память | это… Что такое Флеш-память?

Не следует путать с картами памяти.

Не следует путать с USB флеш-накопителями.

У этого термина существуют и другие значения, см. Флеш.

Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации.

Содержание 1 История 2 Принцип действия[1] 2.1 NOR- и NAND-приборы 2. 2 SLC- и MLC-приборы 2.2.1 Аудиопамять 2.3 Многокристальные микросхемы 3 Технологические ограничения 3.1 Ресурс записи 3.2 Срок хранения данных 3.3 Иерархическая структура 3.4 Скорость чтения и записи 4 Особенности применения 4.1 NAND-контроллеры 4.2 Специальные файловые системы 5 Применение 5.1 NOR 5.2 NAND 6 Достижения 7 См. также 8 Примечания 9 Ссылки

История

Предшественниками технологии флеш-памяти можно считать ультрафиолетово и электрически стираемые ПЗУ (EEPROM). Эти приборы также имели матрицу транзисторов с плавающим затвором, в которых инжекция электронов в плавающий затвор («запись») осуществлялась созданием большой напряженности электрического поля в тонком диэлектрике. Однако площадь разводки компонентов в матрице резко увеличивалась, если требовалось создать поле обратной напряженности для снятия электронов с плавающего затвора («стирания»). Поэтому и возникло два класса устройств: в одном случае жертвовали цепями стирания, получая память высокой плотности с однократной записью, а в другом случае делали полнофункциональное устройство с гораздо меньшей емкостью.

Соответственно усилия инженеров были направлены на решение проблемы плотности компоновки цепей стирания. Они увенчались успехом изобретением инженера компании Toshiba Фудзио Масуокой в 1984 году. Название «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми, потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку на IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния.

В 1988 году Intel выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference.

Принцип действия

^[1]

Принцип работы полупроводниковой технологии флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («кармане») полупроводниковой структуры.

Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора (эффект Hot carrier injection (англ.)).

Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения.

Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек.

NOR- и NAND-приборы

Различаются методом соединения ячеек в массив и алгоритмами чтения-записи.

Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов — ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке. В такой конструкции было легко считать состояние конкретного транзистора, подав положительное напряжение на один столбец и одну строку.

Конструкция NAND — трёхмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется.

Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика. Наоборот, NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу к большой группе ячеек. Соответственно, различается область применения: NOR используется как непосредственная память программ микропроцессоров и для хранения небольших вспомогательных данных.

Названия NOR и NAND произошли от ассоциации схемы включения ячеек в массив со схемотехникой микросхем КМОП-логики.

Существовали и другие варианты объединения ячеек в массив, но они не прижились.

SLC- и MLC-приборы

Различают приборы, в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько бит. В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (англ. single-level cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (англ. multi-level cell, MLC^[2]). MLC-приборы дешевле и более ёмкие, чем SLC-приборы, однако с большим временем доступа и меньшим максимальным количеством перезаписей.

Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита), память с 8 уровнями (3 бита) называют TLC^[3], с 16 уровнями (4 бита) — 16LC.^[4]

Аудиопамять

Естественным развитием идеи MLC ячеек была мысль записать в ячейку аналоговый сигнал. Наибольшее применение такие аналоговые флеш-микросхемы получили в воспроизведении звука. Такие микросхемы получили широкое распространение во всевозможных игрушках, звуковых открытках и т. д.^[5]

Многокристальные микросхемы

Часто в одну микросхему флеш-памяти упаковывается несколько полупроводниковых пластин (кристаллов), до 8-16 штук.^[6]

Технологические ограничения

Запись и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи для формирования высоких напряжений, тогда как при чтении затраты энергии относительно малы.

Ресурс записи

Изменение заряда сопряжено с накоплением необратимых изменений в структуре и потому количество записей для ячейки флеш-памяти ограничено (обычно до 10 тыс. раз для MLC-устройств и до 100 тыс. раз для SLC-устройств).

Одна из причин деградации — невозможность индивидуально контролировать заряд плавающего затвора в каждой ячейке. Дело в том, что запись и стирание производятся над множеством ячеек одновременно — это неотъемлемое свойство технологии флеш-памяти. Автомат записи контролирует достаточность инжекции заряда по референсной ячейке или по средней величине. Постепенно заряд отдельных ячеек рассогласовывается и в некоторый момент выходит за допустимые границы, которые может скомпенсировать инжекцией автомат записи и воспринять устройство чтения. Понятно, что на ресурс влияет степень идентичности ячеек. Одно из следствий этого — с уменьшением топологических норм полупроводниковой технологии создавать идентичные элементы все труднее, поэтому вопрос ресурса записи становится все острее.

Другая причина — взаимная диффузия атомов изолирующих и проводящих областей полупроводниковой структуры, ускоренная градиентом электрического поля в области кармана и периодическими электрическими пробоями изолятора при записи и стирании. Это приводит к размыванию границ и ухудшению качества изолятора, уменьшению времени хранения заряда.

Идут исследования технологии восстановления ячейки флеш-памяти путём локального нагрева изолятора затвора до 800°С в течении нескольких миллисекунд.^[7]

Срок хранения данных

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий — 10-20 лет.

Специфические внешние условия могут катастрофически сократить срок хранения данных. Например, повышенные температуры или радиационное облучение (гамма-радиация и частицы высоких энергий).

У современных микросхем NAND при чтении возможно повреждение данных на соседних страницах в пределах блока. Осуществление большого числа (сотни тысяч и более) операций чтения без перезаписи может ускорить возникновение ошибки.^[8]

Иерархическая структура

Стирание, запись и чтение флеш-памяти всегда происходит относительно крупными блоками разного размера, при этом размер блока стирания всегда больше чем блок записи, а размер блока записи не меньше, чем размер блока чтения. Собственно, это — характерный отличительный признак флеш-памяти по отношению к классической памяти EEPROM.

Как следствие — все микросхемы флеш-памяти имеют ярко выраженную иерархическую структуру. Память разбивается на блоки, блоки состоят из секторов, секторы из страниц. В зависимости от назначения конкретной микросхемы глубина иерархии и размер элементов может меняться.

Например, NAND-микросхема может иметь размер стираемого блока в сотни кбайт, размер страницы записи и чтения 4 кбайт. Для NOR-микросхем размер стираемого блока варьируется от единиц до сотен кбайт, размер сектора записи — до сотен байт, страницы чтения — единицы-десятки байт.

Скорость чтения и записи

Скорость стирания варьируется от единиц до сотен миллисекунд в зависимости от размера стираемого блока. Скорость записи — десятки-сотни микросекунд.

Обычно скорость чтения для NOR-микросхем нормируется в десятки наносекунд. Для NAND-микросхем скорость чтения десятки микросекунд.

Особенности применения

Стремление достичь предельных значений емкости для NAND-устройств привело к «стандартизации брака» — праву выпускать и продавать микросхемы с некоторым процентом бракованных ячеек и без гарантии непоявления новых «bad-блоков» в процессе эксплуатации. Чтобы минимизировать потери данных, каждая страница памяти снабжается небольшим дополнительным блоком, в котором записывается контрольная сумма, информация для восстановления при одиночных битовых ошибках, информация о сбойных элементах на этой странице и количестве записей на эту страницу.

