Glimtvis erindring

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 24. december 2021; checks kræver 20 redigeringer .

Flash-hukommelse ( engelsk  flash-hukommelse ) er en slags halvlederteknologi elektrisk omprogrammerbar hukommelse ( EEPROM ). Det samme ord bruges i elektroniske kredsløb til at henvise til teknologisk komplette ROM-løsninger i form af mikrokredsløb baseret på denne halvlederteknologi. I hverdagen er denne sætning blevet tildelt en bred klasse af solid-state lagringsenheder .

Denne artikel handler om halvlederteknologi og relaterede elektroniske komponenter; der er andre artikler om solid state-drev : hukommelseskort , usb-flashdrev .

På grund af dets kompakthed, lave omkostninger, mekaniske styrke, store volumen, hastighed og lave strømforbrug, er flash-hukommelse meget brugt i digitale bærbare enheder og lagringsmedier. En alvorlig ulempe ved denne teknologi er den begrænsede ressource af bærere [1] [2] , samt følsomhed over for elektrostatisk udladning.

Historie

Forløberne for flash-hukommelsesteknologi kan betragtes som ultraviolet-slettelige skrivebeskyttede hukommelser ( EPROM ) og elektrisk sletbare ROM ( EEPROM ). Disse enheder havde også en række flydende gate-transistorer , hvor injektionen af ​​elektroner i den flydende gate ("skrivning") blev udført ved at skabe en stor elektrisk feltstyrke i et tyndt dielektrikum. Ledningsområdet for komponenterne i matrixen steg imidlertid dramatisk, hvis det var nødvendigt at skabe et omvendt felt for at fjerne elektroner fra den flydende port ("sletning"), hvorfor der opstod to klasser af enheder: i et tilfælde, de ofrede slettekredsløb, opnåede en enkelt hukommelse med høj tæthed, og i et andet tilfælde lavede de en fuldt funktionel enhed med en meget mindre kapacitet.

Derfor var ingeniørernes indsats rettet mod at løse problemet med tætheden af ​​layoutet af slettekredsløbene. De blev kronet med succes - opfindelsen af ​​Toshiba -ingeniøren Fujio Masuoka ( Jap. 舛岡富士雄) i 1984. Navnet "flash" blev også opfundet i Toshiba - Shoji Ariizumi , for hvem processen med at slette indholdet af hukommelsen lignede en lommelygte ( eng.  flash ). Masuoka præsenterede sit design i 1984 på IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) afholdt i San Francisco .

I 1988 udgav Intel den første kommercielle NOR flash-chip.

NAND-typen af ​​flash-hukommelse blev annonceret af Toshiba i 1989 på International Solid-State Circuits Conference .

Sådan virker det

Hovedkomponenten i flashhukommelsen er den flydende gate-transistor , som er en type MOSFET . Dens forskel er, at den har en ekstra port (flydende) placeret mellem kontrolporten og p-laget. Den flydende port er isoleret, og den negative ladning, der er lagret i den, vil forblive i lang tid.

SLC og MLC

Der er enheder, hvor en enhedscelle gemmer en bit information eller flere bits. I en-bit celler skelnes der kun to niveauer af ladning på den flydende gate. Sådanne celler kaldes single-level ( single-level cell, SLC ). I multi-bit celler skelnes der flere ladningsniveauer; de kaldes multi-level ( multi-level cell, MLC [3] [4] ). MLC-enheder er billigere og mere rummelige end SLC-enheder, men har en højere adgangstid og omkring en størrelsesorden lavere maksimalt antal omskrivninger [5] .

Normalt forstås MLC som hukommelse med 4 ladningsniveauer (2 bit) pr. celle. Billigere hukommelsesmæssigt med 8 niveauer (3 bits) kaldes TLC ( Triple Level Cell ) [3] [4] eller 3bit MLC (som Samsung kalder det) [6] . Der er også enheder med 16 niveauer pr. celle (4 bit), QLC ( quad-level cell ). I august 2018 annoncerede Samsung Electronics starten på masseproduktion af SSD'er baseret på QLC V-NAND-hukommelse [7] .

I 2016 dominerer multi-level memory markedet. Ikke desto mindre fortsætter SLC-produkter, på trods af deres mange gange lavere kapacitet, med at blive udviklet og produceret til særligt kritiske applikationer [8] .

Lydhukommelse

En naturlig udvikling af ideen om MLC-celler var ideen om at skrive et analogt signal ind i cellen . Den største brug af sådanne analoge flash-chips har været i gengivelsen af ​​relativt korte lydfragmenter i billige replikerede produkter. Sådanne mikrokredsløb kan bruges i det enkleste legetøj, lydkort, telefonsvarer og så videre. [9]

NOR og NAND

Flash-hukommelse adskiller sig i metoden til at forbinde celler til et array.

NOR-designet bruger den klassiske todimensionelle matrix af ledere , hvor en celle er sat i skæringspunktet mellem rækker og kolonner. I dette tilfælde var rækkelederen forbundet til transistorens afløb, og søjlelederen var forbundet med den anden port. Kilden var forbundet med et substrat, der var fælles for alle.

Designet af NAND er et tredimensionelt array. Grundlaget er den samme matrix som i NOR, men i stedet for en transistor ved hvert skæringspunkt installeres en søjle af serieforbundne celler. I dette design opnås mange portkæder i et kryds. Pakningstætheden kan øges dramatisk (kun en portleder passer trods alt til én celle i en kolonne), men algoritmen til at få adgang til celler til læsning og skrivning bliver mærkbart mere kompliceret. Der er også installeret to MOS-transistorer i hver linje: en bitlinjekontroltransistor ( eng.  bitline select transistor ), placeret mellem en kolonne af celler og en bitlinje, og en jordkontroltransistor placeret foran jorden ( eng.  jordvalgstransistor ).

