Справочная информация - промэлектроника. Технологии флэш-памяти Планы Samsung - скоро появится новая флэш-память
В статье рассказывается о принципах построения микросхем памяти и дается обзор различных видов памяти разрабатываемых и производимых компанией STMicroelectronics, одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов, в том числе микросхем па-мяти, и обладающей уникальной технологией производства Flash-памяти и программируе-мых систем памяти на одном кристалле.
Все статьи цикла:
1. Виды микросхем памяти компании STMicroelectronics
Уважаемый читатель! В последнее время на страницах специализированных журналов часто встречаются публикации посвященные микросхемам памяти различных производителей, в том числе и обзорные статьи. Вместе с тем, далеко не всегда при перечислении компаний-производителей микросхем памяти обращается должное внимание на одного из миро-вых лидеров в этой области - компанию STMicroelectronics. Для восполнения пробелов в данном вопросе и предназначена серия статей, первая из которых предлагается Вашему вниманию.
В настоящее время компания STMicroelectronics (ST) разрабатывает и производит в промышленных масштабах следующие виды микросхем памяти:
- EPROM - широко представлена память с ультрафиолетовым стиранием и с однократным программированием, в том числе стандартные микросхемы памяти OTP и UV EPROM, усовершенствованные микросхемы памяти OTP и UV EPROM семейства Tiger Range, микросхемы нового типа памяти FlexibleROM, разработаного для замены Mask-ROM, а также микросхемы памяти PROM и RPROM компании WSI (США), вошедшей в состав ST;
- EEPROM и SERIAL NVM (последовательная энергонезависимая долговременная память) - из последовательной перепрограммируемой энергонезависимой памяти выпуска-ются микросхемы памяти EEPROM с различным шинным интерфейсом, последовательная FLASH-память, стандартные микросхемы памяти специального назначения (ASM) и бескон-тактные (CONTACTLESS MEMORIES) микросхемы памяти;
- Flash-память - в производстве у ST находятся микросхемы Flash-памяти: индустриального стандарта с различным питанием, микросхемы Flash-памяти с усовершенствованной архитектурой для различных областей применения, микросхемы с разнородной памятью и микросхемы Flash-памяти семейства "LightFlash";
- SRAM - ST производит асинхронные маломощные микросхемы памяти SRAM с различным питанием и быстродействием;
- NVRAM - имеются решения для SRAM с батарейной поддержкой по питанию и генераторов импульсов времени (часов истинного времени);
- PSM - в соответствии со стратегическим направлением создания "систем на кристал-ле", ST разрабатывает и производит микросхемы программируемых систем памяти, которые обеспечивают комплексное системное решение памяти для микроконтроллеров и разработок на сигнальных процессорах (DSP);
- Smartcard - в наличии большой ассортимент микросхем для Smartcard и систем обес-печения безопасности.
Виды и основные серии микросхем памяти производимых компанией STMicroelectron-ics представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Виды и основные серии микросхем памяти компании STMicroelectronics
EPROM, EEPROM и Flash - в чем разница?
Первыми технологиями энергонезависимой памяти были EPROM (стираемая программи-руемая постоянная память) и EEPROM (электронно-перепрограммируемая постоянная память). В EPROM данные могут быть записаны в память один раз и, впоследствии, считываться любое число раз. Если EPROM имеет специальный корпус с прозрачным окном, то содержимое памяти может быть стерто ультрафиолетовым облучением, а затем перепро-граммировано с новыми данными.
EEPROM более гибко. Она обеспечивает многократное перепрограммирование ячеек памяти, но плата за эту гибкость - более сложная структура ячейки памяти, что увеличивает стоимость и понижает плотность хранения. По этой причине EPROM используется главным образом в качестве удобной памяти для хранения больших объемов кодов программы, а EEPROM для хранения параметров и другой информации, которая нуждается в регулярном обновлении.
В последние годы в полупроводниковой промышленности наблюдается быстрый рост в секторе электронной Flash-памяти, которая находит все большее применение во многих устройствах телесвязи, автомобильной электронике, компьютерах и бытовых приборах, но которую не многие изготовители полупроводниковых изделий могут производить в промышленных объемах и недорого для потребителя.
Flash-память относится к классу полупроводниковой памяти с долговременным хранением (NON-VOLATILE) или энергонезависимой от внешнего питания. До ее появления наибо-лее востребованными видами памяти на рынке была DRAM (динамическое ОЗУ с произвольной выборкой) и SRAM (статическое ОЗУ с произвольной выборкой). Несмотря на их энергозависимость это обусловлено возможностью обеспечения высокой скорости записи, что обязательно для оперативной памяти. Кроме того, малые размеры ячеек памяти DRAM позволяют получить высокую плотность для хранения, которая сегодня обычно составляет 256 Mбит и до 1 Гбит в перспективе. Преимуществом SRAM является меньшие непроизво-дительные затраты, а также (для некоторых типов) более высокая скорость чтения - обычно на порядок быстрее чем DRAM. DRAM и SRAM - одни из основных компонентов персональных компьютеров.
Технология Flash первоначально использовалась как вариант замены EPROM. Подобно EEPROM, Flash-память электрически стираема и фактически не имеет ограничений по числу циклов перепрограммирования, но, в отличие от EEPROM, микросхемы Flash-памяти дешевле в производстве и могут иметь очень большие емкости для хранения. Flash-память, в отличие от EEPROM, не надо стирать полностью перед перезаписью, что придает ей дополни-тельное преимущество. Она обычно организована в виде множества секторов, каждый из ко-торых может быть индивидуально перепрограммирован.
Развитие технологии Flash-памяти осуществляется по двум основным направлениям: уменьшение размеров ячеек за счет новых технологических процессов изготовления (0.25µ, 0.18µ, 0.13µ, 0.10µ ...) и оптимизации архитектуры памяти для конкретных приложений. По сравнению с DRAM Flash-память труднее в разработке и производстве. Поэтому ее развитие по плотности отстает от DRAM примерно на одну градацию. То есть, если DRAM произво-дится по 0.18µ технологии, то Flash-память будет производиться по 0.25µ технологии.
Преследуя честолюбивые замыслы, компания ST начала разрабатывать и производить Flash-память по новым технологиям опережающими темпами с целью выравнивая ее технологии с технологией DRAM. С этой же целью был создан Центр в Agrate (Италия). Надежды компании производить Flash с плотностью памяти не хуже чем у DRAM основаны на внедрении методов многоразрядной ячейки. Поэтому в ближайшей перспективе следует ждать появление микросхем Flash-памяти с емкостью до 1 Гбит.
Второй подход, который ST успешно реализует - развитие микросхем специального назначения с архитектурами, которые в максимально возможной степени оптимизированы для конкретных условий эксплуатации. Здесь многое зависит от тесного взаимодействия с ведущими производителями современной электронной аппаратуры и тенденциям ее развития. В этом направлении ST имеет значительное преимущество по сравнению с другими производителями Flash-памяти, особенно в области компьютерной периферии, средств связи и автоэлектроники.
Бурный рост применения Flash-памяти объясняется стремительным развитием электронных устройств и носит объективный характер. Например, на рынке сотовых телефонов сначала использовались микросхемы Flash-памяти с небольшой емкостью (1…4 Mб) для хранения кода. Затем функциональные возможности сотовых телефонов резко возросли вплоть до обеспечения Internet, GPS, интерактивной выдачи новостей, телевизионной конфе-ренц-связи и CD музыки. Каждая новая сервисная функция требует увеличения количества Flash-памяти для хранения кода, емкости которой за это время возросли до 128 Мб. Сейчас сотовый телефон оснащается фотокамерой, биометрическим сенсором, возможностью загрузки музыки и программ. Это означает, что если сейчас для сотового телефона в основном достаточно иметь 8 Мб Flash-памяти, то к концу 2004 года полностью будут задействованы имеющиеся сегодня возможности в 128 Мб Flash-памяти.
Более важно то, что стандартные микросхемы Flash-памяти не являются лучшим выбором для этих продуктов. Взаимоисключающие потребности в максимизации характеристик, уменьшения стоимости и потребляемой мощности могут быть осуществлены только частично и применительно для конкретного применения в сотовых телефонах.
Подобный рост можно предсказать и для различного рода приставок (Set-top box) и для рынка DVD. И здесь, чтобы соответствовать потребностям и требованиям этого рынка, который особенно чувствителен к стоимости и качественным характеристикам, нужна специализированная Flash-память с архитектурой оптимизированной для этого рынка (например, x32 архитектура с двумя банками памяти и 100 MГц характеристикой группового считывания), которая будет использоваться скорее чем стандартные микросхемы Flash-памяти.
Работа на опережение потребностей рынка помогла STMicroelectronics разработать новые изделия типа сверхбыстрого (25 нс!) времени выборки в микросхемах Flash-памяти для жесткого диска компьютера и первую в мире Flash-память на 32 Мбит, комбинирующую ар-хитектуру с двумя банками памяти и быстрый доступ с полнофункциональным режимом по-страничного доступа при питании 1,8 В для следующего поколения сотовых телефонов.
Flash, EPROM и EEPROM используют один и тот же базовый механизм плавающего затвора для запоминания данных, но различные методы для записи и чтения данных. В каждом случае, базовая ячейка памяти состоит из одного МОП-транзистора с двумя затворами: регулирующего, который связан со схемой управления чтения - записи, и плавающего, который локализован между регулирующим затвором и каналом МОП-транзистора (часть МОП-транзистора между истоком и стоком). Схема базовой ячейки EPROM приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Базовая ячейка EPROM
В отличие от стандартного МОП-транзистора, в микросхемах памяти имеются два затвора, которые полностью электрически изолированы слоем диоксида кремния от остальной части электрической схемы. Так как плавающий затвор физически очень близок к каналу МОП-транзистора, то даже очень малый электрический заряд на нем оказывает влияние на электрическое сопротивление транзистора. Применяя соответствующие сигналы к регули-рующему затвору, и измеряя изменение сопротивления транзистора, можно определить на-личие электрического заряда на плавающем затворе. Поскольку плавающий затвор электрически изолирован от остальной части схемы, требуются специальные методы для переноса на нем заряда. Один из методов состоит в заполнении канала МОП-транзистора электронами высокой энергии, прикладывая относительно высокое напряжение к регулирующему затвору и стоку МОП-транзистора. Некоторые из таких "горячих" электронов имеют достаточную энергию для пересечения потенциального барьера между каналом и плавающим затвором. При снятии высокого напряжения они остаются захваченными плавающим затвором. Имен-но такой метод используется для программирования ячейки памяти в EPROM и Flash-памяти.
Эта методика, известная как канальная инжекция горячими электронами (CHE), может использоваться для переноса заряда на плавающий затвор, но она не обеспечивает его сброса. Технология EPROM достигает этого за счет облучения всей матрицы памяти ультрафиолетовым светом, который придает захваченным электронам достаточно энергии для выхода из плавающего затвора. Это достаточно простой и эффективный метод стирания.
Второй метод удаления заряда основан на использовании так называемого туннельного эффекта. Электроны покидают плавающий затвор при прикладывании к истоку МОП-транзистора достаточно большого напряжения, которое заставляет электроны "прокладывать туннель" поперек изолирующей оксидной пленки к истоку. Число электронов, которые могут прокладывать туннель поперек изоляционного слоя в данном времени, зависит от толщины слоя и величины подаваемого напряжения. Для реальных уровней напряжения и ограниченного времени стирания изоляционный слой должен быть очень тонок - обычно 10 нм (100 Ангстрем).
