Viele Experten sind sich einig, dass einer der Hauptgründe für die beispiellose Nachfrage nach Flash-Speichern die Entwicklung des Mobilfunkmarktes war, aber nicht nur dieser. Wie Sie wissen, gehört Flash-Speicher zu den Arten des nichtflüchtigen Speichers. Der Betrieb einer Speicherzelle dieses Speichertyps basiert auf dem physikalischen Fowler-Nordheim-Effekt, der mit der Lawinenladungsinjektion in Feldeffekttransistoren verbunden ist. Wie beim EEPROM ist der Inhalt des Flash-Speichers elektrisch programmiert, sein Hauptvorteil gegenüber dem gleichen EEPROM ist jedoch die hohe Zugriffsgeschwindigkeit und das relativ schnelle Löschen von Informationen. Es wird angenommen, dass der Name „Flash“ in Bezug auf die Art des Speichers mit „Flash“ übersetzt wird. Eigentlich stimmt das nicht. Eine Version des Auftretens dieses Begriffs ist die zum ersten Mal in den Jahren 1989-90. Bei der Beschreibung ihrer neuen Chips verwendeten die Toshiba-Spezialisten das Wort „Flash“ im Sinne von „schnell, sofort“.

Derzeit gibt es zwei Hauptstrukturen für den Aufbau von Flash-Speichern: Speicher basierend auf NOR-Zellen (logische NOR-Funktion) und NAND (logische NAND-Funktion). Die NOR-Struktur besteht aus parallel geschalteten elementaren Informationsspeicherzellen (Abb. 1). Diese Zellenorganisation ermöglicht den wahlfreien Zugriff auf Daten und die byteweise Aufzeichnung von Informationen. Die NAND-Struktur basiert auf dem Prinzip der sequentiellen Verbindung von Elementarzellen, die Gruppen bilden (16 Zellen in einer Gruppe), die zu Seiten und Seiten zu Blöcken zusammengefasst werden (Abb. 2). Bei diesem Aufbau eines Speicherarrays ist ein Zugriff auf einzelne Zellen nicht möglich. Die gleichzeitige Programmierung erfolgt nur innerhalb einer Seite, beim Löschen erfolgt der Zugriff auf Blöcke oder Blockgruppen.

Eine herkömmliche Flash-Speicherzelle ist ein Transistor mit zwei isolierten Gates: einem Steuergate und einem Floating Gate. Ein wichtiges Merkmal letzterer ist die Fähigkeit, Elektronen, also Ladung, zu halten. Darüber hinaus enthält die Zelle Elektroden, die „Drain“ und „Source“ genannt werden. Beim Programmieren entsteht zwischen ihnen durch den Einfluss eines positiven Feldes auf das Steuergate ein Kanal – ein Elektronenfluss. Aufgrund der höheren Energie überwinden einige der Elektronen die Isolierschicht und fallen auf das Floating Gate. Darauf können sie mehrere Jahre gelagert werden. Ein bestimmter Bereich der Anzahl der Elektronen (Ladung) auf einem Floating Gate entspricht einer logischen Eins, und alles, was darüber liegt, entspricht einer Null. Beim Auslesen werden diese Zustände durch Messung der Schwellspannung des Transistors erkannt. Um Informationen zu löschen, wird eine hohe negative Spannung an das Steuergate angelegt und Elektronen vom Floating Gate bewegen sich (Tunnel) zur Quelle. Bei Technologien verschiedener Hersteller kann sich dieses Funktionsprinzip in der Art der Stromzufuhr und dem Auslesen der Daten aus der Zelle unterscheiden.

Die Unterschiede in der strukturellen Organisation zwischen NOR- und NAND-Speichern spiegeln sich in ihren Eigenschaften wider. Beim Arbeiten mit relativ großen Datensätzen sind Schreib-/Löschvorgänge im NAND-Speicher deutlich schneller als im NOR-Speicher. Da 16 benachbarte NAND-Speicherzellen ohne Kontaktlücken in Reihe geschaltet sind, wird eine hohe Zellendichte auf dem Chip erreicht, was eine höhere Kapazität bei gleichem technologischen Standard ermöglicht. Die sequentielle Organisation der Zellen sorgt für ein hohes Maß an Skalierbarkeit, was NAND-Flash zu einem Spitzenreiter im Wettlauf um die Erhöhung der Speicherkapazität macht. Die Programmierung von NAND-Flash-Speichern basiert auf dem Prozess des Elektronentunnelns. Da das Tunneln über den gesamten Kanalbereich der Zelle erfolgt, ist die Ladungserfassungsrate pro Flächeneinheit beim NAND-Speicher geringer als bei anderen Flash-Speichertechnologien, was zu einer höheren Anzahl von Programmier-/Löschzyklen führt. Und da Tunneling sowohl zum Programmieren als auch zum Löschen verwendet wird, ist der Stromverbrauch des Speicherchips gering. Das Programmieren und Lesen erfolgt Sektor für Sektor oder Seite für Seite in 512-Byte-Blöcken, um die übliche Sektorgröße von Festplattenlaufwerken zu emulieren.

Es ist auch zu beachten, dass in der Struktur des Flash-Speichers nur ein Element (Transistor) zum Speichern von 1 Bit an Informationen verwendet wird, während bei flüchtigen Speichertypen mehrere Transistoren und ein Kondensator erforderlich sind. Dadurch ist es möglich, die Größe der hergestellten Mikroschaltungen deutlich zu reduzieren, den technologischen Prozess zu vereinfachen und damit die Kosten zu senken. Aber 1 Bit ist noch lange nicht die Grenze. Bereits 1992 begann ein Team von Intel-Ingenieuren mit der Entwicklung eines Flash-Speichergeräts, dessen einzelne Zelle mehr als ein Bit an Informationen speichern konnte. Bereits im September 1997 wurde ein Intel StrataFlash-Speicherchip mit einer Kapazität von 64 Mbit angekündigt, dessen Zelle 2 Bit Daten speichern konnte. Darüber hinaus gibt es heute Samples mit 4-Bit-Zellen. Dieser Speicher nutzt die Multi-Level-Cell-Technologie. Sie haben einen normalen Aufbau, der Unterschied besteht jedoch darin, dass ihre Ladung in mehrere Ebenen unterteilt ist, denen jeweils eine bestimmte Bitkombination zugeordnet ist. Theoretisch können mehr als 4 Bits gelesen/geschrieben werden, in der Praxis gibt es jedoch Probleme bei der Beseitigung von Rauschen und dem allmählichen Austreten von Elektronen während der Langzeitspeicherung.

Zu den größten Herstellern von Flash-Speichern gehören Samsung Electronics, Toshiba, Spansion (AMD-Fujitsu), Intel und STMicroelectronics. Einer der Bereiche, in denen ihre Produkte verbessert werden müssen, ist die Reduzierung des Stromverbrauchs und der Größe bei gleichzeitiger Erhöhung des Volumens und der Geschwindigkeit des Flash-Speichers. In den kommenden Jahren wollen die Hersteller von NAND-Flash-Speichern den Markt für ihre Chips erweitern und sie in Geräte füllen, die derzeit Festplatten oder andere Speichertypen verwenden. Dadurch können mehrere Stunden Video im Speicher eines Mobiltelefons aufgezeichnet werden, und die Akkulaufzeit in Laptops verdoppelt sich oder mehr. Es ist möglich, dass NAND-Elemente aufgrund ihrer wachsenden Kapazität bis zum Ende des Jahrzehnts die Festplatten einiger Mini-Laptop-Modelle vollständig ersetzen werden.

Die Entwicklung von NAND folgt dem Mooreschen Gesetz, d. h. alle zwei Jahre verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip. Tatsächlich entwickelt sich die Technologie sogar noch schneller. Während NAND-Zellen vor einigen Jahren auf veralteten Produktionslinien hergestellt wurden, haben die Hersteller den Prozess inzwischen auf modernste Anlagen verlagert und so die Produktentwicklung beschleunigt. Mittlerweile verdoppelt sich ihre Kapazität jedes Jahr: Auf die 4-Gbit-NAND-Chips aus dem Jahr 2005 folgten beispielsweise 8-Gbit- und 16-Gbit-NAND-Chips.

Der treibende Faktor für die Entwicklung dieser Technologie sind die Kosten: NAND-Elemente werden jährlich um etwa 35–45 % günstiger. Letztes Jahr kostete 1 GB Flash-Speicher die Gerätehersteller etwa 45 US-Dollar. Experten gehen davon aus, dass der Preis in diesem Jahr auf 30 US-Dollar sinken wird, 2008 auf 20 US-Dollar und bis 2009 auf 9 US-Dollar. Bei einem Preis von 45 US-Dollar für 1 GB Flash-Speicher ergibt sich ein Preis fast hundertmal teurer sein als Speicher Festplatte, die Hersteller für etwa 65 Cent pro Gigabyte kaufen können. Selbst unter den günstigsten Vergleichsbedingungen für die Flash-Technologie sind daher vorerst zwangsläufig Kosteneinbußen zu verzeichnen. Andererseits sorgt dieser Speicher für einen spürbaren Gewinn an Platz und Energieverbrauch.

Spansion Flash-Speicher

Im Allgemeinen ist Spansion (http://www.spansion.com) die weltbekannte Marke von FASL LLC, einem von AMD und Fujitsu gemeinsam gegründeten Unternehmen zur Entwicklung und Herstellung von Flash-Speichern. Heute ist FASL LLC der weltweit größte Hersteller von NOR-Flash-Speichern. Die Flash-Speicherlösungen von Spansion werden weltweit in AMD- und Fujitsu-Produkten eingesetzt. Spansion-Flash-Speichergeräte (Abbildung 3) decken ein breites Spektrum an Dichten und Eigenschaften ab und sind in einer Vielzahl von Branchen gefragt, darunter auch bei Marktführern Kabellose Geräte, Mobiltelefonie, Autos, Netzwerkausrüstung, Telekommunikation und Unterhaltungselektronik. Es gibt viele Spansion Flash-Produkte, darunter auch Geräte, die darauf basieren Moderne Technologie MirrorBit, preisgekrönte Produkte zum gleichzeitigen Lesen/Schreiben (SRW), Ultra-Niederspannungs-1,8-V-Flash-Speichergeräte sowie Batch- und Seitenspeichergeräte. Erinnern wir uns daran, dass es die Spezialisten der AMD Corporation waren, die als erste Flash-Speicherchips entwickelten, die das gleichzeitige Schreiben und Lesen von Informationen ermöglichten. Möglich wurde dies durch die Aufteilung des Kristalls in zwei unabhängige Speicherbänke. Wenn Sie diesen Speichertyp verwenden, können Sie Steuercodes in einer Bank und Daten in einer anderen speichern. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, das Programm zu unterbrechen, wenn Sie einen Lösch- oder Schreibvorgang in der Datenbank durchführen müssen.

Die Spansion MirrorBit-Technologie (Abbildung 4) ermöglicht die Speicherung von zwei Datenbits in einer einzigen Speicherzelle, was zu einer Verdoppelung der physischen Speicherdichte führt. Diese Technologie vereinfacht die Produktion, was zu geringeren Kosten und höheren Erträgen führt. Im Vergleich zur MLC NOR-Technologie entfallen mindestens 10 % der gesamten Herstellungsprozessschritte und 40 % der kritischen Herstellungsschritte.