NOR-teknologien giver dig mulighed for at få hurtig adgang til hver celle individuelt, men cellearealet er stort. Tværtimod har NAND'er et lille celleareal, men relativt lang adgang til en stor gruppe af celler på én gang. Følgelig er anvendelsesområdet forskelligt: ​​NOR bruges både til direkte hukommelse af mikroprocessorprogrammer og til lagring af små hjælpedata.

Navnene NOR og NAND kom fra kredsløbets tilknytning til at inkludere celler i et array med kredsløbet af CMOS logiske chips - NOR- og NAND - elementer.

NAND bruges mest til USB-flashdrev , hukommelseskort, SSD'er ; og NOR i indlejrede systemer .

Der var andre muligheder for at kombinere celler i et array, men de slog ikke rod.

Læser

Til aflæsning påføres en positiv spænding til styreporten. Hvis der ikke er nogen ladning i den flydende gate, vil transistoren begynde at lede strøm. Ellers løber der ingen strøm mellem source og afløb. For MLC-celler skal der foretages flere målinger.

HELLER IKKE

For at læse en bestemt hukommelsescelle er det nødvendigt at påføre en mellemspænding til dens styreport (kun tilstrækkelig til transistorledning, hvis der ikke er nogen ladning i den flydende gate). De resterende celler i ledningen bør udsættes for en minimumsspænding for at forhindre ledning af disse celler. Hvis der ikke er nogen ladning i cellen af ​​interesse for os, så vil der være en strøm mellem bitlinjen ( engelsk  bitlinje ) og jorden.

NAND

I dette arrangement påføres også en mellemspænding til styreporten til en bestemt celle. Resten af ​​kontrolportene i ledningen er aktiveret for at sikre, at de leder strøm. Der opstår således en strøm mellem jorden og ledningen, hvis der ikke er nogen ladning i cellen, der er af interesse for os.

Optagelse

Til optagelse skal ladningerne ind i den flydende port, men den er isoleret med et oxidlag. Tunneleffekten kan bruges til at transportere afgifter . Til udladningen er det nødvendigt at påføre en stor positiv spænding til kontrolporten: en negativ ladning vil forlade den flydende port ved hjælp af tunneleffekten. Omvendt skal der påføres en stor negativ spænding for at oplade den flydende gate.

Optagelse kan også implementeres ved hjælp af hot media-injektion . Når en strøm løber mellem kilden og drænet af øget spænding, kan elektronerne overvinde oxidlaget og forblive i den flydende port. I dette tilfælde er det nødvendigt, at en positiv ladning er til stede på kontrolporten, hvilket ville skabe et potentiale for injektion.

MLC'en bruger forskellige spændinger og tider til at registrere forskellige værdier [10] .

Hver skrivning gør lidt skade på oxidlaget, så antallet af skrivninger er begrænset.

Skrivning i NOR- og NAND-layout består af to trin: Først sættes alle transistorer i linjen til 1 (uden afgift), derefter sættes de ønskede celler til 0.

HELLER IKKE

I det første trin renses cellerne ved hjælp af tunneleffekten: en stærk spænding påføres alle kontrolporte. Hot carrier-injektion bruges til at indstille en specifik celle til 0. En stor spænding påføres afladningsledningen. Den anden vigtige betingelse for denne effekt er tilstedeværelsen af ​​positive ladninger på kontrolporten. En positiv spænding påføres kun til nogle transistorer, en negativ spænding påføres resten af ​​transistorerne, så nul skrives kun til cellerne af interesse for os.

NAND

Den første fase i NAND ligner NOR. En tunneleffekt bruges til at sætte en celle til nul, i modsætning til NOR. En stor negativ spænding påføres kontrolportene af interesse for os.

3D NAND

NAND-kredsløbet viste sig at være praktisk til at bygge et lodret layout af en blok af celler på en chip [11] [12] [13] . Ledende og isolerende lag aflejres på krystallen i lag, som danner portlederne og selve portene. Derefter dannes en flerhed af huller i disse lag i hele lagenes dybde. Strukturen af ​​felteffekttransistorer påføres hullernes vægge - isolatorer og flydende porte. Således dannes en søjle af ringformede FET'er med flydende porte.

En sådan lodret struktur viste sig at være meget vellykket og gav et kvalitativt gennembrud i tætheden af ​​flashhukommelse. Nogle virksomheder promoverer teknologien under deres egne mærkenavne, såsom V-NAND, BiCS. Antallet af lag stiger med udviklingen af ​​teknologi: for eksempel nåede antallet af lag i en række produkter i 2016 64 [14] , i 2018 blev produktionen af ​​96-lags hukommelse [15] mestret , i 2019 annoncerede Samsung serieudviklingen af ​​136-lags krystaller [16] . I 2021 planlagde producenterne at skifte til 256 lag og i 2023 - til 512, hvilket vil tillade at placere op til 12 terabyte data på én flash-chip [17] . I slutningen af ​​juli 2022 frigav det amerikanske firma Micron Technology som den første i verden en 232-lags NAND-hukommelse (TLC-hukommelse med seks fly med mulighed for uafhængig aflæsning i hvert fly) [18] , og en uge senere , i begyndelsen af ​​august 2022 slog Hynix denne rekord med udgivelsen af ​​238-lags flashhukommelse [19] [20] ..

Multichip mikrokredsløb

For at spare plads kan en flash-hukommelseschip pakke flere halvlederwafers (krystaller), op til 16 stykker [21] .

Teknologiske begrænsninger

Skrive- og læseceller adskiller sig i strømforbrug: Flash-hukommelsesenheder trækker høj strøm, når de skriver for at generere høje spændinger, mens strømforbruget er relativt lille ved læsning.

