Домашний компьютер № 9 (123) 2006
Шрифт:
В 1989 году на рынке появилась первая флэш-память NAND-разновидности фирмы Toshiba. Ее структура показана на рис. 6, и как можно видеть, она значительно отличается от NOR. Начнем с того, что сами ячейки построены иначе, хотя и содержат все тот же транзистор с плавающим затвором.
На рис. 7
дана схема расположения этих компонентов на кристалле (элементарная ячейка обведена красным пунктиром) — как видите, с точки зрения производства NAND проще и занимает заметно меньше места, чем NOR. Чтение в ней происходит по-другому. Если в NOR следует подавать по очереди на линии слов высокий уровень напряжения («логическая единица»), и считывать значения с линий бит индивидуально для каждой ячейки, то в NAND наоборот, сначала все
Транзисторов-ячеек в NAND может быть от 16 до 32, но обычно их объединяют в блоки по 512 байт, которые и читаются и записываются только целиком. 512 байт — обычная величина сектора на жестком диске, также считываемого и записываемого целиком за один раз 10 . Эти блоки могут объединяться и в бульшие образования — страницы. Все это указывает на основное назначение NAND-технологии — построение систем хранения файлов. Практически все современные карты памяти, основным назначением которых и является хранение больших массивов информации за одно обращение, построены на флэш-памяти типа NAND. При чтении таких массивов первое обращение — довольно долгое (по сравнению с NOR), а вот далее данные идут широким потоком, почти не прерываясь. В последнее время даже Intel, стойко придерживавшаяся политики усовершенствования NOR-разновидности, «сдалась» и совместно с Micron занялась разработкой карт на основе NAND-чипов.
10 Размер сектора есть минимальная единица емкости дисков на низком уровне, и ее не нужно путать с размером кластера, которым манипулируют различные файловые системы на высоком уровне. Размер кластера — величина переменная и зависит, в частности, от емкости диска.
NOR— организация ячеек флэш-памяти по принципу логической функции «ИЛИ-НЕ»: индивидуальный доступ к каждому биту и большая скорость чтения, но и большие размеры ячейки и малое быстродействие при записи.
NAND— организация ячеек по принципу логической функции «И-НЕ»: высокое быстродействие при записи и компактность, но чтение и запись информации — только блоками.
SLC(single-level cell) — одноуровневая ячейка: традиционное построение флэш-памяти с возможностью хранения одного бита в одной ячейке.
MLC(multi-level cell) — многоуровневая ячейка: флэш-память (как nor, так и NAND), построенная таким образом, чтобы можно было хранить два и более бит в одной ячейке.
OneNAND— технология, разработанная samsung, совмещает функцию высокоскоростного считывания информации NOR— и компактность NAND-flash.
LBA-NAND (logical block addressing nand) — улучшенная структура NAND-чипа компании Toshiba, позволяющая иметь единое адресное пространство независимо от объема применяемой «флэшки».
DINOR(divided bit-line nor) — структура nor с разделенными разрядными линиями, разработанными компанией Hitachi.
Все, что рассказано выше, касалось классической флэш-памяти. А все эти Extreme III, Ultra или PRO-карточки, которые заполонили наши прилавки, — это флэш-память следующих поколений.
Собственно, принципиально нового со времен Фуджио Масуоки было только одно: разработчики учли то, что информация в ячейке хранится в аналоговой форме — в виде некоторого количества электронов (порядка 1000). Если использовать деление на несколько градаций и строго дозировать электроны при записи, можно в одной ячейке хранить не один (классическая схема), а сразу много бит информации. Так появились многоуровневые ячейки — MLC. У фирмы Intel это называется технология StrataFlash, у AMD и Fujitsu (Spansion — их совместное предприятие) — MirrorBir, у израильской фирмы Saifun (у которой, судя по итогам судебного процесса, AMD и Fujitsu заимствовали свой MirrorBir) — NROM, у Toshiba и M-Systems — просту х2 или х4 (смотря по тому, сколько бит хранится в ячейке). И хотя технология и схемотехника такой памяти гораздо сложнее, выигрыш очевиден — возрастает плотность упаковки.