Anfang letzten Jahres wurde die MirrorBit-Technologie der zweiten Generation eingeführt, die für den Einsatz in drahtlosen 1,8-V-Lösungen optimiert ist. Sie wurde als beste Preis-Leistungs-Lösung der Branche positioniert und bietet außerdem die größte Auswahl aller Flash-Technologien. NOR-Set Funktionalität und die höchsten Dichten. Diese Technologie soll die Entwicklung funktionsreicher Produkte ermöglichen, die gleichzeitige Lese-/Schreibvorgänge, eine Hochgeschwindigkeits-Burst-Schnittstelle, Advanced Sector Protection und einen extrem niedrigen Stromverbrauch unterstützen.

Die Preis-Leistungs-Überlegenheit der MirrorBit-Technologie wird durch ihre grundlegenden Vorteile gegenüber der Floating-Gate-MLC-Technologie erreicht, die einen höheren Output, hervorragende Qualität und einen hohen Produktionsliniendurchsatz bietet. Die Ausbeute für High-Density-Chips (128 bis 512 Mbit Kapazität) wird im Vergleich zur Floating-Gate-MLC-Technologie um fast 30 % gesteigert, was die Kostenstruktur von Stand-Alone- und Multi-Chip-Produkten deutlich verbessert. Eine Reduzierung der Anzahl kritischer Maskierungsstufen um 40 % verringert die Empfindlichkeit gegenüber Fehlern im Herstellungsprozess und verbessert die Qualität des Endprodukts. Schließlich stieg der Durchsatz der Fabrikproduktionslinien durch die Vereinfachung und Rationalisierung des Herstellungsprozesses um 10 %.

Die MirrorBit-Technologie wurde von Spansion speziell für Kunden entwickelt, die ein maximales Preis-Leistungs-Verhältnis für die gesamte Palette von Flash-Speicheranwendungen fordern. Infolgedessen ersetzen Gerätehersteller zunehmend Floating-Gate-Chips durch Single-Bit- oder Multi-Level-Zellen Mobiltelefone High-End, PDAs, Digitalkameras, Server, Set-Top-Boxen, Drucker, Netzwerk- und Telekommunikationsgeräte, Spielesysteme und Navigationsgeräte.

Drahtlose Geräte der GL-Reihe von Spansion mit Versorgungsspannungen von 1,8 V und 3 V werden zum Speichern von Daten und zum Ausführen von Anwendungen in Mobiltelefonen der Einstiegs-, Mittelklasse- und Oberklasse verwendet. PL 3V-Funkgeräte kommen auch in zahlreichen Mobiltelefonen zum Einsatz, von einfachen Modellen bis hin zu leistungsstarken Feature-Phones mit hochauflösenden Farbdisplays.

Die drahtlosen Geräte der WS-Reihe von Spansion sind für High-End-Mobiltelefone optimiert, die polyphone Klingeltöne, Farbdisplays, hochauflösende Kameras und große Speicherkapazität unterstützen. interner Speicher zum Speichern von Multimedia-Informationen, Videoclips und Fotos. Die WS-Reihe umfasst leistungsstarke 1,8-V-ICs mit Burst-Zugriff, gleichzeitiger Lese-/Schreibunterstützung und verbessertem Sektorschutz. Die Kapazität dieser Geräte reicht von 64 bis 256 Mbit; Sie können zum Speichern von Daten und zum Ausführen von Anwendungen verwendet werden.

Die Spansion GL-N-Linie vereint hohe Kapazität mit hoher Leistung Durchsatz und Sicherheit. Sie sind ideal für die nächste Generation von Heim- und Automobilelektronik, Kommunikations- und Netzwerkgeräten usw mobile Geräte. Die GL-N-Reihe ist in 512-, 256- und 128-Mbit-Modulen erhältlich und bildet eine einzige Plattform für die Integration von Flash-Speicher in den meisten Fällen verschiedene Geräte. Kompatibilität in Software, Footprints und physischer Schnittstelle reduziert die Kosten für Produktentwicklung und Upgrades, da keine Notwendigkeit besteht, Leiterplatten auszutauschen oder Software anzupassen, um auf Module mit höherer Kapazität umzusteigen.

Spansion LLC und Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC, http://www.tsmc.com) haben eine Vereinbarung getroffen, um mit der Massenproduktion von Chips auf Basis der 110-nm-MirrorBit-Technologie von Spansion zu beginnen. Im Rahmen der Vereinbarung wird TSMC Produktionsanlagen zur Herstellung der drahtlosen Geräte der GL-, PL- und WS-Serie von Spansion sowie der integrierten Geräte der GL-Serie bereitstellen. TSMC implementiert den 110-nm-Herstellungsprozess von Spansion in seinen Anlagen speziell für die Herstellung seiner Produkte. Die 110-nm-Technologie von Spansion MirrorBit wird zunächst auf 200-mm-Siliziumwafer angewendet.

Anfang letzten Herbst kündigte Spansion an, dass es Kunden Muster-Package-on-Package (PoP)-Flash-Speicherprodukte für Miniatur-Mobiltelefone, PDAs, Digitalkameras und MP3-Player mit großem Funktionsumfang zur Verfügung stellen werde. Die neue PoP-Lösung von Spansion ist ein kompaktes Speichermodul mit integriertem Controller, das sich durch geringe Pinzahl, einfache Integration und hohe Leistung auszeichnet. Geschätzt wurden diese Geräte vor allem von Mobiltelefonherstellern, die den Funktionsumfang neuer Modelle erweitern konnten, ohne deren Gewicht und Größe zu erhöhen.

Die Höhe der neuen PoP Spansion-Geräte, bestehend aus einem Speichermodul und einem Controller in vertikaler Anordnung, beträgt nur 1,4 mm. PoP-Geräte sind äußerst flexibel – es dauert buchstäblich ein paar Wochen, jedes Speichermodul mit jedem Controller zu kombinieren. PoP-Lösungen ermöglichen Ihnen die Auswahl der idealen Speicher- und Controller-Kombination für jede Anwendung, und vereinfachte Tests bedeuten zusätzliche Kosteneinsparungen. Spansion verfolgt einen systematischen Ansatz bei der Entwicklung und Veröffentlichung von Flash-Speichern und der Standardisierung von PoP-Geräten, engagiert sich aktiv in der JEDEC-Vereinigung und leitet die JC11.2-Gruppe, die für Richtlinien für die Entwicklung von PoP-Geräten verantwortlich ist. Darüber hinaus unternimmt das Unternehmen alle Anstrengungen, PoP-Geräte zu vertreiben, und arbeitet auch eng mit Chipsatzherstellern zusammen, um die Kompatibilität zwischen ihnen sicherzustellen.

Im vergangenen Jahr war die Produktionskapazität von Spansion auf die Produktion integrierter 8-Chip-Module mit einer 128-Pin-Basis im 12x12-mm-Format und einem Rastermaß von 0,65 mm ausgelegt. Durch die Verwendung kurzer Leiterbahnlängen und geringer Buskapazität überwinden PoP-Geräte die Signalreinheits- und Timing-Einschränkungen von 133-MHz-DDR-Speichern. Die von Spansion gewählte Architektur ermöglicht weniger Pins und keine Datenübertragung zwischen dem Speichermodul und dem Controller entlang der Oberfläche der Leiterplatte, was die Struktur des integrierten Geräts erheblich vereinfacht.

Spansion PoP-Geräte verwenden auch die MirrorBit-Technologie. Die ORNAND-Architektur eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung dieser Technologie. Es wurde speziell für drahtlose Geräte entwickelt und unterstützt Prozessoren, die große Datenmengen benötigen, sowie Controller, die für bestimmte Aufgaben optimiert sind.

Die ersten Muster von Single-Modul-Gigabit-Flash-Speichergeräten für eingebettete Systeme erschienen im Oktober letzten Jahres. Gigabit MirrorBit GL-Module waren die ersten Geräte, die mit der 90-nm-MirrorBit-Technologie hergestellt wurden, und zum Zeitpunkt der Veröffentlichung verfügten sie über eine rekordverdächtige spezifische Kapazität unter den NOR-Flash-Speichergeräten mit einem Modul. Sie können zum Speichern von Daten und ausführbarem Code in einer Vielzahl eingebetteter Systeme verwendet werden, z Automobilsysteme Navigation, Kommunikationsgeräte, Spielgeräte und Industrieroboter.

MirrorBit GL Gigabit-Geräte gehören zur gleichen Produktlinie wie die weltweit einzigen 512-Mbit-NOR-Flash-Speichermodule. Durch die Umstellung der MirrorBit-Technologie auf einen 90-nm-Herstellungsprozess und die Verdoppelung der Dichte des NOR-Flash-Speichers konnte Spansion die Komponentenkosten senken, da Entwickler eingebetteter Systeme jetzt mit einem einzigen Einzelmodulgerät auskommen können, anstatt mit mehreren unabhängigen Geräten oder teuren Mehrschichtgeräten mit mehreren Modulen mit geringer Kapazität. Aufgrund der Tatsache, dass das neue Produkt die bestehende Gerätelinie fortführt, ist es für Spansion-Kunden sehr einfach, auf neue Module umzusteigen. Dies erfordert keine Änderungen in der Architektur bereits entwickelter eingebetteter Systeme.

Spansion MirrorBit Gigabit-Module gehören zur Spansion GL-Familie, die Module mit Kapazitäten von 16 bis 512 Mbit umfasst. Mit der Veröffentlichung des Gigabit-Geräts hat Spansion seine Produktpalette von 1-Mbit-Kapazität auf 1-Gbit-Kapazität erweitert. Alle neuen Produkte sind hinsichtlich Softwareschnittstelle, Hardwareschnittstelle und Footprints mit Modulen früherer Generationen (bis zu 2 Mbit) kompatibel, was den Einbau in alte Boards ermöglicht. Gigabit MirrorBit GL-Module sind auf Hardwareschnittstellen- und Footprint-Ebene mit allen MirrorBit GL-M- (230 nm), MirrorBit GL-A- (200 nm) und MirrorBit GL-N- (110 nm) Geräten sowie älteren Geräten von Fujitsu und kompatibel AMD LV-Geräte bis hin zu solchen, die im 320-nm-Verfahren hergestellt wurden. Das physikalische Design der Module entspricht den Anforderungen der JEDEC-Standards. Die Betriebsspannung der Gigabit-MirrorBit-GL-Module beträgt 3 V, die Direktzugriffsgeschwindigkeit beim Lesen beträgt 110 ns, die sequentielle Zugriffsgeschwindigkeit beim Lesen beträgt 25 ns und die Seitenpufferkapazität beträgt 8 Wörter.

Mit Gigabit MirrorBit GL-Modulen können Sie Code entweder direkt aus dem Flash-Speicher ausführen oder ihn mit hoher Geschwindigkeit in den RAM kopieren. Sie basieren auf einer NOR-Architektur, die garantiert, dass keine fehlerhaften Sektoren vorhanden sind, eine ECC-Paritätsprüfung überflüssig macht und eine standardmäßige parallele Schnittstelle unterstützt. Diese Module können den Aufbau eingebetteter Systeme erheblich vereinfachen und die Kosten senken. Für Anwendungen mit besonderen Sicherheitsanforderungen ist es wichtig, dass MirrorBit GL Megabit-Module die ASP-Technologie (Advanced Sector Protection) unterstützen. Mit der ASP-Technologie können Entwickler Softwarealgorithmen und -parameter zuverlässig mit einem 64-Bit-Schlüssel schützen. Der Schutz kann für jeden Sektor individuell mit Code oder Daten eingestellt werden. Darüber hinaus können Module elektronisch belegt werden Seriennummer(ESN). ESN-Nummern sind nützlich für die Remote-Geräteidentifizierung, das Service-Level-Management und die Zugriffsprotokollierung für die spätere Abrechnung. Diese Schutzmaßnahmen tragen dazu bei, Geräte vor bösartigem Code und Viren sowie vor unbefugtem Zugriff zu schützen.

