Последние два десятилетия характеризуются стремительным прогрессом развития технологий в области записи и хранения информации, одной из которых является флэш-память.

Основные особенности

Она используется в самых разнообразных цифровых устройствах. Так приятно, когда под рукой есть мобильный телефон, нужная информация находится в карманном компьютере, сделанные фотографии можно увидеть сразу, а не по возвращении из отпуска. Небольшой брелок умеет хранить массу полезных данных: флэш-память также служит памятью в MP3-плеерах и игровых приставках.

Итак, что же такое флэш-память? Само название Flash впервые применила компания Toshiba в 1984 г. для описания своих новых микросхем, в которых доступ к данным осуществляется «in a flash», т.е. быстро, мгновенно.

Флэш представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство, которое не требует дополнительной энергии для хранения данных, т.е. при выключении питания информация сохраняется (такую память принято называть энергонезависимой). Данные с флэш-носителя можно сколько угодно раз считать и ограниченное число раз перезаписать. Последнее связано с тем, что перезапись идет через стирание, которое приводит к износу микросхемы. Современная флэш-память позволяет заменять содержимое ячеек от 10 тыс. до 1 млн. раз.

В отличие от жестких дисков, CD- и DVD-ROM, во флэш-накопителях нет движущихся частей (поэтому их и называют твердотельными). Это существенно снизило потребление энергии при записи, а также в 5—10 раз по сравнению с жесткими дисками увеличило механическую нагрузку, которую способно выдерживать устройство памяти. Твердотельные носители можно трясти и ронять без ущерба для их работоспособности по оценкам производителей, информация на флэш-микросхемах хранится от 20 до 100 лет.

Благодаря компактным размерам, высокой степени надежности и низкому энергопотреблению твердотельные накопители активно используют в современных портативных устройствах, причем как в качестве съемного носителя (платы памяти в видео-, фото- и аудиоаппаратуре), так и для хранения кода ПО.

Первые шаги

Следует отметить, что разработки в области автономных устройств для переноса информации начались довольно давно.

Первая энергонезависимая полупроводниковая память называлась ROM (Read Only Memory), т.е. название подсказывает, что произвести запись здесь можно было только один раз. Поэтому ROM использовалась лишь для хранения информации.

Частично эту проблему удалось решить при создании PROM (Programmable ROM). Микросхему можно было подвергнуть повторному (но пока, правда, единственному) «прожигу» с помощью специального устройства и тем самым полностью перезаписать информацию на ней.

Следующим шагом стало создание компанией Intel микросхемы EPROM (Erasable, или, в некоторых источниках, Electrically PROM) на базе МОП-транзистора (металл—оксид—полупроводник). Появилась долгожданная возможность неоднократной перезаписи информации, хранящейся на всей микросхеме, после стирания содержимого рентгеновскими лучами. Впоследствии также выпущены схемы, где обнуление осуществлялось с помощью ультрафиолетовых лучей (UV-EPROM) через специальное окошко на микросхеме (UV-EPROM, в частности, применялась для модулей BIOS, и окошко закрывалось, чтобы солнечные лучи случайно не обнулили настройки).

В 1979 г. компания Intel разработала новый вид памяти — EEPROM, в котором появилась возможность перезаписывать не всю информацию на микросхеме, а ее часть. Данные в определенных ячейках изменялись под влиянием электрического тока.

И вот наконец пришел черед флэш-памяти. Разработанная компанией Toshiba микросхема получила название NAND от применяемой логической схемы NOT AND («НЕ-И»). Позже, в 1988 г., компания Intel выпустила свой вариант флэш-памяти NOR (NOT OR, «НЕ-ИЛИ»). Хотя с тех пор прошло уже без малого 20 лет, эти два типа микросхем и сейчас составляют львиную долю оборота рынка флэш-памяти.

Базовым элементом этих схем является флэш-ячейка, которая состоит из полевого двухзатворного транзистора (рис. 1). В специальной электрически изолированной области находятся два затвора — управляющий (control) и плавающий (floating). На подложке расположены исток и сток.