Сложность алгоритмов чтения и допустимость наличия некоторого количества бракованных ячеек вынудило разработчиков оснастить NAND-микросхемы памяти специфическим командным интерфейсом. Это означает, что нужно сначала подать специальную команду переноса указанной страницы памяти в специальный буфер внутри микросхемы, дождаться окончания этой операции, считать буфер, проверить целостность данных и, при необходимости, попытаться восстановить их.

Слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи в одной странице. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что стандартные файловые системы — то есть стандартные системы управления файлами для широко распространенных файловых систем — часто записывают данные в одно и то же место. Часто обновляется корневой каталог файловой системы, так что первые секторы памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволит существенно продлить срок работы памяти. Подробнее про задачу равномерного распределения износа см.: Wear leveling (англ.).

Подробнее о проблемах управления NAND-памятью, вызванных разным размером страниц стирания и записи см.: Write amplification (англ.).

NAND-контроллеры

Для упрощения применения микросхем флеш-памяти NAND-типа они используются совместно со специальными микросхемами — NAND-контроллерами. Эти контроллеры должны выполнять всю черновую работу по обслуживанию NAND-памяти: преобразование интерфейсов и протоколов, виртуализация адресации (с целью обхода сбойных ячеек), проверка и восстановление данных при чтении, забота о разном размере блоков стирания и записи, забота о периодическом обновлении записанных блоков (есть и такое требование), равномерное распределение нагрузки на секторы при записи.

Однако задача равномерного распределения износа не обязательна, что зачастую приводит к экономии в дешевых изделиях. Такие флеш-карты памяти и USB-брелки быстро выйдут из строя при частой перезаписи. Если вам нужно часто записывать на флешку — старайтесь брать дорогие изделия с SLC-памятью и качественными контроллерами, а также старайтесь минимизировать запись в корневую директорию.

На дорогие NAND-контроллеры также может возлагаться задача «ускорения» микросхем флеш-памяти путем распределения данных одного файла по нескольким микросхемам. Время записи и чтения файла при этом сильно уменьшается.

Подробнее по этой теме см.: en:Flash memory controller.

Специальные файловые системы

Зачастую флеш-память подключается в устройстве напрямую — без контроллера. В этом случае задачи контроллера должен выполнять программный NAND-драйвер в операционной системе. Чтобы не выполнять избыточную работу по равномерному распределению записи по страницам, стараются эксплуатировать такие носители со специально придуманными файловыми системами (англ.  Flash file system): JFFS2^[9] и YAFFS^[10] для Linux и др.

См. также: TRIM

Применение

Существует два основных применения флеш-памяти: как мобильный носитель информации и как хранилище программного обеспечения («прошивки») цифровых устройств. Зачастую эти два применения совмещаются в одном устройстве.

Флеш-память позволяет обновлять прошивку устройств в процессе эксплуатации.

NOR

Применение NOR-флеши, устройства энергонезависимой памяти относительно небольшого объёма, требующие быстрого доступа по случайным адресам и с гарантией отсутствия сбойных элементов:

• Встраиваемая память программ однокристальных микроконтроллеров. Типовые объёмы — от 1 кбайта до 1 Мбайта.
• Стандартные микросхемы ПЗУ произвольного доступа для работы вместе с микропроцессором.
• Специализированные микросхемы начальной загрузки компьютеров (POST и BIOS), процессоров ЦОС и программируемой логики. Типовые объёмы — единицы и десятки мегабайт.
• Микросхемы хранения среднего размера данных, например DataFlash. Обычно снабжаются интерфейсом SPI и упаковываются в миниатюрные корпуса. Типовые объёмы — от сотен кбайт до технологического максимума.

NAND

Флеш-карты разных типов (спичка для сравнения масштабов)

Там, где требуются рекордные объёмы памяти — NAND-флеш вне конкуренции.

В первую очередь — это всевозможные мобильные носители данных и устройства, требующие для работы больших объёмов хранения. В основном, это USB-брелоки и карты памяти всех типов, а также мобильные медиаплееры.

Флеш-память типа NAND позволила миниатюризировать и удешевить вычислительные платформы на базе стандартных операционных систем с развитым программным обеспечением. Их стали встраивать во множество бытовых приборов: сотовые телефоны и телевизоры, сетевые маршрутизаторы и точки доступа, медиаплееры и игровые приставки, фоторамки и навигаторы.

Высокая скорость чтения делает NAND-память привлекательной для кэширования винчестеров. При этом часто используемые данные операционная система хранит на относительно небольшом твердотельном устройстве, а данные общего назначения записывает на дисковый накопитель большого объёма.^[11]

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам NAND-память активно вытесняет из обращения носители других типов. Сначала исчезли дискеты и дисководы гибких магнитных дисков

[12], ушли в небытие накопители на магнитной ленте. Магнитные носители практически полностью вытеснены из мобильных и медиаприменений. Сейчас флеш-память активно теснит винчестеры в ноутбуках^[13] и уменьшает долю записываемых оптических дисков.

Стандартизацией применения чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0^[14], выпущенная 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND-чипов: Intel, Hynix и Micron Technology. ^[15]

Достижения

USB-накопитель на флеш-памяти

Максимальное значение объёмов микросхем NOR — до 256 Мбайт. NAND имеет максимальное значение объёма на 8-кристальную микросхему 128 Гбайт (то есть объём кристалла 16 Гбайт).^[16]

В 2005 году Toshiba и SanDisk представили NAND-чипы объёмом 1 Гб^[17], выполненные по технологии многоуровневых ячеек, где один транзистор может хранить несколько бит, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе.

Компания Samsung в сентябре 2006 года представила 4-гигабайтный чип, выполненный по 40-нм технологическому процессу.^[18]

В конце 2007 года Samsung сообщила о создании MLC-чипа флеш-памяти типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью чипа 8 Гб. В декабре 2009 года начато производство этой памяти объёмом 4 Гб (32 Гбит).^[19]

На конец 2008 года лидерами по производству флеш-памяти являлись Samsung (31 % рынка) и Toshiba (19 % рынка, включая совместные заводы с Sandisk). (Данные согласно iSuppli на 4 квартал 2008 года).

В июне 2010 года Toshiba объявила о выпуске 128-Гб чипа, состоящего из 16 модулей по 8 Гб. Одновременно с ним в массовую продажу вышли и чипы в 64 Гб.^[20][21]

Для увеличения объёма в устройствах часто применяется массив из нескольких чипов. К 2007 году USB-устройства и карты памяти имели объём от 512 Мб до 64 Гб. Самый большой объём USB-устройств составлял 4 терабайта.

