Фізичні основи роботи комп’ютера (стр. 8 из 21)
Переваги флеш-пам’яті в порівнянні з EEPROM:
- Вища швидкість запису при послідовному доступі за рахунок того, що стирання інформації у флеш проводиться блоками.
- Собівартість виробництва флеш-пам’яті нижче за рахунок простішої організації.
Недолік: Повільний запис в довільні ділянки пам'яті.
2.3.4 Організація flash-пам'яті
Елементи флеш-пам’яті бувають як на одному, так і на двох транзисторах.
У найпростішому випадку кожен елемент зберігає один біт інформації і складається з одного польового транзистора із спеціальною електрично- ізольованою ділянкою ("плаваючим" затвором – floating gate), здатною зберігати заряд багато років (рис. 2.8). Наявність або відсутність заряду кодує один біт інформації.
При запису заряд поміщається на плаваючий затвор одним з двох способів (залежить від типу елемента): методом інжекції "гарячих" електронів або методом тунелювання електронів. Стирання вмісту елемента (зняття заряду з "плаваючого" затвора) проводиться методом тунелювання.
Як правило, наявність заряду на транзисторі ідентифікується як логічний "0", а його відсутність – як логічна "1". Сучасна флеш-пам’ять звичайно виготовляється за 0,13- і 0,18-мікронним техпроцесом.
Рисунок 2.8 – Схема флеш-елемента
2.3.5 Загальний принцип роботи елемента флеш-пам’яті
Розглянемо простий елемент флеш-пам’яті на одному n-p-n транзисторі. Елементи подібного типу найчастіше застосовувалися в flash-пам'яті з NOR-архітектурою, а також в мікросхемах EPROM (рис.2.9). Поведінка транзистора залежить від кількості електронів на "плаваючому" затворі. "Плаваючий" затвор відіграє ту ж роль, що і конденсатор в DRAM, тобто зберігає запрограмоване значення. Поміщення заряду на "плаваючий" затвор в такому елементі проводиться методом інжекції "гарячих" електронів (CHE – channel hot electrons), а зняття заряду здійснюється методом квантомеханічного тунелювання Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim (FN)).
Під час зчитування, при відсутності заряду на "плаваючому" затворі, під впливом позитивного поля на затворі, що управляє, утворюється n-канал в підкладці між витоком і стоком, і виникає струм.
Рисунок 2.9 – Зчитування інформації flash-пам'яті з NOR-архітектурою
Наявність заряду на "плаваючому" затворі міняє вольт-амперні характеристики транзистора таким чином, що при звичайній для зчитування напрузі канал не з'являється, і струму між витоком і стоком не виникає (рис. 2.10).
Рисунок 2.10 – Ілюстрація неможливості зчитування інформації
При програмуванні (рис. 2.11) на стік і затвор, що керує, подається висока напруга (причому на затвор, що керує, напруга подається приблизно в два рази вище). "Гарячі" електрони з каналу інжектуються на плаваючий затвор і змінюють вольт-амперні характеристики транзистора. Такі електрони називають "гарячими" за те, що мають високу енергію, достатню для подолання потенціального бар'єру, створюваного тонкою плівкою діелектрика.
Рисунок 2.11 – Схема програмування елемента flash-пам'яті
При стиранні висока напруга подається на витік. На затвор, що керує, подається висока напруга з зарядом “-” (рис. 2.12). Електрони тунелюють на витік.
Рисунок 2.12 Схема стирання інформації з елемента flash-пам'яті
Ефект тунелювання – один з ефектів, що використовують хвильові властивості електрона. Сам ефект полягає в подоланні електроном потенціального бар'єру малої "товщини". Для наочності уявимо собі структуру, що складається з двох провідних ділянок, розділених тонким шаром діелектрика (збіднена ділянка). Подолати цей шар звичайним чином електрон не може – не вистачає енергії. Але при створенні певних умов (відповідна напруга і т.п.) електрон проскакує шар діелектрика (тунелює крізь нього), створюючи струм.
Важливо відмітити, що при тунелюванні електрон з’являється "по інший бік", не проходячи крізь діелектрик. Така ось "телепортація".
Відмінність методів тунелювання Фаулера-Нордхейма (FN) і методу інжекції "гарячих" електронів:
- Channel FN tunneling – не вимагає великої напруги. Елементи, що використовують FN, можуть бути менше елементів, що використовують CHE.
- CHE injection (CHEI) – вимагає вищої напруги, в порівнянні з FN. Таким чином, для роботи пам'яті потрібна підтримка подвійного живлення.
Програмування методом CHE здійснюється швидше, ніж методом FN.
Слід відмітити, що, окрім FN і CHE, існують інші методи програмування і стирання елементів, які успішно використовуються на практиці, проте два описаних нами застосовуються найчастіше.
