус) и массовое производство уже начато. Разворачивается производство M27W032 (SM корпус), а 128-Mбит и 256-Mбит версии планируется начать производить в конце 2003 года.

Основные особенности памяти "FlexibleROM":

Стандартный набор команд.
Стандартная цоколевка масочного ПЗУ.
Стандартные корпуса масочного ПЗУ.
Полная тестируемость при программировании.
Прямая замена для любого ПЗУ.
Очень быстрое программирование (в 30 раз быстрее стандартной OTP).
Кодирование по заказу клиента быстрее, чем масочного ПЗУ (1-2 недели).
Бесплатный сервис предпрограммирования.
Эффективнее при использовании чем ROM и OTP.
Способность быстрого "в системе" однократного программирования.
Легкость модернизации емкости памяти.

В завершение краткого обзора микросхем памяти UV и OTP EPROM приведем некоторые данные по соответствию микросхем данного вида компании ST с микросхемами памяти других производителей (Таблица 10).

Таблица 10. Кросс-таблица EPROM

AMD	ST
Am27C128	57C128FB
Am27C256	57C256F
Am27H256	57C256F
ATMEL	ST
AT27C010/L	27C010L
AT27HC256/L	57C256F
AT27HC256R/R	57C256F
CYPRESS	ST
CY7C261	57C49C
CY7C263	57C49C
CY7C264	57C49C
CY7C271	57C71C
CY7C274	57C256F
CY7C291	57C291C
CATALYST	ST
CAT27128A	57C128FB
CAT27256	57C256F
CAT27HC256	57C256F
HITACHI	ST
HN27C256HG	57C256F
INTEL	ST
27C128B	57C128FB
27C256	57C256F
MICROCHIP	ST
27HC256	57C256F
OKI	ST
MSM27C256	57C256F
SANYO	ST
LA7620	57C64F
SGS-T	ST
M27128/A	57C128FB
M27256	57C256F
SHARP	ST
LH57126	57C128FB
SIGNETICS	ST
27HC128	57C128FB
TI	ST
TMS27C128	57C128FB
TOSHIBA	ST
TMM27128`	57C128FB
TMM27256	57C256F

В следующих выпусках журнала будут рассмотрены и другие виды микросхем памяти ST.

Литература:

Data sheet M27C320, STMicroelectronics, 2000

Микросхемы разного назначения применяются в составе электроники современной техники. Огромное многообразие такого рода компонентов дополняют микросхемы памяти. Этот вид радиодеталей (среди электронщиков и в народе) зачастую называют просто – чипы. Основное назначение чипов памяти – хранение определённой информации с возможностью внесения (записи), изменения (перезаписи) или полного удаления (стирания) программными средствами. Всеобщий интерес к чипам памяти понятен. Мастерам, знающим как программировать микросхемы памяти, открываются широкие просторы в области ремонта и настройки современных электронных устройств.

Микросхема памяти — это электронный компонент, внутренняя структура которого способна сохранять (запоминать) внесённые программы, какие-либо данные или одновременно то и другое.

По сути, загруженные в чип сведения представляют собой серию команд, состоящих из набора вычислительных единиц микропроцессора.

Следует отметить: чипы памяти всегда являются неотъемлемым дополнением микропроцессоров – управляющих микросхем. В свою очередь микропроцессор является основой электроники любой современной техники.

Набор электронных компонентов на плате современного электронного устройства. Где-то среди этой массы радиодеталей приютился компонент, способный запоминать информацию

Таким образом, микропроцессор управляет , а чип памяти хранит сведения, необходимые микропроцессору.

Программы или данные хранятся в чипе памяти как ряд чисел — нулей и единиц (биты). Один бит может быть представлен логическими нулем (0) либо единицей (1).

В единичном виде обработка битов видится сложной. Поэтому биты объединяются в группы. Шестнадцать бит составляют группу «слов», восемь бит составляют байт — «часть слова», четыре бита — «кусочек слова».

Программным термином для чипов, что используется чаще других, является байт. Это набор из восьми бит, который может принимать от 2 до 8 числовых вариаций, что в общей сложности даёт 256 различных значений.

Для представления байта используется шестнадцатеричная система счисления, где предусматривается использование 16 значений из двух групп:

Цифровых (от 0 до 9).
Символьных (от А до F).

Поэтому в комбинациях двух знаков шестнадцатеричной системы также укладываются 256 значений (от 00h до FFh). Конечный символ «h» указывает на принадлежность к шестнадцатеричным числам.

Организация микросхем (чипов) памяти

Для 8-битных чипов памяти (наиболее распространенный тип) биты объединяются в байты (8 бит) и сохраняются под определённым «адресом».

По назначенному адресу открывается доступ к байтам. Вывод восьми битов адреса доступа осуществляется через восемь портов данных.

Организация структуры запоминающего устройства. На первый взгляд сложный и непонятный алгоритм. Но при желании разобраться, понимание приходит быстро

Носители, использующие флэш-память, составляют самый многочисленный класс портативных носителей цифровой информации и применяются в подавляющем большинстве современных цифровых устройств. Различные типы карт флэш-памяти все чаще используются в цифровых камерах, карманных компьютерах, аудиоплеерах, мобильных телефонах и других портативных электронных системах.

спользование чипов флэш-памяти позволяет создавать миниатюрные и очень легкие энергонезависимые сменные карты памяти, обладающие к тому же низким энергопотреблением. Важным достоинством карт на основе флэш-памяти является также их высочайшая надежность, обусловленная отсутствием движущихся частей, что особенно критично в случае внешних механических воздействий: ударов, вибраций и т.п.

Основные недостатки таких носителей довольно большая цена самих карт флэш-памяти и высокая удельная стоимость хранимых на них данных, хотя в настоящее время наблюдается тенденция к значительному снижению цен на сменные карты флэш-памяти.

Самыми распространенными типами флэш-карт сегодня являются CompactFlash (CF), SmartMedia (SM), Securе Digital (SD), MultiMediaCard (MMC) и Memory Stick (MS), которые отличаются друг от друга интерфейсами, габаритами, скоростью чтения/записи и максимально возможной емкостью.

Впрочем, несмотря на разнообразие стандартов, выбор у пользователя не слишком велик. А точнее, этого самого выбора пользователю никто и не предлагает. Если взять такой сегмент рынка, как цифровые фотокамеры, то каждая камера рассчитана на определенный формат флэш-карт и нередко именно тип используемой флэш-памяти влияет на конечный выбор в пользу той или иной камеры.

На физическом уровне у флэш-памяти различных стандартов много общего, и в первую очередь это архитектура массива памяти и устройство самой ячейки памяти. Поэтому, прежде чем переходить к рассмотрению различных типов карт флэш-памяти, остановимся на базовых аспектах ее архитектуры.

Устройство ячейки флэш-памяти

ак известно, естественной для компьютера арифметикой является двоичная логика, когда вся информация кодируется с помощью логических нулей и единиц информационных битов. С позиции электроники двоичной логике соответствует два дискретных состояния сигнала, одному из которых приписывается значение логического нуля, а второму логической единицы. Соответственно и память, используемая в цифровой электронике, представляет собой организованное хранилище логических нулей и единиц. В простейшем случае каждая элементарная ячейка памяти хранит один бит информации, то есть либо 0, либо 1. Известные типы памяти различаются между собой лишь конструктивными особенностями элементарной ячейки памяти и принципами организации массива этих ячеек.

Рассмотрим для примера хорошо известную оперативную память с произвольным доступом, именуемую также RAM-памятью (Random Access Memory). По принципам действия RAM-память можно разделить на динамическую и статическую.

В статической памяти ячейки построены на различных вариантах триггеров на транзисторных схемах с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может находиться в одном из этих состояний и сохранять записанный бит как угодно долго: необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти статическая, то есть пребывающая в неизменном состоянии. Достоинством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггерная ячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает довольно много места на кристалле.

В динамической памяти элементарная ячейка представляет собой конденсатор, способный в течение короткого промежутка времени сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. Проще говоря, при записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля разряжается. При считывании данных конденсатор разряжается через схему считывания, и если заряд конденсатора был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение. Кроме того, поскольку при считывании конденсатор разряжается, то его необходимо зарядить до прежнего значения. Поэтому процесс считывания сопровождается подзарядкой конденсаторов (регенерацией заряда). Если в течение длительного времени обращения к ячейке не происходит, то постепенно за счет токов утечки конденсатор разряжается и информация теряется. В связи с этим память на основе массива конденсаторов требует периодического подзаряда конденсаторов, поэтому ее и называют динамической. Для компенсации утечки заряда применяется регенерация, основанная на циклическом обращении к ячейкам памяти, восстанавливающим прежний заряд конденсатора.

И статическая, и динамическая RAM-память представляет собой энергозависимую память, которая способна сохранять информационные биты только при наличии внешнего питания. Соответственно при отключении питания вся информация теряется.

Принципиальное отличие флэш-памяти от RAM-памяти заключается в том, что это энергонезависимая память, способная в течение неограниченного времени сохранять информацию при отсутствии внешнего питания.

В принципе, существует несколько типов энергонезависимой памяти, и в этом смысле флэш-память лишь одна из ее разновидностей.

Архитектура ПЗУ-памяти

Простейшим примером энергонезависимой памяти является ROM (Read-Only Memory), известная также как ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). В такой памяти массив ячеек представляет собой набор проводников, некоторое из которых остаются целыми, а остальные разрушаются. Данные проводники, выполняющие роль элементарных переключателей, организуются в матрицу путем подсоединения к линиям столбцов и строк (рис. 1). Замкнутому состоянию проводника можно присвоить значение логического нуля, а разомкнутому логической единицы. Если теперь измерить напряжение между одной из линий столбцов и строк (то есть получить доступ к определенной ячейке памяти), то его высокое значение (разомкнутое состояние проводника) соответствует логической единице, а нулевое (замкнутое состояние проводника) логическому нулю.