Рис. 3. Базовая ячейка EEPROM
В микросхемах памяти EEPROM туннельный эффект используется для "зарядки" и "разрядки" плавающего затвора согласно полярности прикладываемого туннельного напряжения (рисунок 3). Поэтому, несмотря на то, что Flash-технология не просто прививка механизма стирания EEPROM на технологию EPROM, Flash-память может рассматриваться как запоминающее устройство, которое программируется подобно EPROM и стирается подобно EEPROM.
Наиболее существенное отличие EPROM от других двух видов памяти находится в толщине оксидной пленки, которая отделяет плавающий затвор от истока. В EPROM - это обычно 20…25 нм и этого достаточно много для реализации туннельного эффекта при прак-тических напряжениях. У Flash-памяти (рисунок 4) толщина туннельной оксидной пленки составляет 10 нм, и ее качество оказывает существенное влияние на характеристики и надежность микросхемы памяти. Это одна из основных причин того, что только относительно немногие производители электронных компонентов овладели технологией Flash-памяти, а еще меньшее количество способно квалифицировано надежно комбинировать Flash-технологию с другими КМОП компонентами для создания изделий типа микроконтроллеров со встроенной Flash-памятью.
Традиционно, плавающий затвор использовался для хранения одного информационного разряда, который считывался путем сравнения порогового напряжения МОП-транзистора с опорной величиной, но появились более сложные методы чтения - записи, которые позво-ляют различать более двух энергетических состояний плавающего затвора, что эквивалентно хранению двух и более битов на одном плавающем затворе. Это крупное научно-техническое достижение, потому что хранение двух битов в одной ячейке позволяет удвоить емкости микросхем памяти, не изменяя их физических размеров. STMicroelectronics - одна из немногих компаний, которая может предложить микросхемы Flash-памяти с архитектурой на основе многоразрядной ячейки.
Рис. 4. Базовая ячейка Flash
Хотя все микросхемы Флэш-памяти используют одну и ту же базовую запоминающую ячейку, имеется множество видов их связей в пределах всей матрицы памяти. Наиболее известными архитектурами являются NOR (НЕ) и NAND (И-НЕ). Эти условия традиционной комбинаторной логики определяют топологию матрицы памяти и виды связи к отдельным ячейкам при обращении к ним для чтения и записи.
Первоначально, имелось ясное различие между этими двумя существенно различными архитектурами. NOR устройства демонстрировали существенно более быстрые времена считывания (предоставляя лучшие возможности для хранения кода), а NAND устройства предлагали более высокие плотности хранения (так как ячейка NAND приблизительно на 40 % меньше чем ячейка NOR). Однако появление технологии многоразрядной ячейки сдвигает баланс явно к NOR архитектурам. Кроме того, надо учитывать, что в NOR архитектуре уси-лители считывания сигнала имеют прямой доступ к каждой ячейке памяти, а в NAND архитектуре сигнал усилителя считывания должен пройти через множество других ячеек, каждая из которых может вносить определенную погрешность. Поэтому маловероятно, что схема NAND может быть с двухразрядной ячейкой памяти, а для NOR архитектуры следует ожидать появления в скором времени четырехразрядной ячейки и ее преимущество окончательно утвердиться.
2. Микросхемы памяти EPROM компании ST
Компания STMicroelectronics (ST) производит весьма конкурентоспособные микросхемы памяти EPROM. Непрерывные усовершенствования технологии производства приводят к расширению их возможностей, более высокой емкости и понижению напряжения питания. Компания находится в числе мировых лидеров-производителей памяти типа OTP и EPROM с ультрафиолетовым стиранием, которая удобна для разработки, производства и для замены масочной ROM ввиду того, что они программируются на завершающей стадии производства.
Выпускаемые микросхемы обладают емкостью от 64 кбит до 64 Мбит при питании 5 и 3 В, достаточным быстродействием, различными корпусами, в том числе и для поверхностного монтажа. Организация памяти устройств может быть типа x8, x16 и x8/x16. Расшифровка обозначений микросхем памяти ST вида OTP и UV EPROM приведена на Рис.5.
Рис. 5. Маркировка микросхем EPROM ST
Набор продукции включает стандартные микросхемы с питанием 5 В и 3,3 В, усовершенствованные микросхемы семейства Tiger Range с питанием 3 В (2,7…3,6 В) и микросхемы нового семейства FlexibleROM™.
Микросхемы этих типов памяти доступны в FDIP керамических корпусах с окошком и PDIP пластиковых двурядных корпусах, а также в корпусах PLCC и TSOP для поверхностного монтажа. Основные параметры стандартных микросхем памяти EPROM приведены в таблице 1.
Таблица 1. OTP и UV EPROM
| Обьем | Обозначение | Описание | Корпус |
| Питание 5 В | |||
| 64 кб | M27C64A | 64 кб (x8), 100 - 200 нс | FDIP28W, PLCC32 |
| 256 кб | M27C256B | 256 кб (x8), 45 - 150 нс | |
| 512 кб | M27C512 | 512 кб (x8), 45 - 150 нс | FDIP28W, PDIP28, PLCC32, TSOP28 |
| M27C516 | 512 кб (x16), 35 - 100 нс | PLCC44, TSOP40B | |
| 1 Мб | M27C1001 | 1 Мб (x8), 35 - 150 нс | |
| M27C1024 | 1 Мб (x16), 35 - 150 нс | ||
| 2 Мб | M27C2001 | 2 Мб (x8), 35 - 100 нс | FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A |
| M27C202 | 2 Мб (x16), 45 - 100 нс | FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40B | |
| 4 Мб | M27C4001 | 4 Мб (x8), 35 - 150 нс | FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A |
| M27C4002 | 4 Мб (x16), 45 - 150 нс | ||
| M27C400 | 4 Мб (x8/x16), 50 - 100 нс | FDIP40W, PDIP40 | |
| 8 Мб | M27C801 | 8 Мб (x8), 45 - 150 нс | FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A |
| M27C800 | 8 Мб (x8/x16), 50 - 120 нс | ||
| 16 Мб | M27C160 | 16 Мб (x8/x16), 50 - 120 нс | FDIP42W, PDIP42, PLCC44, SO44 |
| 32 Мб | M27C322 | 32 Мб (x16), 50 - 100 нс | FDIP42W, PDIP42, PSDIP42 |
| M27C320 | 32 Мб (x8/x16), 50 - 100 нс | TSOP48, SO44 | |
| 64 Мб* | M27C642 | 64 Мб (x16), 80 - 100 нс | FDIP42W, PDIP42 |
| M27C640 | 64 Мб (x8/x16), 80 - 100 нс | TSOP48 | |
| Питание 3,3 В | |||
| 16 Мб | M27V160 | 16 Мб (x8/x16), 100 - 150 нс | FDIP42W, PDIP42, SO44 |
| 32 Мб | M27V322 | 32 Мб (x16), 100 - 150 нс | FDIP42W, PDIP42 |
* в разработке
Усовершенствованная низковольтная серия Tiger Range
Для низковольтной серии Tiger Range компания STMicroelectronics использовала новейшую технологию OTP и UV EPROM. Структурные усовершенствования, связанные с толщиной основных слоев, позволили значительно улучшить электрические характеристики. Уменьшение на 25% толщины оксидного слоя затвора позволило снизить пороговое напряжение ячейки и увеличить скорость выборки при питании от 2,7 В и выше во всем температурном диапазоне от -40 до +85°C.
Улучшая электрические характеристики, ST стремиться обеспечить потребителя изделиями с новыми качествами и поэтому рекомендует заказчикам заменить "V" серию с питанием 3…3,6 В на серию "W" - Tiger Range, которая имеет лучшие характеристики при питании 2,7…3,6 В. Временные параметры для серии Tiger Range гарантируются двойным тестированием микросхем при напряжении 2,7 В и 3 В. Время доступа при питании 2,7 В маркируется на микросхеме и более быстрое время доступа специфицируется в описании.
Времена доступа для напряжения питания выше 2,7 В являются рабочими. Состав семейства микросхем Tiger Range приведен в таблице 2.
Таблица 2. OTP и UV EPROM типа Tiger Range, питание 3 В
| Объем | Обозначение | Описание | Корпус |
| 256 кб | M27W256 | 256 кб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс | FDIP28W, PDIP28, PLCC32, TSOP28 |
| M27W512 | 512 кб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс | FDIP28W, PDIP28, PLCC32, TSOP28 | |
| 1 Мб | M27W101 | 1 Мб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс | FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A |
| M27W102 | 1 Мб (x16), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс | FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40B | |
| 2 Мб | M27W201 | 2 Мб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс | FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A |
| M27W202 | 2 Мб (x16), 100 нс (80нс/3В) | FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40B | |
| 4 Мб | M27W401 | 4 Мб (x8), 80 нс (70нс/3В) - 100 нс | FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A |
| M27W402 | 4 Мб (x16), 100 нс (80нс/3В) - 120 нс | FDIP40W, PDIP40, PLCC44, TSOP40A | |
| M27W400 | 4 Мб (x8/x16), 100 нс (80нс/3В) - 120нс | FDIP40W, PDIP40, PLCC44 | |
| 8 Мб | M27W801 | 8 Мб (x8), 100 нс (80нс/3В) - 120 нс | FDIP32W, PDIP32, PLCC32, TSOP32A |
| M27W800 | 8 Мб (x8/x16), 100 нс (90нс/3В) | FDIP42W, PDIP42, PLCC44 |
Семейство UV и OTP EPROM Tiger Range характеризуется сверхмалым потреблением, высокой скоростью работы и одновременно быстрым доступом с коротким временем программирования. Время программирования микросхем одинаково как для пословного, так и побайтного режимов программирования. Для самых последних микросхем с плотностью 4 Мб и 8 Мб скорость программирования доведена до 50 мкс на слово или байт. Данные по потреблению и производительности серии Tiger Range приведены в таблице 3.
Таблица 3. Tiger Range
| Обозначение | Объем (Организация) | Потребление | Скорость выборки | Скорость программирования |
| M27W256 | 256 кб (x8) | 15мA при 5MГц | 80 нс (70нс/3В) | 100 мкс/байт |
| M27W512 | 512 кб (x8) | 15мA при 5MГц | 80 нс (70нс/3В) | 100 мкс/байт |
| M27W101 | 1 Мб (x8) | 15мA при 5MГц | 80 нс (70нс/3В) | 100 мкс/байт |
| M27W102 | 1 Мб (x16) | 15мA при 5MГц | 80 нс (70нс/3В) | 100 мкс/слово |
| M27W201 | 2 Мб (x8) | 15мA при 5MГц | 80 нс (70нс/3В) | 100 мкс/байт |
| M27W202 | 2 Мб (x16) | 20мA при 5MГц | 100 нс (80нс/3В) | 100 мкс/слово |
| M27W401 | 4 Мб (x8) | 15мA при 5MГц | 80 нс (70нс/3В) | 100 мкс/байт |
| M27W402 | 4 Мб (x16) | 15мA при 5MГц | 100 нс (80нс/3В) | 100 мкс/слово |
| M27W400 | 4 Мб (x8/x16) | 20мA при 8MГц | 100 нс (80нс/3В) | 50 мкс/слово |
| M27W801 | 8 Мб (x8) | 15мA при 5MГц | 100 нс (80нс/3В) | 50 мкс/байт |
| M27W800 | 8 Мб (x8/x16) | 30мA при 8MГц | 100 нс (90нс/3В) | 50 мкс/слово |
Микросхемы низковольтной серии Tiger Range полностью совместимы по штырькам со стандартной серией 5В UV и OTP EPROM. Это гарантирует их полное соответствие для приложений, в которых микропроцессорное питание заменяется с 5 В на 3 В (таблица 4).