Optag ressource

Ændringen i afgift er forbundet med akkumulering af irreversible ændringer i strukturen, og derfor er antallet af indgange til en flashhukommelsescelle begrænset. Typiske antal slette-skrive-cyklusser spænder fra tusind eller mindre til titusinder og hundredtusindvis, afhængigt af typen af ​​hukommelse og fremstillingsprocessen. Den garanterede ressource er væsentligt lavere ved lagring af nogle få bits pr. celle (MLC og TLC) og ved brug af 30 nm og højere klasse tekniske processer.

En af årsagerne til nedbrydning er manglende evne til individuelt at kontrollere ladningen af ​​den flydende port i hver celle. Faktum er, at skrivning og sletning udføres på mange celler på samme tid - dette er en integreret egenskab ved flash-hukommelsesteknologi. Optageren kontrollerer tilstrækkeligheden af ​​ladningsinjektionen i henhold til referencecellen eller gennemsnitsværdien. Gradvist er ladningen af ​​individuelle celler uoverensstemmende og går på et tidspunkt ud over de tilladte grænser, hvilket kan kompenseres ved indsprøjtning af skrivemaskinen og opfattes af læseren. Det er klart, at graden af ​​celleidentitet påvirker ressourcen. En af konsekvenserne af dette er, at med et fald i de topologiske normer for halvlederteknologi er det stadig sværere at skabe identiske elementer, så spørgsmålet om optagelse af ressourcer bliver mere akut.

En anden grund er den gensidige spredning af atomer, isolerende og ledende områder af halvlederstrukturen, accelereret af den elektriske feltgradient i lommeregionen og periodiske elektriske nedbrud af isolatoren under skrivning og sletning. Dette fører til en sløring af grænserne og en forringelse af kvaliteten af ​​isolatoren, samt et fald i ladningslagringstiden.

Oprindeligt, i 2000'erne, for 56-nm hukommelse, var en sådan sletningsressource op til 10 tusinde gange for MLC-enheder og op til 100 tusinde gange for SLC-enheder, men med et fald i tekniske processer faldt antallet af garanterede sletninger . For 34-nm hukommelse (begyndelsen af ​​2010'erne) garanterede den sædvanlige 2-bit MLC omkring 3-5 tusinde, og SLC - op til 50 tusinde [22] . I 2013 garanterede individuelle modeller i størrelsesordenen et par tusinde cyklusser for MLC og mindre end tusind (flere hundrede) for TLC, før nedbrydningen begyndte [23] .

Hukommelsestype Ressource Løsningseksempler
SLC NOR 100.000 .. 1.000.000 Numonyx M58BW, Spansion S29CD016J
MLC NOR 100.000 Numonyx J3 flash
SLC NAND 100.000 Samsung OneNAND KFW4G16Q2M
MLC NAND 1000 .. 10 000 Samsung K9G8G08U0M
TLC NAND 1000 Samsung SSD 840
3D MLC NAND 6000 .. 40 000 Samsung SSD 850 PRO, Samsung SSD 845DC PRO
3D TLC NAND 1000 .. 3000 Samsung SSD 850 EVO, Samsung SSD 845DC EVO, Crucial MX300

Der er forskning i gang i en eksperimentel teknologi til at genoprette en flashhukommelsescelle ved lokalt at opvarme portisolatoren til 800 °C i nogle få millisekunder. [24]

Dataopbevaringsperiode

Lommeisoleringen er ikke ideel, ladningen ændrer sig gradvist. Holdbarheden af ​​ladningen, deklareret af de fleste producenter for husholdningsprodukter, overstiger ikke 10-20 år , selvom garantien på medier er givet i højst 5 år. Samtidig har MLC-hukommelsen en kortere tid end SLC.

Specifikke miljøforhold, såsom forhøjede temperaturer eller strålingseksponering (gammastråling og højenergipartikler), kan katastrofalt forkorte datalagringstiden.

Med moderne NAND-chips kan data blive beskadiget på tilstødende sider inden for en blok, når de læser. Udførelse af et stort antal (hundredetusinder eller flere) læseoperationer uden omskrivning kan fremskynde forekomsten af ​​en fejl [25] [26] .

Ifølge Dell er varigheden af ​​lagring af data på en SSD uden strømforsyning meget afhængig af antallet af tidligere skrivecyklusser (P/E) og typen af ​​flashhukommelse, og kan i værste tilfælde være 3-6 måneder [26 ] [27] .

Hierarkisk struktur

Sletning, skrivning og læsning af flashhukommelse forekommer altid i relativt store blokke af forskellig størrelse, mens størrelsen af ​​sletteblokken altid er større end skriveblokken, og skriveblokkens størrelse ikke er mindre end læseblokkens størrelse. Faktisk er dette et karakteristisk kendetegn ved flash-hukommelse i forhold til klassisk EEPROM-hukommelse .

Som et resultat har alle flash-hukommelseschips en udtalt hierarkisk struktur. Hukommelse er opdelt i blokke, blokke består af sektorer, sektorer - fra sider. Afhængigt af formålet med et bestemt mikrokredsløb kan dybden af ​​hierarkiet og størrelsen af ​​elementerne variere.

For eksempel kan en NAND-chip have en sletteblokstørrelse på hundredvis af kilobyte, en skrive- og læsesidestørrelse på 4 kilobyte. For NOR-mikrokredsløb varierer størrelsen af ​​den slettede blok fra nogle få til hundredvis af kilobytes, størrelsen af ​​skrivesektoren - op til hundreder af bytes, størrelsen af ​​den læste side - nogle få til snesevis af bytes.

Læse- og skrivehastighed

Slettetiden varierer fra enheder til hundredvis af millisekunder afhængigt af størrelsen på den slettede blok. Optagetiden er ti til hundreder af mikrosekunder.