Основным недостатком ПЗУ является невозможность обновлять содержимое ячеек памяти, то есть записывать информацию. Когда-то такая память использовалась для хранения BIOS, однако сегодня этот тип памяти уже не применяется.

Другой тип энергонезависимой памяти перезаписываемое ПЗУ (ППЗУ) или EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory). Такая память может быть перезаписана только с помощью специальных программаторов. В настоящее время из-за сложности процесса перезаписи на смену ППЗУ приходит флэш-память (Flash Memory).

Сейчас уже довольно сложно определить происхождение термина «flash». В буквальном переводе с английского flash это вспышка, молния. Возможно, таким названием разработчики хотели подчеркнуть, что данная энергонезависимая память позволяет перезаписывать информацию со скоростью молнии. В любом случае название «flash» прочно закрепилось за этим типом памяти, хотя и не имеет никакого отношения ни к архитектуре памяти, ни к технологиям ее производства.

Структура CMOS-транзистора

Между флэш-памятью и динамической RAM-памятью, равно как и ROM-памятью, есть много общего. Принципиальное различие заключается прежде всего в строении самой элементарной ячейки. Если в динамической памяти элементарной ячейкой является конденсатор, то во флэш-памяти роль ячейки памяти выполняет CMOS-транзистор особой архитектуры. И если в обычном CMOS-транзисторе имеется три электрода (сток, исток и затвор), то во флэш-транзисторе (в простейшем случае) добавляется еще один затвор, называемый плавающим.

Обычный CMOS-транзистор может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. Рассмотрим принцип действия обычного транзистора на примере n-p-n-транзистора (рис. 2). В таком транзисторе области стока и истока имеют электронную проводимость (n-области), а область затвора дырочную проводимость (p-область). Сам транзистор выполнен в полупроводнике p-типа с дырочной проводимостью. Естественно, что за счет диффузии дырок из p-области в n-область и обратной диффузии электронов из n-области в p-область на границах переходов p- и n-областей формируются обедненные слои (слои, в которых отсутствуют основные носители зарядов), препятствующие протеканию тока. В обычном положении, то есть когда к затвору не прикладывается напряжение или подается отрицательный потенциал, транзистор находится в закрытом состоянии, то есть не способен проводить ток от истока к стоку. Ситуация не меняется, даже если приложить напряжение между стоком и истоком (при этом не принимаются во внимание токи утечки, вызванные движением под воздействием формируемых электрических полей неосновных носителей заряда, то есть дырок для n-области и электронов для p-области).

Однако если к затвору приложить положительный потенциал, то ситуация в корне изменится. Под воздействием электрического поля затвора дырки выталкиваются вглубь p-полупроводника, а электроны, наоборот, втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком. Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток говорят, что транзистор открывается. Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток, то есть закрывается.

В открытом состоянии напряжение между стоком и истоком близко к нулю, а в закрытом состоянии это напряжение может достигать высокого значения. Ситуация в данном случае аналогична ячейкам ПЗУ с замкнутыми и разомкнутыми проводниками. Закрытое состояние транзистора соответствует разомкнутому проводнику и может трактоваться как логическая единица, а открытое состояние транзистора соответствует замкнутому проводнику и может трактоваться как логический нуль. Проблема заключается лишь в том, что для задания транзистору того или иного состояния необходимо подавать управляющее напряжение на затвор, то есть данная структура позволяет записывать информацию (задавать значение нуля или единицы), но не дает возможности эту информацию сохранять, поскольку при отсутствии напряжения на затворе его состояние всегда становится закрытым. Поэтому нужно придумать такой способ, чтобы способность находиться в открытом или закрытом состоянии у транзистора сохранялась как угодно долго. Для этого в транзисторы, используемые во флэш-памяти, добавляется плавающий затвор, который служит для хранения заряда (электронов) в течение неограниченного времени.

Структура транзистора с плавающим затвором

Рассмотрим сначала ситуацию, когда на плавающем затворе нет электронов. В этом случае транзистор ведет себя подобно уже рассмотренному традиционному транзистору. При подаче на управляющий затвор положительного напряжения (инициализация ячейки памяти) он будет находиться в открытом состоянии, что соответствует логическому нулю (рис. 3). Если же на плавающем затворе помещен избыточный отрицательный заряд (электроны), то даже при подаче положительного напряжения на управляющий затвор он компенсирует создаваемое управляющим затвором электрическое поле и не дает образовываться каналу проводимости, то есть транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Рис. 3. Устройство транзистора с плавающим затвором и чтение содержимого ячейки памяти

Таким образом, наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе однозначно определяет состояние транзистора (открыт или закрыт) при подаче одного и того же положительного напряжения на управляющий затвор. Если подачу напряжения на управляющий затвор трактовать как инициализацию ячейки памяти, то по напряжению между истоком и стоком можно судить о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе. Получается своеобразная элементарная ячейка памяти, способная сохранять один информационный бит. При этом важно, чтобы заряд на плавающем затворе (если он там имеется) мог сохраняться там как угодно долго как при инициализации ячейки памяти, так и при отсутствии напряжения на управляющем затворе. В этом случае ячейка памяти будет энергонезависимой. Осталось лишь придумать, каким образом на плавающий затвор помещать заряд (записывать содержимое ячейки памяти) и удалять его оттуда (стирать содержимое ячейки памяти) в случае необходимости.

Помещение заряда на плавающий затвор (процесс записи) реализуется либо методом инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons), либо методом туннелирования Фаулера-Нордхейма (аналогично тому, как это делается при удалении заряда см. далее).

При использовании метода инжекции горячих электронов на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение (рис. 4), чтобы придать электронам в канале энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонким слоем диэлектрика, и туннелировать в область плавающего затвора (при чтении на управляющий затвор подается меньшее напряжение и эффекта туннелирования не наблюдается).

Рис. 4. Процесс записи и стирания информационного бита в транзистор с плавающим затвором

Для удаления заряда с плавающего затвора (процесс стирания ячейки памяти) на управляющий затвор подается высокое (порядка 9 В) отрицательное напряжение, а на область истока положительное напряжение (рис. 4). Это приводит к тому, что электроны туннелируют из области плавающего затвора в область истока (квантовое туннелирование Фаулера-Нордхейма Fowler-Nordheim, FN).

Рассмотренный нами транзистор с плавающим затвором может выступать в роли элементарной ячейки флэш-памяти. Однако однотранзисторные ячейки имеют ряд существенных недостатков, главный из которых плохая масштабируемость. Дело в том, что при организации массива памяти каждая ячейка памяти (транзистор) подключается к двум перпендикулярным шинам: управляющие затворы к шине, называемой линией слов, а стоки к шине, называемой битовой линией (в дальнейшем данная организация будет рассмотрена на примере NOR-архитектуры). Вследствие наличия в схеме высокого напряжения при записи методом инжекции горячих электронов все линии слов, битов и истоков необходимо располагать на достаточно большом расстоянии друг от друга для обеспечения требуемого уровня изоляции, что, естественно, сказывается на ограничении объема флэш-памяти.

Другим недостатком однотранзисторной ячейки памяти является наличие эффекта избыточного удаления заряда с плавающего затвора, который не может компенсироваться процессом записи. В результате на плавающем затворе образуется положительный заряд и транзистор остается всегда в открытом состоянии.

Двухтранзисторная ячейка памяти

Для того чтобы избежать недостатков однотранзисторных ячеек памяти, используют различные модификации ячеек памяти, однако главный базовый элемент транзистор с плавающим затвором остается в любом варианте ячейки памяти. Одним из модифицированных вариантов ячейки памяти является двухтранзисторная ячейка, содержащая обычный CMOS-транзистор и транзистор с плавающим затвором (рис. 5). Обычный транзистор используется для изоляции транзистора с плавающим затвором от битовой линии.

Преимущество двухтранзисторной ячейки памяти заключается в том, что с ее помощью можно создавать более компактные и хорошо масштабируемые микросхемы памяти, поскольку в данном случае транзистор с плавающим затвором изолируется от битовой линии. Кроме того, в отличие от однотранзисторной ячейки памяти, где для записи информации используется метод инжекции горячих электронов, в данном случае и для записи, и для стирания информации применяется метод квантового туннелирования Фаулера-Нордхейма, что позволяет снизить напряжение, необходимое для операции записи. Как будет показано в дальнейшем, двухтранзисторные ячейки используются в памяти с архитектурой NAND.

Ячейка SST

Описанными ячейками памяти не исчерпывается все многообразие возможных конструкций. Широкое распространение получили и другие типы ячеек памяти, например ячейка SST, разработанная компанией Silicon Storage Technology, Inc.

По принципу действия SST-ячейка во многом напоминает уже рассмотренную однотранзисторную ячейку памяти.

Однако в транзисторе SST-ячейки изменены формы плавающего и управляющего затворов (рис. 6). Управляющий затвор выровнен своим краем с краем стока, а его изогнутая форма дает возможность разместить плавающий затвор частично под ним и одновременно над областью истока. Такое расположение плавающего затвора позволяет, с одной стороны, упростить процесс помещения на него заряда методом инжекции горячих электронов, а с другой стороны, упростить процесс снятия заряда за счет эффекта туннелирования Фаулера-Нордхейма.

