Флэш-память, флерспективные запоминающие устройства

ТЕМА 16. Флэш-память. Перспективные  запоминающие устройства.

16.1 Флэш-память

Флэш-память (Flash-Меmorу) по типу запоминающих элементов и  основным принципам работы подобна памяти типа Е2РROМ однако ряд архитектурных и структурных особенностей позволяют выделить ее в отдельный класс. Разработка Флэш-памяти считается кульминацией десятилетнего развития схемотехники памяти с электрическим стиранием информации.

В схемах Флэш-памяти не предусмотрено стирание отдельных  слов, стирание информации осуществляется либо для всей памяти одновременно, либо для достаточно больших блоков. Понятно, что это позволяет упростить схемы ЗУ, т. е. способствует достижению высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости. Технологически схемы Флэш-памяти выполняются с высоким качеством и обладают очень хорошими параметрами.

Термин Flash по одной  из версий связан с характерной особенностью этого вида памяти — возможностью одновременного стирания всего ее объема Согласно этой версии ещё до появления  Флэш-памяти при хранении секретных данных использовались устройства,  которые при попытках несанкционированного доступа к ним автоматически стирали хранимую информацию и назывались устройствами типа Flash

(вспышка, мгновение). Это название перешло и к памяти, обладавшей свойством быстрого стирания всего массива данных одним сигналом.

Одновременное стирание всей информации ЗУ реализуется  наиболее просто, но имеет тот недостаток, что даже замена одного слова в ЗУ требует стирания и новой записи для всего ЗУ в целом. Для многих применений это неудобно. Поэтому наряду со схемами с одновременным стиранием всего содержимого имеются схемы с блочной структурой, в которых весь массив памяти делится на блоки, стираемые независимо друг от друга. Объем таких блоков сильно разнится: от 256 байт до 128 Кбайт.

Для первого  направления в связи с редким обновлением содержимого параметры циклов стирания и записи не столь существенны как информационная емкость и скорость считывания информации. Стирание в этих схемах может быть как одновременным для всей памяти, так и блочным. Среди устройств с блочным стиранием выделяют схемы со специализированными блоками (несимметричные блочные структуры). По имени так называемых Вооt-блоков, в которых информация надежно защищена аппаратными средствами от случайного стирания, эти ЗУ называют Вооt Blосk Flash Метоrу. Вооt блоки хранят программы инициализации системы, позволяющие ввести ее в рабочее состояние после включения питания.

Микросхемы для  замены жестких магнитных дисков (Flash-File Метоrу) содержат более развитые средства перезаписи информации и имеют идентичные блоки (симметричные блочные структуры).

Одним из элементов  структуры Флэш-памяти является накопитель (матрица запоминающих элементов). В  схемотехнике накопителей развиваются  два направления: на основе ячеек типа ИЛИ-НЕ (N011) и на основе ячеек типа И-НЕ (№N0).

 Рисунок 4.8 – Структура матрицы накопителя  Флэш-памяти на основе ячеек ИЛИ-НЕ

Накопители на основе ячеек ИЛИ-НЕ (с параллельным включением ЛИЗ-МОП-транзисторов с  двойным затвором) обеспечивают быстрый  доступ к словам при произвольной выборке. Они приемлемы для разных применений, но наиболее бесспорным считается их применение в памяти для хранении редко обновляемых данных. При этом возникает полезная преемственность с применявшимися ранее КОМ и ЕРКОМ, сохраняются типичные сигналы управления, обеспечивающие чтение с произвольной выборкой. Структура матрицы накопителя показана на рисунке 4.8. Каждый столбец представляет собою совокупность параллельно соединенных транзисторов Разрядные линии выборки находятся под высоким потенциалом. Все транзисторы невыбранных строк заперты. В выбранной строке открываются и передают высокий уровень напряжения на разрядные линии считывания те транзисторы, в плавающих затворах которых отсутствует заряд электронов. и, следовательно, пороговое напряжение транзистора имеет нормальное (не повышенное) значение.

Накопители на основе ячеек ИЛИ-НЕ широко используются фирмой Intel. Имеются мнения о конкурентоспособности этих накопителей и в применениях, связанных с заменой жестких магнитных дисков Флэш-памятью.

Структуры с  ячейками И-НЕ более компактны, но не обеспечивают режима произвольного доступа и практически используются только в схемах замены магнитных дисков. В схемах на этих ячейках сам накопитель компактнее, но увеличивается количество логических элементов обрамления накопителя.

Для улучшения  технико-экономических характеристик в схемах Флэш-памяти применяются различные средства и приемы:

1.   Прерывание процессов записи при обращениях процессора для чтения (Еrase Suspend). Без этого возникали бы длительные простои процессора. т. к. запись занимает достаточно большое время. После прерывания процесс записи возобновляется под управлением внутренних средств Флэш-памяти.

2.   Внутренняя очередь команд, управляющих работой Флэш-памяти, которая позволяет организовать конвейеризацию выполняемых операций и ускорить процессы чтения и записи

3.   Программирование длины хранимых в ЗУ слов для согласования с различными портами ввода/вывода.

4.   Введение режимов пониженной мощности на время, когда к ЗУ нет обращений, в том числе режима глубокого покоя, в котором мощность снижается до крайне малых значений (например, ток потребления снижается до 2 мкА). Эти особенности очень важны для устройств с автономным (батарейным) питанием.

5.   Приспособленность к работе при различных питающих напряжениях (5 В; 3,3 В и др.). Сама схема "чувствует" уровень питания и производит необходимые переключения для приспособления к нему.