В 2010 году Intel и Micron сообщили об успешном совместном освоении выпуска 3-битной (TLC) флеш-памяти типа NAND с использованием норм 25-нм техпроцесса.^[2]

6 декабря 2011 года Intel и Micron анонсировали NAND-флеш-память по технологии 20 нм объёмом 128 Гбит.^[22]

27 августа 2011 года Transcend совместно с институтом ITRI представили USB-накопитель с флеш-памятью ёмкостью 2 Тб и подключением по стандарту USB 3.0.^[23]

См. также

• Универсальный флеш-накопитель
• Charge Trap Flash
• Магниторезистивная оперативная память
• U3
• Восстановление данных

Примечания

1. ↑ Технология флеш-памяти
2. ↑ ^{1 2} iXBT. com :: Все новости :: Intel и Micron освоили выпуск 3-битной флэш-памяти типа NAND по нормам 25 нм
3. ↑ Understanding TLC NAND
4. ↑ nvmw.ucsd.edu/2010/documents/Trinh_Cuong.pdf
5. ↑ http://www.nuvoton.com/NuvotonMOSS/Community/ProductInfo.aspx?tp_GUID=d2589477-840d-4046-9c3a-2e0e457048b3 ISD ChipCorder
6. ↑ «Многокристальный модуль флеш-памяти NAND со стеком из 16-ти кристаллов NAND (NAND flash MCP (multi-chip package) with a 16-die NAND stack)» // http://www.xbitlabs.com/news/memory/display/20120405124852_Mosaid_Creates_World_s_First_512Gb_16_Die_NAND_Flash_Stack.html
7. ↑ Flash Memory Survives 100 Million Cycles — IEEE Spectrum
8. ↑ Design and Use Considerations for NAND Flash memory
9. ↑ ELJonline:Flash Filesystems for Embedded Linux Systems — Linux For Devices Articles — Linux for Devices
10. ↑ Introducing YAFFS, the first NAND-specific flash file system — News — Linux for Devices
11. ↑ ReadyBoost — Using Your USB Key to Speed Up Windows Vista — Tom Archer’s Blog — Site Home — MSDN Blogs
12. ↑ BBC NEWS | UK | R. I.P. Floppy Disk
13. ↑ One Laptop per Child (OLPC): Laptop Hardware > Specs
14. ↑ http://www.onfi.org/docs/ONFI_1_0_Gold.pdf
15. ↑ http://www.onfi.org/onfimembers.html
16. ↑ «Из восьми /кристаллов/ можно сформировать чип флеш-памяти на 128 Гб (Eight can be combined to produce … 128GB flash memory chip)» // http://www.geek.com/articles/chips/sandisk-19nm-128gb-flash-memory-chip-is-worlds-smallest-20120222/
17. ↑ Toshiba : Press Releases 8 February, 2005
18. ↑ Samsung unveils 32Gb flash made from 40nm technology | Hardware — InfoWorld
19. ↑ Денис Борн. Intel и Micron на пути к лидерству в области NAND-технологий 3DNews, 26 декабря 2009  (Проверено 15 марта 2010)
20. ↑ Embedded Memory Solutions Memory Products — Toshiba America Electronic Components, Inc
21. ↑ Toshiba creates 128GB flash chips for MP3 players, phones | Electronista
22. ↑ Intel, Micron Extend NAND Flash Technology Leadership with Introduction of World’s First 128Gb NAND Device and Mass Production of 64Gb 20nm NAND
23. ↑ http://www. netbooknews.com/33811/2tb-usb-the-size-of-your-finger-nail/ Перевод, сайт Гаджет.ру  (Проверено 31 августа 2011)

Ссылки

• Технологии флеш-памяти iXBT
• Как продлить срок службы накопителям на флеш-памяти R.LAB

Восстановление стертой информации во Flash памяти на физическом уровне / Хабр

На Хабре появились интересные статьи (например), о том как стереть информацию на Flash SSD накопителе, так, что бы информация действительно была стерта. Производители заявляют, что обычное стирание не гарантирует невозможность восстановления информации, и рекомендует использовать специальные функции стирания, которые сотрут не только таблицы размещения блоков данных, но и собственно сами блоки данных в памяти, содержащие стираемую информацию. А можно ли восстановить полноценно стертую информацию во Flash памяти? Не просто найти неиспользуемые области, в которых сохранились «ошметки» более не нужной (якобы стертой) информации, а именно восстановить исходное значение битов памяти после физического процесса стирания этих бит? Наш интерес к этой теме вызван не попыткой найти что-то тайное, а наоборот, дать рекомендации как стереть, чтобы никто не нашел (или правильней сказать затруднить). Сейчас в ряде приборов заложены алгоритмы 10 и более кратных процедур стирания, что во-первых, долго, а во-вторых, расходует ресурс Flash памяти и быстро выводит ее из строя. Но для того, что бы рекомендации были не абстрактные «сотрите дважды» или «сотрите, запишите и еще раз сотрите», а имели некое количественное выражение, нужно сначала научиться восстанавливать информацию. Интересно? Тогда поехали…

Введение.

Затравочный вопрос

Попробуйте сформулировать критерий оценки объема восстановленной информации? Если мы восстановили все, то это 100%, если ничего, то 0%. При этом нужно понимать, что если ни один «0» и ни одна «1» не совпадает с исходной информацией, то это означает, что мы восстановили 100% информации, но только проинвертировали ее. Мы так и не пришли к какому либо устраивающих всех критерию, и при 50% совпадения с исходной информацией — мы считали минимумом возможного восстановления. Возможно коллективный Хабр-разум даст другие идеи?

Биты информации во Flash памяти хранятся в виде заряда на «плавающем» затворе либо в области подзатворного диэлектрика МОП-транзистора. Если уровень заряда больше некоторого уровня, то ячейка запрограммирована, если ниже — то считается чистой. Пока мы остановимся на SLC Flash памяти, когда одна ячейка кодирует один бит. Есть более сложные типы, когда уровнем заряда в одной ячейки кодируется несколько бит. Например, MLC — два бита на ячейку, условно отсутствие заряда = «11», 1/3 заряда = «01», 2/3 заряда = «10» и полный заряд соответствует коду«00». Для QLC на одной ячейке хранится уже четыре бита. Поверх всего этого наложены еще всевозможные блочные корректирующие коды, которые дают уже достаточно высокий уровень надежности, даже при физических отказах нескольких ячеек. Но как уже отмечено ранее, мы пока остановимся на ячейках памяти, кодирующих один бит. И в частности подопытным кроликом будет отечественная микросхема 1636РР4, объемом 16Мбит. И чтобы облегчить восприятие, воспользуемся аналогией — представим ячейку Flash памяти как стакан воды. И если стакан пустой — то это «1». Если полный — то «0». Во время операции программирования заряд заносится на «плавающий затвор» — наполняем стакан водой, при стирании заряд удаляется — выливаем из стакана воду.

После каждой операции стирания большая часть этого заряда уходит, но малая часть остается — стакан остается мокрым. И если наш стакан мокрый — значит ранее в нем была вода — ячейка была запрограммирована — на этом эффекте и строится основной принцип восстановления стертой информации.

Сергей Скоробогатов из Кембриджского университета (много интересного можно у него почитать) провел эксперимент на ячейках с плавающим затвором. Он выполнял операцию стирания для ячеек, в которые были предварительно записаны «0» и «1». Тенденция разницы пороговых напряжений показана на следующем рисунке.

Несмотря на то, что операция стирания выполняется 100 раз, отличие порогового напряжения запрограммированных и затем стертых ячеек от ни разу не программированных, очевидно существует. Т.е. если из пустого, но мокрого, стакана еще раз вылить воду, то он все равно остается мокрым. Таким образом, дублирование операции стирания не является безопасным и эффективным способом защиты от восстановления стираемой информации.

Предположим, что у нас полностью чистая, ранее не использованная микросхема памяти, тогда ее ячейки памяти выглядят вот так

Все ячейки читаются как «1», т.е. чистые.

Теперь мы ее запрограммируем.

Часть ячеек запрограммированы (заполнены водой), и читаются как «0». Часть ячеек осталась чистыми.

Выполним стандартную процедуру стирания.

Все ячейки читаются чистыми «1». Остаточного заряда не хватает, чтобы превысить порог. Но лишний заряд в ранее записанных ячейках остается — стаканы мокрые.