При снятии заряда туннелирование электронов происходит не в область истока, как у рассмотренной однотранзисторной ячейки, а в область управляющего затвора. Для этого на управляющий затвор подается высокое положительное напряжение. Под воздействием электрического поля, создаваемого управляющим затвором, происходит туннелирование электронов с плавающего затвора, чему способствует его изогнутая к краям форма.

При помещении заряда на плавающий затвор сток заземляется, а к истоку и к управляющему затвору подается положительное напряжение. Управляющий затвор формирует при этом канал проводимости, а напряжение между стоком и истоком «разгоняет» электроны, сообщая им энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, то есть для туннелирования на плавающий затвор.

В отличие от однотранзисторной ячейки памяти ячейка SST имеет и несколько иную схему организации массива памяти.

MLC-ячейки памяти

Все рассматривавшиеся до этого варианты ячеек памяти способны сохранять только один бит информации в расчете на одну ячейку. Однако существуют и такие ячейки, каждая из которых сохраняет по нескольку битов, это многоуровневые ячейки, или MLC (MultiLevel Cell).

Принцип работы многоуровневой MLC-ячейки памяти достаточно прост и во многом схож с принципом работы однотранзисторной ячейки на базе транзистора с плавающим затвором.

Как уже отмечалось при рассмотрении однотранзисторной ячейки памяти, наличие логической единицы или нуля определяется по значению напряжения на битовой линии и зависит от наличия или отсутствия заряда на плавающем затворе. Если на управляющий затвор подается положительное напряжение, то при отсутствии заряда на плавающем затворе транзистор открыт и напряжение между стоком и истоком мало, что соответствует логическому нулю. Если же на плавающем затворе имеется отрицательный заряд, своим полем экранирующий поле, создаваемое управляющим затвором, то транзистор оказывается в закрытом состоянии, что соответствует высокому напряжению между стоком и истоком (логическая единица). Понятно, что даже при наличии отрицательного заряда на плавающем затворе транзистор можно перевести в открытое состояние, однако для этого придется подать большее напряжение (пороговое напряжение) на управляющий затвор. Следовательно, об отсутствии или наличии заряда на плавающем затворе можно судить по пороговому значению напряжения на управляющем затворе. Поскольку пороговое напряжение зависит от величины заряда на плавающем затворе, то можно не только определить два предельных случая отсутствие или присутствие заряда, но и по величине порогового напряжения судить о количестве заряда. Таким образом, если имеется возможность размещать на плавающем затворе разное количество уровней заряда, каждому из которых соответствует свое значение порогового напряжения, то в одной ячейке памяти можно сохранять несколько информационных битов. К примеру, для того, чтобы с использованием такого транзистора сохранять в одной ячейке 2 бита, необходимо различать четыре пороговых напряжения, то есть иметь возможность размещать на плавающем затворе четыре различных уровня заряда. Тогда каждому из четырех пороговых напряжений можно поставить в соответствие комбинацию двух битов: 00, 01, 10, 11.

Для того чтобы иметь возможность записывать в одну ячейку 4 бита, необходимо различать уже 16 пороговых напряжений.

Ячейки MLC активно разрабатываются компанией Intel, поэтому технология памяти на основе MLC-ячеек получила название Intel StrataFlash.

Ячейки Saifun NROM и MirrorBit

Intel StrataFlash на базе MLC-ячеек не единственная технология, позволяющая сохранять несколько информационных битов в одной ячейке. Израильской компанией Saifun разработана еще одна технология Saifun NROM technology. Аналогичная технология под названием MirrorBit есть и у компании AMD. И хотя сама компания AMD заявляет о технологии MirrorBit как о своей разработке, возникают большие сомнения в ее правоте. Компания Saifun также усомнилась в авторских правах AMD и подала иск в суд, который был удовлетворен. В связи с этим мы будем рассматривать только технологию Saifun NROM technology.

Ячейка NROM (Nitrid ROM) по своей структуре напоминает транзистор с плавающим затвором. Управляющий затвор подключается к линии слов (Word Line), а сток и исток (они, кстати сказать, совершенно одинаковые), подключаются к двум разным линиям бит. Плавающий затвор выполнен из нитрида кремния (Si3N4) (рис. 7).

Принцип действия такого транзистора аналогичен принципу работы обычного транзистора с плавающим затвором, но за одним исключением. Дело в том, что нитрид кремния, из которого изготавливается плавающий затвор, препятствует «растечению» заряда, то есть позволяет локализовать его в ограниченном пространстве плавающего затвора. Фактически это позволяет сохранять два информационных бита с использованием одного затвора.

Для записи информационного бита в такую ячейку к управляющему затвору и одному из стоков/истоков подается напряжение. За счет инжекции горячих электронов через слой диэлектрика электроны проникают в плавающий затвор, локализуясь в области, ближайшей к тому стоку/истоку, к которому прикладывалось напряжение.

Удаление заряда с плавающего затвора происходит за счет процесса инжекции дырок, для чего на сток/исток подается положительное напряжение. Дырки, туннелирующие в область плавающего затвора, рекомбинируют с электронами, что приводит к уничтожению заряда.

Архитектура флэш-памяти

ассмотренная нами простейшая ячейка флэш-памяти на основе транзистора с плавающим затвором, способная сохранять один бит информации, может использоваться для создания массивов энергонезависимой памяти. Для этого нужно только соответствующим образом объединить в единый массив множество ячеек, то есть создать архитектуру памяти.

Существует несколько типов архитектур флэш-памяти, но наибольшее распространение получили архитектуры NOR и NAND.

Архитектура NOR

Самая простая для понимания архитектура флэш-памяти архитектура NOR (рис. 8).

Как уже отмечалось, для инициализации ячейки памяти, то есть для получения доступа к содержимому ячейки, необходимо подать напряжение на управляющий затвор. Поэтому все управляющие затворы должны быть подсоединены к линии управления, называемой линией слов (Word Line). Анализ содержимого ячейки памяти производится по уровню сигнала на стоке транзистора. Поэтому стоки транзисторов подключаются к линии, называемой линией битов (Bit Line).

Своим названием архитектура NOR обязана логической операции ИЛИ-НЕ (английская аббревиатура NOR). Логическая операция NOR над несколькими операндами дает единичное значение, когда все операнды равны нулю, и нулевое значение во всех остальных случаях. Если под операндами понимать значения ячеек памяти, то в рассмотренной архитектуре единичное значение на битовой линии будет наблюдаться только в том случае, когда значение всех ячеек, подключенных к данной битовой линии, равно нулю (все транзисторы закрыты).

Архитектура NOR обеспечивает произвольный быстрый доступ к памяти, однако процессы записи (используется метод инжекции горячих электронов) и стирания информации происходит достаточно медленно. Кроме того, в силу технологических особенностей производства микросхем флэш-памяти с архитектурой NOR, размер самой ячейки получается весьма большим и потому такая память плохо масштабируется.

Архитектура NAND

Другой распространенной архитектурой флэш-памяти является архитектура NAND, соответствующая логической операции И-НЕ. Операция NAND дает нулевое значение только в том случае, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех остальных случаях. Как мы уже отмечали, нулевое значение соответствует открытому состоянию транзистора, поэтому архитектура NAND подразумевает, что битовая линия имеет нулевое значение в случае, когда все подсоединенные к ней транзисторы открыты, и единичное значение когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Такую архитектуру можно организовать, если подключать транзисторы с битовой линии не по одному (как в архитектуре NOR), а последовательными сериями (рис. 9).

В сравнении с архитектурой NOR данная архитектура в силу особенностей технологического процесса производства позволяет добиться более компактного расположения транзисторов, а следовательно, хорошо масштабируется. В отличие от NOR-архитектуры, где запись информации производится методом инжекции горячих электронов, в архитектуре NAND запись осуществляется методом туннелирования FN, что позволяет реализовать более быструю запись, чем для архитектуры NOR. Чтобы уменьшить негативный эффект низкой скорости чтения, микросхемы NAND снабжаются внутренним кэшем.

Кроме рассмотренных нами архитектур NOR и NAND, во флэш-памяти используются и другие архитектуры, например AND, DiNOR и т.д., но они не получили массового распространения.

Типы флэш-карт

Настоящее время на рынке присутствуют карты флэш-памяти различных форматов, самые новые из которых это Secure Digital (SD), Memory Stick (MS), MultiMediaCard (MMC) и xD-Picture Card (XD). Не стоит также забывать и о хорошо зарекомендовавших себя форматах CompactFlash (CF) и SmartMedia (SM).

По оценкам некоторых аналитических изданий, в настоящее время 54% рынка занимают карты CF, на втором месте Memory Stick (25%), на третьем Secure Digital (10%), далее следуют SmartMedia (8%) и MultiMediaCard (3%).

Карты памяти CompactFlash представляют собой высококачественные универсальные перезаписываемые носители информации, ориентированные на бытовую электронику и компьютерное оборудование нового поколения. Компактность и надежность этих носителей делают их идеальным решением для использования в цифровых фотокамерах, персональных цифровых секретарях (PDA), МР3-плеерах, сотовых телефонах, карманных сканерах, фотопринтерах, портативных терминалах, магнитофонах, диктофонах, устройствах глобальной навигации и во многих других устройствах, оснащенных слотом CompactFlash.

CompactFlash является одним из старейших и самым распространенным в настоящий момент стандартом сменных карт флэш-памяти, а также прямым потомком карт PCMCIA. На карты этого стандарта приходится более 54% мирового рынка карт памяти. Первая серийная карта CompactFlash была изготовлена корпорацией SanDisk в 1994 году.

В октябре 1995 года была создана некоммерческая организация Compact Flash Association (CFA), куда помимо компании SanDisk вошли IBM, Canon, Kodak, HP, Hitachi, Epson и Socket Communications.