Таблица 4. Совместимость UV и OTP EPROM по питанию
| 3 В Обозначение | Объем (Организация) | 5 В Обозначение |
| M27W256 | 256 кб (x8) | M27C256B |
| M27W512 | 512 кб (x8) | M27C512 |
| M27W101 | 1 Mб (x8) | M27C1001 |
| M27W102 | 1 Mб (x16) | M27C1024 |
| M27W201 | 2 Mб (x8) | M27C2001 |
| M27W202 | 2 Mб (x16) | M27C202 |
| M27W401 | 4 Mб (x8) | M27C4001 |
| M27W402 | 4 Mб (x16) | M27C4002 |
| M27W400 | 4 Mб (x8/x16) | M27C400 |
| M27W801 | 8 Mб (x8) | M28C801 |
| M27W800 | 8 Mб (x8/x16) | M27C800 |
Уже много лет сохраняется тенденция к более высоким плотностям памяти. Отвечая требованиям потребителей, компания ST постоянно развивает как свои технологии производства, так и сами компоненты.
Гибкость EPROM, ее более низкие производственные издержки и возможность программирования на завершающей стадии производства ведут к тому, что многие заказчики теперь предпочитают использовать данный вид памяти вместо масочной ROM. Диапазон памяти EPROM ST включает много типов микросхем, которые могут легко использоваться взамен масочной ROM (таблица 5).
Таблица 5. Замена Mask ROM высокоплотной EPROM
| Обозначение | Организация | Скорость выборки | Потребление |
| Питание 5 В | |||
| M27C801 | x8 | 45 нс | 35 мА при 5 MГц |
| M27C800* | x8/x16 | 50 нс | 70 мА при 8 MГц |
| M27C160* | x8/x16 | 50 нс | 70 мА при 8 MГц |
| M27C322* | x16 | 50 нс | 50 мА при 5 MГц |
| M27C320* | x8/x16 | 50 нс | 70 мА при 8 MГц |
| Питание 2,7 В (min) | |||
| M27W801* | x8 | 100 нс (80 нс/3В) | 15 мА при 5 MГц |
| M27W800* | x8/x16 | 100 нс (90 нс/3В) | 30 мА при 8 MГц |
* заменяющие Mask ROM
Для примера рассмотрим более подробно 32 Mбит микросхему M27C320 (4M x 8 или 2M x 16), которая предназначена в основном для игральных автоматов, DVD проигрывателей и многих других приложений, где для микропроцессорных систем требуется много памяти для данных или программных кодов.
Логическая схема данного устройства приведена на рис. 6, а режимы работы представлены в таблице 6. В режиме чтения требуется одно питающее напряжения. Все входы совместимы c TTL схемами за исключением Vрр и A9 с напряжением 12 В для электронной подписи производителя микросхемы.
Рис. 6. Логическая схема M27C320
Таблица 6. Режимы работы M27C320
M27C320 имеет два вида режима чтения - пословный и побайтный. Вид чтения определяется уровнем сигнала на выводе BYTE. При высоком уровне сигнала на этом штырьке выбирается считывание по словам и контакт Q15A-1 используется для вывода данных по Q15. При низком уровне сигнала на BYTE устанавливается режим побайтового считывания и кон-такт Q15A-1 используется для адресации входа по A-1.
M27C320 имеет две функции управления и для получения данных на выходах они обе должны быть логически активны. Кроме того, должен быть выбран вид считывания по словам или по байтам. Выход E используется для выбора устройства и управления потреблением. Блокирующий выход (G) управляет выходом и используется для управления считыванием с ячейки данных к выходным контактам независимо от выбора устройства.
M27C320 имеет дежурный режим, в котором потребление понижается до 50 - 100 мкА. M27C320 переходит в этот режим при наличии высокого уровня логического сигнала на входе Е. В дежурном режиме все выходы находятся в состоянии высокого импеданса независимо от сигнала на входе G.
Поскольку EPROM обычно используются в больших массивах памяти, эти схемы имеют функцию двухлинейного управления, которая обеспечивает обращение к памяти нескольких устройств. Такая функция в M27C320 позволяет экономно расходовать пространство памяти и предупреждает конфликтные ситуации при обращении к памяти нескольких устройств.
Так как микросхемы памяти EPROM обычно работают в условиях неустановившихся переходных напряжений в цепях питания, для сглаживания тока рекомендуется на каждой схеме использовать керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ между Vcc и Vss и один электролитический конденсатор емкостью 4,7 мкФ между Vcc и Vss на каждые восемь микросхем. Этот конденсатор должен быть установлен около точки подключения электропитания на плате.
В поставляемых микросхемах M27C320 все ячейки памяти находятся в состоянии "1". Данные вводятся путем выборочного программирования "0" в требуемых местоположениях разрядов. Программируется только ноль, но в информационном слове могут присутствовать как единицы, так и нули. M27C320 находится в режиме программирования при напряжении на входе Vpp равном 12,5 В, на G - напряжение высокого логического уровня (Vih) и на Е подаются импульсы низкого логического уровня (Vil).
Запрограммированные данные поступают параллельно по 16 бит на контакты вывода данных. В режиме программирования уровни сигналов для адресации и входных данных должны соответствовать TTL логике, а питающее напряжение Vcc находиться в пределах 6,25 В ± 0,25 В.
Алгоритм программирования PRESTO III обеспечивает программирование всего массива с гарантированным временем до 100 с. Программирование слова осуществляется последовательностью импульсов 50 мкс на слово с проверкой.
Имеется возможность программирования нескольких M27C320 параллельно с различными данными. При этом используется высокий уровень логического сигнала на входе Е для запрета программирования. Проверка программирования осуществляется считыванием. Имеется режим доступа к электронной подписи производителя. Более подробные сведения приводятся в описании микросхемы .
Технология ST в отношении EPROM непрерывно совершенствуется. Новые перспективы открываются с внедрением новой архитектуры микросхем памяти, основанной на использовании многобитных ячеек памяти для получения высоких плотностей записи, начиная с емкости в 64 Mбит. Кроме того, каждая новая разработка содержит несколько фотолитогра-фических новшеств, улучшающих электрические характеристики микросхем.
С входом в состав STMicroelectronics компании WAFERSCALE INC. (США) открылись возможности поставок микросхем памяти типа PROM (programmable ROM) / RPROM (re-programmable ROM). Основные параметры семейства высокоэффективных PROM и RPROM микросхем памяти выполненных по КМОП технологии компании WSI приведены в таблице 7. Эти микросхемы доступны в трех температурных диапазонах работы: коммерческом (от 0 до +70°C), индустриальном (от -40 до +85°C) и военном (от -55 до +125°C). Кроме того, некоторые компоненты изготавливаются по стандарту для военного назначения (SMD), в том числе и EPROM (Таблица 8).
Таблица 7. КМОП PROM/RPROM компании WSI
| Обозначение | Описание | Корпуса |
| WS57C191C | 16 кб (2 кб x 8), 25 - 55 нс | CERDIP24, 0.6"; PLDCC28; PDIP24, 0.6" |
| WS57C291C | 16 кб (2 кб x 8), 25 - 55 нс | PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3" |
| WS57LV291C | 16 кб (2 кб x 8), 70 - 90 нс | CERDIP24, 0.3" |
| WS57C45 (заказ) | 16 кб (2 кб x 8), 25 - 45 нс | CERDIP24, 0.3"; PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3" |
| WS57C43C | 32 кб (4 кб x 8), 25 - 70 нс | CLLCC28; CERDIP24, 0.6"; PLDCC28; PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3" |
| WS57C49C | 64 кб (8 кб x 8), 25 - 70 нс | CLLCC28; CERDIP24, 0.6"; Ceramic Flatpack24; PLDCC28; CLDCC28; PDIP24, 0.3"; CERDIP24, 0.3" |
| WS57C51C | 128 кб (16 кб x 8), 35 - 70 нс | |
| WS57C71C | 256 кб (32 кб x 8), 35 - 70 нс | CLLCC32; CERDIP28, 0.6"; PLDCC32; CLDCC32; CERDIP28, 0.3" |
Таблица 8. Military EPROM
| Обозначение | Описание | Корпуса |
| WS57C128FB | 128 кб (16 кб x 8), 35-70 нс | CLLCC32; CERDIP28, 0.6"; PLDCC32; CLDCC32 |
| WS57C256F | 256 кб (32 кб x 8), 35-70 нс | CLLCC32; CERDIP28, 0.6"; PLDCC32; CLDCC32; PDIP28 0.6"; CERDIP28, 0.3" |
| 27C010L | 1 Мб (128 кб х 8), 35 - 200 нс | CERDIP32, CLLCC32 |
Самой последней разработкой компании STMicroelectronics в области электрически про-граммируемых ПЗУ является семейство FlexibleROM™, которое может использоваться как простая замена для любого ПЗУ. Это одноразовое программируемое семейство, изготавливаемое по 0,15 мкм технологии компании ST, доступно потребителю с начальной емкостью памяти в 16 Mбит. Новое семейство микросхем памяти "FlexibleROM" относится к типу энергонезависимой памяти и предназначено для хранения программного кода. "FlexibleROM" - идеально подходит для использования вместо масочного ПЗУ (MaskROM) и перехода от Flash-памяти на ПЗУ после отладки программы, если в дальнейшем не планируется изменения программного кода.
Эти микросхемы памяти оптимизированы для хранения программного кода и могут использоваться в игровых приставках, DVD проигрывателях и в приставках к телевизору, а также в офисных устройствах автоматизации и для компьютерной периферии.
Семейство FlexibleROM имеет все необходимое, чтобы заменить масочное ПЗУ и обеспечить выгоды потребителю благодаря своей гибкости и стоимости модернизации. Основные характеристики микросхем данного семейства приведены в таблице 9.
Таблица 9. Семейство FlexibleROM
Микросхемы доступны как в "пустых", так и в предварительно запрограммированных версиях. Имеющаяся возможность предварительного программирование позволяет потребителю сократить время производственного цикла. Например, по сравнению с масочным ПЗУ экономия по времени составляет до двух недель при использовании программирования с кодом клиента при изготовлении микросхемы.
Благодаря технологии, основанной на флэш, время программирования также существенно уменьшено. Микросхемы FlexibleROM обеспечены типовой способностью многословной программы с большим потоком данных, что позволяет программировать устройство с емкостью 64 Mбит всего за девять секунд.
Еще одним преимуществом по сравнению с другими одноразово программируемыми ПЗУ является высокая производительность программирования, поскольку 100% функциональных возможностей массива памяти проверяются в ходе тестирования.
Микросхемы семейства памяти FlexibleROM используют питание напряжением от 2,7 В до 3,6 В для операций чтения и от 11,4 В до 12,6 В для программирования. Устройства организованы как x16-бит, при включении питания по умолчанию устанавливается режим памя-ти "Чтение", так что они могут читаться как ПЗУ (ROM) или ЭПЗУ (EPROM).