Typisk er læsetiden for NOR-mikrokredsløb normaliseret til titusvis af nanosekunder. For NAND-chips er læsetiden titusvis af mikrosekunder.

Teknologisk skalering

På grund af dens meget regelmæssige struktur og høje efterspørgsel efter store mængder, falder fremstillingsprocessen for NAND-flash hurtigere end for mindre almindelig DRAM og næsten-irregulær logik (ASIC). Høj konkurrence blandt flere førende producenter fremskynder kun denne proces [28] . I varianten af ​​Moores lov for logiske kredsløb fordobles antallet af transistorer pr. arealenhed på tre år, mens NAND-flash viste en fordobling på to år. I 2012 blev 19nm procesteknologien mestret af et joint venture mellem Toshiba og SanDisk [29] . I november 2012 [30] begyndte Samsung også at producere på 19 nm procesteknologien (aktivt ved at bruge udtrykket "10nm-klasse" i markedsføringsmaterialer, hvilket betegner en proces fra 10-19 nm området) [31] [32] [33] [34] .

ITRS eller virksomhed 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
ITRS Flash Roadmap 2011 [29] 32 nm 22 nm 20 nm 18 nm 16 nm
ITRS Flash Roadmap 2013 [35] [36] 17 nm 15 nm 14 nm
Samsung [29] [36]
Samsung 3D NAND (CTF) [36]
35-32 nm 27 nm 21 nm (MLC, TLC) 19 nm 19-16nm
V-NAND (24L)
12nm
V-NAND (32L)
16-10 nm 12-10 nm 12-10 nm
Micron, Intel [29] [36] 34-25 nm 25 nm 20 nm (MLC+HKMG) 20 nm (TLC) 16 nm 16nm
3D NAND
16nm
3D-NAND Gen2
12nm
3D NAND
12nm
3D NAND
Toshiba, Sandisk [29] [36] 43-32 nm 24 nm 19 nm (MLC, TLC) A-19 nm 15 nm 15nm
3D NAND BiCS
15nm
3D NAND BiCS
12nm
3D NAND
12nm
3D NAND
SK Hynix [29] [36] 46-35 nm 26 nm 20 nm (MLC) 20 nm 16 nm 16 nm
3D V1
16 nm 12 nm 12 nm

Reduktionen i den tekniske proces gjorde det muligt hurtigt at øge mængden af ​​NAND-flashhukommelseschips. I 2000 havde flashhukommelse ved hjælp af 180 nm teknologi en datavolumen på 512 Mbit pr. chip, i 2005 - 2 Gbit ved 90 nm. Så var der en overgang til MLC, og i 2008 havde chipsene et volumen på 8 Gbit (65 nm) [37] . I 2010 var omkring 25-35 % af chipsene 16 Gb store, 55 % var 32 Gb [38] . I 2012-2014 blev 64 Gbit-chips i vid udstrækning brugt i nye produkter, og introduktionen af ​​128 Gbit-moduler (10% i begyndelsen af ​​2014) fremstillet ved hjælp af 24-19 nm fremstillingsprocesser [37] [38] begyndte .

Efterhånden som fremstillingsprocessen falder og nærmer sig de fysiske grænser for nuværende fremstillingsteknologier , især fotolitografi , kan en yderligere stigning i datatætheden opnås ved at flytte til flere bits pr. celle (for eksempel at flytte fra 2-bit MLC til 3-bit TLC ), ved at erstatte FG -celleteknologier til CTF-teknologi eller skifte til et tredimensionelt arrangement af celler på en plade (3D NAND, V-NAND; dette øger dog procestrinnet). For eksempel indførte alle producenter cirka i 2011-2012 luftspalter mellem kontrollinjerne, hvilket gjorde det muligt at fortsætte skalering ud over 24-26 nm [39] [40] , og i 2013-2014 begyndte Samsung masseproduktion af 24 - og 32-lags 3D NAND [41] baseret på CTF-teknologi [42] , herunder versionen med 3-bit (TLC) celler [43] . Faldet i slidstyrke (sletningsressource), som manifesterer sig med et fald i den tekniske proces, såvel som en stigning i antallet af bitfejl, krævede brugen af ​​mere komplekse fejlkorrektionsmekanismer og en reduktion i garanterede optagelsesvolumener og garantiperioder [44] . På trods af de trufne foranstaltninger er det dog sandsynligt, at muligheden for yderligere skalering af NAND-hukommelsen ikke vil være økonomisk begrundet [45] [46] eller fysisk umulig. Mange mulige erstatninger for flashhukommelsesteknologi er ved at blive udforsket, såsom FeRAM , MRAM , PMC, PCM , ReRAM , osv. [47] [48] [49]

Funktioner i applikationen

Ønsket om at nå kapacitansgrænserne for NAND-enheder har ført til "ægteskabsstandardisering" - retten til at producere og sælge mikrokredsløb med en vis procentdel af defekte celler og uden garanti for, at nye "dårlige blokke" ikke vises under drift. For at minimere tab af data er hver hukommelsesside forsynet med en lille ekstra blok, hvori en kontrolsum er skrevet , information til retablering fra enkeltbitfejl, information om dårlige elementer på denne side og antallet af skrivninger til denne side.

Kompleksiteten af ​​læsealgoritmer og tilladeligheden af ​​et vist antal defekte celler tvang udviklere til at udstyre NAND-hukommelseschips med en specifik kommandogrænseflade. Dette betyder, at du først skal udstede en speciel kommando for at overføre den angivne hukommelsesside til en speciel buffer inde i chippen, vente på, at denne handling er fuldført, læse bufferen, kontrollere integriteten af ​​dataene og om nødvendigt prøve at gendanne dem .