Размер карты CompactFlash составляет 43Ѕ36Ѕ3,3 мм, а интерфейсный разъем оснащен 50 контактами.

В настоящее время CompactFlash представляет собой наиболее выгодное решение в плане удельной стоимости хранимых носителем данных на основе флэш-памяти при объеме более 32 Мбайт.

Одним из главных достоинств карты CompactFlash является наличие встроенного ATA-контроллера, благодаря которому она совместима с IDE-интерфейсом, что подразумевает возможность эмуляции жесткого диска. На программном уровне карта ничем не отличается от винчестера: она обладает всеми необходимыми параметрами, такими как количество виртуальных цилиндров и головок. Обращение к карте выполняется с помощью стандартного аппаратного прерывания IRQ 14, и зачастую для работы с CompactFlash не нужны специальные драйверы.

Встроенный преобразователь напряжения питания позволяет подключать карты CompactFlash в слоты с напряжением как 3,3 В, так и 5 В.

Существует два типа карт CompactFlash: Type I и Type II, единственное различие между которыми заключается в толщине корпуса: у карт Type I толщина составляет 3,3 мм, а у Type II 5,5 мм. Однако карты CompactFlash Type I можно использовать в слотах Type I и Type II, а карты CompactFlash Type II только в слотах Type II.

Карты CompactFlash являются рекордсменами как по скорости чтения/записи, так и по максимальной емкости, что обусловливает их широкое распространение в среде профессиональных цифровых камер. Что касается скорости, то следует отметить, что многие производители выпускают различные как по скорости, так и по цене серии карт CompactFlash. Сегодня в розничной торговле доступны карты CF объемом 4 Гбайт. Если же говорить о скоростях чтения/записи, то здесь все зависит и от производителя, и от серии, и даже от объема карты.

Рассмотрим, к примеру, карты CompactFlash компании Kingston Technology серий Standard (емкость 256, 512 и 1024 Мбайт) и Elite PRO (емкость 2 и 4 Гбайт). Результаты, отражающие скорости последовательного чтения и записи, были получены с помощью тестового пакета IOmeter (рис. 10 и 11).

Рис. 10. Зависимость скорости последовательного чтения от размера запроса для карт формата CompactFlash

Рис. 11. Зависимость скорости последовательной записи от размера запроса для карт формата CompactFlash

Тестирование показало, что скорость линейного чтения у серии Elite PRO более чем в два раза превосходит скорость линейного чтения у серии Standard, причем у карты емкостью 2 Гбайт эта скорость выше, чем у карты емкостью 4 Гбайт, а у всех карт серии Standard скорость последовательного чтения одинакова.

При последовательной записи наблюдается примерно та же закономерность. Исключение составила карта серии Standart емкостью 512 Мбайт, у которой скорость последовательной записи при размере запроса более 32 Кбайт оказалась даже выше, чем у карты серии Elite PRO емкостью 4 Гбайт.

SmartMedia

Спецификация карт SmartMedia была предложена компанией Toshiba в 1996 году. Впрочем, первоначально эти карты имели менее благозвучное название: Solid-State Floppy Disk Card (SSFDC). Карты SmartMedia имеют наименьшую среди существующих сегодня носителей на основе флэш-памяти толщину всего 0,76 мм (как у кредитной карточки). Этот показатель был достигнут благодаря максимальной простоте устройства: внутри карты SmartMedia отсутствуют контроллеры и дополнительные схемы, а установлен лишь чип NAND-памяти. Такое решение позволило максимально уменьшить как размер (45Ѕ37Ѕ0,76 мм) и вес (около 2 г) самой карты, так и ее цену.

Компактность этих карт памяти позволяет использовать их в цифровых камерах, устройствах PDA, диктофонах, факс-аппаратах, принтерах, сканерах, электронных записных книжках и портативных терминалах. Кроме того, карты памяти этого типа могут применяться в оборудовании, требующем использования съемных микросхем памяти в целях обеспечения портативности, обновления ПО или наращивания объемов памяти для поддержки новых приложений.

Физический интерфейс карт SmartMedia представляет собой плоский разъем с 22 контактами. Передача данных осуществляется по 8-разрядной шине, а максимальное время доступа при чтении и записи в зависимости от емкости карты составляет от 50 до 80 нс.

Существует два вида карт SmartMedia, один из которых рассчитан на напряжение питания 3,3 В, а другой на 5 В. Вид карты легко определить по положению так называемого ключа срезанного угла в той части карты, где расположены контакты. Поскольку ключи у них расположены с разных сторон, эти виды карт несовместимы между собой, то есть невозможно подключить карту SmartMedia, рассчитанную на 3,3 В, в слот с напряжением питания 5 В, и наоборот.

MultiMediaCard

Карты стандарта MultiMediaCard появились в 1997 году как результат сотрудничества компаний SanDisk Corporation и Siemens AG/Infineon Technologies AG.

В 1998 году был сформирован альянс MMCA (MultiMediaCard Association), в состав которого вошли компании HP, SanDisk, Kodak, Hitachi, Infineon Technology, Lexar Media, Micron, Sanyo, Siemens и Nokia.

Стандарт был изначально «свободным», то есть лишенным каких-либо лицензионных ограничений.

На момент появления карты MMC были самыми миниатюрными (24Ѕ32Ѕ1,4 мм) и легкими (менее 2 г).

Карты MMC имеют всего семь контактов и осуществляют передачу данных через последовательный интерфейс, что обусловливает максимальную простоту их использования.

Эти карты ориентированы на применение в новейших цифровых видео- и фотокамерах, мобильных телефонах с интеллектуальными функциями и функциями загрузки/воспроизведения музыкальных записей, цифровых портативных аудиоплеерах, игрушках и игровых приставках, карманных ПК и электронных органайзерах.

Карты MultiMediaCard на 100% совместимы со всеми устройствами, использующими карты памяти типа Secure Digital.

В настоящее время начат выпуск Secure MultiMediaCard, имеющих встроенную схему защиты от несанкционированного доступа и копирования и совместимых со спецификацией SDMI.

11 ноября 2002 года было объявлено об утверждении стандарта на карты ММС уменьшенного размера, получившие название Reduced Size MultiMediaCards (RS-MMC). Размеры карт RS-MMC составляют 24Ѕ18Ѕ1,4 мм (полноформатные ММС имеют размеры 24Ѕ32Ѕ1,4 мм). Предусмотрена обратная совместимость карт RS-MMC с полноформатными носителями: при помощи механических переходников они могут быть использованы в изделиях, оснащенных слотами ММС.

По замыслу разработчиков основной сферой применения RS-MMC станут мобильные телефоны, смартфоны и коммуникаторы.

Другая разновидность карт MMC это HS-MMC (High Speed MMC), то есть высокоскоростные карты MMC, способные обеспечивать скорость передачи данных до 52 Мбит/с.

Присутствующие сегодня на рынке карты MMC имеют максимальный объем до 1 Гбайт, а средняя скорость чтения и записи составляет у них 2 Мбайт/с.

Карты типа SD были разработаны компаниями Matsushita, San Disk и Toshiba и представляют собой дальнейшее развитие стандарта MultiMediaCard. Эти карты являются представителями третьего поколения флэш-памяти.

Для продвижения нового формата три вышеупомянутые компании основали специальную организацию SD Association, членами которой в настоящее время являются уже более 200 производителей. Само название Secure Digital ясно указывает на поддержку этим носителем технологии защиты данных от несанкционированного копирования и доступа. В отличие от других типов сменных носителей на флэш-памяти, абсолютно все выпускаемые SD-карты оснащены специальной электронной схемой защиты данных и совместимы со спецификацией SDMI.

На карте может храниться как незащищенная (уровень 1), так и защищенная (уровни 2 и 3) информация. Информация может быть защищена от копирования либо уникальным идентификационным ключом карты (уровень 2), либо активным криптографическим алгоритмом (уровень 3), что дает владельцу карты уверенность в надежности защиты данных.

Несмотря на то что SD-карты появились относительно недавно, они уже широко используются в самых различных электронных приборах: в цифровых диктофонах и портативных плеерах, видеокамерах, автомагнитолах, карманных компьютерах, сотовых телефонах и мультимедийных проекторах.

SD-карты относятся к числу наиболее легких и компактных сменных карт: их размер составляет всего 24Ѕ32Ѕ2,1 мм, а вес 2 г. Внешне SD-карты очень похожи на MMC и соответствуют их размерам, за исключением большей толщины. Карты имеют девять контактов (у MMC их семь) и миниатюрный переключатель для защиты от случайного уничтожения хранимых данных.

В настоящее время на рынке представлены SD-карты с максимальным объемом до 1 Гбайт. Скорость чтения и записи зависит и от размера карты, и от производителя. Если, к примеру, сравнить две SD-карты емкостью по 512 Мбайт (Kingston и Transcend), то выяснится, что в режиме последовательной записи (рис. 12) производительность карты Transcend почти в четыре раза выше производительности карты Kingston. Так, при размере запроса более 64 Кбайт скорость последовательной записи для карты Transcend составляет 7,8 Мбайт/с, а для карты Kingston всего 1,75 Мбайт/с. Скорость линейной записи (рис. 13) также выше у карты Transcend и составляет 8,13 Мбайт/с (при размере запроса более 64 Кбайт/с), а у карты Kingston эта скорость равна 6,24 Мбайт/с.

Рис. 12. Зависимость скорости последовательной записи от размера запроса для карт формата SD

Для сравнения на рис. 12 и 13 показаны типичные скорости последовательного чтения и записи карты формата MMC, которые и при чтении, и при записи не превышают 1 Мбайт/с.