Рис. 1. Схема ячейки флэш-памяти

Наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе определяет характер информации, хранящейся в ячейке, т.е. плавающий затвор является программируемым элементом ячейки. Распознавание состояния плавающего затвора происходит с помощью измерения порогового напряжения транзистора.

Процесс записи информации для ячеек NOR и NAND различен. В ячейках NOR запись осуществляется методом инжекции «горячих» электронов (они обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создающегося перед плавающим затвором). При воздействии сигнала на управляющий затвор в результате изменившейся разности потенциалов между стоком и истоком возникает электрический ток, на плавающий затвор инжектируются (впрыскиваются) электроны, изменяя его заряд. А в ячейках NAND запись производится методом туннелирования электронов№.

Рис. 2. Туннелирование и инжектирование электронов: желтые частицы проходят сквозь барьер; красные частицы перепрыгивают его благодаря полученной дополнительной энергии

Процесс стирания информации в ячейках NOR и NAND основан на туннельном эффекте. На управляющий затвор подается высокое напряжение противоположной полярности (обратной той, что была), и электроны с плавающего затвора переходят на исток.

Поскольку сейчас устройства флэш-памяти изготавливает множество разных фирм, то могут различаться способы подачи тока и чтения данных из ячейки, но в целом используются описанные выше принципы работы.

Состояние дел

Схема организации соединений между ячейками (т.е. архитектура) флэш-памяти у NOR и NAND различна. В микросхемах NOR применяется параллельный интерфейс — к каждому транзистору подводится индивидуальный контакт, а в NAND интерфейс последовательный: контактная матрица располагается в пересечениях строк и столбцов транзисторов. Архитектура NAND позволяет значительно уменьшить размер микросхемы и тем самым снизить ее себестоимость.

Различие в архитектуре позволяет по-разному использовать эти типы памяти. Микросхемы NAND обеспечивают более высокую плотность хранения информации, поэтому для записи/хранения большого количества информации используется преимущественно именно эта микросхема (флэш-накопители, карты памяти). Однако для работы, требующей побайтового произвольного доступа (например, для хранения программного кода BIOS, мобильных телефонов), архитектура NOR предпочтительней, поскольку скорость произвольного доступа у нее выше.

Одна ячейка флэш-памяти содержит один транзистор, который в простейшем случае хранит один бит информации. Такие ячейки называются одноуровневыми (Single Level Cell, SLC). Диапазон заряда до 5000 электронов на плавающем затворе соответствует логической единице, выше 30 тыс. — логическому нулю.

Оптимизация алгоритмов размещения и последующего считывания точного количества заряда с плавающего затвора позволило в 1994 г. компании Intel создать многоуровневую ячейку (Multi Level Cell, MLC) для хранения информации, память на ее основе названа StrataFlash. Эта ячейка способна различать четыре величины зарядов, помещенных на плавающий затвор, и таким образом может хранить два бита информации на одном транзисторе. В принципе возможно и дальнейшее увеличение количества битов, хранимых в одной ячейке, но для этого требуются более тонкие технологии размещения заряда на плавающем затворе. Пробные образцы с четырехбитовыми ячейками уже существуют. Естественно, что технология MLC позволяет при одинаковом с SLC размере микросхемы хранить больший объем информации (в одной ячейке в 2 раза больше битов).

Корпорация Hitachi разработала архитектуру флэш-памяти, названную AND, которая комбинирует свойства NOR и NAND. Эти микросхемы обладают повышенной износостойкостью за счет применения алгоритмов равномерного использования всех ячеек при работе. Операции записи и стирания информации производятся методом туннелирования.

Компания Mitsubishi создала собственную флэш-память, носящую название DiNOR (структура NOR с разделенными разрядными линиями), в которой запись и стирание информации происходит также методом туннелирования. Эта память более долговечная, поскольку использует особый метод стирания данных, предохраняющий ячейки от пережигания.