Det svage punkt ved flash-hukommelse er antallet af omskrivningscyklusser på én side. Situationen forværres også af, at standard filsystemer  – det vil sige standard filhåndteringssystemer til udbredte filsystemer – ofte skriver data samme sted hen. Filsystemets rodbibliotek opdateres ofte, så de første hukommelsessektorer vil bruge deres forsyning meget tidligere. Fordelingen af ​​belastningen vil forlænge hukommelsens levetid betydeligt [50] .

NAND-controllere

For at forenkle brugen af ​​NAND-flashhukommelseschips, bruges de sammen med specielle chips - NAND-controllere. Disse controllere skal udføre alt det grove arbejde med at servicere NAND-hukommelsen: konvertere grænseflader og protokoller, adressere virtualisering (for at omgå dårlige celler), kontrollere og gendanne data under læsning, tage sig af forskellige størrelser af slette- og skriveblokke (skriveforstærkning )), tager sig af den periodiske opdatering af de registrerede blokke, ensartet fordeling af belastningen på sektorerne under optagelse ( slidudjævning).

Opgaven med at fordele slid jævnt er dog ikke nødvendig, så de enkleste regulatorer kan for økonomiens skyld monteres i de billigste produkter. Sådanne flash-hukommelseskort og USB-nøgler vil hurtigt svigte, hvis de overskrives ofte. Hvis du har brug for at skrive data til flashdrev meget ofte, er det at foretrække at bruge dyre produkter med mere holdbar hukommelse (MLC i stedet for TLC, SLC i stedet for MLC) og controllere af høj kvalitet.

Dyre NAND-controllere kan også få til opgave at "fremskynde" flashhukommelseschips ved at distribuere én fils data på tværs af flere chips. Tiden til at skrive og læse en fil er stærkt reduceret.

Specielle filsystemer

Ofte, i indlejrede applikationer, kan flash-hukommelse tilsluttes direkte til enheden - uden en controller. I dette tilfælde skal controllerens opgaver udføres af softwaren NAND-driveren i operativsystemet. For ikke at udføre redundant arbejde med ensartet fordeling af poster på tværs af sider, forsøger de at bruge sådanne medier med specielle filsystemer : JFFS2 [51] og YAFFS [52] til Linux osv.

Ansøgning

Der er to hovedanvendelser til flashhukommelse: som lagringsmedie til computere og elektroniske gadgets og som lagring af software (" firmware ") til digitale enheder. Ofte kombineres disse to applikationer i én enhed.

Når den er gemt i flashhukommelsen, er det nemt at opdatere enhedernes firmware under drift.

NOR

NOR flash er mest anvendelig i enheder med relativt lille ikke-flygtig hukommelse, der kræver hurtig adgang til tilfældige adresser og med garanti for, at der ikke er dårlige elementer:

  • Indlejret programhukommelse af single-chip mikrocontrollere. Typiske volumener er fra 1 KB til 1 MB.
  • Standard random access ROM chips til at arbejde med mikroprocessoren.
  • Specialiserede bootstrap-chips til computere ( POST og BIOS ), DSP - processorer og programmerbar logik . Typiske volumener er enheder og titusinder af megabyte.
  • Mellemstore datalagringschips, såsom DataFlash . Normalt udstyret med et SPI -interface og pakket i miniatureetuier. Typiske volumener - fra hundredvis af kb til det teknologiske maksimum.

NAND

Hvor der kræves rekordstore mængder hukommelse, er NAND-flash ude af konkurrence. NAND-chips viste en konstant stigning i volumen, og for 2012 havde NAND rekordvolumener pr. 8-chip mikroenhed på 128 GB (det vil sige, at hver chips volumen er 16 GB eller 128 Gbit) [53] .

Først og fremmest bruges NAND flash-hukommelse i alle slags mobile databærere og enheder, der kræver store mængder lagerplads for at fungere. Dybest set er disse USB-nøgler og hukommelseskort af alle typer, samt mobile enheder som telefoner, kameraer, medieafspillere.

NAND flash-hukommelse har gjort det muligt at miniaturisere og reducere omkostningerne ved computerplatforme baseret på standardoperativsystemer med avanceret software. De begyndte at blive indbygget i mange husholdningsapparater: mobiltelefoner og tv'er, netværksroutere og adgangspunkter, medieafspillere og spillekonsoller, fotorammer og navigatorer.

Den høje læsehastighed gør NAND-hukommelse attraktiv til cachelagring af harddiske. Samtidig gemmer operativsystemet ofte brugte data på en relativt lille solid state-enhed og skriver generelle data til et stort diskdrev [54] . Det er også muligt at kombinere en 4-8 GB flashbuffer og en magnetisk disk i en enkelt enhed, en hybrid harddisk (SSHD, Solid-state hybrid drive).

På grund af sin høje hastighed, volumen og kompakte størrelse erstatter NAND-hukommelse aktivt andre typer medier fra cirkulation. For det første forsvandt disketter og diskettedrev [55] , og populariteten af ​​magnetbåndsdrev faldt . Magnetiske medier er næsten fuldstændig fjernet fra mobil- og medieapplikationer.

Standardisering Lavt niveau grænseflader

Open NAND Flash Interface (ONFI) beskæftiger sig med standardisering af pakker, grænseflader, kommandosystemer og problemer med at identificere NAND flash-hukommelseschips . Den første standard var ONFI-specifikationen version 1.0 [56] udgivet den 28. december 2006, efterfulgt af ONFI V2.0, V2.1, V2.2, V2.3, V3.0 (2011) [57] . ONFI-gruppen understøttes af Intel , Micron Technology , Hynix , Numonyx [58] .

Samsung og Toshiba udvikler deres eget alternativ til ONFI, Toggle Mode DDR-standard. Den første revision blev udgivet i 2009, den anden i 2010 [57] .