Стандарт Memory Stick был разработан компанией Sony, а его массовое внедрение началось в 1998 году. В настоящее время карты стандарта Memory Stick используются во всех без исключения цифровых фотоаппаратах Sony, что, впрочем, отнюдь не способствует их успешному продвижению на рынок. Именно поэтому последняя модель цифровой камеры Sony поддерживает карты уже двух стандартов: Memory Stick и куда более популярные CompactFlash.

Своему названию карты Memory Stick (память в пластинках) обязаны сходству с жевательными пластинками, да и габариты карточки памяти Memory Stick составляют 21,5Ѕ50Ѕ2,8 мм, что примерно соответствует размерам пластинки жевательной резинки.

Выпускается также модификация этого носителя со встроенной системой защиты от несанкционированного копирования и доступа к данным (MagicGate Memory Stick).

Сегодня компания Sony занимается внедрением носителя новой модификации, получившего название Memory Stick Duo. Эта карта совместима с обычной Memory Stick, но имеет меньшие размеры (20Ѕ31Ѕ1,6 мм) и меньший вес (всего 2 г), что позволит использовать ее в самых малых портативных устройствах, особо критичных к размеру сменных модулей памяти, например в мобильных телефонах и микрокомпьютерах. С целью облегчения интеграции нового стандарта в существующие системы предусмотрена полная обратная совместимость: при помощи специального картриджа Memory Stick Duo можно подключать к слотам для полноформатных карт Memory Stick.

В начале января 2003 года на проходившей в Лас-Вегасе выставке Consumer Electronics Show (CES) компания Sony объявила о планах по созданию карт флэш-памяти нового поколения Memory Stick PRO. Линейка новых носителей будет выпускаться в корпусах тех же форм и размеров, что и обычные Memory Stick. От ставших уже привычными синих карточек Memory Stick новые носители будут отличаться жемчужным цветом. Если же сравнивать технические характеристики, то, кроме увеличения емкости, карты Memory Stick PRO обладают гораздо более высокой скоростью обмена данными и усовершенствованными механизмами защиты данных. Что касается перспектив наращивания объема, то технически возможно создание Memory Stick PRO емкостью до 32 Гбайт. Максимальная скорость обмена, обеспечиваемая конструкцией носителей Memory Stick PRO, составляет 160 Мбит/с, а скорость записи не менее 15 Мбит/с.

Во всех носителях Memory Stick PRO будет использоваться технология защиты данных MagicGate. Помимо этого в них будет встроена и новая система защиты данных, позволяющая ограничивать доступ к хранимым на носителе файлам, предотвращая просмотр и распространение защищенных данных даже в случае утери или кражи карты.

Еще одно технологическое решение, реализованное при создании карт Memory Stick PRO, позволит избежать потери данных при преждевременном извлечении карты из слота. Даже если пользователь извлечет карту, не дождавшись окончания процесса записи, то после повторной установки носителя можно будет возобновить запись с того места, где она была прервана. При этом гарантируется сохранность не только данного файла, но и всей файловой системы карты.

В настоящее время на рынке представлены модели карт Memory Stick Pro объемом до 1 Гбайт, а также карты Memory Stick PRO DUO объемом до 128 Мбайт.

xD-Picture (XD)

Формат xD-Picture является самым молодым из всех рассмотренных выше форматов. Этот стандарт разработан компаниями Olympus и FujiFilm, но в силу своей новизны пока еще не получил широкого распространения.

Обозначение xD расшифровывается как eХtreme digital, что, по мнению разработчиков, акцентирует внимание на использовании этого носителя для хранения аудиовизуальных данных. Размеры карт xD-Picture составляют всего 20Ѕ25Ѕ1,7 мм, а вес 2 г, что на данный момент является абсолютным рекордом миниатюрности.

По замыслам разработчиков карты xD-Picture должны заменить морально устаревшие карты SmartMedia, максимальная емкость которых (в силу технологических причин) не превышает 128 Мбайт. Теоретически емкость карт xD может достигать 8 Гбайт. Кроме того, тенденция миниатюризации цифровых любительских камер требует и адекватной миниатюризации карт памяти.

Карты xD-Picture имеют 22-контактный интерфейс, совместимый с интерфейсом SmartMedia Card.

Максимальная скорость чтения данных с карт xD-Picture составляет 5 Мбайт/с, а скорость записи 3 Мбайт/с (для карт емкостью 16 и 32 Мбайт 1,3 Мбайт/с); напряжение питания 3,3 В; потребляемая при работе мощность 25 мВт. Как и SmartMedia, карты xD-Picture содержат только флэш-память и не оснащаются встроенным контроллером (в отличие, например, от CompactFlash).

В настоящее время максимальная емкость карт xD-Picture составляет 512 Мбайт.

Многие эксперты сходятся во мнении, что одной из основных причин небывалого спроса на флэш-память стало развитие рынка мобильных коммуникаций, хотя и не только это. Как известно, флэш-память - это одна из разновидностей энергонезависимой памяти (nonvolatile memory). В основе работы запоминающей ячейки данного типа памяти лежит физический эффект Фаули-Нордхайма (Fowler-Nordheim), связанный с лавинной инжекцией зарядов в полевых транзисторах. Как и в случае EEPROM, содержимое флэш-памяти программируется электрическим способом, однако основное ее преимущество по сравнению с той же EEPROM - высокая скорость доступа и довольно быстрое стирание информации. Считается, что название "флэш" применительно к типу памяти переводится как "вспышка". На самом деле это не совсем так. Одна из версий появления этого термина состоит в том, что впервые в 1989-90 гг. специалисты компании Toshiba употребили слово flash в значении "быстрый, мгновенный" при описании своих новых микросхем.

В настоящее время можно выделить две основные структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (логическая функция ИЛИ-НЕ) и NAND (логическая функция И-НЕ). Структура NOR состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации (рис. 1). Такая организация ячеек обеспечивает произвольный доступ к данным и побайтную запись информации. В основе структуры NAND лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (по 16 ячеек в одной группе), которые объединяются в страницы, а страницы - в блоки (рис. 2). При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение происходит к блокам или к группам блоков.


Рис. 1. Архитектура NOR.	Рис. 2. Архитектура NAND.

Ячейка традиционной флэш-памяти представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и "плавающим". Важная особенность последнего - способность удерживать электроны, т. е. заряд. Кроме того, в ячейке имеются электроды, называемые "сток" и "исток". При программировании между ними, за счет воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов благодаря наличию большей энергии преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтения данных из ячейки.

Различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее, чем в памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг к другу ячеек памяти NAND соединены последовательно, без контактных промежутков, достигается высокая плотность размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. Последовательная организация ячеек обеспечивает высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. Ввиду того, что туннелирование осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у памяти NAND ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет большее число циклов программирования/стирания. А поскольку туннелирование используется как для программирования, так и для стирания, энергопотребление микросхемы памяти оказывается низким. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Стоит также обратить внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а следовательно, снизить себестоимость. Но и 1 бит - далеко не предел. Еще в 1992 г. команда инженеров корпорации Intel начала разработку устройства флэш-памяти, одна ячейка которого хранила бы более одного бита информации. Уже в сентябре 1997 г. была анонсирована микросхема памяти Intel StrataFlash емкостью 64 Мбит, одна ячейка которой могла хранить 2 бита данных. Кроме того, сегодня существуют образцы с 4-битными ячейками. В такой памяти используется технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что их заряд делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация битов. Теоретически прочитать/записать можно и более 4 бит, однако на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении.

В число крупнейших производителей флэш-памяти входят корпорации Samsung Electronics, Toshiba, Spansion (AMD-Fujitsu), Intel, STMicroelectronics. Одно из направлений совершенствования их продукции - уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия флэш-памяти. В ближайшие годы производители флэш-памяти типа NAND намерены расширить рынок своих микросхем и начинить ими устройства, в которых сейчас используются жесткие диски или память других типов. В результате в память мобильного телефона можно будет записать несколько часов видео, а срок службы батарей в ноутбуках увеличится вдвое или более. Не исключено, что к концу десятилетия элементы NAND благодаря растущей емкости полностью вытеснят жесткие диски из некоторых моделей мини-ноутбуков.

Эволюция NAND отвечает закону Мура, т. е. каждые два года число транзисторов в микросхеме удваивается. Фактически же технология развивается еще быстрее. Если несколько лет назад элементы NAND изготавливались на устаревших производственных линиях, то теперь производители перевели этот процесс на самое современное оборудование, что ускорило развитие продуктов. Сейчас их емкость удваивается каждый год: например, за 4-Гбит микросхемами NAND 2005 г. последовали микросхемы емкостью 8 и 16 Гбит.

В качестве движущего фактора развития этой технологии выступает стоимость: элементы NAND дешевеют примерно на 35-45% в год. В прошлом году 1 Гбайт флэш-памяти обходился производителям устройств примерно в 45 долл. Эксперты полагают, что в этом году цена упадет до 30, в 2008-м - до 20, а к 2009 г. - до 9 долл. При цене 45 долл. за 1 Гбайт флэш-память оказывается почти в сто раз дороже памяти на жестких дисках, которую производители могут покупать примерно по 65 центов за гигабайт. Поэтому пока, даже при самых выгодных для флэш-технологии условиях сравнения, она неизбежно проигрывает по стоимости. С другой стороны, эта память дает заметный выигрыш в пространстве и потребляемой энергии.