Процедури стирання і запису сильно зношують елемент флеш-пам’яті, тому в новітніх мікросхемах деяких виробників застосовуються спеціальні алгоритми, що оптимізують процес стирання-запису, а також алгоритми, що забезпечують рівномірне використання всіх елементів в процесі функціонування.
Деякі види осередків флеш-пам’яті на основі МОП-транзисторів з "плаваючим" затвором:
- StackedGateCell – елемент з багатошаровим затвором. Методстирання – Source-Poly FN Tunneling, методзапису – Drain-Side CHE Injection.
- SSTCell, або SuperFlashSplit-GateCell (SiliconStorageTechnology – компанія-розробник технології) – елемент с розщепленим затвором. Методстирання – Interpoly FN Tunneling, методзапису – Source-Side CHE Injection.
Two Transistor Thin Oxide Cell – двотранзисторний елементз тонким шаром окислу. Методстирання – Drain-Poly FN Tunneling, методзапису – Drain FN Tunneling.
Окрім елементів, що найбільш часто зустрічаються, з "плаваючим" затвором, існують також елементи на основі SONOS-транзисторів, які не містять плаваючого затвору. SONOS-транзистор нагадує звичайний МНОП (MNOS) транзистор. У SONOS-елементах функцію "плаваючого" затвору і оточуючого його ізолятора виконує композитний діелектрик ONO. Розшифровується SONOS (Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) як Напівпровідник-Діелектрик-Нитрид-Діелектрик-Напівпровідник.
Замість нитрида в майбутньому планується використовувати полікристалічний кремній.
2.3.6 Багаторівневі елементи (MLC – Multi Level Cell)
Останнім часом багато компаній почали випуск мікросхем флеш-пам’яті, в яких один елемент зберігає два біти. Технологія зберігання двох і більш біт в одному елементі одержала назву MLC (multilevel cell – багаторівневий елемент). Достовірно відомо про успішні тести прототипів, що зберігають 4 біта в одному елементі. Зараз багато компаній знаходяться у пошуках граничного числа біт, які здатні зберігати багаторівневий елемент.
У технології MLC використовується аналогова природа елемента пам'яті. Як відомо, звичайний однобітний елемент пам'яті може приймати два стани – "0" або "1". У флеш-пам’яті ці два стани розрізняються за величиною заряду, який поміщено на "плаваючий" затвор транзистора. На відміну від "звичайної" флеш-пам’яті, MLC здатна розрізняти більше двох величин зарядів, поміщених на "плаваючий" затвор, і, відповідно, більше число станів. При цьому кожному стану у відповідність ставиться певна комбінація значень біт.
Під час запису на "плаваючий" затвор поміщається кількість заряду, відповідна необхідному стану. Від величини заряду на "плаваючому" затворі залежить порогова напруга транзистора. Порогову напругу транзистора можна заміряти при читанні і визначити за ним записаний стан, а значить і записану послідовність бітів.
Основні переваги MLC мікросхем:
- Низьке співвідношення $/МБ.
- При рівному розмірі мікросхем і однаковому техпроцесі "звичайної" і MLC-пам'яті, остання здатна зберігати більше інформації (розмір елемента той же, а кількість біт, що зберігаються в ньому – більше).
На основі MLC створюються мікросхеми більшого об'єму, ніж на основі однобітних елементів.
Основні недоліки MLC:
- Зниження надійності, у порівнянні з однобітними елементами, і, відповідно, необхідність вбудовувати складніший механізм корекції помилок (чим більше бітів на елемент – тим складніше механізм корекції помилок).
- Швидкодія мікросхем на основі MLC частіше нижча, ніж у мікросхем на основі однобітних елементів.
Хоча розмір MLC-елемента такий же, як і у однобітного, додатково витрачається місце на специфічні схеми читання/запису багаторівневих елементів (рис. 2.13). Технологія багаторівневих елементів від Intel (для NOR-пам'яті) носить назву StrtaFlash, аналогічна від AMD (для NAND) – MirrorBit.
Рисунок 2.13 – Порівняльна схема одно- та багаторівневих елементів
2.4 Магнітний запис інформації
2.4.1 4,4 Мегабайта вагою в тонну
Не секрет, що жорсткі диски – найпоширеніші засоби зберігання інформації в сучасних комп'ютерах. Перший в світі жорсткий диск (рис. 2.14), RAMAC 350 Disk File – пристрій зберігання даних з довільним доступом – випустила компанія IBM у вересні 1956 року. Місткість вінчестера для тих часів була величезна – 4,4 Мбайт.
Дані записувалися на 50 залізних пластинах діаметром 24 дюйми. Швидкість обертання шпінделя складала 1200 об/хв, а середній час доступу – 1 секунду. Сьогодні виробники вінчестерів у всьому світі хваляться ще і таким параметром, як щільність запису. Якщо RАМАС характеризувався 2 Кбіт/кв. дюйм, то сучасні HDD – більше 100 Гбіт/кв дюйм.