В настоящее время доступны образцы M27W016 (DIL или SM корпус) и M27W064 (SM корпус) и массовое производство уже начато. Разворачивается производство M27W032 (SM корпус), а 128-Mбит и 256-Mбит версии планируется начать производить в конце 2003 года.
Основные особенности памяти "FlexibleROM":
- Стандартный набор команд.
- Стандартная цоколевка масочного ПЗУ.
- Стандартные корпуса масочного ПЗУ.
- Полная тестируемость при программировании.
- Прямая замена для любого ПЗУ.
- Очень быстрое программирование (в 30 раз быстрее стандартной OTP).
- Кодирование по заказу клиента быстрее, чем масочного ПЗУ (1-2 недели).
- Бесплатный сервис предпрограммирования.
- Эффективнее при использовании чем ROM и OTP.
- Способность быстрого "в системе" однократного программирования.
- Легкость модернизации емкости памяти.
В завершение краткого обзора микросхем памяти UV и OTP EPROM приведем некоторые данные по соответствию микросхем данного вида компании ST с микросхемами памяти других производителей (Таблица 10).
Таблица 10. Кросс-таблица EPROM
| AMD | ST |
| Am27C128 | 57C128FB |
| Am27C256 | 57C256F |
| Am27H256 | 57C256F |
| ATMEL | ST |
| AT27C010/L | 27C010L |
| AT27HC256/L | 57C256F |
| AT27HC256R/R | 57C256F |
| CYPRESS | ST |
| CY7C261 | 57C49C |
| CY7C263 | 57C49C |
| CY7C264 | 57C49C |
| CY7C271 | 57C71C |
| CY7C274 | 57C256F |
| CY7C291 | 57C291C |
| CATALYST | ST |
| CAT27128A | 57C128FB |
| CAT27256 | 57C256F |
| CAT27HC256 | 57C256F |
| HITACHI | ST |
| HN27C256HG | 57C256F |
| INTEL | ST |
| 27C128B | 57C128FB |
| 27C256 | 57C256F |
| MICROCHIP | ST |
| 27HC256 | 57C256F |
| OKI | ST |
| MSM27C256 | 57C256F |
| SANYO | ST |
| LA7620 | 57C64F |
| SGS-T | ST |
| M27128/A | 57C128FB |
| M27256 | 57C256F |
| SHARP | ST |
| LH57126 | 57C128FB |
| SIGNETICS | ST |
| 27HC128 | 57C128FB |
| TI | ST |
| TMS27C128 | 57C128FB |
| TOSHIBA | ST |
| TMM27128` | 57C128FB |
| TMM27256 | 57C256F |
В следующих выпусках журнала будут рассмотрены и другие виды микросхем памяти ST.
Литература:
- Data sheet M27C320, STMicroelectronics, 2000
Микросхемы разного назначения применяются в составе электроники современной техники. Огромное многообразие такого рода компонентов дополняют микросхемы памяти. Этот вид радиодеталей (среди электронщиков и в народе) зачастую называют просто – чипы. Основное назначение чипов памяти – хранение определённой информации с возможностью внесения (записи), изменения (перезаписи) или полного удаления (стирания) программными средствами. Всеобщий интерес к чипам памяти понятен. Мастерам, знающим как программировать микросхемы памяти, открываются широкие просторы в области ремонта и настройки современных электронных устройств.
Микросхема памяти — это электронный компонент, внутренняя структура которого способна сохранять (запоминать) внесённые программы, какие-либо данные или одновременно то и другое.
По сути, загруженные в чип сведения представляют собой серию команд, состоящих из набора вычислительных единиц микропроцессора.
Следует отметить: чипы памяти всегда являются неотъемлемым дополнением микропроцессоров – управляющих микросхем. В свою очередь микропроцессор является основой электроники любой современной техники.
Набор электронных компонентов на плате современного электронного устройства. Где-то среди этой массы радиодеталей приютился компонент, способный запоминать информацию
Таким образом, микропроцессор управляет , а чип памяти хранит сведения, необходимые микропроцессору.
Программы или данные хранятся в чипе памяти как ряд чисел — нулей и единиц (биты). Один бит может быть представлен логическими нулем (0) либо единицей (1).
В единичном виде обработка битов видится сложной. Поэтому биты объединяются в группы. Шестнадцать бит составляют группу «слов», восемь бит составляют байт — «часть слова», четыре бита — «кусочек слова».
Программным термином для чипов, что используется чаще других, является байт. Это набор из восьми бит, который может принимать от 2 до 8 числовых вариаций, что в общей сложности даёт 256 различных значений.
Для представления байта используется шестнадцатеричная система счисления, где предусматривается использование 16 значений из двух групп:
- Цифровых (от 0 до 9).
- Символьных (от А до F).
Поэтому в комбинациях двух знаков шестнадцатеричной системы также укладываются 256 значений (от 00h до FFh). Конечный символ «h» указывает на принадлежность к шестнадцатеричным числам.
Организация микросхем (чипов) памяти
Для 8-битных чипов памяти (наиболее распространенный тип) биты объединяются в байты (8 бит) и сохраняются под определённым «адресом».
По назначенному адресу открывается доступ к байтам. Вывод восьми битов адреса доступа осуществляется через восемь портов данных.
Организация структуры запоминающего устройства. На первый взгляд сложный и непонятный алгоритм. Но при желании разобраться, понимание приходит быстро
Микросхемы флеш-памяти eeprom серии 25xxx широко применяются в микроэлектронике. В частности, в современных телевизорах и материнских платах в 25xxx хранится прошивка биоса. Перепрошивка 25xxx осуществляется по интерфейсу SPI, в чем и заключается отличие этих микросхем от флеш-памяти семейства 24xxx, которые шьются по i2c(квадратная шина).
Соответственно, для чтения/стирания/записи 25xxx нужен SPI-программатор. Одним из самых дешевых вариантов программаторов для этой цели является USBasp, который стоит смешные деньги- с доставкой всего около 2$ на ебее. В свое время я купил себе такой для программирования микроконтроллеров. Теперь мне понадобилось прошить не микроконтроллер, а SPI-флеш и решено было им воспользоваться.
Забегая вперед скажу, что прошивка от Tifa работает, микросхемы 25xxx шьются. Кстати, кроме 25xxx, модифицированный программатор рассчитан на работу с 24xxx и Microwire.
1. Перепрошивка USBasp
Сначала нужно замкнуть контакты J2:
Лично я не просто замкнул, а впаял в контакты переключатель:
При замкнутых контактах J2 (это у меня переключатель в положении вправо) USBasp переходит в режим готовности к перепрошивке.
Сам себя USBap перепрошить не может, поэтому нужен еще один программатор. USBasp как бы оказывается в положении хирурга, который не может сам себе вырезать аппендикс и просит друга помочь. Для перепрошивки USBasp я использовал самодельный программатор AVR910 , но для одного раза можно по-быстрому за пару минут спаять программатор «5 проводков» , который состоит всего-лишь из одного разъема LPT и 5 резисторов.
Подключаем программатор к USBasp:
Теперь идем на форум альтернативной прошивки от Tifa, в самом верхнем посте находим и качаем архив с последней прошивкой и ПО.
Находим там файл mega8.hex, это и есть альтернативная прошивка для USBasp.
Запускаем CodeVisionAvr (я использую версию 2.0.5), выставляем настройки программатора: Settings-> Programmer.
Устанавливаем настройки записи: Tools->Chip programmer. Выбираем чип Atmega8L, именно такой стоит на USBasp. Фьюзы не выставляем- те, что надо, уже прошиты в чипе. Остальные настройки оставляем по умолчанию.
Стираем старую программу USBasp: Program-> Erase chip.
Открываем файл прошивки mega8.hex: File-> Load flash.
Перепрошиваем USBasp: Program-> Flash.
Если прошла запись и не выдало сообщение об ошибке, значит альтернативная прошивка благополучно прошита в USBasp. Теперь USBasp может не только шить AVR-микроконтроллеры, как раньше, но еще и работать с флеш-памятью. Размыкаем контакты J2, что бы USBasp снова перешел в режим программатора.
Теперь проверим, видит ли Windows 7 x86 этот программатор. Вставляем USBasp в USB и… система пишет «USBasp не удалось найти драйвер». Понятно, нужно установить драйвер. Но драйверов в скачанном на форуме нет, их нужно скачать на родном сайте USBasp , оригинальные драйвера подходят и для модифицированного программатора. Скачали, установили, Win7 увидела программатор, все ок. Впрочем, я программирую микроэлектронику на ноутбуке с WinXP, она тоже после установки драйверов видит программатор.
2. Площадка для подключения USBasp к микросхеме 25xxx DIP
Теперь нужно подготовить площадку для программирования 25xxx. Я это сделал на макетной плате по такой схеме:
3. Прошивка микросхем 25xxx через USBasp
Для прошивки 25xxx через модифицированный USBasp используется программа AsProgrammer, которая тоже есть в .
Для примера, поработаем с микросхемой Winbond 25×40. Запускаем AsProgrammer, ставим режим работы SPI и выбираем тип микросхемы: Микросхема-> SPI-> Winbond->…
… и видим, что W25X40 в списке нет. Что же, тогда заполним параметры микросхемы вручную. Находим мануал на Winbond 25X40 и там на странице 4 видим такие параметры:
Эти параметры вносим сюда:
Подключаем USBasp к компьютеру и микросхеме Winbond 25×40:
С помощью кнопок «прочитать», «записать», «стереть», проверяем работу программатора:
Только нужно учесть, что перед тем, как что-то записать в микросхему, сначала нужно выставить: Настройки-> Проверка записи, что бы после записи прошивки в микросхему была выполнена проверка на соответствие того, что писали тому, что в итоге записали. Это немаловажная вещь, потому что если прошивку делать не на очищенный чип, в него запишется чёрт-те что. Поэтому сначала нужно стереть микросхему, а затем только проводить ее запись.
Благодаря прошивке от Tifa дешевый китайский программатор USBasp теперь умеет работать с микросхемами flash-памяти eeprom 25xxx. Теоретически еще может работать c 24xxx и Microwire, но я проверил только работу с 25xxx.
UPD1:
Оказывается, такую же прошивку можно записать и в программатор AVR910. Тогда он тоже будет работать с flash-памятью 25xxx:
В этой статье мы с Вами поговорим о том, что положено в основу создания и по какому принципу работает устройство флэш-памяти (не путайте с USB флэш-накопителями и картами памяти). Кроме этого, вы узнаете о ее преимуществах и недостатках перед другими типами ПЗУ (постоянно запоминающими устройствами) и познакомитесь с ассортиментом самых распространенных накопителей, которые содержат в себе флэш-память.
Основное достоинство этого устройства в том, что оно энергонезависимое и ему не нужно электричество для хранения данных. Всю хранящуюся информацию во флэш-памяти можно считать бесконечное количество раз, а вот количество полных циклов записи к сожалению ограничено.
Флэш-память (flash memory) — относится к полупроводникам электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Благодаря техническим решениям, не высокой стоимости, большому объему, низкому энергопотреблению, высокой скорости работы, компактности и механической прочности, флэш-память встраивают в цифровые портативные устройства и носители информации.
