Nor и nand приборы
Различаются методом соединения ячеек в массив и алгоритмами чтения-записи.
Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников («строки» и «столбцы») в которой на пересечении установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов к 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 — трехмерный массив. В основе та же самая матрица что и NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции затворных цепей в одном пересечении получается много. 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. Топовые значения объемов микросхем NOR — 64 МБайт. NAND имеет топовые значения объема на микросхему в единицы гигабайт.
Названия NOR и NAND произошли от ассоциации схемы включения ячеек в массив со схемотехникой микросхем КМОП логики.
Нужно заметить, что существовали и другие варианты объединения ячеек в массив, но они не прижились.
Компоновка шести ячеек NOR flash
Структура одного столбца NAND flash
Slc и mlc приборы
Различают приборы в которых элементарная ячейка хранит один бит информации и несколько. 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 емкие чем SLC-приборы, однако время доступа и количество перезаписей хуже.
[Править] 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.[3]
[Править] 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).
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 разбегается и однажды выходит за допустимые границы которые может скомпенсировать инжекцией автомат записи и воспринять устройство чтения. Понятно что на ресурс влияет степень идентичности ячеек. Забавное следствие: с уменьшением топологических норм полупроводниковой технологии создавать идентичные элементы все труднее, поэтому вопрос ресурса записи становится все острее.
MLC-устройства имеют гораздо худшие параметры ресурса записи чем SLC (типично до 100 тыс. раз).
[править] Срок хранения данных
Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Рекомендуемый максимальный 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 (гамма-лучевое и высокоэнергичными частицами) облучение.
[править] Иерархическая структура
Стирание, запись и чтение флеш-памяти всегда происходит относительно крупными блоками разного размера, при этом размер блока стирания всегда больше блока записи, а размер блока записи не меньше, чем размер блока чтения. Собственно, это характерный отличительный признак флеш-памяти по отношению к классической 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 — от единиц до сотен байт, страницы чтения — единицы-десятки байт.
[править] 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.
[править] 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 — т. е. 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.)русск..
Подробнее о проблемах управления NAND-памятью, вызванных разным размером страниц стирания и записи см. Write amplification (англ.)русск..
[править] 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 сектора 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 см. Flash memory controller (англ.)русск..