Samsung Flash-Speicher

Samsung Electronics (http://www.samsung.com) nimmt seit 2002 eine führende Position auf dem NAND-Flash-Speichermarkt ein und erhöht weiterhin seine Investitionen in diesem Bereich. Das Hauptziel dieser Investitionen besteht darin, die Kapazität der Speichermedien jährlich zu verdoppeln, was es uns ermöglicht, unsere führende Position weiterhin zu behaupten und den Markt in Richtung einer Erhöhung der Speicherkapazität und eines günstigeren Produktpreises anzukurbeln. Das Unternehmen geht davon aus, dass NAND-Flash-Speicher künftig nicht nur in Digitalkameras, MP3-Playern und 3G-Telefonen, sondern auch in anderen mobilen und digitalen Produkten eingesetzt werden Unterhaltungselektronik. Dies liegt daran, dass Flash-Speicher dieser Art als das zuverlässigste Medium zum Speichern von Daten mit hoher Kapazität gelten und die umfassendsten Verbraucherbedürfnisse erfüllen. Die OneNAND-Technologie kombiniert NAND-Flash-Speicherzellen, einen Hochgeschwindigkeits-SRAM-Puffer und eine Logikschnittstelle in einem einzigen Chip und ist der einzige NAND-Speichertyp, der für die Schnittstelle mit NOR-Flash-Speicher ausgelegt ist. Darüber hinaus minimiert dieses Design den Verlust gespeicherter Daten bei einem Stromausfall.

Bereits im November 2004 brachte Samsung Electronics einen neuen Typ von Flash-Speicherchips auf den Markt, der sich durch hohe Lesegeschwindigkeiten und erweiterte Datenspeichermöglichkeiten auszeichnet. Der in 90-nm-Technologie hergestellte OneNAND-Flash-Gigabit-Chip vereint die Eigenschaften der wichtigsten Flash-Speicherarchitekturen – NAND und NOR. Der neue Typ erbte die hohe Geschwindigkeit beim Lesen und Schreiben von Daten aus dem NOR-Speicher. Darüber hinaus ermöglicht OneNAND das für NAND-Chips typische Speichern und schnelle Kopieren von ausführbarem Code in den RAM. Erinnern wir uns daran, dass den von Spansion entwickelten ORNAND-Kristallen ein ähnliches Prinzip zugrunde liegt. Samsung Electronics zielte mit OneNAND-Kristallen auf Smartphones ab, die mit integrierten Kameras ausgestattet sind und Anwendungen ausführen können.

Im vergangenen Frühjahr kündigte das Unternehmen die Entwicklung eines 4-Gbit-OneNAND-Flash-Speichermoduls für Multimedia-Telefone an. Neben hoher Kapazität zeichnet es sich durch ultrakompakte Abmessungen, hohe Leistung und geringen Stromverbrauch aus. Der neue OneNAND-Chip verfügt über eine Versorgungsspannung von 1,8 V und sein Stromverbrauch ist im Vergleich zu anderen Speichertypen, die mit 3,3 V arbeiten, fast halb so gering. Die Abmessungen des neuen Chips sind mit 11x13x1,4 mm deutlich kleiner als bei Konkurrenzgeräten mobiler Speicher die gleiche Kapazität. Diese Chips verfügen über hohe Lesegeschwindigkeiten von 108 MB/s, was viermal schneller ist als herkömmliche NAND-Speicher, und Schreibgeschwindigkeiten von 10 MB/s, was 60-mal schneller ist als die Schreibgeschwindigkeit von NOR-Flash-Speichern. Ein 4-Gbit-Modul kann beispielsweise 250 mit einer 5-Megapixel-Handykamera aufgenommene Bilder oder mehr als 120 Musikdateien speichern.

Aus technischer Sicht bestand der 4-Gbit-OneNAND-Speicher aus vier OneNAND-Speicherchips mit einer Kapazität von jeweils 1 Gbit, zusammengesetzt in einem vierschichtigen Paket (Quad Die Package). Die Kristalle wurden mit einer bereits im November 2004 eingeführten 90-nm-Prozesstechnologie hergestellt. Etwa zur gleichen Zeit gab der südkoreanische Konzern die Inbetriebnahme einer neuen Linie zur Produktion von NAND-Flash-Speicherchips bekannt. Die Kapazität der Linie 14, die einen Monat früher als geplant in Betrieb genommen wurde, war für die Produktion von 4-Gbit-Modulen in 70-nm-Technologie sowie von 2-Gbit-Modulen in 90-nm-Technologie vorgesehen.

Nach Angaben von Samsung-Vertretern beträgt die Zellgröße von Speicherchips, die in 70-nm-Technologie hergestellt werden, nur 0,025 mm2. Gleichzeitig ist die sequentielle Schreibgeschwindigkeit etwa 50 % höher als bei 2-Gbit-Chips, die im 90-nm-Verfahren hergestellt werden. Somit könnten die neuen 4-Gbit-NAND-Flash-Speicherchips theoretisch zur Aufzeichnung von hochauflösenden Videos in Echtzeit verwendet werden. In der Anfangsphase ermöglichte die neue Linie die Produktion von etwa 4.000 Wafern pro Monat, und Ende letzten Jahres betrug das monatliche Produktionsvolumen 15.000 Wafer. Laut Gartner Dataquest betrug der Anteil von 4-Gbit-NAND-Chips am Ende des Jahres etwa 30 % des gesamten NAND-Speichermarktes, der auf 8 Milliarden US-Dollar geschätzt wird. Bemerkenswert ist, dass Samsung die Kapazität von NAND-Chips jedes Jahr verdoppelt seit 1999.

Die von Samsung Electronics entwickelte XSR-Software (eXtended Sector Remapper) optimiert die Leistung von OneNAND-Flash-Speichergeräten für 3G-Telefone, PDAs, tragbare Spielesysteme und Digitalkameras. Es wurden fünf verschiedene Programme entwickelt, die jeweils auf die eigene Betriebsumgebung zugeschnitten sind, drei davon basieren auf dem Samsung XSR. PocketStore II optimiert die Nutzung von OneNAND im Mobilbereich Microsoft-Umgebung, Unistore wird auf der Symbian-Plattform verwendet und TFS4 (Transactional File System 4) wurde für Echtzeitbetriebssysteme entwickelt. Darüber hinaus bietet Samsung das Programm RFS (Robust File System) für Linux sowie eine Version von TFS-4-Light für MP3-Player an. Dank der Verwendung von Samsung XSR erreicht die Datenlesegeschwindigkeit 30 MB/s und die Schreibgeschwindigkeit 9 MB/s. Diese Software vereinfacht den Prozess der Entwicklung leistungsstarker, kostengünstiger und kostengünstiger tragbarer Multimediasysteme.

Im vergangenen Sommer hat Samsung Electronics die Entwicklung der ersten Solid-State-Festplatte (Solid State Disk, SSD) auf Basis von NAND-Flash-Speicher für den Einsatz in persönlichen und mobilen PCs abgeschlossen (Abb. 5). Wie Sie wissen, handelt es sich bei Solid-State-Drives auf NAND-Flash-Speicherbasis um Speichermedien, die sich durch einen geringen Stromverbrauch und ein geringes Gewicht auszeichnen und für Laptops, Subnotebooks und Tablet-PCs konzipiert sind. Mit seinen eigenen 8-Gbit-NAND-Flash-Speicherchips, der damals weltweit höchsten Speicherdichte der Halbleiterindustrie, konnte Samsung Electronics Solid-State-Festplatten mit einer Kapazität von bis zu 16 GB (zum Vergleich: die meisten) herstellen Die übliche Kapazität von Spindelfestplatten in Laptops beträgt 40 GB.

Der Stromverbrauch von SSDs beträgt weniger als 5 % im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten, was die Zeit um mehr als 10 % verlängert. Batterielebensdauer tragbare PCs. Zu beachten ist außerdem, dass SSDs auf Basis von NAND-Flash-Speicher etwa halb so schwer sind wie herkömmliche Festplatten. Die SSD-Leistung übertrifft die von spindelmontierten Festplatten vergleichbarer Größe um mehr als 150 %. Die Lesegeschwindigkeit einer solchen Festplatte beträgt 57 MB/s und die Schreibgeschwindigkeit darauf beträgt 32 MB/s.

Aufgrund des Fehlens beweglicher Elemente ist der Festkörper starr Samsung-Laufwerke zeichnet sich durch minimale Geräusch- und Wärmeentwicklung aus. Darüber hinaus bieten SSDs eine extrem hohe Zuverlässigkeit der Datenspeicherung und haben sich unter Bedingungen extremer Temperaturen und Feuchtigkeit bewährt, was den Einsatz solcher Laufwerke in Industrie- und Militärgeräten ermöglicht.

Aus Kompatibilitätsgründen sind Solid-State-Festplatten in Gehäusen konzipiert, die wie normale Festplatten aussehen. Samsung brachte eine komplette Reihe von Solid-State-Laufwerken auf den Markt: 2,5-Zoll-SSDs verfügten über 16 NAND-Flash-Speicherchips mit einer Kapazität von 4 Gbit oder 8 Gbit und wurden bereitgestellt Festplattenplatz 8 GB bzw. 16 GB. Auch 1,8-Zoll-Laufwerke wurden in zwei Versionen herausgebracht – 4 und 8 GB. Solid-State-Festplatten haben neue Nischen in der Speicherbranche eröffnet, insbesondere für mobile Geräte, die keine hohe Kapazität benötigen.

Samsung Electronics kündigte erstmals im September 2003 das Aus für 4-GB-NAND-Flash-Speicher an. Nach dem etablierten Modell zur Kapazitätssteigerung bei Speichermodulen (Verdoppelung der Kapazität alle 12 Monate), das von Dr. Chang Kyu Hwang, Präsident und CEO von Samsung Electronics Semiconductor, eingeführt wurde, wurden fünf nacheinander auf den Markt gebracht Generationen von NAND-Flash-Speichern: 256 Mbit im Jahr 1999, 512 Mbit im Jahr 2000, 1 Gbit im Jahr 2001, 2 Gbit im Jahr 2002, 4 Gbit im Jahr 2003, 8 Gbit im Jahr 2004 und 16 Gbit im Jahr 2005. Die Verwendung eines 70-nm-Technologieprozesses Bei der Produktion von 4-Gbit-NAND-Flash-Speicherchips ermöglicht der Konzern die Herstellung kleinster Speicherzellen – mit einer Fläche von 0,025 Mikrometern2. Die erfolgreiche Entwicklung der 70-nm-Prozesstechnologie verdankt ihren Erfolg dem Einsatz von Lithographiegeräten, die kurzwellige Lichtquellen auf Basis von Argonfluorid (ArF) verwenden, wodurch die erforderliche Präzision bei der Platzierung von Elementen auf dem Chip erreicht werden kann.