Grænseflader på højt niveau

Ud over standardiseringen af ​​hukommelseschips direkte, er der en specifik formalisering af adgang til langtidshukommelse fra almindelige digitale grænseflader. For eksempel arbejder gruppen Non-Volatil Memory Host Controller Interface på at standardisere oprettelsen af ​​solid-state-drev til PCI Express -grænsefladen .

Integrerede hukommelses- og controllerløsninger i form af mikrokredsløb skiller sig ud, for eksempel er indlejret eMMC -hukommelse meget udbredt , ved at bruge en elektrisk grænseflade, der ligner MMC , men lavet i form af et mikrokredsløb [59] . Denne grænseflade udvikles af JEDEC .

NAND-markedet

Større producenter af NAND-flashhukommelse: Micron/Intel, SK Hynix, Toshiba/SanDisk, Samsung. For 2014 er omkring 35-37% af markedet besat af Toshiba/SanDisk og Samsung. 17 % af leverancerne foretages af Micron/Intel, yderligere 10 % af Hynix. Den samlede størrelse af NAND-markedet er anslået til omkring 20-25 milliarder amerikanske dollars, fra 40 til 60 milliarder gigabyte produceres om året, hvoraf en fjerdedel er indbygget eMMC - hukommelse. I 2013 blev hukommelse hovedsageligt fremstillet i henhold til tekniske processer i området 20-30 nm, i 2014 vandt 19 nm hukommelse popularitet. Mindre end 2% af markedet var optaget af Samsungs 3D-NAND-hukommelse, andre producenter planlagde at producere 3D-NAND fra midten af ​​2015 [38] .

Kun mindre end 5 % af den NAND-hukommelse, der blev sendt i 2012-2014 havde single-bit-celler (SLC), 75 % var to-bit-hukommelse (MLC), og 15-25 % var tre-bit-hukommelse (TLC, hovedsageligt Samsung og Toshiba/SanDisk, med midten af ​​2014-2015 også andre) [38] .

Større producenter af NAND-flashhukommelsescontrollere: Marvell, LSI-SandForce, også NAND-hukommelsesproducenter. Til eMMC-controllere (eMCP) er fremstillet af: Samsung, SanDisk, SK Hynix, Toshiba, Micron, Phison, SMI, Skymedi [38] .