Рис. 3. Схема работы ячейки памяти типа MRAM: сверху магнитное поле не пропускает частицы, сопротивление ячейки высокое — состояние «0»; снизу магнитное поле отсутствует, поэтому электроны беспрепятственно проходят ячейку — состояние «1»

Перспективные технологии

В настоящее время основные усилия разработчиков сосредоточены на наращивании объемов памяти и сокращении размеров носителей с параллельным снижением энергопотребления.

Уже представлены новые разработки памяти на основе нанокристаллов. Эта технология позволяет уменьшить ячейку и упростить производство памяти, сохраняя при этом ее надежность. Кремниевые нанокристаллы, напоминающие по форме сферу диаметром порядка 50 ангстрем (или пяти миллиардных метра), размещают между двумя оксидными слоями. Запись информации производится за счет способности кристаллов сохранять заряд. Скорость записи флэш-памяти такого типа может быть существенно увеличена благодаря тому, что туннелирование зарядов в нанокристаллы происходит значительно быстрее, чем в стандартные ячейки флэш-памяти. Также ведутся разработки в области увеличения быстродействия за счет записи данных одновременно на несколько ячеек в каждой микросхеме.

Еще одной перспективной технологией считается ферроэлектрический принцип хранения информации — FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory). В русскоязычной литературе ферроэлектрики обычно называют сегнетоэлектриками, поскольку впервые их необычные свойства были обнаружены у кристаллов сегнетовой соли. Особенность ферроэлектриков состоит в сравнительно легком изменении величины дипольного момента под влиянием электрического поля (т.е. изменяется сила взаимодействия с заряженными частицами, в том числе электронами). В обычном состоянии ферроэлектрик не является однородно поляризованным, а состоит из доменов с различными направлениями поляризации. Под действием электрического поля кристалл становится однодоменным (т.е. поляризованным), причем после выключения поля это состояние сохраняется в течение длительного времени. При воздействии поля противоположного направления значение поляризации также меняется. На этом принципе строится двоичная система («0» и «1»). Переключение поляризации происходит за время меньше 1 нс (одной миллиардной секунды). К преимуществам этой технологии следует отнести стойкость к радиации и другим проникающим излучениям.

Предыдущий вид памяти наряду с магниторезистивной — MRAM (Magneto-resistive RAM) считается наиболее перспективным преемником флэш-памяти. В основе работы MRAM лежит принцип изменения электрического сопротивления проводника под действием магнитного поля. Сторонники этого вида памяти считают, что она может совершить настоящую революцию, заменив не только флэш, но и DRAM, и SRAM. Ячейка MRAM состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных между собой слоем магниторезистивного материала.

К ферромагнетикам относят вещества, у которых при определенных условиях устанавливается магнитоупорядоченное состояние, так что магнитные моменты атомных носителей магнетизма выстраиваются параллельно, а само вещество намагничивается. В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнетик разбит на хаотично ориентированные домены (области однородной намагниченности). Под воздействием магнитного поля эти домены переходят в магнитоупорядоченное состояние.

Сопротивление магниторезистивного материала будет определяться ориентацией магнитных моментов ферромагнитных слоев. Если намагниченность слоев совпадает по направлению, то электрическое сопротивление ячейки мало, что соответствует логической единице. В противном случае ячейка не пропускает электроны, а заворачивает их своим магнитным полем (действует сила Лоренца), сопротивление ячейки возрастает, что соответствует логическому нулю. Изменить ориентацию магнитного момента ферромагнитного слоя можно только внешним воздействием. Заслуживающим внимания является также и тот факт, что достаточно поменять направление магнитного момента только в одном из ферромагнитных слоев, чтобы изменить состояние ячейки в целом.

Благодаря существованию коэрцитивной силы (перемагнитить слой можно только полем не слабее определенной величины) повлиять на состояние ячейки внешними бытовыми электромагнитными полями довольно сложно, поэтому ячейка MRAM остается для них практически неуязвимой. Скоростные показатели записи в такой ячейке значительно превышают аналогичные параметры для флэш-памяти. Процессы записи/стирания могут осуществляться бесконечное количество раз. Однако размер ячейки и соответственно ее себестоимость пока слишком велики.