Chips, die mit 70-nm-Technologie hergestellt werden, weisen Hauf: Ihre Schreibgeschwindigkeit beträgt 16 MB/s, 50 % besser als moderne 2-Gbit-Chips mit 90-nm-Technologie, was die Verwendung dieses Speichertyps für die Echtzeitaufzeichnung hoher Datenmengen ermöglicht hochauflösendes Videosignal. Samsung Electronics kündigte außerdem die Veröffentlichung des ersten 300-mm-Siliziumwafers auf der neuen N14-Produktionslinie einen Monat früher als geplant an. Die Linie ist für die Produktion von 4-Gbit- (70-nm-Technologie) und 2-Gbit- (90-nm-) NAND-Flash-Speicherkristallen ausgelegt. Ende 2005 testete das Unternehmen den technologischen Prozess bei 50-nm-Standards zur Herstellung von 16-Gbit-NAND-Flash-Speicherkristallen; Die Massenproduktion dieser Module ist für die zweite Hälfte dieses Jahres geplant.

Intel Flash-Speicher

Der 1988 von Intel entwickelte NOR-Flash-Speicher ist ein nichtflüchtiger, wiederbeschreibbarer Speicherchip, der häufig in Mobiltelefonen verwendet wird. Im Jahr 2003 führte Intel ein neue Technologie Flash-Speicher, dessen vollständiger Name StrataFlash Wireless Memory System war. Dadurch war es möglich, die Größe der in PDAs und Mobiltelefonen verwendeten Speichermodule zu reduzieren sowie den Stromverbrauch und die Kosten für Flash-Speicher in den genannten Geräten zu senken. Die StrataFlash-Technologie nutzt Elemente von zwei verschiedenen Arten von Flash-Speichern: NAND und NOR. Wie Sie wissen, ist die NAND-Technologie zum Speichern von Daten auf externen Flash-Karten gedacht und NOR eignet sich zum Speichern kleiner Programme für mobile Geräte. Auf den NOR-Flash-Speicher wird ohne Fehlerprüfung zugegriffen, da dies nicht erforderlich ist. NAND-Flash-Speicher verfügen nicht über die gleiche Zuverlässigkeit wie NOR-Speicher, sind jedoch kostengünstiger in der Herstellung und NAND-Flash liest und schreibt Daten viel schneller als NOR-Flash. Diese Leistung wird durch die Verwendung der in diesem Speicher enthaltenen RAM-Module noch weiter gesteigert. In StrataFlash haben Intel-Ingenieure zwei Arten von Flash-Speicher kombiniert und ihn sowohl für die Datenspeicherung als auch für die Programmaufzeichnung optimiert. Das erste StrataFlash-Speichermodul bestand aus mehreren Kristallen, von denen einige RAM-Module und andere Flash-Speicher selbst waren.

Anfang letzten Jahres wurden die ersten Muster von Sibley-Produkten für den Mobilfunkmarkt vorgestellt. Beachten Sie, dass den Prognosen von iSuppli zufolge der Jahresabsatz von 3G-Telefonen bis 2008 240 Millionen Einheiten erreichen wird, was einem jährlichen Wachstum von 87 % entspricht. Sibley ist der Codename für das erste Multi-Level Cell (MLC) NOR-Flash-Speichermodul, das mit Intels 90-nm-Fertigungstechnologie hergestellt wird. Die Sibley-Familie ist für hohe Lesegeschwindigkeiten mit „Warten auf Null“-Codierung bei 108 MHz ausgelegt. Darüber hinaus erreicht die Schreibgeschwindigkeit eines solchen Speichers 500 KB/s, was für das Speichern von Multimediabildern in modernen Mobiltelefonen wichtig ist. Die neue Produktfamilie erhöht die NOR-Flash-Speicherdichte mit einem einzigen 512-MB-Modul. Es wird Unterstützung für verschiedene Speicherschnittstellen bereitgestellt, was Mobiltelefonherstellern ein höheres Maß an Designflexibilität bietet.

Intels vierte Generation von Multi-Level-Cell-Flash-Speichern (Abbildung 6) richtet sich an integrierte OEMs, die leistungsstarke, kompakte Flash-Speichergeräte benötigen. Diese Kombination ist für eine Vielzahl von Plattformen erforderlich – von Digitalkameras bis hin zu Unterhaltungselektronik an Netzwerk-Router, Switches und PDAs.

Im vergangenen Herbst kündigte Intel den Beginn der Massenlieferung der ersten MLC NOR-Flash-Speichermodule an, die in 90-nm-Technologie hergestellt wurden. Die neuen Intel StrataFlash Cellular Memory-Module (M18) bieten eine höhere Leistung, sind kompakter und verbrauchen weniger Strom als frühere Module, die mit 130-nm-Technologie hergestellt wurden, und entsprechen damit besser den Anforderungen von Entwicklern von Mobiltelefonen mit Kamera und Farbbildschirmen, die Internetbrowser und Videos unterstützen Wiedergabe usw.

Die M18-Module verfügen über sehr hohe Lesegeschwindigkeiten und können daher einen Bus nutzen, der mit der gleichen Frequenz wie Mobiltelefon-Chipsätze der nächsten Generation (bis zu 133 MHz) arbeitet. Dies beschleunigt Benutzeranwendungen, da Chipsatz und Speicher schneller interagieren als 130-nm-Module. Mit Schreibgeschwindigkeiten von bis zu 0,5 MB/s unterstützen die M18-Module 3-Megapixel-Kameras und MPEG4-Videowiedergabe. OEMs profitieren von diesen Modulen, da sie im Werk dreimal schneller programmiert werden können als 130-nm-Module, was die Herstellungskosten senkt. Das Programmieren von M18-Modulen und das Löschen der darauf gespeicherten Daten erfordert im Vergleich zu Modulen der vorherigen Generation drei bzw. zwei Mal weniger Energie und sie unterstützen auch neuer Modus Deep Power Down-Betrieb, der die Lebensdauer des Geräts weiter verlängert, ohne dass der Akku aufgeladen werden muss. Darüber hinaus zeichnen sich M18-Module durch eine erhöhte Packungsdichte aus: Intel bietet Speicherchips mit Kapazitäten von 256 und 512 Mbit/s sowie Standard-Stack-Lösungen mit Kapazitäten bis zu 1 Gbit/s an. Intel-Standardstacks kombinieren NOR- und RAM-Technologien und unterstützen mehrere Busarchitekturen, sodass OEMs neue Geräte schneller entwickeln können.

Um Entwicklern dabei zu helfen, die Integration neuer Handheld-Geräte zu beschleunigen, stellt Intel die nächste Generation der Intel Flash Data Integrator (Intel FDI)-Software kostenlos zur Verfügung. Die Intel FDI-Software v7.1 bietet eine offene Architektur, die die Integration eines Flash-Dateisystems in ein Echtzeitbetriebssystem erleichtert, sowie drei neue Funktionen, die die Entwicklerfunktionen erweitern: Mountable USB, Multi-Volume-Unterstützung und RAM-Puffer-Unterstützung.

Wir stellen außerdem fest, dass Intel als erstes Unternehmen der Branche mit der Produktion von Multi-Level-NOR-Flash-Speicherchips mit einer Kapazität von 1 Gbit für mobile Geräte begonnen hat und dabei fortschrittliche 65-nm-Fertigungstechnologie verwendet.

Moderne Menschen sind gerne mobil und haben verschiedene High-Tech-Gadgets dabei (englisches Gadget – Gerät), die das Leben einfacher machen, aber was gibt es zu verbergen, um es reicher und interessanter zu machen. Und sie erschienen in nur 10-15 Jahren! Miniatur, leicht, praktisch, digital... Gadgets haben all dies dank neuer Mikroprozessortechnologien erreicht, aber einen größeren Beitrag leistete eine bemerkenswerte Datenspeichertechnologie, über die wir heute sprechen werden. Also Flash-Speicher.

Es besteht die Meinung, dass der Name FLASH in Bezug auf die Art des Speichers mit „Flash“ übersetzt wird. Eigentlich stimmt das nicht. In einer Version seines Auftritts heißt es, dass Toshiba 1989-90 zum ersten Mal das Wort Flash im Kontext von „schnell, sofort“ verwendete, als es seine neuen Chips beschrieb. Generell gilt Intel als Erfinder, der 1988 den Flash-Speicher mit NOR-Architektur einführte. Ein Jahr später entwickelte Toshiba die NAND-Architektur, die noch heute zusammen mit dem gleichen NOR in Flash-Chips verwendet wird. Eigentlich können wir jetzt sagen, dass es sich um zwei verschiedene Arten von Speicher handelt, die in gewisser Weise eine ähnliche Produktionstechnologie haben. In diesem Artikel werden wir versuchen, ihren Aufbau und ihre Funktionsweise zu verstehen und auch verschiedene praktische Einsatzmöglichkeiten zu betrachten.

NOCH

Mit seiner Hilfe werden Eingangsspannungen in Ausgangsspannungen umgewandelt, die „0“ und „1“ entsprechen. Sie sind notwendig, da zum Lesen/Schreiben von Daten in einer Speicherzelle unterschiedliche Spannungen verwendet werden. Das Zelldiagramm ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Es ist typisch für die meisten Flash-Chips und ein Transistor mit zwei isolierten Gates: Control und Floating. Ein wichtiges Merkmal letzterer ist die Fähigkeit, Elektronen, also Ladung, zu halten. Auch in der Zelle gibt es sogenannte „Drain“ und „Source“. Beim Programmieren entsteht zwischen ihnen durch den Einfluss eines positiven Feldes auf das Steuergate ein Kanal – ein Elektronenfluss. Aufgrund der höheren Energie überwinden einige der Elektronen die Isolierschicht und fallen auf das Floating Gate. Darauf können sie mehrere Jahre gelagert werden. Ein bestimmter Bereich der Anzahl der Elektronen (Ladung) auf einem Floating Gate entspricht einer logischen Eins, und alles, was darüber liegt, entspricht einer Null. Beim Auslesen werden diese Zustände durch Messung der Schwellspannung des Transistors erkannt. Um Informationen zu löschen, wird eine hohe negative Spannung an das Steuergate angelegt und Elektronen vom Floating Gate bewegen sich (Tunnel) zur Quelle. Bei Technologien verschiedener Hersteller kann sich dieses Funktionsprinzip in der Art der Stromzufuhr und dem Auslesen der Daten aus der Zelle unterscheiden. Ich möchte Sie auch darauf aufmerksam machen, dass im Aufbau des Flash-Speichers nur ein Element (Transistor) zum Speichern von 1 Bit an Informationen verwendet wird, während bei flüchtigen Speichertypen mehrere Transistoren und ein Kondensator erforderlich sind. Dadurch ist es möglich, die Größe der hergestellten Mikroschaltungen deutlich zu reduzieren, den technologischen Prozess zu vereinfachen und damit die Kosten zu senken. Doch ein Bit ist noch lange nicht die Grenze: Intel bringt bereits StrataFlash-Speicher auf den Markt, bei dem jede Zelle 2 Bit an Informationen speichern kann. Darüber hinaus gibt es Testmuster mit 4- und sogar 9-Bit-Zellen! Dieser Speicher nutzt die Multi-Level-Cell-Technologie. Sie haben einen normalen Aufbau, der Unterschied besteht jedoch darin, dass ihre Ladung in mehrere Ebenen unterteilt ist, denen jeweils eine bestimmte Bitkombination zugeordnet ist. Theoretisch ist es möglich, mehr als 4 Bits zu lesen/schreiben, in der Praxis treten jedoch Probleme bei der Rauschunterdrückung und dem allmählichen Austreten von Elektronen während der Langzeitspeicherung auf. Im Allgemeinen zeichnen sich heute existierende Speicherchips für Zellen durch eine in Jahren gemessene Informationsspeicherzeit und eine Anzahl von Lese-/Schreibzyklen zwischen 100.000 und mehreren Millionen aus. Unter den Nachteilen ist insbesondere die schlechte Skalierbarkeit von Flash-Speichern mit NOR-Architektur zu erwähnen: Es ist unmöglich, die Fläche von Chips durch Verkleinerung der Transistoren zu reduzieren. Diese Situation hängt mit der Art und Weise zusammen, wie die Zellenmatrix organisiert ist: In der NOR-Architektur muss für jeden Transistor ein individueller Kontakt hergestellt werden. Flash-Speicher mit NAND-Architektur schneiden hier deutlich besser ab.