У флэш-памяти перед другими накопителями (жесткие диски и оптические накопители) типа ПЗУ есть как свои преимущества, так и свои недостатки, с которыми вы можете познакомиться из таблицы расположенной ниже.
| Тип ПЗУ | Преимущества | Недостатки |
| Жесткий диск | Большой объем хранимой информации. Высокая скорость работы. Дешевизна хранения данных (в расчете на 1 Мбайт). | Большие габариты. Чувствительность к вибрации. Тепловыделение. |
| Оптический диск | Удобство транспортировки. Дешевизна хранения информации. Возможность тиражирования. | Небольшой объем. Нужно считывающее устройство. Ограничения при операциях (чтение, запись). Невысокая скорость работы. Чувствительность к вибрации. |
| Флэш-память | Высокая скорость доступа к данным. Экономное энергопотребление. Устойчивость к вибрациям. Удобство подключения к компьютеру. Компактные размеры. | Ограниченное количество циклов записи. |
Сегодня никто не сомневается в том, что флэш-память будет продолжать укреплять свои позиции в информационных технологиях, особенно в линейке мобильных устройств (КПК, планшеты, смартфоны, плееры). На основе флэш-памяти работают самые востребованные и популярные и сменные карты памяти для электронных устройств (SD, MMC, miniSD…).
Карты памяти, как и USB накопители не стоят в стороне, а привлекают внимание потенциальных покупателей своим многообразием. От такого изобилия запоминающих устройств выигрывает только производитель, а потребитель испытывает ряд неудобств. Ведь всем нам знакомы такие ситуации, когда телефону нужна одна карта, КПК другая, фотоаппарату третья. Такой ассортимент накопителей на руку производителям, потому что они извлекают из широкой эксклюзивной продажи большую выгоду. Вот небольшой список распространенных накопителей с флэш-памятью:
- Compact Flash Type I (CF I)/Type II (CF II);
- Memory Styck (MS Pro, MS Duo);
- Secure Digital (SD);
- miniSD;
- xD-Picture Card (xD);
- MultiMedia Card (MMC).
- USB Flash Drive.
В одной из публикаций я писал о том , а о том как выбрать карту в формате SD (microSD, miniSD) .
Принцип работы флэш-памяти.
Элементарной ячейка хранения данных флэш-памяти представляет из себя транзистор с плавающим затвором. Особенность такого транзистора в том, что он умеет удерживать электроны (заряд). Вот на его основе и разработаны основные типы флэш-памяти NAND и NOR . Конкуренции между ними нет, потому что каждый из типов обладает своим преимуществом и недостатком. Кстати, на их основе строят гибридные версии такие как DiNOR и superAND .
Во флэш-памяти производители используют два типа ячеек памяти MLC и SLC.
- Флэш-память с MLC(Multi-level cell — многоуровневые ячейки памяти)ячейки более емкие и дешевые, но они с большим временем доступа и меньшим количеством циклов записи/стирания (около 10000).
- Флэш-память, которая содержит в себе SLC (Single-level cell — одноуровневые ячейки памяти) ячейки имеет максимальное количество циклов записи/стирания(100000) и обладают меньшим временем доступа.
Изменение заряда (запись/стирание) выполняется 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.
Принцип работы флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («карман») полупроводниковой структуры.
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.
Теперь рассмотрим более подробно ячейки памяти с одним и двумя транзисторами…
Ячейка памяти с одним транзистором.
Если на управляющий затвор подать положительное напряжения (инициализация ячейки памяти) то он будет находиться в открытом состоянии, что будет соответствовать логическому нулю.
А если на плавающий затвор поместить избыточный отрицательный заряд (электрон) и подать положительное напряжение на управляющий затвор ,то он компенсирует создаваемое управляющим затвором электрическое поле и не даст образовываться каналу проводимости, а значит транзистор будет находиться в закрытом состоянии.
Вот так, наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе точно определяет состояние открыт или закрыт транзистор, когда подается одно и тоже положительное напряжения на управляющий затвор. Если мы будем рассматривать подачу напряжения на управляющий затвор, как инициализацию ячейки памяти, то по тому, какое напряжение между истоком и стоком можно судить о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе.
Таким образом получается своеобразная элементарная ячейка памяти, способная сохранять один информационный бит. Ко всему этому очень важно, чтобы заряд на плавающем затворе (если он там имеется) мог сохраняться там долго, как при инициализации ячейки памяти, так и при отсутствии напряжения на управляющем затворе. Только в этом случае ячейка памяти будет энергонезависимой.
Так каким же образом в случае необходимости на плавающий затвор помещать заряд (записывать содержимое ячейки памяти) и удалять его оттуда (стирать содержимое ячейки памяти) когда это необходимо.
Поместить заряд на плавающий затвор (процесс записи) можно методом инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons) или методом туннелирования Фаулера-Нордхейма.
Если используется метод инжекции горячих электронов, то на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение, что придаст электронам в канале энергии, достаточной чтобы преодолеть потенциальный барьер, который создается тонким слоем диэлектрика, и направить (туннелировать) в область плавающего затвора (во время чтения на управляющий затвор подается меньшее напряжение и эффект туннелирования не происходит).
Чтобы удалить заряд с плавающего затвора (выполнить стирания ячейки памяти) на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение (около 9 В), а на область истока подается положительное напряжение. Это приводит к тому, что электроны туннелируют из области плавающего затвора в область истока. Таким образом происходит квантовое туннелирование Фаулера — Нордхейма (Fowler — Nordheim).
Наверно вы уже поняли, что транзистор с плавающим затвором это элементарная ячейка флэш-памяти. Но ячейки с одним транзистором имеют некоторые недостатки, основным из которых является плохая масштабируемость.
Так как при создании массива памяти, каждая ячейка памяти (то есть транзистор) подключается к двум перпендикулярным шинам. Управляющие затворы подключаются к шине, которую называют линией слов (Word Line), а стоки соединяют с шиной, ее называют битовой линией (Bit Line). В следствии чего в схеме находится высокое напряжение и при записи методом инжекции горячих электронов все линии — слов, битов и истоков нужно разместить на большом расстоянии друг от друга. Это даст нужный уровень изоляции, но отразится на ограничении объема флэш-памяти.
Еще одним недостатком такой ячейки памяти является присутствие эффекта избыточного удаления заряда с плавающего затвора, а он не может компенсироваться процессом записи. В следствии этого на плавающем затворе образуется положительный заряд, что делает неизменным состояние транзистора и он всегда остается открытым.
Ячейка памяти с двумя транзисторами.
Двухтранзисторная ячейка памяти, это модифицированная однотранзисторная ячейка, в которой находится обычный КМОП-транзистор и транзистор с плавающим затвором. В этой структуре обычный транзистор выполняет роль изолятора транзистора с плавающим затвором от битовой линии.
Имеет ли преимущества двухтранзисторная ячейка памяти? Да, ведь с ее помощью можно создавать более компактные и хорошо масштабируемые микросхемы памяти, потому что здесь транзистор с плавающим затвором изолируется от битовой линии. Ко всему прочему, в отличии от однотранзисторной ячейки памяти, где информация записывается методом инжекции горячих электронов, в двухтранзисторной ячейки памяти для записи и стирания информации используется метод квантового туннелирования Фаулера — Нордхейма. Такой подход дает возможность снизить напряжение, которое необходимо для операции записи. Забегая наперед скажу, что двухтранзисторные ячейки применяются в памяти со структурой NAND.
Устройство флэш-памяти с архитектурой NOR.
Тип этой памяти является источником и неким толчком в развитии всей EEPROM. Ее архитектура была разработана компанией Intel в далеком 1988 году. Как было написано ранее, чтобы получить доступ к содержимому ячейки памяти (инициализировать ячейку), нужно подать напряжение на управляющий затвор.
Поэтому разработчики компании все управляющие затворы подсоединили к линии управления, которая называется линией слов (Word Line). Анализ информации ячейки памяти выполняется по уровню сигнала на стоке транзистора. Поэтому разработчики все стоки транзисторов подсоединили к линии, которая называется линией битов (Bit Line).
Архитектура NOR получила название благодаря логической операции ИЛИ — НЕ (в переводе с английского NOR). Принцип логической операции NOR заключается в том, что она над несколькими операндами (данные, аргумент операции…) дает единичное значение, когда все операнды равны нулю, и нулевое значение во всех остальных операциях.
В нашем случае под операндами подразумевается значение ячеек памяти, а значит в данной архитектуре единичное значение на битовой линии будет наблюдается только в том случае, когда значение всех ячеек, которые подключены к битовой линии, будут равны нулю (все транзисторы закрыты).
В этой архитектуре хорошо организован произвольный доступ к памяти, но процесс записи и стирания данных выполняется относительно медленно. В процессе записи и стирания применяется метод инжекции горячих электронов. Ко всему прочему микросхема флеш-памяти с архитектурой NOR и размер ее ячейки получается большим, поэтому эта память плохо масштабируется.
Структура шести ячеек NOR Flash Флеш-память с архитектурой NOR как правило используют в устройствах для хранения программного кода. Это могут быть телефоны, КПК, BIOS системных плат…
Устройство флэш-памяти с архитектурой NAND.
Данный тип памяти был разработан компанией Toshiba. Эти микросхемы благодаря своей архитектуре применяют в маленьких накопителях, которые получили имя NAND (логическая операция И-НЕ). При выполнении операция NAND дает значение нуль только, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех других случаях.
Как было написано ранее, нулевое значение это открытое состояние транзистора. В следствии этого в архитектуре NAND подразумевается, что битовая линия имеет нулевое значение в том случае, когда все подключенные к ней транзисторы открыты, и значение один, когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Такую архитектуру можно построить, если подсоединить транзисторы с битовой линией не по одному (так построено в архитектуре NOR) , а последовательными сериями (столбец из последовательно включенных ячеек).
Данная архитектура по сравнению с NOR хорошо масштабируется потому, что разрешает компактно разместить транзисторы на схеме. Кроме этого архитектура NAND производит запись путем туннелирования Фаулера — Нордхейма, а это разрешает реализовать быструю запись нежели в структуре NOR. Чтобы увеличить скорость чтения, в микросхемы NAND встраивают внутренний кэш.
Как и кластеры жесткого диска так и ячейки NAND группируются в небольшие блоки. По этой причине при последовательном чтении или записи преимущество в скорости будет у NAND. Но с другой стороны NAND сильно проигрывает в операции с произвольным доступом и не имеет возможности работать на прямую с байтами информации. В ситуации когда нужно изменить всего несколько бит, система вынуждена переписывать весь блок, а это если учитывать ограниченное число циклов записи, ведет к большому износу ячеек памяти.
Структура одного столбца NAND Flash В последнее время ходят слухи о том, что компания Unity Semiconductor разрабатывает флэш-память нового поколения, которая будет построена на технологии CMOx. Предполагается, что новая память придет на смену флеш-памяти типа NAND и преодолеет ее ограничения, которые в памяти NAND обусловлены архитектурой транзисторных структур. К преимуществам CMOx относят более высокую плотность и скорость записи, а также более привлекательную стоимость. В числе областей применения новой памяти значатся SSD и мобильные устройства. Ну, что же правда это или нет покажет время.
Чтобы более детально донести до Вас всю необходимую информацию я разместил видео ролик по теме.