Теперь если начать понемногу доливать во все стаканы воды, то ранее мокрые стаканы быстрее превысят порог, чем те, которые всегда были сухими.

И так далее понемногу доливаем

Пока все ранее записанные ячейки не перейдут снова в запрограммированное состояние.
Вроде бы все просто, система взломана, все сейчас начнут восстанавливать прошивки защищенных микроконтроллеров, «фиксить» использованные метрошные карты, и о боже, начнут реверс инженеринг банковских. Рынок Flash памяти рухнет и поглотит за собой всю микроэлектронику… но нет. Все гораздо сложнее. Есть три аспекта, которые значительно затрудняют процесс.

1. Как «чуть-чуть» запрограммировать ячейку памяти ?

Обычно у микросхем Flash памяти стандартный процесс записи одного бита занимает до нескольких микросекунд. В частности у микросхемы 1636РР4 время программирования одного байта составляет не более 200 мкс. С одной стороны это достаточно длительный процесс, который легко можно «укоротить», например прервать. Но с другой стороны процесс записи очень сложный. Во-первых, для программирования ячейки Flash необходимо высокое напряжение 7…15В. В современных микросхемах для удобства пользователей блок накачки высокого напряжения встроен в микросхему и высокое напряжение не требуется подавать извне. Блок автоматически включается при начале операции записи, накачивает достаточный уровень из основного напряжения питания, а уже затем запускаются процессы подачи высокого напряжения в затворы для внесения заряда. После завершения процесса записи, выключается блок накачки, а накаченное высокое напряжение «сливается» для возможности безопасного переключения на следующую ячейку памяти. За все эти процессы отвечает внутренний цифровой автомат, который не предполагает какое-либо вмешательство и изменение его поведения. Даже команда «сброса» игнорируется в процессах записи или стирания. Остается только завершить процесс по выключению питания. Но на самом деле, разработчикам микросхемы, знающим как она работает, доступны различные методы, например, используемые при тестировании, в которых они имеют больше возможностей для управления. Но данная информация закрыта, и ее публикация в открытых источниках не допустима. В любом случае, мы смогли безопасно управлять квантами дозаписи (долива), и определили минимальный при котором возникал эффект восстановления данных.
На следующей картинке представлено, через сколько дозаписей минимального кванта ячейка превышает порог.

Как видно, в конечном итоге все ячейки превышают порог «запрограммированности», но часть ячеек делает это быстро, а часть позже. И хотя на рисунке представлены некие уровни остаточных данных и дозаписанных данных — это не более чем абстракция, так как для каждой ячейки мы можем сказать только, то, что после стирания и начала записи минимальными квантами она запрограммировалась на N шаге.
Пора перейти к обработке больших объемов данных. Для этого была разработана программа, позволяющая проводить маннипуляции над большим объемом ячеек Flash памяти.

Программа позволяет графически отобразить получаемые результаты, так как человеческий глаз замечает, то, что сложно описать чистой математикой. Кроме того, программа выполняет ряд операций по статистической обработке. Например, после каждого цикла дозаписи выполняется несколько циклов чтения и значение ячейки определятся как среднеарифиметическое. И да, процесс восстановления очень долгий, и без автоматизации провести такое исследование крайне затруднительно. Но к сожалению обнадеживающие результаты при манипулировании с несколькими ячейками перестал работать при оперировании на больших массивах. Итак, второй аспект.

2. Все стаканы разные.

Как видно из рисунка, в ходе исследований мы использовали паттерн «Шахматный код» для заполнения памяти и последующего восстановления информации. На следующем рисунке представлено как выглядит память после программирования и после стандартной процедуры стирания.

Поиграв настройками, нам удавалось восстановить более-менее воспринимаемую глазом картину в отдельной области, но при переходе к другой области, картина полностью разрушалась. Особенно это было заметно на границе секторов. Таким образом возникло понимание, что все ячейки разные. В микроэлектроннике этот эффект называют «miss-match» или повторяемостью элементов, т.е. рядом расположенные одинаковые элементы очень похожи, и имеют очень близкие параметры, а стоит их разнести на достаточное расстояние, даже полностью одинаково нарисованные элементы начинают отличаться по своим параметрам. Так и в нашем случае, с одной стороны все ячейки должны быть одинаковыми, но поведение их сильно разнится. Последующий анализ показал, что даже соседние ячейки могут быть разными. Т.е. если вернуться к нашей аналогии со стаканами, то все ячейки выглядят примерно так.

Некоторые очень долго невозможно залить до порога, даже если заведомо известно, что они были ранее записанны, некоторые наоборот, известно что она точно чистая, но после первого кванта становится записанной. Для каждой ячейки мы можем примерно оценить ее поведение. Но для этого необходимо ее многократно стереть и записать квантами — создать модель. При этом модель каждой ячейки в разных образцах микросхемы будет разной. Т.е. модель создается для каждого образца, который мы исследовали. Очевидно, что постоянные записи и стирания, необходимые для создания модели окончательно сотрут остатки атакуемой (восстанавливаемой) информации. Поэтому подход следующий:

1. Делается «слепок» образца атакуемой микросхемы, где для каждой ячейки записывается номер кванта, при котором превышен порог запрограммированности.

2. Для данного образца микросхемы формируется модель ее ячеек «фон».

3. Результатом является разница между «слепком» и «фоном».

В результате чего получается достаточно качественно восстановить информацию. По результатам статистической обработки, четко различимы «горбы» восстановленных «0» и «1».

Именно наличие таких «горбов» является критерием наличия факта восстановления информации, т.е. есть группа бит с малым числом шагов и с большим числом шагов. Отношение величины площади горбов — отражает соотношение «0» и «1» в исходной информации. И теперь можно переходить к основной части нашей задачи. Как стереть исходную информацию, чтобы ее восстановление было затруднено.

Стирание

Напомню, что целью работы было не восстановить информацию, а найти метод стирания, который наибольшим образом затруднит восстановление. Для начала посмотрим, как работает многократное повторение стандартной функции стирания.

Как видно, обычное стирание памяти стандартной функцией оставляет возможность восстановления исходной информации. Раз просто стирание не помогает, остается только одно — что-то записать перед стиранием, а потом стирать. Что же можно записать? Были проанализированы следующие варианты:

— запись псевдослучайной последовательности.
— запись во все ячейки «0», включая ранее запрограммированные (еще раз напомню, что стертая или чистая ячейка = «1»).
— запись инверсных данных, т.е. дозаписать «0» в чистые ячейки.

В результате были получены вот такие результаты.

50% — как было отмечено в затравочном вопросе, является минимумом восстановления информации.

Таким образом, для безопасного стирания информации в Flash памяти лучше всего подходит метод «запись инверсных данных и стирание», когда перед стиранием все ранее незапрограммированные ячейки дозаписываются, после чего выполняется общее стирание. Это не исключает выполнение дополнительно других методов в зависимости от паранойи заказчика. Но общая рекомендация — перед любым стиранием нужно дозапрограммировать все незапрограммированные ячейки.

В итоге у нас получился вот такой заключительный график

И если, дорогой читатель, ты еще не устал от этого длинного повествования, то в этом графике тебя должно что-то смутить.

Смутить вас должны цифры 100, 1000 и 10 000 по оси Х!