Se også

Noter

  1. Simona Boboila, Peter Desnoyers. Skriv udholdenhed i flashdrev: målinger og analyser   // FAST . — San Jose, Californien: Northeastern University, 2010. Arkiveret fra originalen den 17. marts 2013.
  2. Hasso Plattner, Alexander. Zeier. In-Memory Data Management: Teknologi og applikationer . — SpringerLink : Bucher. - Springer, 2012. - S. 45. - 267 s. — ISBN 3-642-29575-4 . Arkiveret 7. maj 2018 på Wayback Machine
  3. 1 2 Kristian Vättö, Understanding TLC NAND Arkiveret 25. juli 2013 på Wayback Machine // Anandtech, 23. februar 2012
  4. 1 2 iXBT.com :: Alle nyheder :: Intel og Micron har mestret udgivelsen af ​​3-bit NAND flash-hukommelse i henhold til 25 nm standarder  (utilgængeligt link)
  5. Dennis Martin. NAND Flash - Endurance . Demartek, Storage Decisions Conference (12. juni 2013). — "MLC typisk levetid 10.000 eller færre skrivecyklusser  MLC-2: 3.000 - 10.000 skrivecyklusser  MLC-3: 300 - 3.000 cyklusskrivninger". Hentet 9. januar 2015. Arkiveret fra originalen 9. januar 2015.
  6. Samsung masseproducerer 128 Gb 3-bit MLC NAND Flash Kevin Parrish // Tom's Hardware, 11. april 2013
  7. Samsung lancerer produktion af masseproducerede SSD'er baseret på QLC V-NAND-hukommelse . Hentet 8. august 2018. Arkiveret fra originalen 8. august 2018.
  8. Toshiba lancerer Ruggedized 16Gb SLC NAND . Hentet 19. november 2016. Arkiveret fra originalen 20. november 2016.
  9. http://www.nuvoton.com/NuvotonMOSS/Community/ProductInfo.aspx?tp_GUID=d2589477-840d-4046-9c3a-2e0e457048b3 Arkiveret 7. juli 2011 på Wayback Machine ISD ChipCord
  10. Thomas Schwartz. Grundlæggende om flydende port . Hentet 12. marts 2017. Arkiveret fra originalen 1. oktober 2017.
  11. Gennemgang af Samsung 850 EVO anden version: med 48-lags TLC 3D V-NAND indeni . Hentet 11. juli 2016. Arkiveret fra originalen 8. juli 2016.
  12. Samsung går ind i masseproduktion af 3D-flashhukommelse . Hentet 19. november 2016. Arkiveret fra originalen 12. november 2016.
  13. Toshibas nye 3D NAND-anlæg starter i sommeren 2018 . Hentet 19. november 2016. Arkiveret fra originalen 20. november 2016.
  14. Toshiba starter verdens første prøveforsendelse af 64-lags 3D-flashhukommelse . Hentet 19. november 2016. Arkiveret fra originalen 20. november 2016.
  15. Samsung begynder produktionen af ​​96-lags 3D NAND-hukommelse . Hentet 8. august 2018. Arkiveret fra originalen 8. august 2018.
  16. Samsung begynder masseproduktion af 136-lags 3D NAND og 256 GB SSD på ny hukommelse Arkivkopi af 4. august 2020 på Wayback Machine // fcenter.ru
  17. Hvordan passer 1TB på et microSD? - Analyse | Droider.ru . Hentet 7. september 2021. Arkiveret fra originalen 7. september 2021.
  18. [1] Arkiveret 3. august 2022 på Wayback Machine Verdens første 232-lags NAND-hukommelse frigivet Arkiveret 28. juli 2022 på Wayback Machine // 28/07/2022
  19. SK hynix udvikler verdens højeste 238-lags 4D NAND  Flash . SK hynix (2. august 2022). Hentet 5. august 2022. Arkiveret fra originalen 5. august 2022.
  20. Gennady Detinich. SK hynix slog Microns rekord og introducerede verdens højeste flash-hukommelse - 238-lag . 3DNews (3. august 2022). Hentet 5. august 2022. Arkiveret fra originalen 5. august 2022.
  21. "NAND flash MCP (multi-chip pakke) med en 16-matrice NAND stack)  " . Hentet 12. juni 2012. Arkiveret fra originalen 4. juni 2012.
  22. Sammenligning af NAND Flash-teknologier brugt i SolidState Storage Arkiveret 4. marts 2016 på Wayback Machine , IBM 2010 "Tabel 1. Udholdenhedsydelse for forskellige teknologiknuder"
  23. http://www.altec-cs.com/downloads/altec_white_paper/WP_Avoiding_premature_failures_of_NAND_Flash_memory_for_duplex-printing_e10.pdf Arkiveret 4. marts 2016 på Wayback Machine "Som følge af den kontinuerlige reduktion af flash-hukommelsesstrukturen med 2-bit chips MLC og 3-bit MLC (TLC) NAND-flashhukommelse … tillader nogle gange kun 1.000 P/E-cyklusser (MLC) og/eller kun et par hundrede P/E-cyklusser (TLC) pr. flashhukommelsescelle før nedbrydning”; "Tabel 1: Typiske P/E-cyklusser..."
  24. Flash-hukommelse overlever 100 millioner cyklusser - IEEE-spektrum . Hentet 4. december 2012. Arkiveret fra originalen 4. december 2012.
  25. Design og brugsovervejelser for NAND Flash-hukommelse (downlink) . Dato for adgang: 15. oktober 2012. Arkiveret fra originalen den 19. juli 2011. 
  26. 1 2 Flash-hukommelsesteknologi retning Arkiveret 11. september 2014 på Wayback Machine , Jim Cooke, 2007 Reducing Read Disturb """ Tommelfingerregel for overdreven læsning pr. blok mellem SLET-operationer: SLC - 1.000.000 LÆSE-cyklusser; MLC - 100.000 LÆSE-cyklusser"
  27. Solid State Drive (SSD) Ofte stillede spørgsmål Arkiveret 8. oktober 2013 på Wayback Machine // Dell: "6. Jeg har frakoblet mit SSD-drev og lagt det på lager. Hvor længe kan jeg forvente, at drevet beholder mine data uden at skulle tilslutte drevet igen? … I MLC og SLC kan dette være så lavt som 3 måneder, og bedste tilfælde kan være mere end 10 år”
  28. Kawamatus, Tatsuya- teknologi til styring af Nand Flash . Hagiwara sys-com co., LTD. Dato for adgang: 1. august 2011.  (utilgængeligt link)
  29. 1 2 3 4 5 6 Teknologikøreplan for NAND Flash-hukommelse (utilgængeligt link) . techinsights (april 2013). Hentet 9. januar 2015. Arkiveret fra originalen 9. januar 2015. 
  30. Clarke, Peter (20. november 2012). "Samsung tager NAND-hukommelse under 20-nm" Arkiveret 28. november 2012 på Wayback Machine eetimes.com. Hentet 21. december 2012.
  31. Anand, Lal Shimpi . Samsung SSD 840 EVO anmeldelse: 120GB, 250GB, 500GB, 750GB & 1TB modeller testet , AnandTech (25. juli 2013). Arkiveret fra originalen den 9. januar 2015. Hentet 9. januar 2015. « Samsung kalder sin seneste NAND-proces for 10nm-klasse eller 1x-nm, som kan referere til funktionsstørrelser overalt fra 10nm til 19nm, men vi har også hørt det omtalt som 19nm TLC. »
  32. Samsung prøver på 3D NAND SSD . "ObjectiveAnalysis" (juli 2014). Hentet 9. januar 2015. Arkiveret fra originalen 9. januar 2015. : " .Samsung introducerede sin 19nm NAND ved at kalde den et "10nm-klasse" produkt. Endnu en gang misforstod pressen og udsendte til verden, at Samsung var foran alle sine konkurrenter »