NAND

Der Aufbau und das Funktionsprinzip seiner Zellen sind die gleichen wie bei NOR. Allerdings gibt es neben der Logik noch einen weiteren wichtigen Unterschied – die Architektur der Anordnung der Zellen und ihrer Kontakte. Anders als im oben beschriebenen Fall gibt es hier eine Kontaktmatrix, in deren Schnittpunkten sich die Zeilen und Spalten der Transistoren befinden. Dies ist vergleichbar mit einer passiven Matrix in Displays :) (und NOR ist vergleichbar mit einem aktiven TFT). Beim Speicher ist diese Organisation etwas besser – die Fläche des Mikroschaltkreises kann durch die Größe der Zellen deutlich reduziert werden. Die Nachteile sind (natürlich) die geringere Betriebsgeschwindigkeit bei Byte-für-Byte-Direktzugriffsoperationen im Vergleich zu NOR.

Es gibt auch Architekturen wie: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) usw. Sie stellen nichts grundsätzlich Neues dar, sondern vereinen lediglich die besten Eigenschaften von NAND und NOR.

Wie dem auch sei, NOR und NAND werden heute gleichberechtigt hergestellt und konkurrieren praktisch nicht miteinander, da sie aufgrund ihrer Qualitäten in unterschiedlichen Bereichen der Datenspeicherung eingesetzt werden. Dies wird weiter besprochen...

Wo wird Speicher benötigt...

Der Anwendungsbereich jeder Art von Flash-Speicher hängt in erster Linie von seinen Geschwindigkeitseigenschaften und der Zuverlässigkeit der Informationsspeicherung ab. Der Adressraum des NOR-Speichers ermöglicht das Arbeiten mit einzelnen Bytes oder Wörtern (2 Bytes). Bei NAND werden Zellen in kleine Blöcke gruppiert (ähnlich einem Festplattencluster). Daraus folgt, dass NAND beim sequentiellen Lesen und Schreiben einen Geschwindigkeitsvorteil hat. Andererseits ist NAND jedoch bei Direktzugriffsvorgängen deutlich unterlegen und ermöglicht keine direkte Arbeit mit Informationsbytes. Um beispielsweise ein Byte zu ändern, benötigen Sie:

1. den Informationsblock, in dem er sich befindet, in den Puffer einlesen
2. Ändern Sie das erforderliche Byte im Puffer
3. Schreiben Sie den Block mit dem geänderten Byte zurück

Wenn wir Blockabruf- und Zugriffsverzögerungen zur Ausführungszeit der oben genannten Operationen hinzufügen, erhalten wir Indikatoren, die keineswegs mit NOR konkurrenzfähig sind (beachten Sie, dass dies speziell für den Fall der byteweisen Aufzeichnung gilt). Sequentielles Schreiben/Lesen ist eine andere Sache – hier weist NAND hingegen deutlich höhere Geschwindigkeitseigenschaften auf. Aus diesem Grund und auch wegen der Möglichkeit, die Speicherkapazität zu erhöhen, ohne den Chip zu vergrößern, hat NAND-Flash als Speicher für große Informationsmengen und für deren Übertragung Verwendung gefunden. Die heute am häufigsten auf dieser Art von Speicher basierenden Geräte sind Flash-Laufwerke und Speicherkarten. Was NOR-Flash betrifft, werden Chips mit einer solchen Organisation als Speicher für Programmcode (BIOS, RAM von Taschencomputern, Mobiltelefonen usw.) verwendet und manchmal in Form integrierter Lösungen (RAM, ROM und Prozessor auf einem Mini) implementiert. Platine oder sogar in einem Chip). Ein gutes Beispiel für diesen Einsatz ist das Gumstix-Projekt: ein Einplatinencomputer in der Größe eines Kaugummistreifens. Es sind NOR-Chips, die die für solche Fälle erforderliche Zuverlässigkeit der Informationsspeicherung und flexiblere Möglichkeiten für die Arbeit damit bieten. Das Volumen des NOR-Flash wird normalerweise in Megabyte gemessen und überschreitet selten Zehner.

Und es wird einen Blitz geben...

Natürlich ist Flash eine vielversprechende Technologie. Trotz hoher Produktionswachstumsraten sind darauf basierende Speichergeräte jedoch immer noch teuer genug, um mit Desktop- oder Laptop-Festplatten zu konkurrieren. Grundsätzlich beschränkt sich die Dominanz von Flash-Speichern mittlerweile auf mobile Geräte. Wie Sie verstehen, ist dieses Segment Informationstechnologien nicht so klein. Darüber hinaus wird der Flash-Ausbau nach Angaben der Hersteller damit nicht enden. Was sind also die wichtigsten Entwicklungstrends in diesem Bereich?

Erstens liegt, wie oben erwähnt, ein starker Fokus auf integrierten Lösungen. Zudem sind Projekte wie Gumstix nur Zwischenstufen auf dem Weg zur Umsetzung aller Funktionen in einem Chip.

Bisher handelt es sich bei den sogenannten On-Chip (Single-Chip)-Systemen um Kombinationen von Flash-Speicher mit einem Controller, Prozessor, SDRAM oder spezieller Software in einem Chip. Beispielsweise ermöglicht Intel StrataFlash in Kombination mit der Software Persistent Storage Manager (PSM), die Speicherkapazität gleichzeitig zum Speichern von Daten und zum Ausführen von Programmcode zu nutzen. PSM ist im Wesentlichen Dateisystem, unterstützt von Windows CE 2.1 und höher. All dies zielt darauf ab, die Anzahl der Komponenten zu reduzieren und die Größe mobiler Geräte zu verringern und gleichzeitig deren Funktionalität und Leistung zu erhöhen. Nicht weniger interessant und relevant ist die Entwicklung des Unternehmens Renesas – superAND-Flash-Speicher mit integrierten Verwaltungsfunktionen. Wurden sie bisher separat im Controller implementiert, sind sie nun direkt in den Chip integriert. Dabei handelt es sich um Funktionen zur Überwachung fehlerhafter Sektoren, zur Fehlerkorrektur (ECC – Error Check and Correct) und zum Wear Leveling. Da sie in der einen oder anderen Variante in den meisten Firmwares externer Controller anderer Marken vorhanden sind, werfen wir einen kurzen Blick darauf. Beginnen wir mit den fehlerhaften Sektoren. Ja, sie sind auch im Flash-Speicher zu finden: Chips kommen bereits mit durchschnittlich bis zu 2 % nicht funktionierenden Zellen vom Band – das ist eine gängige technologische Norm. Aber mit der Zeit kann ihre Zahl zunehmen (die Umwelt sollte dafür nicht besonders verantwortlich gemacht werden – der elektromagnetische, physikalische (Erschütterung etc.) Einfluss des Flash-Chips ist nicht schlimm). Daher verfügen Flash-Speicher wie Festplatten über Reservekapazitäten. Wenn erscheint schlechter Sektor, ersetzt die Steuerfunktion ihre Adresse in der Dateizuordnungstabelle durch die Adresse des Sektors aus dem Reservebereich.

Tatsächlich ist der ECC-Algorithmus für die Identifizierung schwerwiegender Probleme verantwortlich – er vergleicht die aufgezeichneten Informationen mit den tatsächlich aufgezeichneten Informationen. Aufgrund der begrenzten Ressourcen der Zellen (in der Größenordnung von jeweils mehreren Millionen Lese-/Schreibzyklen) ist es außerdem wichtig, über eine Funktion zur Berücksichtigung des gleichmäßigen Verschleißes zu verfügen. Lassen Sie mich einen seltenen, aber häufigen Fall nennen: ein Schlüsselanhänger mit 32 MB, von denen 30 MB belegt sind, und auf dem freien Platz wird ständig etwas geschrieben und gelöscht. Es stellt sich heraus, dass einige Zellen im Leerlauf sind, während andere ihre Ressourcen intensiv erschöpfen. Um dies zu verhindern, wird bei Markengeräten der freie Speicherplatz herkömmlicherweise in Abschnitte unterteilt, für die jeweils die Anzahl der Schreibvorgänge überwacht und aufgezeichnet wird.

Noch komplexere All-in-One-Konfigurationen werden mittlerweile häufig von Unternehmen wie Intel, Samsung, Hitachi usw. vertreten. Ihre Produkte sind multifunktionale Geräte, die in nur einem Chip implementiert sind (standardmäßig enthält dieser einen Prozessor, Flash-Speicher und SDRAM). ). Sie konzentrieren sich auf den Einsatz in mobilen Geräten, bei denen es auf hohe Leistung bei minimaler Größe und geringem Stromverbrauch ankommt. Dazu gehören: PDA, Smartphones, Telefone für 3G-Netze. Lassen Sie mich ein Beispiel für solche Entwicklungen nennen – einen Chip von Samsung, der einen ARM-Prozessor (203 MHz), 256 MB NAND-Speicher und 256 SDRAM kombiniert. Es ist mit gängigen Betriebssystemen kompatibel: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux und verfügt über USB-Unterstützung. Auf dieser Grundlage ist es möglich, multifunktionale mobile Geräte mit geringem Stromverbrauch zu erstellen, die mit Video, Ton, Sprache und anderen ressourcenintensiven Anwendungen arbeiten können.

Eine weitere Richtung zur Verbesserung des Flash-Speichers besteht darin, den Stromverbrauch und die Größe zu reduzieren und gleichzeitig die Größe und Geschwindigkeit des Speichers zu erhöhen. Dies gilt in stärkerem Maße für Mikroschaltungen mit NOR-Architektur, da mit der Entwicklung mobile Computer, unterstützende Arbeit in drahtlose Netzwerke NOR-Flash wird aufgrund seiner geringen Größe und seines geringen Stromverbrauchs zu einer universellen Lösung zum Speichern und Ausführen von Programmcode. 512-Mbit-NOR-Chips von Renesas werden bald in Massenproduktion gehen. Ihre Versorgungsspannung beträgt 3,3 V (ich möchte Sie daran erinnern, dass sie Informationen speichern können, ohne Strom bereitzustellen), und die Geschwindigkeit der Schreibvorgänge beträgt 4 MB/Sek. Gleichzeitig stellt Intel bereits seine Entwicklung des StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) vor – ein universelles Flash-Speichersystem für drahtlose Technologien. Seine Speicherkapazität kann 1 Gbit erreichen, und die Betriebsspannung beträgt 1,8 V. Die Chip-Herstellungstechnologie beträgt 0,13 nm, es ist geplant, auf eine 0,09-nm-Prozesstechnologie umzusteigen. Zu den Innovationen dieses Unternehmens gehört auch die Organisation eines Batch-Betriebs mit NOR-Speicher. Damit können Sie Informationen nicht einzeln, sondern in Blöcken von 16 Bytes lesen: Bei Verwendung eines 66-MHz-Datenbusses erreicht die Geschwindigkeit des Informationsaustauschs mit dem Prozessor 92 Mbit/s!