Что же они означают? Так вот, все выше описанное действительно, только в том случае, если исходная информация во Flash память была записана 10 000 (десять тысяч) раз. Т.е. «Шахматный код» перед попыткой восстановления записывался и стирался 10 000 раз, только после этого наш метод восстановления позволял восстановить информацию. Это и есть третий аспект. То, как снижается уровень восстановления при 1000 и 100 записях, показывает как раз этот график. При однократной записи восстановить какую-либо информацию нам не удалось. Так что рынок Flash памяти и микроэлектроники может чувствовать себя спокойно.

P.S. Данная статья является результатом большого коллектива, и я выражаю огромную благодарность всем участникам.

P.P.S. А что будет если 10 000 записей в одну микросхему заменить на 10 000 разных микросхем с одной и той же информацией? Например, закрытая битами «Read Protect» прошивка в микроконтроллерах? Но об этом в следующий раз…

Что такое флэш-память? Введение, типы, примеры и приложения

Введение во флэш-память

Флэш-память широко используется для хранения данных и кода, используемых во встроенных системах. Это энергонезависимый носитель данных, что означает, что он может сохранять данные без источника питания. Флэш-память можно электрически стирать и перепрограммировать, она стирает данные блоками, называемыми блоками, и перезаписывает данные на уровне байтов. Флэш-память часто используется в системах, которые часто перезаписывают данные, таких как USB-накопители или SD-карты.

Флэш-память представляет собой вариант EEPROM или электрически стираемой программируемой постоянной памяти. EEPROM и флэш-память имеют много различий, одно из которых заключается в процедурах чтения, записи и стирания хранимых данных. Например, EEPROM может читать, записывать и стирать данные на уровне байтов, в то время как флэш-память также может читать и записывать на уровне байтов, но может стирать данные только на уровне блоков.

Поскольку стирание является относительно медленной операцией и должно выполняться перед записью, выполнение стирания в большом блоке ускоряет большие операции записи.

Устройства флэш-памяти часто основаны на протоколе I2C или SPI для облегчения связи между двумя устройствами или микросхемами во встроенной системе. В зависимости от применения запоминающего устройства существуют определенные преимущества и недостатки использования одного над другим.

Типы флэш-памяти

Существует два наиболее распространенных типа флэш-памяти: NAND и NOR Flash. Флэш-память NOR была первой из двух, представленных Intel в 1988 г., а флэш-память NAND была позже представлена ​​Toshiba в 1919 г.89. Их основные отличия можно определить по их архитектуре.

NOR и NAND названы в честь того, как плавающие вентили ячеек памяти, в которых хранятся данные, взаимосвязаны в конфигурациях, напоминающих логические вентили NOR или NAND.

NOR Flash

NOR Flash оптимизирован для возможностей произвольного доступа, когда он может получать доступ к данным в любом порядке и не требует соблюдения последовательности мест хранения. С точки зрения архитектуры, каждая из ячеек памяти NOR Flash соединена параллельно, где один конец ячейки памяти подключен к исходной линии, а другой конец подключен к битовой линии. Это позволяет системе получать доступ к отдельным ячейкам памяти.

Флэш-память NAND

Флэш-память NAND, наоборот, оптимизирована для хранения данных с высокой плотностью и не поддерживает возможности произвольного доступа. Ячейки флэш-памяти NAND подключаются, обычно восемь транзисторов памяти одновременно, последовательно к битовой линии, называемой строкой. Здесь исток одной ячейки соединяется со стоком следующей. Такое последовательное соединение уменьшает количество заземляющих проводов и битовых линий.

Таким образом, флэш-память на основе NAND идеально подходит для хранения данных большой емкости, а флэш-память на основе NOR лучше всего подходит для хранения и выполнения кода, как правило, небольшой емкости.

Примеры и применение флэш-памяти

Примеры флэш-памяти

Общие примеры флэш-памяти включают: камеры, музыкальные проигрыватели, видеокамеры и персональные компьютеры. Эти карты хранят цифровую информацию, такую ​​как текст, изображения, аудио и видео.

Твердотельный накопитель (SSD) — флэш-память, используемая в таких устройствах, как компьютеры или игровые приставки, в качестве запоминающего устройства, которое заменяет жесткие диски (HDD) благодаря своей скорости и надежности.

Микросхема BIOS

— базовая система ввода-вывода — представляет собой небольшую микросхему памяти, расположенную на материнской плате компьютера, в которой хранятся инструкции, позволяющие компьютеру выполнять основные функции, такие как загрузка и управление с клавиатуры.

Флэш-накопитель USB — устройство хранения данных, в состав которого входит флэш-память со встроенным интерфейсом USB. Это устройство подключается к ПК, камере или телефону для сохранения или передачи цифровых данных.

Применение флэш-памяти

Флэш-память широко используется для хранения и передачи данных в потребительских устройствах, промышленных приложениях и корпоративных системах.

Что касается потребительских устройств, флэш-память часто используется в портативных устройствах, таких как сотовые телефоны, цифровые камеры, планшеты и принтеры, для быстрого и удобного хранения информации. Флэш-память идеальна для такой электроники, поскольку обеспечивает мобильность и миниатюризацию устройств. Благодаря флэш-памяти эти устройства могут хранить такие данные, как текст, изображения, аудио- и видеофайлы, и выполнять определенные функции без необходимости использования традиционного жесткого диска. Кроме того, поскольку флэш-память является энергонезависимой, эти устройства могут хранить данные без питания, что делает их более эффективными для потребителей.

Флэш-память также часто используется в промышленных вычислительных приложениях, включая научные приборы, промышленную робототехнику, исследование космоса и медицинскую электронику. В промышленных системах часто используется флэш-память NAND с одноуровневой ячейкой (SLC) из-за ее надежности и долговечности, а также меньшей чувствительности к колебаниям мощности. Включение такой флеш-памяти промышленного класса жизненно важно в этих критических случаях использования, поскольку она сводит к минимуму риск сбоев.

В корпоративных приложениях флэш-память относится к использованию твердотельных накопителей (SSD), состоящих из флэш-памяти, для массового хранения данных или файлов. Корпоративные вычислительные платформы, такие как центры обработки данных, выигрывают от твердотельных накопителей, поскольку они обеспечивают высокую пропускную способность данных и низкую задержку транзакций. С ростом числа гибридных массивов и массивов на основе флэш-накопителей SSD-хранилища обслуживают интенсивные рабочие нагрузки с очень высокой производительностью операций ввода-вывода.

Как Total Phase поддерживает устройства флэш-памяти и EEPROM

Total Phase предлагает несколько инструментов адаптера хоста, которые поддерживают чтение, запись, стирание и проверку устройств флэш-памяти и EEPROM на основе I2C и SPI. В зависимости от скорости и приложения инженеры встраиваемых систем могут выбрать хост-адаптер Aardvark I2C/SPI, хост-адаптер Cheetah SPI или последовательную платформу Promira для программирования и взаимодействия с такими устройствами памяти.

Хост-адаптер Aardvark I2C/SPI — это хост-адаптер общего назначения, способный передавать сигналы на частотах до 8 МГц в качестве ведущего SPI и до 4 МГц в качестве ведомого SPI. Он также может эмулировать ведущее или ведомое устройство I2C до 800 кГц.

Хост-адаптер Cheetah SPI предназначен для поддержки высокоскоростных приложений программирования, что позволяет пользователям передавать сигналы на частоте до 40 МГц в качестве главного устройства SPI. Он может поддерживать до 3-х ведомых устройств и имеет конвейерную архитектуру, которая позволяет использовать очередь команд для максимальной пропускной способности.