Технология Robson

В конце прошлого года специалисты корпорации Intel (http://www.intel.сom) продемонстрировали технологию Robson, сокращающую время загрузки системы и приложений. ПК с такой технологией извлекает данные и приложения не с жесткого диска, а из дополнительной карты флэш-памяти и ПО Intel. Флэш-память работает быстрее, чем жесткий диск, так что время загрузки сокращается. При этом у ноутбуков должен увеличиться срок службы батареи, так как меньше работает электродвигатель жесткого диска. Считается, что Robson уменьшит время ожидания с момента нажатия на кнопку включения ПК до момента, когда на нем можно начинать работать, а также время перехода ПК из состояния ожидания в активное состояние и время запуска приложений. Карта Robson может вмещать от 64 Мбайт до 4 Гбайт памяти. Чем больше емкость, тем больше данных или приложений можно хранить на карте для ускорения их загрузки.

Intel разработала ПО для Robson, но сами кристаллы будут поставляться сторонними производителями. В Robson используется флэш-память типа NAND, которую производят Samsung, Toshiba и другие компании. Сама Intel пока выпускает флэш-память типа NOR, которая не применяется для операций "чтение-запись-стирание" подобного рода.

Флэш-память Spansion

Вообще говоря, Spansion (http://www.spansion.com) - это всемирно известная марка FASL LLC, компании, созданной совместно AMD и Fujitsu для разработки и производства флэш-памяти. Сегодня FASL LLC - крупнейший мировой производитель флэш-памяти NOR. Решения Spansion в области флэш-памяти применяются в аппаратуре AMD и Fujitsu во всем мире. Устройства флэш-памяти Spansion (рис. 3) охватывают широкий диапазон плотности и свойств и пользуются спросом в различных областях промышленности: в числе ее потребителей - лидеры рынков беспроводных устройств, сотовой телефонии, автомобилей, сетевого оборудования, телекоммуникаций и потребительской электроники. Существует множество продуктов Spansion Flash, в том числе устройства на основе современной технологии MirrorBit, награжденные призами продукты семейства одновременного чтения/записи (SRW), сверхнизковольтные устройства флэш-памяти с питающим напряжением 1,8 В и устройства с пакетной и страничной организацией памяти. Напомним, что именно специалисты корпорации AMD оказались первыми в разработке микросхем флэш-памяти, которые допускали одновременную запись и чтение информации. Это стало возможным благодаря делению кристалла на два независимых банка памяти. При использовании памяти данного типа можно хранить управляющие коды в одном банке, а данные - в другом. В таком случае не требуется прерывать программу, если нужно выполнить операцию стирания или записи в банке данных.

Технология Spansion MirrorBit (рис. 4) позволяет хранить два бита данных в одной ячейке памяти, что приводит к удвоению физической плотности памяти. Эта технология упрощает производство, что приводит к снижению издержек и повышению окупаемости. Ликвидируются как минимум 10% от общего количества шагов производственного процесса и 40% важнейших шагов производства по сравнению с технологией MLC NOR.

Рис. 4. Архитектура MirrorBit.

В начале прошлого года была представлена технология MirrorBit второго поколения, оптимизированная для использования в беспроводных решениях с напряжением питания 1,8 В. Она была позиционирована как наилучшее в отрасли решение по соотношению цена/производительность, а также как дающая самый широкий среди всех флэш-технологий NOR набор функциональных возможностей и самые высокие показатели плотности. Заявлено, что эта технология позволяет создавать многофункциональные продукты, которые поддерживают одновременное выполнение операций чтения/записи, высокоскоростной интерфейс пакетного режима, систему безопасности Advanced Sector Protection и крайне низкий уровень энергопотребления.

Первенство технологии MirrorBit по соотношению цена/производительность достигается за счет фундаментальных ее преимуществ перед технологией MLC с плавающим затвором, обеспечивающих увеличенный объем выработки, отличное качество и высокую пропускную способность производственных линий. Объем выработки для высокоплотных микросхем (емкостью от 128 до 512 Мбит) увеличен почти на 30% по сравнению с технологией MLC с плавающим затвором, что значительно улучшает структуру себестоимости автономных и многокристальных продуктов. Уменьшенное на 40% число критических уровней маскирования снижает чувствительность к дефектам в процессе изготовления и повышает качество готового продукта. И наконец, пропускная способность заводских производственных линий выросла на 10% за счет упрощения и рационализации процесса изготовления.

Технология MirrorBit была разработала Spansion специально для клиентов, требующих максимального соотношения цена/производительность по всему спектру приложений флэш-памяти. В результате производители устройств все чаще заменяют микросхемы с плавающим затвором и однобитовыми или многоуровневыми ячейками в мобильных телефонах высшего класса, КПК, цифровых камерах, серверах, телеприставках, принтерах, сетевом и телекоммуникационном оборудовании, игровых системах и навигационных устройствах.

Беспроводные устройства Spansion линии GL с напряжением питания 1,8 В и 3 В применяются для хранения данных и выполнения приложений в мобильных телефонах начального, среднего и высшего классов. Беспроводные устройства линии PL с напряжением питания 3 В также используются в многочисленных мобильных телефонах, начиная от самых простых моделей и заканчивая мощными многофункциональными телефонами с цветными дисплеями высокого разрешения.

Беспроводные устройства Spansion линии WS оптимизированы для мобильных телефонов высшего класса, поддерживающих полифонические мелодии, оснащенных цветными дисплеями и фотокамерами высокого разрешения, а также большим объемом внутренней памяти для хранения мультимедийной информации, видеоклипов и фотографий. В линию WS входят высокопроизводительные микросхемы на 1,8 В с пакетным доступом, поддержкой одновременного чтения и записи и улучшенной защитой секторов. Емкость этих устройств составляет от 64 до 256 Мбит; они могут применяться для хранения данных и выполнения приложений.

В устройствах Spansion линии GL-N большая емкость сочетается с высокой пропускной способностью и безопасностью. Они отлично подходят для нового поколения устройств домашней и автомобильной электроники, средств связи и сетевого оборудования, а также для мобильных устройств. В линии GL-N выпускаются 512-, 256- и 128-Мбит модули, образующие единую платформу интеграции флэш-памяти в самых различных устройствах. Совместимость по ПО, посадочным местам и физическому интерфейсу сокращает затраты на разработку и модернизацию продукции, поскольку для перехода на более емкие модули не нужно менять печатные платы и адаптировать ПО.

Компании Spansion LLC и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC, http://www.tsmc.com) заключили соглашение, позволяющее начать массовое производство микросхем на основе 110-нм технологии Spansion MirrorBit. По условиям соглашения TSMC предоставляет производственные мощности для изготовления продукции Spansion - беспроводных устройств серий GL, PL и WS, а также интегрированных устройств серии GL. TSMC внедряет на своих предприятиях 110-нм производственный процесс Spansion специально для изготовления ее продукции. Первоначально технология Spansion MirrorBit 110 нм применяется на 200-мм кремниевых пластинах.

В начале осени прошлого года Spansion объявила о предоставлении клиентам образцов флэш-памяти формата Package-on-Package (PoP) для миниатюрных и в то же время многофункциональных мобильных телефонов, КПК, цифровых камер и MP3-плееров. Новое решение Spansion формата PoP представляет собой компактный модуль памяти со встроенным контроллером, отличающийся малым количеством контактов, простотой интеграции и высокой производительностью. Эти устройства в первую очередь оценили производители мобильных телефонов, которые смогли расширить набор функций новых моделей без увеличения их массы и размера.

Высота новых устройств PoP Spansion, состоящих из модуля памяти и контроллера в вертикальной компоновке, составляет всего 1,4 мм. Устройства PoP отличаются высокой гибкостью - на совмещение любого модуля памяти с любым контроллером требуется буквально несколько недель. Решения PoP позволяют подобрать идеальное сочетание модуля памяти и контроллера для каждой задачи, а упрощенная процедура тестирования означает дополнительную экономию средств. Spansion придерживается системного подхода при разработке и выпуске флэш-памяти и стандартизации устройств PoP, принимает активное участие в работе ассоциации JEDEC и возглавляет группу JC11.2, отвечающую за рекомендации по разработке устройств PoP. Кроме того, компания прилагает максимум усилий к распространению устройств PoP, а также тесно сотрудничает с производителями наборов микросхем для обеспечения совместимости между ними.

В прошлом году производственные мощности Spansion были рассчитаны на выпуск 8-кристальных интегрированных модулей со 128-контактной основой формата 12х12 мм с шагом в 0,65 мм. За счет малой длины дорожек и низкой электрической емкости шины в устройствах PoP удается обойти ограничения на чистоту сигналов и точность синхронизации, характерную для памяти DDR с рабочей частотой 133 МГц. Архитектура, выбранная Spansion, позволяет обойтись меньшим количеством контактов и отказаться от передачи данных между модулем памяти и контроллером по поверхности печатной платы, что значительно упрощает структуру интегрированного устройства.

В устройствах Spansion PoP также применяется технология MirrorBit. Архитектура ORNAND открывает новые возможности для развития этой технологии. Она разрабатывается специально для беспроводных устройств и вспомогательных процессоров, которым требуются большие объемы данных и контроллеры, оптимизированные под выполнение конкретных задач.

Первые образцы одномодульных гигабитных устройств флэш-памяти для встроенных систем появились уже в октябре прошлого года. Гигабитные модули MirrorBit GL стали первыми устройствами, изготовленными по 90-нм технологии MirrorBit, и на момент выпуска обладали рекордной удельной емкостью среди одномодульных устройств флэш-памяти NOR. Они могут применяться для хранения данных и исполняемого кода в разнообразных встроенных системах, таких, как автомобильные системы навигации, устройства связи, игровые устройства и промышленные роботы.