Wie Sie sehen, entwickelt sich die Technologie rasant weiter. Es ist durchaus möglich, dass bis zur Veröffentlichung dieses Artikels etwas Neues erscheint. Wenn also etwas passiert, geben Sie mir nicht die Schuld :) Ich hoffe, das Material war für Sie interessant.

Moderne Technologien entwickeln sich recht schnell weiter, und was gestern noch als Gipfel der Perfektion erschien, passt uns heute überhaupt nicht mehr. Dies gilt insbesondere für moderne Arten von Computerspeichern. Ständig ist nicht genügend Speicher vorhanden oder die Geschwindigkeit der Medien ist für moderne Verhältnisse sehr niedrig.

Flash-Speicher sind erst vor relativ kurzer Zeit auf den Markt gekommen, haben aber viele Vorteile und verdrängen andere Speichertypen deutlich.

Flash-Speicher ist eine Art fester, nichtflüchtiger, wiederbeschreibbarer Speicher. Im Gegensatz zu einer Festplatte verfügt ein Flash-Laufwerk über eine hohe Lesegeschwindigkeit, die bis zu 100 MB/s erreichen kann, und ist sehr klein. Durch den Anschluss über lässt es sich leicht transportieren USB-Anschluss.

Es kann als RAM verwendet werden, aber im Gegensatz zu RAM speichert der Flash-Speicher Daten autonom, wenn der Strom ausgeschaltet wird.

Heute sind Flash-Laufwerke mit Kapazitäten von 256 Megabyte bis 16 Gigabyte auf dem Markt erhältlich. Es gibt aber auch Medien mit größerem Volumen.

ZU zusätzliche Funktionen Der Flash-Speicher umfasst einen Kopierschutz, einen Fingerabdruckscanner, ein Verschlüsselungsmodul und vieles mehr. Auch wenn Hauptplatine Unterstützt das Booten über den USB-Anschluss und kann als Bootgerät verwendet werden.

Zu den neuen Flash-Technologien gehört UЗ. Dieses Medium wird vom Computer als zwei Festplatten erkannt, wobei auf einer die Daten gespeichert werden und der Computer von der zweiten startet. Die Vorteile dieser Technologie liegen auf der Hand: Sie können an jedem Computer arbeiten.

Aufgrund der eher geringen Größe ist dieser Speichertyp sehr vielseitig einsetzbar. Dazu gehören Mobiltelefone, Kameras, Videokameras, Diktiergeräte und andere Geräte.

In Beschreibung technische Eigenschaften Bei jedem mobilen Gerät wird der Typ des Flash-Speichers angegeben, und das ist kein Zufall, da nicht alle Typen kompatibel sind. Auf dieser Grundlage müssen Sie Flash-Laufwerke auswählen, die auf dem Markt weit verbreitet sind, damit es mit keinem Gerät zu Problemen kommt.
Für einige Arten von Flash-Karten gibt es Adapter, die ihre Fähigkeiten erweitern.

Vorhandene Arten von Flash-Speichern

Moderne Lernkarten lassen sich in sechs Haupttypen einteilen.

Der erste und häufigste Typ ist CompactFlash (CF) Es gibt zwei Typen CF Typ I und CF Typ II. Hat eine gute Geschwindigkeit, Kapazität und einen guten Preis.
Zu den Nachteilen gehört die Größe 42*36*4 mm. Es ist sehr vielseitig und wird in vielen Geräten verwendet.

IBM Microdrive-billig, aber weniger zuverlässig und verbraucht mehr Energie als üblich, was der Grund für seine Einschränkungen ist.

SmartMedia- dünn und günstig, aber kein hoher Abriebschutz.

Multimedia-Karte (MMC)- geringe Größe (24 x 32 x 1,4 mm), geringer Stromverbrauch, Verwendung in Miniaturgeräten. Der Nachteil ist die niedrige Geschwindigkeit.

Secure Digital (SD) Bei vergleichbaren Abmessungen wie die Multimedia-Karte bietet sie eine höhere Kapazität und Geschwindigkeit. Aber teurer.

Speicherstick- Es hat guter Schutz Informationen, Geschwindigkeit, aber nicht sehr große Kapazität.

Heute gelten CompactFlash und SD/MMC als die gebräuchlichsten, aber
Zusätzlich zu den aufgeführten Karten gibt es noch andere Arten von Lernkarten

Sie sollten eine Flash-Karte entsprechend Ihren Anforderungen auswählen. Beachten Sie dabei, dass die Flash-Karte umso teurer ist, je größer die Kapazität und Geschwindigkeit ist.

Flash-Speicher ist eine Art langlebiger Speicher für Computer, dessen Inhalte umprogrammiert oder elektrisch gelöscht werden können. Im Vergleich zum elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher können Operationen darauf in Blöcken ausgeführt werden, die sich an verschiedenen Orten befinden. Flash-Speicher kosten viel weniger als EEPROM, weshalb sie sich zur dominierenden Technologie entwickelt haben. Insbesondere in Situationen, in denen eine stabile und langfristige Datenspeicherung erforderlich ist. Der Einsatz ist in den unterschiedlichsten Fällen erlaubt: in digitalen Audioplayern, Foto- und Videokameras, Mobiltelefonen und Smartphones, wo es spezielle Android-Anwendungen für die Speicherkarte gibt. Darüber hinaus wird es auch in USB-Flash-Laufwerken verwendet, die traditionell zum Speichern von Informationen und deren Übertragung zwischen Computern verwendet werden. Es hat in der Welt der Gamer einige Berühmtheit erlangt, wo es häufig zum Speichern von Spielfortschrittsdaten verwendet wird.

allgemeine Beschreibung

Flash-Speicher sind ein Typ, der in der Lage ist, Informationen über einen langen Zeitraum ohne Stromverbrauch auf seiner Platine zu speichern. Darüber hinaus können wir im Vergleich zu Festplatten die höchste Datenzugriffsgeschwindigkeit sowie eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen kinetische Stöße feststellen. Diesen Eigenschaften ist es zu verdanken, dass es bei Geräten, die mit Batterien und wiederaufladbaren Batterien betrieben werden, so beliebt geworden ist. Ein weiterer unbestreitbarer Vorteil besteht darin, dass der Flash-Speicher, wenn er in eine feste Karte komprimiert ist, mit herkömmlichen physikalischen Mitteln nahezu unmöglich zerstört werden kann und daher kochendem Wasser und hohem Druck standhält.

Datenzugriff auf niedriger Ebene

Die Art und Weise, auf Daten im Flash-Speicher zuzugreifen, unterscheidet sich stark von der bei herkömmlichen Typen. Der Low-Level-Zugriff erfolgt über den Treiber. Herkömmlicher RAM reagiert sofort auf Aufrufe zum Lesen und Schreiben von Informationen und gibt die Ergebnisse solcher Vorgänge zurück. Das Design von Flash-Speichern erfordert jedoch Zeit, darüber nachzudenken.

Aufbau und Funktionsprinzip

Derzeit ist Flash-Speicher weit verbreitet, der auf Einzeltransistorelementen mit „floating“ Gate erstellt wird. Dies ermöglicht eine höhere Datenspeicherdichte im Vergleich zum dynamischen RAM, der ein Transistorpaar und ein Kondensatorelement erfordert. Derzeit gibt es auf dem Markt zahlreiche Technologien zum Aufbau von Grundelementen für diese Art von Medien, die von führenden Herstellern entwickelt werden. Sie zeichnen sich durch die Anzahl der Schichten, Methoden zum Aufzeichnen und Löschen von Informationen sowie die Organisation der Struktur aus, die normalerweise im Namen angegeben ist.

Derzeit gibt es einige Arten von Chips, die am häufigsten vorkommen: NOR und NAND. Bei beiden sind die Speichertransistoren parallel bzw. seriell mit den Bitbussen verbunden. Der erste Typ hat relativ große Zellengrößen und ermöglicht einen schnellen Direktzugriff, sodass Programme direkt aus dem Speicher ausgeführt werden können. Die zweite zeichnet sich durch kleinere Zellengrößen sowie einen schnellen sequentiellen Zugriff aus, was viel praktischer ist, wenn es darum geht, blockartige Geräte zu bauen, in denen große Informationsmengen gespeichert werden.

In den meisten tragbaren Geräten verwendet die SSD den NOR-Speichertyp. Allerdings gibt es mittlerweile Geräte mit USB-Schnittstelle. Sie verwenden NAND-Speicher. Nach und nach verdrängt es das erste.

Das Hauptproblem ist die Fragilität

Die ersten Muster von in Massenproduktion hergestellten Flash-Laufwerken gefielen den Benutzern nicht mit hohen Geschwindigkeiten. Mittlerweile ist die Geschwindigkeit beim Schreiben und Lesen von Informationen jedoch so hoch, dass Sie einen Film in voller Länge ansehen oder auf einem Computer abspielen können Betriebssystem. Mehrere Hersteller haben bereits Maschinen vorgeführt, bei denen die Festplatte durch einen Flash-Speicher ersetzt wird. Diese Technologie weist jedoch einen sehr erheblichen Nachteil auf, der den Ersatz bestehender Technologien durch diesen Träger erschwert. Magnetplatten. Aufgrund des Designs des Flash-Speichers ist das Löschen und Schreiben von Informationen in einer begrenzten Anzahl von Zyklen möglich, was selbst bei kleinen und tragbaren Geräten möglich ist, ganz zu schweigen davon, wie oft dies bei Computern geschieht. Wenn Sie diese Art von Medien als Solid-State-Laufwerk auf einem PC verwenden, kommt es sehr schnell zu einer kritischen Situation.

Dies liegt daran, dass ein solcher Antrieb auf der Eigenschaft von Feldeffekttransistoren basiert, in einem „floating“ Gate zu speichern, dessen Fehlen oder Vorhandensein im Transistor als logische Eins oder Null betrachtet wird Binäres Schreiben und das Löschen von Daten im NAND-Speicher erfolgt mithilfe getunnelter Elektronen nach der Fowler-Nordheim-Methode unter Beteiligung eines Dielektrikums. Dies erfordert nicht die Möglichkeit, Zellen mit minimaler Größe herzustellen. Aber es ist dieser Prozess, der zu Zellen führt, da der elektrische Strom in diesem Fall Elektronen dazu zwingt, das Gate zu durchdringen und die dielektrische Barriere zu überwinden. Die garantierte Haltbarkeit eines solchen Speichers beträgt jedoch zehn Jahre. Der Verschleiß der Mikroschaltung erfolgt nicht durch das Lesen von Informationen, sondern durch Vorgänge zu deren Löschen und Schreiben, da beim Lesen keine Änderung der Struktur der Zellen erforderlich ist, sondern nur elektrischer Strom geleitet wird.