 Promira Serial Platform – это усовершенствованный инструмент хост-адаптера, способный передавать сигналы на частоте до 80 МГц в качестве ведущего SPI и 20 МГц в качестве ведомого SPI, а также до 3,4 МГц в качестве хоста или ведомого устройства I2C. Он предлагает множество других функций для расширенного программирования, в том числе поддержку до 8 ведомых устройств, а также поддержку двойного и четырехъядерного ввода-вывода.

Программное обеспечение Flash Center – это программный пакет, который позволяет инженерам быстро стирать, программировать и проверять микросхемы EEPROM и флэш-памяти на основе I2C и SPI, которые подключаются через хост-адаптер Total Phase Aardvark I2C/SPI, хост-адаптер Cheetah SPI, и серийная платформа Promira.

В отличие от других программаторов, которым для программирования запоминающего устройства могут потребоваться минуты, программа Flash Center Software может запрограммировать то же устройство за секунды. Программное обеспечение Flash Center изначально поддерживает широкий спектр широко используемых устройств флэш-памяти и EEPROM на основе I2C и SPI, но также позволяет пользователям легко добавлять новые компоненты, если они еще не поддерживаются.

Узнайте, как легко запрограммировать устройство флэш-памяти SPI с помощью последовательной платформы Promira:

Как работает флэш-память?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 14 ноября 2022 г.

Представьте, если бы ваша память работала только пока ты бодрствовал. Каждый утром, когда вы встанете, ваш разум будет совершенно пуст! Вы бы вам придется переучить все, что вы когда-либо знали, прежде чем вы сможете что-то сделать. Звучит как кошмар, но проблема именно в компьютерах имеют. Обычные компьютерные чипы «забывают» обо всем (теряют всю свою содержимое) при отключении питания. Большие персональные компьютеры получают вокруг этого, имея мощные магнитные воспоминания, называемые жесткие диски, которые могут запоминать вещи включено или выключено питание. Но небольшие, более портативные устройства, такие как цифровые камеры и MP3-плееры, нужны меньшие и более портативные запоминающие устройства. Они используют специальные чипы, называемые флэш-память для постоянного хранения информации. Флэш-память умна, но и довольно сложна. Как именно они работай?

Фото: Типичная защищенная цифровая (SD) карта из цифровой камеры. Внутри находится микросхема флэш-памяти. Как это работает? Читай дальше!

Содержание

1. Как компьютеры хранят информацию
2. Что такое флэш-память?
3. Как работает флэш-память — простое объяснение
4. Как работает флэш-память — более сложное объяснение
5. Как долго работает флэш-память?
6. Кто изобрел флэш-память?
7. Что ждет флэш-память в будущем?
8. Узнать больше

Как компьютеры хранят информацию

Компьютеры электронные машины, обрабатывающие информацию в цифровой формат. Вместо того, чтобы понимать слова и цифры, как люди делают, они превращают эти слова и числа в строки нулей и единиц называется двоичным (иногда его называют «двоичным кодом»). Внутри компьютера одна буква «А» хранится в виде восьми двоичных чисел: 01000001. Фактически, все основные символы на вашей клавиатуре (буквы A–Z в верхнем и нижнем регистре, цифры 0–9, и символы) могут быть представлены различными комбинациями всего восемь двоичных чисел. Знак вопроса (?) сохраняется как 00111111, число 7 как 00110111 и левая скобка ([) как 01011011. Практически все компьютеры знают, как представлять информацию с помощью этого «кода», потому что это согласованный мировой стандарт. Это называется ASCII (Американский стандартный код для обмена информацией).

Компьютеры могут представлять информацию с помощью нулей и единиц, но как именно информация хранится внутри их чипов памяти? Это помогает подумать о несколько другом примере. Предположим, вы стоите на некотором расстоянии, я хочу послать тебе сообщение, а у меня только восемь флажков с что делать. Я могу установить флаги в линию, а затем отправить каждый письмо сообщения к вам, поднимая и опуская разные шаблон флагов. Если мы оба понимаем код ASCII, отправка информация проста. Если я подниму флаг, вы можете предположить, что я имею в виду число 1, и если я оставлю флаг опущенным, вы можете предположить, что я имею в виду число 0. Итак, если Я показываю вам эту выкройку:

Вы можете понять, что я посылаю вам двоичное число 00110111, эквивалентно десятичному числу 55 и, таким образом, сигнализирует о символе «7» в ASCII.

Какое отношение это имеет к памяти? Это показывает, что вы можете хранить, или представить символ, например «7», с чем-то вроде флага, который может быть в двух местах, либо вверху, либо внизу. Память компьютера фактически является гигантский ящик из миллиардов и миллиардов флажков, каждый из которых можно либо вверх, либо вниз. Однако на самом деле это не флаги. микроскопические переключатели, называемые транзисторами который может быть включен или выключен. Для сохранения персонажа требуется восемь переключателей. как A, 7 или [. Для хранения каждой двоичной цифры требуется один транзистор (что называется немного). В большинстве компьютеров восемь из этих битов вместе взятые. называется байтом. Поэтому, когда вы слышите, как люди говорят у компьютера так много мегабайт памяти, значит, он может хранить примерно это много миллионов символов информации (мега означает миллион, гига означает тысячу миллионов или миллиард).

Что такое флэш-память?

Фото: Обычный USB-накопитель и микросхема флэш-памяти, которую вы найдете внутри, если разберете ее (большой черный прямоугольник справа).

Обычные транзисторы представляют собой электронные переключатели, которые включаются или выключаются с помощью электричество — и это их сила и их слабость. Это сила, потому что это означает, что компьютер может хранить информацию, просто пропуская образцы электричества через свои цепи памяти. Но это слабость тоже, потому что как только власть выключается, все транзисторы возвращаются в исходное состояние — и компьютер теряет всю сохраненную информацию. Это как гигант приступ электронной амнезии!

Память, которая «забывает» при отключении питания, называется оперативной памятью (ОЗУ). есть другой вид памяти, называемой постоянной памятью (ПЗУ), которая не страдает от этой проблемы. Чипы ПЗУ предварительно сохранены с информацию при их изготовлении, чтобы они не «забывали», что они знают, когда питание включается и выключается. Однако информация, которую они хранят, находится там постоянно: они никогда не могут быть переписал заново. На практике компьютер использует смесь различных виды памяти для разных целей. Вещи, которые он должен помнить все время — например, что делать при первом включении — сохраняются на микросхемы ПЗУ. Когда вы работаете на своем компьютере, и ему нужно временное память для обработки вещей, в ней используются чипы RAM; это не имеет значения эта информация теряется позже. Информация, которую вы хотите компьютер, который нужно запомнить на неопределенный срок, хранится на его жестком диске. Это занимает больше времени читать и записывать информацию с жесткого диска, чем с микросхем памяти, поэтому жесткие диски обычно не используются в качестве временной памяти. В гаджетах как цифровые камеры и небольшие MP3-плееры, вместо жесткого диска используется флэш-память. У него есть определенные вещи в общий как с ОЗУ, так и с ПЗУ. Подобно ПЗУ, он запоминает информацию, когда питание выключено; как и оперативная память, ее можно стереть и перезаписать и снова.