  33. Samsungs 840 EVO SSD-familie: Hurtig, stor og ansvarlig , PCWorld (25. juli 2013). Arkiveret fra originalen den 9. januar 2015. Hentet 9. januar 2015. : « 19nm-fremstillingsprocessen, der blev brugt til at producere NAND. Samsung kalder af en eller anden grund denne 10nm-klasse eller 1x NAND, men de forsikrede os om, at det er 19nm. »
  34. Vurdering af potentialet og modenheden af ​​udvalgte nye forskningshukommelsesteknologier Arkiveret 18. april 2012 på Wayback Machine // ITRS 2010
  35. Tabel ORTC1 Resumé 2013 ORTC Technology Trend Targets Arkiveret 21. januar 2015 på Wayback Machine // ITRS fra ITRS 2013 EDITION Arkiveret 21. september 2014 på Wayback Machine
  36. 1 2 3 4 5 6 Teknologikøreplan for NAND Flash-hukommelse (utilgængeligt link) . techinsights (april 2014). Hentet 9. januar 2015. Arkiveret fra originalen 9. januar 2015. 
  37. 1 2 Edward Grochowski, Robert E. Fontana, Future Technology Challenges For NAND Flash and HDD-produkter Arkiveret 9. januar 2015 på Wayback Machine // Flash Memory Summit, 2012  : slide 6 "Projected NAND Flash Memory Circuit Circuit Roadmap"
  38. 1 2 3 4 5 Sean Yang. Forsyningsdynamik: Begrænset vækst og konstant andel. Markedsandel (Produktionsbase  ) . 2014 NAND Flash Market Update. Udbud, efterspørgsel og mere . TrendForce. Dato for adgang: 9. januar 2015. Arkiveret fra originalen 13. januar 2015.
  39. Jeongdong Choe (TechInsights) . Sammenligning af førende NAND Flash-hukommelser  (engelsk) , EETimes (25. juli 2013). Arkiveret fra originalen den 12. januar 2015. Hentet 11. januar 2015.  "Alle NAND-producenterne har vedtaget en luftgap-proces for at opnå høj ydeevne og pålidelighed. Toshiba implementerede en luftgap-proces på sin 19nm NAND-enhed, mens Samsung adopterede den på 21nm. IMFT har brugt en mere moden luftgap-proces på både wordline- og bitline-strukturen siden sin 25nm NAND-teknologi."
  40. Nirmal Ramaswamy, Thomas Graettinger, (Micron) . NAND flash-skalering: 20nm node og derunder. Her er nogle af de grundlæggende celledesignproblemer, der overvejes og behandles for at nå frem til denne plane celleteknologi.  (engelsk) , EE Times-Asia (5. juli 2013). Arkiveret fra originalen den 12. januar 2015. Hentet 11. januar 2015.  "Dette var allerede blevet et problem ved 25nm-knuden, der krævede indsættelse af luftgab mellem cellerne for at reducere interferens".
  41. Peter Clarke . NAND, DRAM 3D-Transition Roadmaps  (engelsk) , EETimes (25. august 2014). Arkiveret fra originalen den 12. januar 2015. Hentet 11. januar 2015.
  42. Dick James . The Second Shoe Drops - Samsung V-NAND Flash  (engelsk) , ChipWorks (5. august 2014). Arkiveret fra originalen den 1. januar 2015. Hentet 11. januar 2015.
  43. Rick Merritt . Samsung Tips 3-bit lodret NAND. Koreansk gigant starter smart storage-initiativ  (engelsk) , EETimes (5. august 2014). Arkiveret fra originalen den 13. januar 2015. Hentet 11. januar 2015.
  44. Lal Shimpi, Anand . Microns ClearNAND: 25nm + ECC, bekæmper stigende fejlrater , Anandtech (2. december 2010). Arkiveret fra originalen den 3. december 2010. Hentet 2. december 2010.
  45. Ed Oswald . Den nuværende solid-state-drevteknologi er dødsdømt, siger Microsoft Research , ExtremeTech  ( 20. februar 2012). Arkiveret fra originalen den 9. januar 2015. Hentet 9. januar 2015.
  46. Grupp, Laura M., John D. Davis, Steven Swanson. The Bleak Future of NAND Flash Memory  // Proceedings of the 10th USENIX-konference om fil- og lagringsteknologier. - USENIX Association, 2012. Arkiveret fra originalen den 6. september 2015.
  47. Kim, Kinam; Koh, Gwan-Hyeob. Fremtidig hukommelsesteknologi inklusive nye  minder . - Serbien og Montenegro: Proceedings of the 24th International Conference on Microelectronics, 2004. - S. 377-384.
  48. Tom Coughlin; Ed Grochowski. Tak for Memories : Emerging Non-Volatile Memory Technologies  . Coughlin Associates; SNIA 2014 Storage Developer Conference (15. september 2014). Dato for adgang: 9. januar 2015. Arkiveret fra originalen 13. januar 2015.
  49. Oversigt over nye ikke-flygtige hukommelsesteknologier Arkiveret 16. maj 2022 på Wayback Machine // Nanoscale Res Lett. 2014; 9(1): 526. 25. september 2014. doi:10.1186/1556-276X-9-526
  50. Udjævning af blitzslid . Hentet 22. marts 2013. Arkiveret fra originalen 24. juni 2016.
  51. ELJonline: Flash-filsystemer til indlejrede Linux-systemer - Linux til enheder Artikler - Linux til enheder (downlink) . Hentet 12. december 2007. Arkiveret fra originalen 5. december 2012. 
  52. Introduktion til YAFFS, det første NAND-specifikke flash-filsystem - Nyheder - Linux til enheder (downlink) . Hentet 12. december 2007. Arkiveret fra originalen 12. september 2012. 
  53. [ "Otte kan kombineres for at producere ... 128 GB flash-hukommelseschip)"  (engelsk) (utilgængeligt link) . Hentet 12. juni 2012. Arkiveret fra originalen 27. april 2012.   “ Otte kan kombineres for at producere … 128 GB flashhukommelseschip  ]
  54. ReadyBoost - Brug af din USB-nøgle til at fremskynde Windows Vista - Tom Archers blog - Hjemmeside - MSDN-blogs . Hentet 12. december 2007. Arkiveret fra originalen 23. maj 2006.
  55. RIP Floppy Disk Arkiveret 16. februar 2009 på Wayback Machine // BBC NEWS, UK, 1. april 2003
  56. ONFI 1.0 (downlink) . Hentet 12. december 2007. Arkiveret fra originalen 28. november 2007. 
  57. 1 2 Bilag 3: Udvikling af NAND Flash-grænsefladestandarder af forskellige fabrikker  . Årsrapport for NAND Flash-markedet for 2012. brancheanalyserapport . ChinaFlashMarket.com (13. januar 2013). Dato for adgang: 9. januar 2015. Arkiveret fra originalen 1. august 2014.
  58. ONFI-medlemmer (utilgængeligt link) . Hentet 12. december 2007. Arkiveret fra originalen 16. oktober 2007. 
  59. NAND Flash-relateret  produktapplikationsmarked . Årsrapport for NAND Flash-markedet for 2012. brancheanalyserapport . ChinaFlashMarket.com (13. januar 2013). Dato for adgang: 9. januar 2015. Arkiveret fra originalen 1. august 2014.

Links