Гигабитные устройства MirrorBit GL входят в ту же линию продукции, что и единственные в мире 512-Мбит модули флэш-памяти NOR. Перевод технологии MirrorBit на 90-нм производственный процесс и удвоение плотности флэш-памяти NOR позволили Spansion снизить стоимость компонентов, поскольку теперь разработчики встроенных систем могут обойтись одним одномодульным устройством вместо нескольких независимых устройств или дорогих многослойных устройств с несколькими модулями низкой емкости. Благодаря тому, что новинка продолжила существующую линию устройств, клиентам Spansion очень просто переходить на новые модули, это не требует никаких изменений в архитектуре уже разработанных встроенных систем.

Гигабитные модули Spansion MirrorBit относятся к семейству Spansion GL, в которое входят модули емкостью от 16 до 512 Мбит. Выпуском гигабитного устройства компания Spansion расширила ассортимент своей продукции от емкости в 1 Мбит до 1 Гбит. Вся новая продукция совместима с модулями предыдущих поколений (вплоть до 2 Мбит) на уровне программного интерфейса, аппаратного интерфейса и посадочных мест, что позволяет устанавливать их в старые платы. Гигабитные модули MirrorBit GL на уровне аппаратного интерфейса и посадочного места совместимы со всеми устройствами MirrorBit GL-M (230-нм техпроцесс), MirrorBit GL-A (200-нм) и MirrorBit GL-N (110-нм), а также с более старыми устройствами Fujitsu и AMD LV вплоть до тех, что производились по процессу 320 нм. Физическое исполнение модулей отвечает требованиям стандартов JEDEC. Рабочее напряжение гигабитных модулей MirrorBit GL составляет 3 В, скорость произвольного доступа при чтении - 110 нс, скорость последовательного доступа при чтении - 25 нс, емкость страничного буфера - 8 слов.

Гигабитные модули MirrorBit GL позволяют либо выполнять код непосредственно с флэш-памяти, либо копировать его с высокой скоростью в оперативную память. Они основаны на архитектуре NOR, которая гарантирует отсутствие плохих секторов, устраняет необходимость в проверке четности ECC и поддерживает стандартный параллельный интерфейс. Эти модули позволяют значительно упростить структуру и снизить стоимость встроенных систем. Для приложений, предъявляющих особые требования к защите, немаловажно, что в мегабитных модулях MirrorBit GL поддерживается технология улучшенной защиты секторов ASP (Advanced Sector Protection). Технология ASP позволяет разработчикам надежно защитить программные алгоритмы и параметры 64-разрядным ключом. Защита может устанавливаться индивидуально для каждого сектора с кодом или данными. Помимо этого, модулям можно присваивать электронные серийные номера (ESN). Номера ESN удобны для удаленной идентификации устройств, управления уровнем обслуживания и ведения журнала доступа для последующей тарификации. Эти средства защиты помогают обезопасить устройства от вредоносного кода и вирусов, а также от несанкционированного доступа.

Флэш-память Samsung

Занимая лидирующие позиции на рынке флэш-памяти NAND с 2002 г., Samsung Electronics (http://www.samsung.com) продолжает наращивать инвестиции в данное направление. Основная цель этих капиталовложений - ежегодное двукратное увеличение емкости носителей информации, что позволит и в дальнейшем сохранять лидирующие позиции и стимулировать рынок в направлении увеличения объемов памяти и предложения более приемлемых цен на продукты. В корпорации ожидают, что в дальнейшем флэш-память типа NAND будет применяться не только в цифровых фотокамерах, MP3-плеерах и 3G-телефонах, но и в других мобильных продуктах и цифровой потребительской электронике. Это обусловлено тем, что флэш-память данного типа признается наиболее надежным носителем для хранения данных повышенной емкости и отвечает самым широким потребительским запросам. Технология OneNAND объединяет в одной микросхеме ячейки флэш-памяти NAND, высокоскоростной SRAM-буфер и логический интерфейс, причем это единственный тип NAND-памяти, разработанный для сопряжения с флэш-памятью типа NOR. Вдобавок такая конструкция минимизирует потери хранящихся данных при отключении питания.

Кристаллы флэш-памяти нового типа, отличающиеся высокими показателями скорости чтения при расширенных возможностях хранения данных, Samsung Electronics выпустила еще в ноябре 2004 г. Гигабитная микросхема OneNAND Flash, производимая по 90-нм технологии, сочетала в себе свойства основных архитектур флэш-памяти - NAND и NOR. От памяти NOR новый тип унаследовал высокую скорость чтения и записи данных. Кроме того, OneNAND позволяет хранить и быстро копировать в оперативную память исполняемый код, что характерно для микросхем NAND. Напомним, что сходный принцип положен в основу кристаллов ORNAND, разработанных компанией Spansion. Samsung Electronics ориентировала кристаллы OneNAND на смартфоны, снабженные встроенными фотокамерами и способные исполнять приложения.

Весной прошлого года корпорация объявила о создании модуля флэш-памяти OneNAND объемом 4 Гбит, предназначенного для мультимедийных телефонов. Помимо высокой емкости, он отличается ультракомпактными размерами, высокой производительностью и низким энергопотреблением. Новый кристалл OneNAND имеет напряжение питания 1,8 В, и его энергопотребление по сравнению c памятью других типов, работающей при напряжении 3,3 В, почти вдвое ниже. Размеры нового чипа - 11х13х1,4 мм - существенно меньше, чем у конкурирующих устройств мобильной памяти той же емкости. Эти микросхемы отличаются высокой скоростью чтения - 108 Мбайт/с, что в четыре раза выше, чем у обычной NAND-памяти, а также скоростью записи - 10 Мбайт/с, что в 60 раз превосходит скорость записи флэш-памяти типа NOR. Для примера: на 4-Гбит модуле можно хранить 250 снимков, полученных с помощью 5-Мпиксел камеры сотового телефона, или более 120 музыкальных файлов.

С технической точки зрения 4-Гбит память OneNAND представляла собой четыре кристалла памяти OneNAND объемом 1 Гбит каждый, собранные в четырехслойном пакете (Quad Die Package). Кристаллы производились с использованием 90-нм техпроцесса, запущенного еще в ноябре 2004 г. Примерно в то же время южнокорейская корпорация сообщила о начале эксплуатации новой линии по производству микросхем флэш-памяти NAND. Мощности Line 14, запущенной на месяц раньше запланированного срока, предназначались для изготовления 4-Гбит модулей по нормам 70-нм технологии, а также 2-Гбит модулей по 90-нм техпроцессу.

По утверждениям представителей Samsung, размер ячейки микросхем памяти, произведенных по 70-нм технологии, составляет всего 0,025 мм2. При этом скорость последовательной записи примерно на 50% выше аналогичного показателя для микросхем емкостью 2 Гбит, изготовленных по 90-нм техпроцессу. Таким образом, теоретически новые 4-Гбит кристаллы флэш-памяти NAND могут использоваться для записи видео высокого разрешения в режиме реального времени. Новая линия на начальном этапе позволяла выпускать порядка 4 тыс. пластин в месяц, а к концу прошлого года ежемесячный объем производства составлял 15 тыс. пластин. Согласно данным Gartner Dataquest, доля 4-Гбит микросхем NAND к концу года составила около 30% от общего объема рынка NAND-памяти, оцениваемого в 8 млрд долл. Примечательно, что Samsung ежегодно удваивает емкость NAND-кристаллов начиная с 1999 г.

ПО XSR (eXtended Sector Remapper), разработанное в Samsung Electronics, оптимизирует производительность устройств флэш-памяти OneNAND для телефонов 3G, карманных компьютеров, переносных игровых систем и цифровых камер. Разработано пять различных программ, каждая из которых приспособлена к своей операционной среде, три из них созданы на базе Samsung XSR. PocketStore II оптимизирует использование OneNAND в мобильной среде Microsoft, Unistore используется на платформе Symbian, а TFS4 (Transactional File System 4) разработана для ОС реального времени (Real Time Operating Systems). Кроме того, Samsung предлагает программу RFS (Robust File System) для ОС Linux, а также версию TFS-4-Light для МР3-плееров. За счет использования Samsung XSR скорость чтения данных достигает 30 Мбайт/с, а скорость записи - 9 Мбайт/с. Это ПО упрощает процесс разработки высокопроизводительных, недорогих и экономичных портативных мультимедиа-систем.

Летом прошлого года Samsung Electronics завершила разработку первого твердотельного жесткого диска (Solid State Disk, SSD), созданного на основе флэш-памяти типа NAND, для применения в персональных и мобильных ПК (рис. 5). Как известно, твердотельные диски на базе флэш-памяти NAND - это носители информации, характеризующиеся низким энергопотреблением и малой массой и предназначенные для ноутбуков, субноутбуков и планшетных ПК (Tablet PC). Используя собственные микросхемы флэш-памяти NAND емкостью 8 Гбит - максимальной плотности из выпускаемых на тот момент полупроводниковой промышленностью в мире, Samsung Electronics получила возможность создавать твердотельные жесткие диски емкостью до 16 Гбайт (для сравнения: наиболее распространенная емкость шпиндельных жестких дисков в ноутбуках равна 40 Гбайт).

Энергопотребление SSD составляет менее 5% от показателей традиционных жестких дисков, что увеличивает более чем на 10% время автономной работы портативных ПК. Необходимо также отметить, что SSD на базе флэш-памяти NAND примерно вдвое легче обычных жестких дисков. Производительность SSD превосходит аналогичные показатели шпиндельных жестких дисков сопоставимого размера более чем на 150%. Скорость чтения с такого диска составляет 57 Мбайт/с, а скорость записи на него - 32 Мбайт/с.