P.S. Объяснить простым языком технический материал людям которые не представляют как построена архитектура компьютера… очень сложно, но я надеюсь у меня это получилось. Для полной и достоверной информации в этой статье я частично использовал учебную литературу. Надеюсь эта статья была для вас полезной и познавательной. Пока!
Многие эксперты сходятся во мнении, что одной из основных причин небывалого спроса на флэш-память стало развитие рынка мобильных коммуникаций, хотя и не только это. Как известно, флэш-память - это одна из разновидностей энергонезависимой памяти (nonvolatile memory). В основе работы запоминающей ячейки данного типа памяти лежит физический эффект Фаули-Нордхайма (Fowler-Nordheim), связанный с лавинной инжекцией зарядов в полевых транзисторах. Как и в случае EEPROM, содержимое флэш-памяти программируется электрическим способом, однако основное ее преимущество по сравнению с той же EEPROM - высокая скорость доступа и довольно быстрое стирание информации. Считается, что название "флэш" применительно к типу памяти переводится как "вспышка". На самом деле это не совсем так. Одна из версий появления этого термина состоит в том, что впервые в 1989-90 гг. специалисты компании Toshiba употребили слово flash в значении "быстрый, мгновенный" при описании своих новых микросхем.
В настоящее время можно выделить две основные структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (логическая функция ИЛИ-НЕ) и NAND (логическая функция И-НЕ). Структура NOR состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации (рис. 1). Такая организация ячеек обеспечивает произвольный доступ к данным и побайтную запись информации. В основе структуры NAND лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (по 16 ячеек в одной группе), которые объединяются в страницы, а страницы - в блоки (рис. 2). При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение происходит к блокам или к группам блоков.
 |
|
| Рис. 1. Архитектура NOR. | Рис. 2. Архитектура NAND. |
Ячейка традиционной флэш-памяти представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и "плавающим". Важная особенность последнего - способность удерживать электроны, т. е. заряд. Кроме того, в ячейке имеются электроды, называемые "сток" и "исток". При программировании между ними, за счет воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов благодаря наличию большей энергии преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтения данных из ячейки.
Различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее, чем в памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг к другу ячеек памяти NAND соединены последовательно, без контактных промежутков, достигается высокая плотность размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. Последовательная организация ячеек обеспечивает высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. Ввиду того, что туннелирование осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у памяти NAND ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет большее число циклов программирования/стирания. А поскольку туннелирование используется как для программирования, так и для стирания, энергопотребление микросхемы памяти оказывается низким. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.
Стоит также обратить внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а следовательно, снизить себестоимость. Но и 1 бит - далеко не предел. Еще в 1992 г. команда инженеров корпорации Intel начала разработку устройства флэш-памяти, одна ячейка которого хранила бы более одного бита информации. Уже в сентябре 1997 г. была анонсирована микросхема памяти Intel StrataFlash емкостью 64 Мбит, одна ячейка которой могла хранить 2 бита данных. Кроме того, сегодня существуют образцы с 4-битными ячейками. В такой памяти используется технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что их заряд делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация битов. Теоретически прочитать/записать можно и более 4 бит, однако на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении.
В число крупнейших производителей флэш-памяти входят корпорации Samsung Electronics, Toshiba, Spansion (AMD-Fujitsu), Intel, STMicroelectronics. Одно из направлений совершенствования их продукции - уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия флэш-памяти. В ближайшие годы производители флэш-памяти типа NAND намерены расширить рынок своих микросхем и начинить ими устройства, в которых сейчас используются жесткие диски или память других типов. В результате в память мобильного телефона можно будет записать несколько часов видео, а срок службы батарей в ноутбуках увеличится вдвое или более. Не исключено, что к концу десятилетия элементы NAND благодаря растущей емкости полностью вытеснят жесткие диски из некоторых моделей мини-ноутбуков.
Эволюция NAND отвечает закону Мура, т. е. каждые два года число транзисторов в микросхеме удваивается. Фактически же технология развивается еще быстрее. Если несколько лет назад элементы NAND изготавливались на устаревших производственных линиях, то теперь производители перевели этот процесс на самое современное оборудование, что ускорило развитие продуктов. Сейчас их емкость удваивается каждый год: например, за 4-Гбит микросхемами NAND 2005 г. последовали микросхемы емкостью 8 и 16 Гбит.
В качестве движущего фактора развития этой технологии выступает стоимость: элементы NAND дешевеют примерно на 35-45% в год. В прошлом году 1 Гбайт флэш-памяти обходился производителям устройств примерно в 45 долл. Эксперты полагают, что в этом году цена упадет до 30, в 2008-м - до 20, а к 2009 г. - до 9 долл. При цене 45 долл. за 1 Гбайт флэш-память оказывается почти в сто раз дороже памяти на жестких дисках, которую производители могут покупать примерно по 65 центов за гигабайт. Поэтому пока, даже при самых выгодных для флэш-технологии условиях сравнения, она неизбежно проигрывает по стоимости. С другой стороны, эта память дает заметный выигрыш в пространстве и потребляемой энергии.
Технология RobsonВ конце прошлого года специалисты корпорации Intel (http://www.intel.сom) продемонстрировали технологию Robson, сокращающую время загрузки системы и приложений. ПК с такой технологией извлекает данные и приложения не с жесткого диска, а из дополнительной карты флэш-памяти и ПО Intel. Флэш-память работает быстрее, чем жесткий диск, так что время загрузки сокращается. При этом у ноутбуков должен увеличиться срок службы батареи, так как меньше работает электродвигатель жесткого диска. Считается, что Robson уменьшит время ожидания с момента нажатия на кнопку включения ПК до момента, когда на нем можно начинать работать, а также время перехода ПК из состояния ожидания в активное состояние и время запуска приложений. Карта Robson может вмещать от 64 Мбайт до 4 Гбайт памяти. Чем больше емкость, тем больше данных или приложений можно хранить на карте для ускорения их загрузки. Intel разработала ПО для Robson, но сами кристаллы будут поставляться сторонними производителями. В Robson используется флэш-память типа NAND, которую производят Samsung, Toshiba и другие компании. Сама Intel пока выпускает флэш-память типа NOR, которая не применяется для операций "чтение-запись-стирание" подобного рода. |
Флэш-память Spansion
Вообще говоря, Spansion (http://www.spansion.com) - это всемирно известная марка FASL LLC, компании, созданной совместно AMD и Fujitsu для разработки и производства флэш-памяти. Сегодня FASL LLC - крупнейший мировой производитель флэш-памяти NOR. Решения Spansion в области флэш-памяти применяются в аппаратуре AMD и Fujitsu во всем мире. Устройства флэш-памяти Spansion (рис. 3) охватывают широкий диапазон плотности и свойств и пользуются спросом в различных областях промышленности: в числе ее потребителей - лидеры рынков беспроводных устройств, сотовой телефонии, автомобилей, сетевого оборудования, телекоммуникаций и потребительской электроники. Существует множество продуктов Spansion Flash, в том числе устройства на основе современной технологии MirrorBit, награжденные призами продукты семейства одновременного чтения/записи (SRW), сверхнизковольтные устройства флэш-памяти с питающим напряжением 1,8 В и устройства с пакетной и страничной организацией памяти. Напомним, что именно специалисты корпорации AMD оказались первыми в разработке микросхем флэш-памяти, которые допускали одновременную запись и чтение информации. Это стало возможным благодаря делению кристалла на два независимых банка памяти. При использовании памяти данного типа можно хранить управляющие коды в одном банке, а данные - в другом. В таком случае не требуется прерывать программу, если нужно выполнить операцию стирания или записи в банке данных.
Технология Spansion MirrorBit (рис. 4) позволяет хранить два бита данных в одной ячейке памяти, что приводит к удвоению физической плотности памяти. Эта технология упрощает производство, что приводит к снижению издержек и повышению окупаемости. Ликвидируются как минимум 10% от общего количества шагов производственного процесса и 40% важнейших шагов производства по сравнению с технологией MLC NOR.
 |
Рис. 4. Архитектура MirrorBit. |
В начале прошлого года была представлена технология MirrorBit второго поколения, оптимизированная для использования в беспроводных решениях с напряжением питания 1,8 В. Она была позиционирована как наилучшее в отрасли решение по соотношению цена/производительность, а также как дающая самый широкий среди всех флэш-технологий NOR набор функциональных возможностей и самые высокие показатели плотности. Заявлено, что эта технология позволяет создавать многофункциональные продукты, которые поддерживают одновременное выполнение операций чтения/записи, высокоскоростной интерфейс пакетного режима, систему безопасности Advanced Sector Protection и крайне низкий уровень энергопотребления.
Первенство технологии MirrorBit по соотношению цена/производительность достигается за счет фундаментальных ее преимуществ перед технологией MLC с плавающим затвором, обеспечивающих увеличенный объем выработки, отличное качество и высокую пропускную способность производственных линий. Объем выработки для высокоплотных микросхем (емкостью от 128 до 512 Мбит) увеличен почти на 30% по сравнению с технологией MLC с плавающим затвором, что значительно улучшает структуру себестоимости автономных и многокристальных продуктов. Уменьшенное на 40% число критических уровней маскирования снижает чувствительность к дефектам в процессе изготовления и повышает качество готового продукта. И наконец, пропускная способность заводских производственных линий выросла на 10% за счет упрощения и рационализации процесса изготовления.
Технология MirrorBit была разработала Spansion специально для клиентов, требующих максимального соотношения цена/производительность по всему спектру приложений флэш-памяти. В результате производители устройств все чаще заменяют микросхемы с плавающим затвором и однобитовыми или многоуровневыми ячейками в мобильных телефонах высшего класса, КПК, цифровых камерах, серверах, телеприставках, принтерах, сетевом и телекоммуникационном оборудовании, игровых системах и навигационных устройствах.
Беспроводные устройства Spansion линии GL с напряжением питания 1,8 В и 3 В применяются для хранения данных и выполнения приложений в мобильных телефонах начального, среднего и высшего классов. Беспроводные устройства линии PL с напряжением питания 3 В также используются в многочисленных мобильных телефонах, начиная от самых простых моделей и заканчивая мощными многофункциональными телефонами с цветными дисплеями высокого разрешения.
Беспроводные устройства Spansion линии WS оптимизированы для мобильных телефонов высшего класса, поддерживающих полифонические мелодии, оснащенных цветными дисплеями и фотокамерами высокого разрешения, а также большим объемом внутренней памяти для хранения мультимедийной информации, видеоклипов и фотографий. В линию WS входят высокопроизводительные микросхемы на 1,8 В с пакетным доступом, поддержкой одновременного чтения и записи и улучшенной защитой секторов. Емкость этих устройств составляет от 64 до 256 Мбит; они могут применяться для хранения данных и выполнения приложений.
В устройствах Spansion линии GL-N большая емкость сочетается с высокой пропускной способностью и безопасностью. Они отлично подходят для нового поколения устройств домашней и автомобильной электроники, средств связи и сетевого оборудования, а также для мобильных устройств. В линии GL-N выпускаются 512-, 256- и 128-Мбит модули, образующие единую платформу интеграции флэш-памяти в самых различных устройствах. Совместимость по ПО, посадочным местам и физическому интерфейсу сокращает затраты на разработку и модернизацию продукции, поскольку для перехода на более емкие модули не нужно менять печатные платы и адаптировать ПО.