Natürlich arbeiten Speicherhersteller aktiv daran, die Lebensdauer solcher Solid-State-Laufwerke zu erhöhen: Sie streben danach, die Gleichmäßigkeit der Schreib-/Löschvorgänge über die Zellen des Arrays hinweg sicherzustellen, damit einige nicht stärker verschleißen als andere. Um die Last gleichmäßig zu verteilen, werden überwiegend Softwarepfade verwendet. Um dieses Phänomen zu beseitigen, wird beispielsweise die „Wear Leveling“-Technologie eingesetzt. In diesem Fall werden Daten, die häufig Änderungen unterliegen, in den Adressraum des Flash-Speichers verschoben, sodass die Aufzeichnung an unterschiedlichen physikalischen Adressen erfolgt. Jeder Controller ist mit einem eigenen Ausrichtungsalgorithmus ausgestattet, sodass es sehr schwierig ist, die Wirksamkeit verschiedener Modelle zu vergleichen, da Implementierungsdetails nicht offengelegt werden. Da die Menge an Flash-Laufwerken von Jahr zu Jahr größer wird, ist es notwendig, immer effizientere Betriebsalgorithmen zu verwenden, um die stabile Funktion der Geräte zu gewährleisten.

Fehlerbehebung

Eine der sehr effektiven Möglichkeiten, diesem Phänomen entgegenzuwirken, besteht darin, eine bestimmte Speichermenge zu reservieren, die durch spezielle logische Umleitungsalgorithmen zum Ersetzen physischer Blöcke, die bei intensiver Arbeit mit einem Flash-Laufwerk entstehen, eine gleichmäßige Auslastung und Fehlerkorrektur gewährleistet. Und um den Verlust von Informationen zu verhindern, werden ausgefallene Zellen blockiert oder durch Backup-Zellen ersetzt. Diese Softwareverteilung der Blöcke ermöglicht es, eine gleichmäßige Last sicherzustellen und die Anzahl der Zyklen um das 3- bis 5-fache zu erhöhen. Dies reicht jedoch nicht aus.

Und andere Arten ähnlicher Laufwerke zeichnen sich dadurch aus, dass in ihrem Servicebereich eine Tabelle mit einem Dateisystem eingetragen ist. Es verhindert Fehler beim Lesen von Informationen logische Ebene, zum Beispiel bei fehlerhaftem Herunterfahren oder wann plötzliches Aufhören Versorgung mit elektrischer Energie. Und da das System bei Verwendung von Wechseldatenträgern kein Caching bietet, wirkt sich häufiges Umschreiben am schädlichsten auf die Dateizuordnungstabelle und das Inhaltsverzeichnis des Verzeichnisses aus. Und selbst spezielle Programme für Speicherkarten können in dieser Situation nicht helfen. Beispielsweise hat der Benutzer bei einer einmaligen Anfrage tausend Dateien überschrieben. Und es scheint, dass ich die Blöcke, in denen sie sich befanden, nur einmal für die Aufnahme verwendet habe. Aber Versorgungsbereiche wurden bei jeder Aktualisierung einer Datei neu geschrieben, das heißt, die Zuordnungstabellen durchliefen diesen Vorgang tausendmal. Aus diesem Grund werden die von diesen Daten belegten Blöcke zuerst ausfallen. Die Wear-Leveling-Technologie funktioniert auch bei solchen Blöcken, ihre Wirksamkeit ist jedoch sehr begrenzt. Und es spielt keine Rolle, welche Art von Computer Sie verwenden, das Flash-Laufwerk wird genau dann ausfallen, wenn der Ersteller es beabsichtigt hat.

Es ist erwähnenswert, dass die Erhöhung der Kapazität der Mikroschaltungen solcher Geräte nur dazu geführt hat, dass die Gesamtzahl der Schreibzyklen abgenommen hat, da die Zellen kleiner werden und daher immer weniger Spannung zum Ableiten des Oxids erforderlich ist Trennwände, die das „schwimmende Tor“ isolieren. Und hier ist die Situation so, dass sich mit zunehmender Kapazität der verwendeten Geräte das Problem ihrer Zuverlässigkeit immer mehr zuspitzt und die Klasse der Speicherkarte mittlerweile von vielen Faktoren abhängt. Die Zuverlässigkeit einer solchen Lösung wird durch ihre technischen Merkmale sowie die aktuelle Marktsituation bestimmt. Aufgrund des harten Wettbewerbs sind Hersteller gezwungen, die Produktionskosten mit allen Mitteln zu senken. Einschließlich aufgrund des vereinfachten Designs, der Verwendung von Komponenten aus einem günstigeren Satz, der Schwächung der Kontrolle über die Produktion und andere Methoden. Beispielsweise kostet eine Samsung-Speicherkarte mehr als ihre weniger bekannten Gegenstücke, aber ihre Zuverlässigkeit wirft viel weniger Fragen auf. Aber auch hier ist es schwierig, von völliger Problemlosigkeit zu sprechen, und von Geräten völlig unbekannter Hersteller kann man kaum etwas mehr erwarten.

Entwicklungsperspektiven

Während es offensichtliche Vorteile gibt, gibt es eine Reihe von Nachteilen, die die SD-Speicherkarte charakterisieren und einer weiteren Erweiterung ihres Anwendungsbereichs entgegenstehen. Deshalb wird in diesem Bereich ständig nach alternativen Lösungen gesucht. Natürlich versuchen sie zunächst, das zu verbessern vorhandene Typen Flash-Speicher, der zu keinen grundlegenden Änderungen im bestehenden Produktionsprozess führt. Daher besteht nur an einer Sache kein Zweifel: Unternehmen, die diese Art von Antrieben herstellen, werden versuchen, ihr volles Potenzial auszuschöpfen, bevor sie auf einen anderen Typ umsteigen und die traditionelle Technologie weiter verbessern. Beispielsweise ist die Sony-Speicherkarte derzeit in einer Vielzahl von Mengen erhältlich, sodass davon auszugehen ist, dass sie weiterhin aktiv ausverkauft sein wird.

Allerdings gibt es heute, an der Schwelle zur industriellen Umsetzung, eine ganze Reihe von Technologien zur alternativen Datenspeicherung, die zum Teil bei Einsetzen einer günstigen Marktlage sofort umgesetzt werden können.

Ferroelektrischer RAM (FRAM)

Um das Potenzial nichtflüchtiger Speicher zu erhöhen, wird die Technologie des ferroelektrischen Prinzips der Informationsspeicherung (Ferroelektrischer RAM, FRAM) vorgeschlagen. Es ist allgemein anerkannt, dass der Funktionsmechanismus bestehender Technologien, der darin besteht, Daten während des Lesevorgangs mit allen Modifikationen der Grundkomponenten neu zu schreiben, zu einer gewissen Einschränkung des Geschwindigkeitspotenzials von Geräten führt. Und FRAM ist ein Speicher, der sich durch Einfachheit, hohe Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit im Betrieb auszeichnet. Diese Eigenschaften sind heute charakteristisch für DRAM – nichtflüchtig Arbeitsspeicher im Moment vorhanden. Aber hier werden wir auch die Möglichkeit der langfristigen Datenspeicherung hinzufügen, die sich auszeichnet durch: Zu den Vorteilen einer solchen Technologie können wir die Widerstandsfähigkeit hervorheben verschiedene Typen durchdringende Strahlung, die in speziellen Geräten erforderlich sein kann, die zum Arbeiten unter Bedingungen erhöhter Radioaktivität oder in der Weltraumforschung eingesetzt werden. Der Informationsspeichermechanismus wird hier durch die Nutzung des ferroelektrischen Effekts implementiert. Dies impliziert, dass das Material in der Lage ist, die Polarisation auch ohne externes elektrisches Feld aufrechtzuerhalten. Jede FRAM-Speicherzelle wird gebildet, indem ein ultradünner Film aus ferroelektrischem Material in Form von Kristallen zwischen zwei flachen Metallelektroden angeordnet wird und so einen Kondensator bildet. Die Daten werden in diesem Fall innerhalb der Kristallstruktur gespeichert. Und dies verhindert den Effekt des Ladungsverlusts, der zum Verlust von Informationen führt. Die Daten im FRAM-Speicher bleiben auch dann erhalten, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet wird.

Magnetischer RAM (MRAM)

Ein weiterer Speichertyp, der heute als vielversprechend gilt, ist MRAM. Es zeichnet sich durch relativ hohe Geschwindigkeitsleistung und Energieunabhängigkeit aus. In diesem Fall wird ein dünner Magnetfilm verwendet, der auf einem Siliziumsubstrat angebracht ist. MRAM ist statischer Speicher. Es muss nicht regelmäßig neu geschrieben werden und die Informationen gehen nicht verloren, wenn der Strom ausgeschaltet wird. Derzeit sind sich die meisten Experten einig, dass dieser Speichertyp als Technologie der nächsten Generation bezeichnet werden kann, da der vorhandene Prototyp eine recht hohe Geschwindigkeitsleistung aufweist. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung sind die geringen Kosten der Chips. Flash-Speicher werden mithilfe eines speziellen CMOS-Prozesses hergestellt. Und MRAM-Chips können normgerecht produziert werden technologischer Prozess. Darüber hinaus können die Materialien konventionell verwendet werden magnetische Medien. Die Herstellung großer Mengen solcher Mikroschaltungen ist deutlich günstiger als bei allen anderen. Eine wichtige Eigenschaft des MRAM-Speichers ist die Fähigkeit Sofort an. Und das ist besonders wertvoll für mobile Geräte. Tatsächlich wird bei diesem Typ der Wert der Zelle durch die magnetische Ladung bestimmt und nicht durch die elektrische Ladung, wie bei herkömmlichen Flash-Speichern.

Ovonic Unified Memory (OUM)

Ein weiterer Speichertyp, an dem viele Unternehmen aktiv arbeiten, ist ein Solid-State-Laufwerk auf Basis amorpher Halbleiter. Es basiert auf der Phasenübergangstechnologie, die dem Aufnahmeprinzip ähnelt normale Festplatten. Dabei ändert sich der Phasenzustand eines Stoffes in einem elektrischen Feld von kristallin zu amorph. Und dieser Wandel hält auch ohne Spannung an. Von traditionell optische Datenträger Solche Geräte unterscheiden sich dadurch, dass die Erwärmung durch die Einwirkung von elektrischem Strom und nicht durch einen Laser erfolgt. Die Ablesung erfolgt in diesem Fall aufgrund des unterschiedlichen Reflexionsvermögens der Substanz in verschiedenen Zuständen, das vom Festplattensensor wahrgenommen wird. Theoretisch verfügt eine solche Lösung über eine hohe Datenspeicherdichte und maximale Zuverlässigkeit sowie eine erhöhte Leistung. Die maximale Anzahl der Rewrite-Zyklen, für die ein Computer verwendet wird, ist hier hoch, ein Flash-Laufwerk hinkt in diesem Fall um mehrere Größenordnungen hinterher.

Chalkogenid-RAM (CRAM) und Phasenwechselspeicher (PRAM)

Diese Technologie basiert ebenfalls auf Phasenübergängen, bei denen die im Träger verwendete Substanz in einer Phase als nichtleitendes amorphes Material fungiert und in der zweiten Phase als kristalliner Leiter dient. Der Übergang einer Speicherzelle von einem Zustand in einen anderen erfolgt durch elektrische Felder und Erwärmung. Solche Chips zeichnen sich durch Beständigkeit gegenüber ionisierender Strahlung aus.