Еще одна технология будущего — это NRAM (Nanotube-based или Nonvolatile RAM), в которой для хранения информации используются углеродные нанотрубки. В исходном состоянии они расположены под прямым углом друг к другу и прикрепляются таким образом, что образуют мостики между электродами на поверхности кремниевой пластины. Под воздействием напряжения нанотрубки прогибаются, причем это положение остается стабильным и после снятия напряжения. Под центром каждого мостика находится еще один электрод, который и сообщает, в каком положении находится мостик (при прогибании он соприкоснется с электродом и замкнет цепь). Для возврата в исходное состояние нужно приложить напряжение противоположного знака.

Сложности этой технологии заключаются в реализации точного и равномерного размещения нанотрубок на подложках. Такой вид памяти обещает стать более емким, быстрым и долговечным, чем современная флэш-память.

В качестве одного из ближайших преемников на рынке твердотельной памяти рассматривается Ovonic Unified Memory (OUM), устройство памяти на аморфных полупроводниках. Аморфное (от греческого amorphos — бесформенный) состояние вещества характеризуется отсутствием строгой периодичности в расположении частиц (атомов, ионов, молекул и их групп). У веществ в этом состоянии существует определенная согласованность только в расположении соседних частиц. С увеличением расстояния между двумя выбранными атомами согласованность уменьшается, а затем и вовсе исчезает. Кристаллам, напротив, присуще регулярное расположение частиц, которое с определенным периодом повторяется в трех измерениях. В природе аморфное состояние менее распространено, чем кристаллическое, причем большинство веществ получить в таком виде не удается вовсе. Тем удивительнее, что ряд веществ в аморфном состоянии обладает свойствами полупроводников. К последним, в частности, относятся халькогенидные стекла.

В OUM-технологии используются уникальные свойства халькогенидов, открывающие возможность для их практического применения во флэш-памяти. Под действием электрического тока они могут переходить из аморфного состояния в кристаллическое, причем время перехода обычно менее 10-10—10-12 с (речь уже идет о триллионных долях секунды).

Значительное различие величин электрического сопротивления в аморфном и кристаллическом состояниях позволяет определять текущее состояние ячейки, обеспечивая запись логических нуля и единицы. Преимущества этой технологии — большее, чем у флэш-памяти, число максимальных циклов перезаписи (10 трлн.), увеличенная скорость доступа, повышенная емкость и низкая себестоимость. Правда, по сравнению с MRAM память OUM обладает меньшим быстродействием.

Существуют также подобные OUM технологии, получившие название Chalcogenide RAM (CRAM) и Phase Change Memory (PRAM). Они также основаны на том, что вещество может переходить из аморфной фазы в кристаллическую под воздействием электрических полей. В отличие от флэш-памяти они устойчивы к воздействию ионизирующего излучения. Однако по энергопотреблению они проигрывают флэш-памяти.

* * *

Конечно, пока рано справлять поминки по флэш-памяти: ее лучшие годы еще впереди. Но технологии развиваются быстро, и как знать, не придется ли через десяток лет сдувать пыль с новостей о применении флэш-памяти .

№Метод туннелирования, или туннельный эффект, относится к квантовым явлениям. Если не вдаваться в подробности, инжекцию и туннелирование можно образно описать следующим образом. Представьте, что перед вами отвесная стена высотой 4 м. Как ее преодолеть? Есть два варианта: первый — перепрыгнуть, второй — пройти насквозь (как в фильме «Чародеи»: «главное — видеть цель и не видеть препятствия»). Чтобы перепрыгнуть (инжектировать), нужно найти дополнительную энергию, а для того, чтобы пройти насквозь (туннелировать), нужен новый закон природы, разрешающий это сделать. В классической физике, которую мы изучали в школе, такой процесс невозможен. Однако исследования поведения очень маленьких частиц, таких как электроны, показали, что при определенных условиях они могут пройти потенциальный барьер, даже если их полная энергия меньше необходимой для его перепрыгивания, т.е. они не перескакивают, а просачиваются сквозь него (см. рис. 2).