Компании Spansion LLC и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC, http://www.tsmc.com) заключили соглашение, позволяющее начать массовое производство микросхем на основе 110-нм технологии Spansion MirrorBit. По условиям соглашения TSMC предоставляет производственные мощности для изготовления продукции Spansion - беспроводных устройств серий GL, PL и WS, а также интегрированных устройств серии GL. TSMC внедряет на своих предприятиях 110-нм производственный процесс Spansion специально для изготовления ее продукции. Первоначально технология Spansion MirrorBit 110 нм применяется на 200-мм кремниевых пластинах.
В начале осени прошлого года Spansion объявила о предоставлении клиентам образцов флэш-памяти формата Package-on-Package (PoP) для миниатюрных и в то же время многофункциональных мобильных телефонов, КПК, цифровых камер и MP3-плееров. Новое решение Spansion формата PoP представляет собой компактный модуль памяти со встроенным контроллером, отличающийся малым количеством контактов, простотой интеграции и высокой производительностью. Эти устройства в первую очередь оценили производители мобильных телефонов, которые смогли расширить набор функций новых моделей без увеличения их массы и размера.
Высота новых устройств PoP Spansion, состоящих из модуля памяти и контроллера в вертикальной компоновке, составляет всего 1,4 мм. Устройства PoP отличаются высокой гибкостью - на совмещение любого модуля памяти с любым контроллером требуется буквально несколько недель. Решения PoP позволяют подобрать идеальное сочетание модуля памяти и контроллера для каждой задачи, а упрощенная процедура тестирования означает дополнительную экономию средств. Spansion придерживается системного подхода при разработке и выпуске флэш-памяти и стандартизации устройств PoP, принимает активное участие в работе ассоциации JEDEC и возглавляет группу JC11.2, отвечающую за рекомендации по разработке устройств PoP. Кроме того, компания прилагает максимум усилий к распространению устройств PoP, а также тесно сотрудничает с производителями наборов микросхем для обеспечения совместимости между ними.
В прошлом году производственные мощности Spansion были рассчитаны на выпуск 8-кристальных интегрированных модулей со 128-контактной основой формата 12х12 мм с шагом в 0,65 мм. За счет малой длины дорожек и низкой электрической емкости шины в устройствах PoP удается обойти ограничения на чистоту сигналов и точность синхронизации, характерную для памяти DDR с рабочей частотой 133 МГц. Архитектура, выбранная Spansion, позволяет обойтись меньшим количеством контактов и отказаться от передачи данных между модулем памяти и контроллером по поверхности печатной платы, что значительно упрощает структуру интегрированного устройства.
В устройствах Spansion PoP также применяется технология MirrorBit. Архитектура ORNAND открывает новые возможности для развития этой технологии. Она разрабатывается специально для беспроводных устройств и вспомогательных процессоров, которым требуются большие объемы данных и контроллеры, оптимизированные под выполнение конкретных задач.
Первые образцы одномодульных гигабитных устройств флэш-памяти для встроенных систем появились уже в октябре прошлого года. Гигабитные модули MirrorBit GL стали первыми устройствами, изготовленными по 90-нм технологии MirrorBit, и на момент выпуска обладали рекордной удельной емкостью среди одномодульных устройств флэш-памяти NOR. Они могут применяться для хранения данных и исполняемого кода в разнообразных встроенных системах, таких, как автомобильные системы навигации, устройства связи, игровые устройства и промышленные роботы.
Гигабитные устройства MirrorBit GL входят в ту же линию продукции, что и единственные в мире 512-Мбит модули флэш-памяти NOR. Перевод технологии MirrorBit на 90-нм производственный процесс и удвоение плотности флэш-памяти NOR позволили Spansion снизить стоимость компонентов, поскольку теперь разработчики встроенных систем могут обойтись одним одномодульным устройством вместо нескольких независимых устройств или дорогих многослойных устройств с несколькими модулями низкой емкости. Благодаря тому, что новинка продолжила существующую линию устройств, клиентам Spansion очень просто переходить на новые модули, это не требует никаких изменений в архитектуре уже разработанных встроенных систем.
Гигабитные модули Spansion MirrorBit относятся к семейству Spansion GL, в которое входят модули емкостью от 16 до 512 Мбит. Выпуском гигабитного устройства компания Spansion расширила ассортимент своей продукции от емкости в 1 Мбит до 1 Гбит. Вся новая продукция совместима с модулями предыдущих поколений (вплоть до 2 Мбит) на уровне программного интерфейса, аппаратного интерфейса и посадочных мест, что позволяет устанавливать их в старые платы. Гигабитные модули MirrorBit GL на уровне аппаратного интерфейса и посадочного места совместимы со всеми устройствами MirrorBit GL-M (230-нм техпроцесс), MirrorBit GL-A (200-нм) и MirrorBit GL-N (110-нм), а также с более старыми устройствами Fujitsu и AMD LV вплоть до тех, что производились по процессу 320 нм. Физическое исполнение модулей отвечает требованиям стандартов JEDEC. Рабочее напряжение гигабитных модулей MirrorBit GL составляет 3 В, скорость произвольного доступа при чтении - 110 нс, скорость последовательного доступа при чтении - 25 нс, емкость страничного буфера - 8 слов.
Гигабитные модули MirrorBit GL позволяют либо выполнять код непосредственно с флэш-памяти, либо копировать его с высокой скоростью в оперативную память. Они основаны на архитектуре NOR, которая гарантирует отсутствие плохих секторов, устраняет необходимость в проверке четности ECC и поддерживает стандартный параллельный интерфейс. Эти модули позволяют значительно упростить структуру и снизить стоимость встроенных систем. Для приложений, предъявляющих особые требования к защите, немаловажно, что в мегабитных модулях MirrorBit GL поддерживается технология улучшенной защиты секторов ASP (Advanced Sector Protection). Технология ASP позволяет разработчикам надежно защитить программные алгоритмы и параметры 64-разрядным ключом. Защита может устанавливаться индивидуально для каждого сектора с кодом или данными. Помимо этого, модулям можно присваивать электронные серийные номера (ESN). Номера ESN удобны для удаленной идентификации устройств, управления уровнем обслуживания и ведения журнала доступа для последующей тарификации. Эти средства защиты помогают обезопасить устройства от вредоносного кода и вирусов, а также от несанкционированного доступа.
Флэш-память Samsung
Занимая лидирующие позиции на рынке флэш-памяти NAND с 2002 г., Samsung Electronics (http://www.samsung.com) продолжает наращивать инвестиции в данное направление. Основная цель этих капиталовложений - ежегодное двукратное увеличение емкости носителей информации, что позволит и в дальнейшем сохранять лидирующие позиции и стимулировать рынок в направлении увеличения объемов памяти и предложения более приемлемых цен на продукты. В корпорации ожидают, что в дальнейшем флэш-память типа NAND будет применяться не только в цифровых фотокамерах, MP3-плеерах и 3G-телефонах, но и в других мобильных продуктах и цифровой потребительской электронике. Это обусловлено тем, что флэш-память данного типа признается наиболее надежным носителем для хранения данных повышенной емкости и отвечает самым широким потребительским запросам. Технология OneNAND объединяет в одной микросхеме ячейки флэш-памяти NAND, высокоскоростной SRAM-буфер и логический интерфейс, причем это единственный тип NAND-памяти, разработанный для сопряжения с флэш-памятью типа NOR. Вдобавок такая конструкция минимизирует потери хранящихся данных при отключении питания.
Кристаллы флэш-памяти нового типа, отличающиеся высокими показателями скорости чтения при расширенных возможностях хранения данных, Samsung Electronics выпустила еще в ноябре 2004 г. Гигабитная микросхема OneNAND Flash, производимая по 90-нм технологии, сочетала в себе свойства основных архитектур флэш-памяти - NAND и NOR. От памяти NOR новый тип унаследовал высокую скорость чтения и записи данных. Кроме того, OneNAND позволяет хранить и быстро копировать в оперативную память исполняемый код, что характерно для микросхем NAND. Напомним, что сходный принцип положен в основу кристаллов ORNAND, разработанных компанией Spansion. Samsung Electronics ориентировала кристаллы OneNAND на смартфоны, снабженные встроенными фотокамерами и способные исполнять приложения.
Весной прошлого года корпорация объявила о создании модуля флэш-памяти OneNAND объемом 4 Гбит, предназначенного для мультимедийных телефонов. Помимо высокой емкости, он отличается ультракомпактными размерами, высокой производительностью и низким энергопотреблением. Новый кристалл OneNAND имеет напряжение питания 1,8 В, и его энергопотребление по сравнению c памятью других типов, работающей при напряжении 3,3 В, почти вдвое ниже. Размеры нового чипа - 11х13х1,4 мм - существенно меньше, чем у конкурирующих устройств мобильной памяти той же емкости. Эти микросхемы отличаются высокой скоростью чтения - 108 Мбайт/с, что в четыре раза выше, чем у обычной NAND-памяти, а также скоростью записи - 10 Мбайт/с, что в 60 раз превосходит скорость записи флэш-памяти типа NOR. Для примера: на 4-Гбит модуле можно хранить 250 снимков, полученных с помощью 5-Мпиксел камеры сотового телефона, или более 120 музыкальных файлов.
С технической точки зрения 4-Гбит память OneNAND представляла собой четыре кристалла памяти OneNAND объемом 1 Гбит каждый, собранные в четырехслойном пакете (Quad Die Package). Кристаллы производились с использованием 90-нм техпроцесса, запущенного еще в ноябре 2004 г. Примерно в то же время южнокорейская корпорация сообщила о начале эксплуатации новой линии по производству микросхем флэш-памяти NAND. Мощности Line 14, запущенной на месяц раньше запланированного срока, предназначались для изготовления 4-Гбит модулей по нормам 70-нм технологии, а также 2-Гбит модулей по 90-нм техпроцессу.
По утверждениям представителей Samsung, размер ячейки микросхем памяти, произведенных по 70-нм технологии, составляет всего 0,025 мм2. При этом скорость последовательной записи примерно на 50% выше аналогичного показателя для микросхем емкостью 2 Гбит, изготовленных по 90-нм техпроцессу. Таким образом, теоретически новые 4-Гбит кристаллы флэш-памяти NAND могут использоваться для записи видео высокого разрешения в режиме реального времени. Новая линия на начальном этапе позволяла выпускать порядка 4 тыс. пластин в месяц, а к концу прошлого года ежемесячный объем производства составлял 15 тыс. пластин. Согласно данным Gartner Dataquest, доля 4-Гбит микросхем NAND к концу года составила около 30% от общего объема рынка NAND-памяти, оцениваемого в 8 млрд долл. Примечательно, что Samsung ежегодно удваивает емкость NAND-кристаллов начиная с 1999 г.
ПО XSR (eXtended Sector Remapper), разработанное в Samsung Electronics, оптимизирует производительность устройств флэш-памяти OneNAND для телефонов 3G, карманных компьютеров, переносных игровых систем и цифровых камер. Разработано пять различных программ, каждая из которых приспособлена к своей операционной среде, три из них созданы на базе Samsung XSR. PocketStore II оптимизирует использование OneNAND в мобильной среде Microsoft, Unistore используется на платформе Symbian, а TFS4 (Transactional File System 4) разработана для ОС реального времени (Real Time Operating Systems). Кроме того, Samsung предлагает программу RFS (Robust File System) для ОС Linux, а также версию TFS-4-Light для МР3-плееров. За счет использования Samsung XSR скорость чтения данных достигает 30 Мбайт/с, а скорость записи - 9 Мбайт/с. Это ПО упрощает процесс разработки высокопроизводительных, недорогих и экономичных портативных мультимедиа-систем.