Фото: Apple iPod, прошлое и настоящее. Белый слева — классический iPod в старом стиле с 20 ГБ памяти на жестком диске. Более новая черная модель справа имеет 32 ГБ флэш-памяти, что делает ее легче, тоньше, надежнее (менее вероятно, что она выйдет из строя, если вы ее уроните) и менее требовательна к энергопотреблению.

Как работает флэш-память — простое объяснение

Фото: Переверните флэш-память цифрового фотоаппарата карта, и вы можете видеть электрические контакты, которые позволяют камере подключить к микросхеме памяти внутри защитного пластикового корпуса.

Вспышка работает с использованием совершенно другого типа транзистора, который остается включенным (или выключенным) даже при отключении питания. Обычный транзистор имеет три соединения (провода, которые им управляют) называются истоком, стоком и ворота. Думайте о транзисторе как о трубе, через которую электричество может течь, как будто это вода. Один конец трубы (куда втекает вода) называется источник — подумайте об этом как о кране или кране. Другой конец трубы находится называется канализацией, где вода стекает и утекает. Между исток и сток, перегораживающая труба, есть шлагбаум. Когда ворота закрыто, труба перекрыта, нет электричество может течь, а транзистор выключен. В этом состоянии транзистор хранит нуль. Когда ворота открыты, электричество течет, транзистор открыт, и он хранит один. Но при отключении питания транзистор тоже выключается. При повторном включении питания транзистор все еще выключен, и поскольку вы не можете знать, был ли он включен или выключен до питание было отключено, вы можете понять, почему мы говорим, что он «забывает» любую информацию он хранит.

Флэш-транзистор отличается тем, что имеет второй («плавающий») затвор над первым. Когда ворота открываются, немного электричества просачивается через первые ворота и остается там, между первыми воротами и вторыми. Даже если питание отключено, электричество все еще существует между двое ворот. Теперь, если вы попытаетесь пропустить ток, сохраненное электричество останавливает его протекание, поэтому в этом состоянии транзистор хранит ноль. Если вы очистите накопленное электричество, ток может протекать через снова; в этом состоянии транзистор сохраняет единицу. Вот как флэш-транзистор хранит информацию о том, питание включено или выключено..

Как работает флэш-память — более сложное объяснение

Это очень приукрашенное, очень упрощенное объяснение что-то очень сложное. Если вы хотите больше подробностей, это поможет если вы читали нашу статью о транзисторах во-первых, особенно немного внизу о полевых МОП-транзисторах, а затем читайте дальше.

Транзисторы во флэш-памяти аналогичны МОП-транзисторам, только их два ворота сверху вместо одного. Так выглядит флэш-транзистор внутри. Вы можете видеть, что это бутерброд n-p-n с двумя воротами сверху, один называются контрольными воротами, а один называется плавающими воротами. Двое ворот разделены оксидными слоями, через которые ток нормально не проходит:

Как мы используем это для хранения данных? И источник, и области стока богаты электронами (потому что они состоят из n-типа кремния), но электроны не могут течь от истока к стоку из-за электронно-дефицитный материал p-типа между ними. Если мы применим положительное напряжение на двух контактах транзистора, называемых битовой линией и словесная линия, электроны мчатся в спешке от истока к стоку. А немногим также удается пройти через оксидный слой с помощью процесса, называемого пролезть туннель и застрять на плавающих воротах:

Электроны будут оставаться на плавающем затворе неопределенное время, даже при снятии положительных напряжений и наличии питания подается в цепь или нет. Если мы отключим положительные напряжения с битовой линии и словарной линии и попытаться пропустить ток через транзистор, от истока к стоку ничего не потечет: электроны на плавающем затворе остановят его. Итак, в этом состоянии мы говорим, что транзистор хранит ноль. Электроны на плавающем затворе могут быть смыты положить отрицательное напряжение на словесную линию. Это отталкивает электроны обратно тем же путем, которым они пришли, преодолев плавучие ворота и позволив ток снова течет через транзистор. В этом состоянии мы говорим, что транзистор хранит единицу.

Нелегкий для понимания процесс, но именно так работает волшебство флэш-памяти!

Каков срок службы флэш-памяти?

Флэш-память со временем изнашивается, потому что ее плавающие ворота дольше работают после они использовались определенное количество раз. Очень часто упоминается, что флэш-память ухудшается после того, как она была записана и перезаписана примерно «10 000 раз», но это заблуждение. Согласно патенту на флэш-память 1990-х годов Стивену Уэллсу из Intel, «хотя переключение начинает занимать больше времени примерно после десяти тысяч операций переключения, требуется примерно сто тысяч операций переключения, прежде чем увеличенное время переключения повлияет на работу системы». Будь то 10 000 или 100 000, обычно этого достаточно для USB-накопителя или карты памяти SD в цифровая камера, которую вы используете раз в неделю, но менее подходящая для основного хранилища в компьютере, мобильном телефоне или другом гаджете, который используется ежедневно в течение многих лет. Один практический способ обойти это ограничение состоит в том, чтобы операционная система обеспечивала использование разных битов флэш-памяти каждый раз, когда информация стирается и сохраняется (технически это называется 9).0163 выравнивание износа ), поэтому ни один бит не стирается слишком часто. На практике современные компьютеры могут просто игнорировать и «ходить на цыпочках» поврежденные части микросхемы флэш-памяти точно так же, как они могут игнорировать поврежденные сектора на жестком диске, поэтому реальный практический предел жизни флэш-накопителей намного выше: где-то между 10 000 и 1 млн циклов. Самые современные флэш-устройства было продемонстрировано, что они выживают в течение 100 миллионов циклов или более.

Кто изобрел флэш-память?

Флэш-память изначально была разработана инженером-электриком Toshiba. Фудзио Масуока, подавший Патент США 4 531 203 по идее с коллегой Хисакадзу Иидзукой еще в 1981. Первоначально известная как одновременно стираемая EEPROM (электрически стираемая программируемая постоянная память), она получила прозвище «вспышка», потому что ее можно было мгновенно стирать и перепрограммировать — так же быстро, как вспышка фотокамеры. В то время современным стираемым микросхемам памяти (обычным EPROMS) требовалось 20 минут или около того, чтобы стереть для повторного использования лучом ультрафиолетового света, а это означало, что им требовалась дорогая светопрозрачная упаковка. Более дешевые, электрически стираемые СППЗУ действительно существовали, но использовали более громоздкую и менее эффективную конструкцию, которая требовала двух транзисторов для хранения каждого бита информации. Флэш-память решила эти проблемы.

Фото: Вверху: Стираемая память перед прошивкой: Микросхемы СППЗУ имели маленькие круглые окошки в сверху, через который можно было стереть их содержимое с помощью длинной вспышки ультрафиолетового света. Если вам интересно, это 32 КБ (килобайт) AMD AM27C256, выпущенный в 1986 году, таким образом, его емкость примерно в 1000 раз меньше, чем даже у небольшой SD-карты на 32 МБ (мегабайта) на верхнем фото. Внизу: крупный план окна, прозрачного для УФ-излучения, и микросхемы внутри корпуса.

Toshiba выпустила первые флэш-чипы в 1987, но большинство из нас не сталкивались с этой технологией примерно десять лет, после того как карты памяти SD впервые появились в 1999 году (при совместной поддержке Toshiba, Matsushita и SanDisk). SD-карты позволяли цифровым камерам записывать сотни фотографий и делали их гораздо более полезными, чем старые пленочные камеры, которые могли делать не более 24–36 снимков за раз. В следующем году Toshiba выпустила первый цифровой музыкальный плеер, использующий SD-карту. Apple потребовалось еще несколько лет, чтобы догнать и полностью использовать технологию флэш-памяти в своем собственном цифровом музыкальном плеере iPod. Все ранние «классические» iPod использовали жесткие диски, но выпуск крошечного iPod Shuffle в 2005 году ознаменовал начало постепенного перехода, и теперь все современные iPod и iPhone используют флэш-память.