Однако пользователя, кроме емкости устройств, интересует и скорость чтения/записи. Собственно, оставаясь в рамках классической компоновки, даже для наиболее быстрой в плане чтения NOR невозможно достичь скорости более 10—20 Мбайт/с. С ужесточением технологических норм (сейчас флэш-память делают по 60-нанометровой технологии), эта скорость может вырасти еще, но сами понимаете, это не выход.
Указанные скорости подтягивают флэш до уровня жестких дисков, и вполне приемлемы для записи информации в современных гаджетах. Посчитайте сами — Nikon анонсирует 10-мегапиксельную зеркалку любительского класса. Чтобы записать RAW-кадр с такой матрицы в режиме непрерывной съемки хотя бы три раза в секунду, требуется быстродействие памяти на уровне как минимум 60 Мбайт/с! И сколько буферной RAM в аппарат не запихивай, она довольно скоро закончится — камера все же не настольный ПК. Отсюда и насущная потребность в быстрой и емкой флэш-памяти.
Отмечу лишь одно из наиболее востребованных направлений повышения скорости обмена с памятью — технологию OneNAND от Samsung. Объединив на одном кристалле флэш-память NAND (упакованную по технологии MCP) с буфером на основе высокоскоростной SRAM и добавив туда определенные логические схемы, компания добилась беспрецедентной скорости чтения — 108 Мбайт/с, оставив далеко позади всех. Скорость записи такой памяти, впрочем, на порядок ниже, и по разным сведениям составляет от 9,3 до 10 Мбайт/с, что, конечно, здорово (примерно в 60 раз быстрее классической NOR), но все же далеко от идеала. У компании Micron есть аналогичная технология — Managed NAND — она основана на интеграции контроллера для карт памяти MMC и потому годится для производства только этой разновидности.
Вероятно, что традиционные технологии флэш-памяти очень скоро упрутся в некую стену. Где же выход? О, этих выходов предлагается сколько угодно, но — пока только в стенах лабораторий. Перечислим некоторые перспективные разработки ученых и технологов.
Прежде всего это FeRAM и MRAM — технологии, использующие магнитные свойства веществ (ферроэлектрический и магниторезистивный эффекты соответственно). Надо сказать, принцип построения твердотельной памяти на основе физических эффектов магнитных явлений привлекает ученых не первый десяток лет — подобная память должна иметь крайне высокую радиационную стойкость. В настоящее время агентство DARPA* финансирует компанию Honeywell, которая взялась за разработку MRAM. Участвует в этом процессе и Motorola. По сути, предлагается использовать обычную ячейку DRAM (рис. 3), заменив в ней конденсатор на магниторезистивный материал. В идеале это позволит получить аналог обычной оперативной памяти, только без потери информации при выключении питания. Хотя и отчеты поступают регулярно, и содержание их весьма оптимистично, но многолетняя история вопроса все же заставляет задуматься. С другой стороны, в истории техники бывало всякое: вот небольшая компания Cypress Semiconductor уже выпускает модули MRAM небольшой емкости, сравнимые по своим параметрам с SRAM-разновидностью.
Корпорация Fujitsu еще в 2003 году сообщила о разработке модификации традиционной ячейки EPROM, время записи в которой сильно уменьшено — в основном за счет предельного уменьшения толщины слоя изолятора между плавающим затвором и подложкой (до 3 нм). Однако, вместе с тем резко сократилось и время хранения информации — с нескольких десятков лет до месяцев. Судя по тому, что никаких сенсационных новостей с этого фронта не поступает, с этой проблемой пока не удается справиться.
Другой, гораздо более интересной разработкой стала технология PMC (Programmable Metallization Cell — программируемая металлизированная ячейка). Сотрудники Государственного университета Аризоны совместно с компанией Axon Technologies «заставили» халькогенидный сплав под действием небольшого напряжения обратимо менять электрическое сопротивление более чем в сто раз! Причем наличие напряжения требуется только в процессе программирования, в остальное время проводящее (или непроводящее) состояние может сохраняться хоть столетиями. Столь же рекордны и остальные параметры — перепрограммирование занимает 10 нс (сравнимо с DRAM), предельное количество циклов перезаписи — 1013 (столько не живут!), рабочее напряжение — 3 В и ниже, ток перезаписи — от 1 мкА… Напомним, что технология PMC буквально создана для реализации многоуровневых ячеек (MLC). В общем, все здорово, но где же обещанная революция? Поживем — увидим.