В связи с отсутствием движущихся элементов твердотельные жесткие диски Samsung характеризуются минимальным уровнем шума и тепловыделения. Более того, SSD обеспечивают сверхвысокую надежность хранения данных и отлично зарекомендовали себя в условиях экстремальных температур и влажности, что позволяет применять такие диски в промышленности и военной технике.

Для совместимости твердотельные жесткие диски исполнены в корпусах, внешне напоминающих обычные жесткие диски. Samsung выпустила полную линейку твердотельных дисков: SSD формата 2,5 дюйма имели 16 кристаллов флэш-памяти NAND емкостью 4 Гбит или 8 Гбит и обеспечивали дисковое пространство 8 Гбайт или 16 Гбайт соответственно. 1,8-дюйм диски также были выпущены в двух модификациях - на 4 и 8 Гбайт. Твердотельные жесткие диски открыли новые ниши в индустрии хранения данных, особенно для мобильных устройств, не требующих высокой емкости.

Кристаллы NAND флэш-памяти емкостью 4 Гбит Samsung Electronics впервые анонсировала в сентябре 2003 г. Следуя принятой модели роста емкости модулей памяти (двукратное увеличение емкости каждые 12 месяцев), представленной доктором Чанг Гю Хвангом, президентом и исполнительным директором Samsung Electronics Semiconductor, последовательно выпускались пять поколений флэш-памяти NAND: 256 Мбит в 1999 г., 512 Мбит в 2000-м, 1 Гбит в 2001-м, 2 Гбит в 2002-м, 4 Гбит в 2003-м, 8 Гбит в 2004-м и 16 Гбит в 2005 г. Использование 70-нм технологического процесса при производстве 4-Гбит микросхем флэш-памяти типа NAND позволяет корпорации производить самые маленькие по размеру ячейки памяти - площадью 0,025 мкм2. Своим успешным развитием 70-нм технологический процесс обязан применению литографического оборудования, которое использует коротковолновые источники света на основе фторида аргона (ArF), позволяющие добиться необходимой точности размещения элементов на кристалле.

Микросхемы, произведенные по 70-нм технологии, демонстрируют высокие скоростные характеристики: скорость записи у них составляет 16 Мбайт/с, на 50% лучше, чем у современных 2-Гбит микросхем, выполненных по 90-нм технологии, что позволяет применять данный тип памяти для записи в реальном времени видеосигнала высокой четкости. Samsung Electronics также анонсировала выпуск первой 300-мм кремниевой пластины на новой технологической линии N14 на месяц раньше запланированного срока. Линия предназначена для выпуска 4-Гбит (70-нм технология) и 2-Гбит (90-нм) кристаллов флэш-памяти типа NAND. В конце 2005 г. корпорация опробовала технологический процесс при нормах 50 нм для производства 16-Гбит кристаллов NAND флэш-памяти; массовый выпуск этих модулей намечен на вторую половину текущего года.

Флэш-память Intel

Флэш-память NOR, разработанная корпорацией Intel в 1988 г., представляла собой энергонезависимую перезаписываемую микросхему памяти, нашедшую широкое применение в мобильных телефонах. В 2003 г. Intel представила новую технологию флэш-памяти, полное название которой звучало как StrataFlash Wireless Memory System. Она позволяла уменьшить объем модулей памяти, используемых в КПК и сотовых телефонах, а также снизить энергопотребление и стоимость флэш-памяти в упомянутых устройствах. В технологии StrataFlash были использованы элементы двух разных типов флэш-памяти: NAND и NOR. Как известно, технология NAND предназначается для хранения данных на внешних флэш-картах, а NOR подходит для хранения небольших программ для мобильных устройств. Доступ к флэш-памяти NOR осуществляется без проверки ошибок, поскольку в этом нет необходимости. Флэш-память NAND не имеет такой надежности, как NOR-память, но она дешевле в производстве, а, кроме того, чтение и запись данных в память NAND происходит намного быстрее, чем в NOR. Это быстродействие дополнительно увеличивается за счет использования в комплекте с этой памятью модулей ОЗУ. В StrataFlash инженеры Intel объединили два типа флэш-памяти, оптимизировав ее и для хранения данных, и для записи программ. Первый модуль памяти StrataFlash состоял из нескольких кристаллов, часть из которых была модулями ОЗУ, а другая представляла собой непосредственно флэш-память.

В начале прошлого года были представлены первые образцы продукции Sibley, предназначенной для рынка мобильных телефонов. Отметим, что, согласно прогнозам iSuppli, годовой объем продаж 3G-телефонов к 2008 г. достигнет 240 млн штук при ежегодном росте в 87%. Sibley - это кодовое наименование первого многоуровневого (Multi-Level Cell, MLC) модуля флэш-памяти NOR, который производится по 90-нм производственной технологии Intel. Семейство Sibley призвано обеспечивать высокую скорость считывания с кодированием "ожидания нуля" на частоте 108 МГц. Кроме того, скорость записи у такой памяти достигает 500 Кбайт/с, что важно для сохранения мультимедийных изображений в современных мобильных телефонах. Новое семейство продукции позволяет увеличить плотность флэш-памяти NOR благодаря использованию единого модуля емкостью 512 Мбайт. Обеспечивается поддержка различных интерфейсов памяти, что дает производителям мобильных телефонов большой уровень гибкости при проектировании.

Четвертое поколение флэш-памяти Intel с многоуровневыми ячейками (рис. 6) нацелено на ОЕМ-компании, работающие в области интегрированных решений, которым требуется высокая производительность и компактность устройств флэш-памяти. Это сочетание необходимо для самых разных платформ - от цифровых камер и бытовой электроники до сетевых маршрутизаторов, коммутаторов и КПК.

Рис. 6. Архитектура многоуровневой ячейки.

Осенью прошлого года Intel объявила о начале массовых поставок первых модулей MLC флэш-памяти NOR, производимых по 90-нм технологии. Новые модули Intel StrataFlash Cellular Memory (M18) обладают более высокой производительностью, более компактны и потребляют меньше энергии, чем предыдущие модули, производимые по 130-нм технологии, что полнее удовлетворяет потребности разработчиков мобильных телефонов, оснащенных камерами и цветными экранами, поддерживающих Интернет-браузеры, воспроизведение видео и т. д.

Модули M18 отличаются очень высокой скоростью чтения, благодаря чему могут использовать шину, работающую с той же частотой, что и наборы микросхем для мобильных телефонов следующего поколения (до 133 МГц). Это ускоряет выполнение пользовательских приложений, поскольку взаимодействие набора микросхем и памяти происходит быстрее, чем в модулях, выпускаемых по 130-нм технологии. Благодаря скорости записи, достигающей 0,5 Мбайт/с, модули M18 поддерживают трехмегапиксельные камеры и воспроизведение видео в формате MPEG4. OEM-производителям эти модули выгодны тем, что их программирование в заводских условиях выполняется в три раза быстрее, чем модулей, производимых по 130-нм технологии, что способствует снижению производственных расходов. На программирование модулей M18 и стирание записанных в них данных расходуется соответственно в три и два раза меньше энергии по сравнению с модулями предыдущего поколения, к тому же они поддерживают новый режим работы Deep Power Down, который дополнительно продлевает срок работы устройства без перезарядки аккумулятора. Кроме того, модули M18 отличаются повышенной плотностью монтажа: Intel предлагает микросхемы памяти объемом 256 и 512 Мбит, а также стандартные стековые решения объемом до 1 Гбит. Стандартные стеки Intel объединяют технологии NOR и RAM и поддержку нескольких архитектур шин, позволяя OEM-производителям быстрее разрабатывать новые устройства.

Чтобы помочь разработчикам ускорить интеграцию новых карманных устройств, корпорация Intel бесплатно предоставляет им ПО Intel Flash Data Integrator (Intel FDI) следующего поколения. ПО Intel FDI v7.1 обеспечивает открытую архитектуру, облегчающую интеграцию файловой системы флэш-памяти с ОС реального времени, и три новые функции, расширяющие возможности разработчиков: это Mountable USB, поддержка нескольких томов и поддержка буферов RAM.

Отметим также, что Intel первой в индустрии наладила выпуск многоуровневых микросхем флэш-памяти класса NOR емкостью 1 Гбит для мобильных устройств, используя передовую 65-нм производственную технологию.

Intel и Micron объединяют усилия

Корпорации Intel и Micron Technology (http://www.micron.com) создали новую компанию для производства флэш-памяти типа NAND. Объединяя опыт и производственные технологии, Intel и Micron рассчитывают усилить свою конкурентоспособность на прибыльном рынке флэш-памяти NAND и уже получили заказ от первого крупного клиента, корпорации Apple Computer. Модули флэш-памяти типа NAND по-прежнему пользуются большим спросом, поскольку они применяются в самых разных электронных устройствах, в том числе в музыкальных плеерах и цифровых камерах.

Новая компания, получившая название IM Flash Technologies, будет выпускать для Intel и Micron флэш-память, предназначенную для рынков бытовой электроники, сменных устройств хранения и карманных средств связи. В создание нового совместного предприятия Intel и Micron вложили примерно по 1,2 млрд долл., причем в ближайшие три года компании планируют инвестировать в нее еще столько же. Создание IM Flash планируется завершить к концу года; Intel и Micron уже заключили отдельные долговременные соглашения на поставку для корпорации Apple значительных объемов флэш-памяти типа NAND, которые будут выпущены новой компанией.

Как сообщается, 51% акций IM Flash будут принадлежать Micron, а 49% - Intel. Первые партии модулей флэш-памяти NAND будут выпущены на фабриках в Бойсе (шт. Айдахо), Манассасе (шт. Вирджиния) и Лехи (шт. Юта).

КАТЕГОРИИ