Какое будущее у флэш-памяти?

Флэш-память быстро обогнала магнитные накопители за последнее десятилетие или около того; во всем от суперкомпьютеры и ноутбуки для смартфонов и iPod жесткие диски все чаще уступают место быстрым и компактным SSD (твердотельным накопителям) на основе флэш-чипов. Эта тенденция была вызвана — и помогла — другой: переходом от настольных компьютеров и стационарных телефонов к мобильным устройствам (смартфонам и планшетам) и мобильным телефонам, которым нужны сверхкомпактные, высокоплотные и чрезвычайно надежные запоминающие устройства, способные выдержать стрессы и напряжения, возникающие в наших рюкзаках и портфелях. Эти тенденции в настоящее время благоприятствуют Технология 3D flash («сложенная»), разработанная в начале 2000-х годов и официально запущенная Samsung в 2013 году, при которой десятки различных слоев ячеек памяти могут быть выращены на одной и той же кремниевой пластине для увеличения емкости хранения (точно так же, как несколько этажей высотного офисного здания позволяют разместить больше офисов на той же площади земли). Вместо плавающих вентилей (как описано выше) в 3D-флеш-памяти используется альтернативная (хотя иногда и менее надежная) технология, называемая улавливанием заряда, которая позволяет нам создавать память гораздо большей емкости в том же объеме пространства, вплоть до терабит (Тбит). ) масштаб (1 триллион бит = 1 000 000 000 000 бит).

Узнайте больше

На этом сайте

• Аналоговая и цифровая техника
• Компьютеры
• Память компьютера (ОЗУ, ПЗУ и т. д.)
• Электроника
• Жесткие диски
• Транзисторы

Книги

• 3D Flash Memories от Rino Micheloni (ред.). Springer, 2016. Сборник статей с обзором последних разработок в области флэш-технологий, включая 3D-флэш; новые типы ячеек памяти и материалов; и новые тенденции упаковки.
• Интеграция флэш-памяти: проблемы с производительностью и энергопотреблением, Джалил Бухобза, Пьер Оливье. Elsevier, 2017. Как заставить флэш-чипы работать быстрее с меньшим энергопотреблением?
• Флэш-память Пауло Каппеллетти и др. (ред.). Спрингер, 1999/2013. Солидное техническое введение.
• Технологии энергонезависимой памяти с упором на флэш-память: полное руководство по пониманию и использованию устройств флэш-памяти Джо Брюера и Манзура Гилла (редакторы). John Wiley and Sons, 2008. Охватывает все аспекты микросхем флэш-памяти, в том числе способы их изготовления, принципы работы и различные области их применения.
• Технология энергонезависимой полупроводниковой памяти: подробное руководство по пониманию и использованию устройств NVSM Уильяма Д. Брауна и Джо Э. Брюэра (редакторы). IEEE Press, 1998.
.

Статьи

• Два стартапа используют обработку во флэш-памяти для ИИ на периферии Сэмюэл К. Мур. IEEE Spectrum, 13 августа 2018 г. Может ли флэш-память произвести революцию в вычислениях с глубоким обучением?
• Этот новый запах памяти: технологии могут сказать, является ли ваша флэш-память новой или переработанной , Сэмюэл К. Мур. IEEE Spectrum, 4 мая 2018 г. Инженеры нашли способ определить, используется ли старая флэш-память в новых устройствах.
• Зал славы микросхем: флэш-память Toshiba NAND: IEEE Spectrum, 30 июня 2017 г. Как технология флэш-памяти Toshiba произвела революцию в компьютерной памяти в конце 1980-х годов.
• Flashristors: получение лучшего из мемристоров и флэш-памяти: IEEE Spectrum, 22 июня 2015 г. Новый тип запоминающего устройства сочетает в себе эффект памяти мемристоров с более длительным сроком службы флэш-памяти.
• «Решение» Университета Глазго по ограничению объема флэш-памяти: BBC News, 20 ноября 2014 г. Новый тип флэш-памяти может повысить пределы хранения за счет использования молекул полиоксометаллата для замены полупроводников.
• Являются ли мультиферроики окончательной заменой флэш-памяти?: IEEE Spectrum, 22 сентября 2014 г. Мультиферроики, сочетающие магнитные и сегнетоэлектрические свойства, приветствуются как возможная замена флэш-памяти.
• Флэш-память выдерживает 100 миллионов циклов Ю-Цу Чиу. IEEE Spectrum, декабрь 2012 г. Обычная флэш-память может изнашиваться всего после 10 000 операций чтения-записи, но новая улучшенная версия, обработанная нагревом, может прослужить 100 миллионов циклов и более.
• Флэш-накопители заменяют диски в Amazon, Facebook и Dropbox, автор Cade Metze. Wired, 13 июня 2012 г. Как флэш-память используется для хранения материалов, которые мы загружаем в социальные сети и на облачные сайты.
• Познакомьтесь с Гордоном, первым в мире флеш-суперкомпьютером, созданным Марти Грэмом. Wired, 9 декабря 2011 г. Описывает новый калифорнийский суперкомпьютер, построенный из 300 терабайт микросхем флэш-памяти!
• План Samsung по терабитной флэш-памяти от Кейт Грин. MIT Technology Review, 18 декабря 2006 г. Нетехническое объяснение 3D-вспышки, основанное на некоторых ранних исследованиях Samsung.

Технические статьи

• Новое СППЗУ сверхвысокой плотности и флэш-ЭСППЗУ с ячейкой структуры NAND Ф. Масуока и др., Toshiba Corporation, IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 1987. Оригинальная статья Toshiba, описывающая современную флэш-память NAND.

Патенты

Если вы ищете более глубокие технические детали, возможно, вам стоит обратиться к патентам:

• US 4,531,203: Полупроводниковое запоминающее устройство и метод его изготовления Фудзио Масуока и Хисакадзу Иидзука. Тошиба., 23 июля 19 г.85. Оригинальный патент Масуока на флэш-память.
• US 5,404,485: Архитектура запоминающего устройства на флэш-памяти, разработанная Mahmud Assar et al. Cirrus Logic, Inc., 7 февраля 1995 г. Как флэш-память можно заменить на жесткий диск.
• US 5 404 485: файловая система флэш-памяти, разработанная Амиром Баном. M-Systems Flash Disk Pioneers Ltd, 4 апреля 1995 г. Описывает архитектуру типичной системы флэш-памяти.
• Патент США: 5,341,339: Способ выравнивания износа во флэш-памяти EEPROM. Стивен Уэллс. Интел, 23 августа 19 г.94. Описывает эффективный способ «значительного продления срока службы флэш-памяти» за счет выравнивания износа.
• Патент США: 6,732,221: Выравнивание износа статических областей во флэш-памяти. Амир Бан. M-Systems Flash Disk Pioneers Ltd, 4 мая 2004 г. Усовершенствованный метод выравнивания износа, позволяющий избежать статических областей.
• Патент США: 7,683,404: Многослойная память и способ ее формирования, авторы Young-Chul Jang, et al.