Informations-mehrschichtige bedruckte Karte (Info-MICA)

Der Betrieb der auf Basis dieser Technologie aufgebauten Geräte erfolgt nach dem Prinzip der Dünnschichtholographie. Informationen werden wie folgt erfasst: Zunächst wird ein zweidimensionales Bild erstellt und mithilfe der CGH-Technologie in ein Hologramm übertragen. Das Auslesen der Daten erfolgt durch Fixieren des Laserstrahls am Rand einer der aufgezeichneten Schichten, die als optische Wellenleiter dienen. Das Licht breitet sich entlang einer Achse parallel zur Schichtebene aus und erzeugt ein Ausgabebild, das den zuvor aufgezeichneten Informationen entspricht. Die Ausgangsdaten können dank des Reverse-Coding-Algorithmus jederzeit abgerufen werden.

Dieser Speichertyp schneidet im Vergleich zu Halbleiterspeichern gut ab, da er eine hohe Aufzeichnungsdichte, einen geringen Stromverbrauch sowie niedrige Kosten für Speichermedien, Umweltsicherheit und Schutz vor unbefugter Nutzung bietet. Eine solche Speicherkarte ermöglicht jedoch kein Umschreiben von Informationen und kann daher nur als Langzeitspeicher, als Ersatz für Papiermedien oder als Alternative dienen optische Datenträger zur Verbreitung multimedialer Inhalte.

Es ist kein Geheimnis, dass in der modernen Welt Informationen eines der wichtigsten Güter sind. Und es muss wie jedes andere Produkt gelagert und transportiert werden. Zu diesem Zweck wurden tragbare Speichergeräte entwickelt. Diese Rolle spielten in der jüngeren Vergangenheit Disketten und CDs, die trotz ihrer Größe nur sehr wenig Informationen speichern konnten. Mit der Entwicklung der Computertechnik verringerten sich die Speichermedien nach und nach, die darin gespeicherten Datenmengen stiegen jedoch um ein Vielfaches. Dies führte zur Entstehung eines neuen tragbaren Speichergeräts – des USB-Flash-Laufwerks.

Flash-Speicher- ein besonderer Typ eines nichtflüchtigen, wiederbeschreibbaren Halbleiterspeichers.

Schauen wir uns Folgendes genauer an: nichtflüchtig – das keine zusätzliche Energie zum Speichern von Daten benötigt (Energie wird nur für die Aufzeichnung benötigt), wiederbeschreibbar – ermöglicht das Ändern (Neuschreiben) der darin gespeicherten Daten und Halbleiter (Festkörper). ), das heißt, sie enthalten keine mechanisch beweglichen Teile (wie herkömmliche). Festplatten oder CD), aufgebaut auf Basis integrierter Schaltkreise (IC-Chip).

Der Flash-Speicher hat sich buchstäblich vor unseren Augen von einem exotischen und teuren Datenspeicher zu einem der beliebtesten Speichermedien entwickelt. Solid-State-Speicher dieser Art werden häufig verwendet Tragbare Player und Taschencomputer, Kameras und Miniatur-Flash-Laufwerke. Die ersten Produktionsmuster arbeiteten mit niedriger Geschwindigkeit, aber heute können Sie dank der Geschwindigkeit beim Lesen und Schreiben von Daten in den Flash-Speicher einen auf einem Miniaturchip gespeicherten Film in voller Länge ansehen oder ein „schweres“ Betriebssystem der Windows XP-Klasse ausführen.

Aufgrund seines geringen Stromverbrauchs, seiner Kompaktheit, Haltbarkeit und relativ hohen Leistung eignet sich Flash-Speicher ideal für den Einsatz als Speicher in tragbaren Geräten wie digitalen Foto- und Videokameras. Handys, Laptops, MP3-Player, digitale Diktiergeräte usw.

Geschichte

Ursprünglich wurden Solid-State-Festplatten für Hochgeschwindigkeitsserver entwickelt und für militärische Zwecke eingesetzt, doch wie üblich begann man mit der Zeit, sie auch für zivile Computer und Server zu verwenden.

Es entstanden zwei Klassen von Geräten: In einem Fall opferten sie Löschschaltkreise, um einen Speicher mit hoher Dichte zu erhalten, und im anderen Fall stellten sie ein voll funktionsfähiges Gerät mit viel geringerer Kapazität her.

Dementsprechend zielten die Bemühungen der Ingenieure darauf ab, das Problem der Dichte der Löschschaltungen zu lösen. Ihr Erfolg war 1984 die Erfindung des Toshiba-Ingenieurs Fujio Masuoka. Fujio präsentierte seine Entwicklung auf dem International Electron Devices Meeting in San Francisco, Kalifornien. Intel interessierte sich für diese Erfindung und brachte vier Jahre später, 1988, den ersten kommerziellen Flash-Prozessor vom Typ NOR auf den Markt. Die NAND-Flash-Speicherarchitektur wurde ein Jahr später von Toshiba 1989 auf der International Solid-State Circuits Conference angekündigt. Der NAND-Chip hatte eine schnellere Schreibgeschwindigkeit und eine kleinere Schaltkreisfläche.

Es wird manchmal argumentiert, dass der Name Flash in Bezug auf die Art des Speichers mit „Flash“ übersetzt wird. Eigentlich stimmt das nicht. In einer Version seines Auftritts heißt es, dass Toshiba 1989-90 zum ersten Mal das Wort Flash im Kontext von „schnell, sofort“ verwendete, als es seine neuen Chips beschrieb. Generell gilt Intel als Erfinder, der 1988 den Flash-Speicher mit NOR-Architektur einführte.

Die Vorteile von USB-Flash-Karten gegenüber anderen Laufwerken liegen auf der Hand:

kleine Abmessungen,

sehr geringes Gewicht,

leiser Betrieb,

Möglichkeit des Umschreibens,

gute Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung im Gegensatz zu CDs und Disketten (5-10-mal höher als das für herkömmliche Festplatten zulässige Maximum),

widersteht starken Temperaturschwankungen,

keine beweglichen Teile, wodurch der Energieverbrauch auf ein Minimum reduziert wird,

keine Verbindungsprobleme - USB-Ausgänge sind an fast jedem Computer verfügbar,

große Speicherkapazität,

Aufzeichnen von Informationen in Speicherzellen,

Die Speicherdauer der Informationen beträgt bis zu 100 Jahre.

Flash-Speicher verbraucht im Betrieb deutlich (ca. 10-20-mal oder mehr) weniger Energie.

Zu beachten ist auch, dass Sie für die Arbeit mit einem USB-Stick keine Programme, Adapter etc. von Drittanbietern benötigen. Das Gerät wird automatisch erkannt.

Wenn Sie zehnmal am Tag auf ein Flash-Laufwerk schreiben, hält es etwa 30 Jahre.

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip der Halbleiter-Flash-Speichertechnologie basiert auf Veränderung und Registrierung elektrische Ladung in einem isolierten Bereich (Tasche) der Halbleiterstruktur.

Die Ladungsänderung („Schreiben“ und „Löschen“) wird durch Anlegen eines hohen Potentials zwischen Gate und Source erreicht, sodass die elektrische Feldstärke im dünnen Dielektrikum zwischen dem Transistorkanal und der Tasche ausreicht, um einen Tunneleffekt hervorzurufen. Um den Effekt des Elektronentunnelns in die Tasche während des Schreibens zu verstärken, wird eine leichte Beschleunigung der Elektronen erzeugt, indem ein Strom durch den Feldeffekttransistorkanal geleitet wird.

Schematische Darstellung eines Floating-Gate-Transistors.

Zwischen dem Steuergate und dem Kanal, durch den der Strom von Source zu Drain fließt, platzieren wir dasselbe Floating Gate, umgeben von einer dünnen Dielektrikumschicht. Wenn Strom durch einen solchen „modifizierten“ Feldeffekttransistor fließt, tunneln daher einige hochenergetische Elektronen durch das Dielektrikum und landen im Floating Gate. Es ist klar, dass die Elektronen, während sie durch dieses Tor tunnelten und wanderten, einen Teil ihrer Energie verloren und praktisch nicht zurückkehren können. SLC- und MLC-Geräte

Es gibt Geräte, bei denen die Elementarzelle ein und mehrere Informationsbits speichert. Bei Single-Bit-Zellen gibt es am Floating Gate nur zwei Ladungsniveaus. Solche Zellen werden Einebenenzellen genannt. einstufige Zelle SLC). Bei Multibit-Zellen werden mehrere Ladungsniveaus unterschieden, sie werden als Multilevel bezeichnet. mehrstufige Zelle, MLC). MLC-Geräte sind günstiger und geräumiger als SLC-Geräte, allerdings sind die Zugriffszeit und die Anzahl der Neuschreibvorgänge schlechter.

Audiospeicher

Eine natürliche Weiterentwicklung der Idee der MLC-Zellen war die Idee, ein analoges Signal in die Zelle aufzuzeichnen. Am weitesten verbreitet sind solche analogen Flash-Chips bei der Tonwiedergabe. Solche Mikroschaltungen werden häufig in Spielzeugen, Soundkarten usw. aller Art verwendet.

Auch kein Flash-Speicher

Design NOCH verwendet eine klassische zweidimensionale Matrix von Leitern („Zeilen“ und „Spalten“), in der eine Zelle am Schnittpunkt installiert ist. In diesem Fall wurde der Leiter der Zeilen mit dem Drain des Transistors und der Leiter der Spalten mit dem zweiten Gate verbunden. Die Quelle war mit einem gemeinsamen Substrat für alle verbunden. Mit diesem Design war es einfach, den Zustand eines bestimmten Transistors abzulesen, indem eine positive Spannung an eine Spalte und eine Zeile angelegt wurde.

Diese Art von Flash-Speicher basiert auf dem NOR-Algorithmus, da bei einem Floating-Gate-Transistor eine zu niedrige Gate-Spannung eins bedeutet. Dieser Transistortyp besteht aus zwei Gates: Floating und Control. Das erste Tor ist vollständig isoliert und hat die Fähigkeit, Elektronen bis zu zehn Jahre lang festzuhalten. Die Zelle besteht außerdem aus einem Drain und einer Source. Beim Anlegen einer Spannung an das Steuergate entsteht ein elektrisches Feld und es kommt zum sogenannten Tunneleffekt. Die meisten Elektronen werden durch die Isolatorschicht übertragen (getunnelt) und gelangen in das Floating Gate. Die Ladung am Floating-Gate des Transistors verändert die Drain-Source-„Breite“ und die Leitfähigkeit des Kanals, der zum Lesen verwendet wird. Schreib- und Lesezellen unterscheiden sich stark im Stromverbrauch: Beispielsweise verbrauchen Flash-Laufwerke beim Schreiben mehr Strom als beim Lesen (verbrauchen sehr wenig Strom). Zum Löschen (Löschen) von Daten wird eine ausreichend hohe negative Spannung an das Steuergate angelegt, was zum gegenteiligen Effekt führt (Elektronen vom Floating Gate werden mithilfe des Tunneleffekts zur Quelle übertragen). In der NOR-Architektur besteht die Notwendigkeit, an jeden Transistor einen Kontakt anzuschließen, was die Größe des Prozessors erheblich erhöht. Dieses Problem wird durch die neue NAND-Architektur gelöst.