Летом прошлого года Samsung Electronics завершила разработку первого твердотельного жесткого диска (Solid State Disk, SSD), созданного на основе флэш-памяти типа NAND, для применения в персональных и мобильных ПК (рис. 5). Как известно, твердотельные диски на базе флэш-памяти NAND - это носители информации, характеризующиеся низким энергопотреблением и малой массой и предназначенные для ноутбуков, субноутбуков и планшетных ПК (Tablet PC). Используя собственные микросхемы флэш-памяти NAND емкостью 8 Гбит - максимальной плотности из выпускаемых на тот момент полупроводниковой промышленностью в мире, Samsung Electronics получила возможность создавать твердотельные жесткие диски емкостью до 16 Гбайт (для сравнения: наиболее распространенная емкость шпиндельных жестких дисков в ноутбуках равна 40 Гбайт).
Энергопотребление SSD составляет менее 5% от показателей традиционных жестких дисков, что увеличивает более чем на 10% время автономной работы портативных ПК. Необходимо также отметить, что SSD на базе флэш-памяти NAND примерно вдвое легче обычных жестких дисков. Производительность SSD превосходит аналогичные показатели шпиндельных жестких дисков сопоставимого размера более чем на 150%. Скорость чтения с такого диска составляет 57 Мбайт/с, а скорость записи на него - 32 Мбайт/с.
В связи с отсутствием движущихся элементов твердотельные жесткие диски Samsung характеризуются минимальным уровнем шума и тепловыделения. Более того, SSD обеспечивают сверхвысокую надежность хранения данных и отлично зарекомендовали себя в условиях экстремальных температур и влажности, что позволяет применять такие диски в промышленности и военной технике.
Для совместимости твердотельные жесткие диски исполнены в корпусах, внешне напоминающих обычные жесткие диски. Samsung выпустила полную линейку твердотельных дисков: SSD формата 2,5 дюйма имели 16 кристаллов флэш-памяти NAND емкостью 4 Гбит или 8 Гбит и обеспечивали дисковое пространство 8 Гбайт или 16 Гбайт соответственно. 1,8-дюйм диски также были выпущены в двух модификациях - на 4 и 8 Гбайт. Твердотельные жесткие диски открыли новые ниши в индустрии хранения данных, особенно для мобильных устройств, не требующих высокой емкости.
Кристаллы NAND флэш-памяти емкостью 4 Гбит Samsung Electronics впервые анонсировала в сентябре 2003 г. Следуя принятой модели роста емкости модулей памяти (двукратное увеличение емкости каждые 12 месяцев), представленной доктором Чанг Гю Хвангом, президентом и исполнительным директором Samsung Electronics Semiconductor, последовательно выпускались пять поколений флэш-памяти NAND: 256 Мбит в 1999 г., 512 Мбит в 2000-м, 1 Гбит в 2001-м, 2 Гбит в 2002-м, 4 Гбит в 2003-м, 8 Гбит в 2004-м и 16 Гбит в 2005 г. Использование 70-нм технологического процесса при производстве 4-Гбит микросхем флэш-памяти типа NAND позволяет корпорации производить самые маленькие по размеру ячейки памяти - площадью 0,025 мкм2. Своим успешным развитием 70-нм технологический процесс обязан применению литографического оборудования, которое использует коротковолновые источники света на основе фторида аргона (ArF), позволяющие добиться необходимой точности размещения элементов на кристалле.
Микросхемы, произведенные по 70-нм технологии, демонстрируют высокие скоростные характеристики: скорость записи у них составляет 16 Мбайт/с, на 50% лучше, чем у современных 2-Гбит микросхем, выполненных по 90-нм технологии, что позволяет применять данный тип памяти для записи в реальном времени видеосигнала высокой четкости. Samsung Electronics также анонсировала выпуск первой 300-мм кремниевой пластины на новой технологической линии N14 на месяц раньше запланированного срока. Линия предназначена для выпуска 4-Гбит (70-нм технология) и 2-Гбит (90-нм) кристаллов флэш-памяти типа NAND. В конце 2005 г. корпорация опробовала технологический процесс при нормах 50 нм для производства 16-Гбит кристаллов NAND флэш-памяти; массовый выпуск этих модулей намечен на вторую половину текущего года.
Флэш-память Intel
Флэш-память NOR, разработанная корпорацией Intel в 1988 г., представляла собой энергонезависимую перезаписываемую микросхему памяти, нашедшую широкое применение в мобильных телефонах. В 2003 г. Intel представила новую технологию флэш-памяти, полное название которой звучало как StrataFlash Wireless Memory System. Она позволяла уменьшить объем модулей памяти, используемых в КПК и сотовых телефонах, а также снизить энергопотребление и стоимость флэш-памяти в упомянутых устройствах. В технологии StrataFlash были использованы элементы двух разных типов флэш-памяти: NAND и NOR. Как известно, технология NAND предназначается для хранения данных на внешних флэш-картах, а NOR подходит для хранения небольших программ для мобильных устройств. Доступ к флэш-памяти NOR осуществляется без проверки ошибок, поскольку в этом нет необходимости. Флэш-память NAND не имеет такой надежности, как NOR-память, но она дешевле в производстве, а, кроме того, чтение и запись данных в память NAND происходит намного быстрее, чем в NOR. Это быстродействие дополнительно увеличивается за счет использования в комплекте с этой памятью модулей ОЗУ. В StrataFlash инженеры Intel объединили два типа флэш-памяти, оптимизировав ее и для хранения данных, и для записи программ. Первый модуль памяти StrataFlash состоял из нескольких кристаллов, часть из которых была модулями ОЗУ, а другая представляла собой непосредственно флэш-память.
В начале прошлого года были представлены первые образцы продукции Sibley, предназначенной для рынка мобильных телефонов. Отметим, что, согласно прогнозам iSuppli, годовой объем продаж 3G-телефонов к 2008 г. достигнет 240 млн штук при ежегодном росте в 87%. Sibley - это кодовое наименование первого многоуровневого (Multi-Level Cell, MLC) модуля флэш-памяти NOR, который производится по 90-нм производственной технологии Intel. Семейство Sibley призвано обеспечивать высокую скорость считывания с кодированием "ожидания нуля" на частоте 108 МГц. Кроме того, скорость записи у такой памяти достигает 500 Кбайт/с, что важно для сохранения мультимедийных изображений в современных мобильных телефонах. Новое семейство продукции позволяет увеличить плотность флэш-памяти NOR благодаря использованию единого модуля емкостью 512 Мбайт. Обеспечивается поддержка различных интерфейсов памяти, что дает производителям мобильных телефонов большой уровень гибкости при проектировании.
Четвертое поколение флэш-памяти Intel с многоуровневыми ячейками (рис. 6) нацелено на ОЕМ-компании, работающие в области интегрированных решений, которым требуется высокая производительность и компактность устройств флэш-памяти. Это сочетание необходимо для самых разных платформ - от цифровых камер и бытовой электроники до сетевых маршрутизаторов, коммутаторов и КПК.
 |
Рис. 6. Архитектура многоуровневой ячейки. |
Осенью прошлого года Intel объявила о начале массовых поставок первых модулей MLC флэш-памяти NOR, производимых по 90-нм технологии. Новые модули Intel StrataFlash Cellular Memory (M18) обладают более высокой производительностью, более компактны и потребляют меньше энергии, чем предыдущие модули, производимые по 130-нм технологии, что полнее удовлетворяет потребности разработчиков мобильных телефонов, оснащенных камерами и цветными экранами, поддерживающих Интернет-браузеры, воспроизведение видео и т. д.
Модули M18 отличаются очень высокой скоростью чтения, благодаря чему могут использовать шину, работающую с той же частотой, что и наборы микросхем для мобильных телефонов следующего поколения (до 133 МГц). Это ускоряет выполнение пользовательских приложений, поскольку взаимодействие набора микросхем и памяти происходит быстрее, чем в модулях, выпускаемых по 130-нм технологии. Благодаря скорости записи, достигающей 0,5 Мбайт/с, модули M18 поддерживают трехмегапиксельные камеры и воспроизведение видео в формате MPEG4. OEM-производителям эти модули выгодны тем, что их программирование в заводских условиях выполняется в три раза быстрее, чем модулей, производимых по 130-нм технологии, что способствует снижению производственных расходов. На программирование модулей M18 и стирание записанных в них данных расходуется соответственно в три и два раза меньше энергии по сравнению с модулями предыдущего поколения, к тому же они поддерживают новый режим работы Deep Power Down, который дополнительно продлевает срок работы устройства без перезарядки аккумулятора. Кроме того, модули M18 отличаются повышенной плотностью монтажа: Intel предлагает микросхемы памяти объемом 256 и 512 Мбит, а также стандартные стековые решения объемом до 1 Гбит. Стандартные стеки Intel объединяют технологии NOR и RAM и поддержку нескольких архитектур шин, позволяя OEM-производителям быстрее разрабатывать новые устройства.
Чтобы помочь разработчикам ускорить интеграцию новых карманных устройств, корпорация Intel бесплатно предоставляет им ПО Intel Flash Data Integrator (Intel FDI) следующего поколения. ПО Intel FDI v7.1 обеспечивает открытую архитектуру, облегчающую интеграцию файловой системы флэш-памяти с ОС реального времени, и три новые функции, расширяющие возможности разработчиков: это Mountable USB, поддержка нескольких томов и поддержка буферов RAM.
Отметим также, что Intel первой в индустрии наладила выпуск многоуровневых микросхем флэш-памяти класса NOR емкостью 1 Гбит для мобильных устройств, используя передовую 65-нм производственную технологию.
Intel и Micron объединяют усилияКорпорации Intel и Micron Technology (http://www.micron.com) создали новую компанию для производства флэш-памяти типа NAND. Объединяя опыт и производственные технологии, Intel и Micron рассчитывают усилить свою конкурентоспособность на прибыльном рынке флэш-памяти NAND и уже получили заказ от первого крупного клиента, корпорации Apple Computer. Модули флэш-памяти типа NAND по-прежнему пользуются большим спросом, поскольку они применяются в самых разных электронных устройствах, в том числе в музыкальных плеерах и цифровых камерах. Новая компания, получившая название IM Flash Technologies, будет выпускать для Intel и Micron флэш-память, предназначенную для рынков бытовой электроники, сменных устройств хранения и карманных средств связи. В создание нового совместного предприятия Intel и Micron вложили примерно по 1,2 млрд долл., причем в ближайшие три года компании планируют инвестировать в нее еще столько же. Создание IM Flash планируется завершить к концу года; Intel и Micron уже заключили отдельные долговременные соглашения на поставку для корпорации Apple значительных объемов флэш-памяти типа NAND, которые будут выпущены новой компанией. Как сообщается, 51% акций IM Flash будут принадлежать Micron, а 49% - Intel. Первые партии модулей флэш-памяти NAND будут выпущены на фабриках в Бойсе (шт. Айдахо), Манассасе (шт. Вирджиния) и Лехи (шт. Юта). |