6.   Введение в структуры памяти страничных буферов для быстрого накопления новых данных, подлежащих записи. Два таких буфера могут работать в режиме, называемом "пинг-понг", когда один из них принимает слова, подлежащие записи, а другой в это время обеспечивает запись своего содержимого в память. Когда первый буфер заполнится, второй уже освободится, и они поменяются местами.

7.   Различные меры защиты от случайного или несанкционированного доступа.

Флэш-память с  адресным доступом, ориентированная  на хранение не слишком часто изменяемой информации, может иметь одновременное стирание всей информации (архитектура Вulk Еrаsе) или блочное стирание (архитектура Вооt Blосk Flash Метоrу).

Имея преемственность  с ЗУ типов Е2РRОМ и ЕРRОМ, разработанными ранее, схемы Флэш-памяти предпочтительнее Е2РRОМ по информационной емкости и стоимости в применениях, гяе не требуется индивидуальное стирание слов, а в сравнении с ЕРRОМ обладают тем преимуществом, что не требуют специальных условий и аппаратуры для стирания данных, которое к тому же происходит гораздо быстрее.

Память  типа Вulk Еrаsе

Память типа Вulk Еrаsе фирмы Intel, наиболее известной  среди разработчиков Флэш-памяти, имеет время записи байта около 10 мкс, допускает до 105 циклов стирания, напряжение программирования для нее составляет 12 В ± 5%, ток активного режима около 10 мА, в режиме покоя около 50 мкА. Время доступа при чтении равно приблизительно 100 нс, время стирания и время программирования всего кристалла составляет 0,6...4 с для кристаллов емкостью 256 Кбит...2 Мбит.

В отличие от традиционного управления схемами  памяти с помощью адресных и управляющих сигналов. Флэш-память имеет дополнительное управление швами-командами, записываемыми процессором в специальный регистр, функционирующий только при высоком уровне напряжения на выводе микросхемы, обозначаемом UPP (напряжении программирования). При отсутствии такого уровня UPP схема работает только как память для чтения под управлением традиционных сигналов, задающих операции чтения. снижения мощности, управления третьим состоянием и выдачи идентификатора.

16.2 Перспективные запоминающие  устройства (FRАМ, РFRАМ, МRАМ, OUM)

Успехи создания ЗУ на основе полупроводниковой технологии не снимают проблемы дальнейшего совершенствования микросхем памяти. Чтобы прибиться к идеалу, желательно к таким свойствам ЗУ, как высокая емкость, быстродействие и малая потребляемая мощность, добавить и энергонезависимость, которой современные ОЗУ не обладают. Если к такому комплексу качеств прибавить и низкую стоимость, то получатся ЗУ, близкие к идеалу. Пути приближения к идеалу включают в себя попытки использования нескольких новых для технологии ЗУ физических явлений - ферроэлектрических, магниторезистивных, связанных с изменением фазовых состояний маралов и др. 

16.2.1 ЗУ типа FRАМ (ферроэлектрические)

В ферроэлектрических FRАМ (Ferroelectric RАМ) основой запоминающего  элемента служит материал, в кристаллической  структуре которого имеется бистабильный атом. Занимая одно из двух возможных пространственных положений ("верхнее" или "нижнее"), этот атом создает в ферроэлектрическом материале внутренние диполи того или иного знака (спонтанная поляризация).

С помощью электрического поля можно придать внутреннему  диполю тот или иной знак. Под воздействием внешнего электрического поля и при температуре не выше определенной (связанной с точкой Кюри) материал поляризуется, делали выстраиваются упорядоченное состояние материала может отображать двоичные данные 0 и 1. Зависимость поляризации Р от напряжения U имеет петлю гистерезиса, показанную на рис. 4.9. а  Через Uс на рисунке обозначены коэрцитивные напряжения, через PR - остаточные поляризации, до сохраняются после снятия электрических полей.

Если бы вместо ферроэлектрического конденсатора был включен обычный, соединенный не с Рlatе-линией, в с обшей точкой схемы (схемной землей), то получился бы запоминающий элемент обычного динамического ЗУ, и подключение  конденсатора через ключевой транзистор к линии записи/считывания ЛЗС позволяло бы считывать хранимую элементом информацию (ЛВ – линия выборки), т.к. в зависимости от заряженности или разряженности конденсатора при его подключении по-разному изменялось бы напряжение на линии ЛЗС. Здесь же нужно выявить не наличие или отсутствие заряда конденсатора, а знак поляризации запоминающего элемента. Простым подключением ферроэлектрического конденсатора к линии ЛЗС этого не определить. Поэтому после отпирания транзистора выборки на Plate-линию подается импульс длительностью около 10 нс. Если этот импульс вызовет переполяризацию элемента, то через него пройдет большой ток, который сможет ощутимо изменить напряжение на линии ЛЗС (на ее емкости, изображенной на рисунке 4.9 б штриховыми линиями). Если же знак поляризации был иным и переполяризации элемента не будет, то ток через него будет малым и не сможет заметно повлиять на потенциал линии ЛЗС.

 а                                                             б

Рисунок  4.9 – Петля гистерезиса ферроэлектрического материала (а) и схема запоминающего элемента FRAM (б)

После пропускания  импульса от Plate-линии подается питание  на усилитель считывания УСч, логическое состояние которого определяется тем, смогла ли линия ЛЗС зарядиться выше или ниже опорного напряжения, т.е. в  конечном счете знаком поляризации  запоминающего элемента. При этом выходной сигнал усилителя фиксируется (защелкивается) для обратной подачи на разрядную линию и возвращения фотоэлектрического конденсатора в его первоначальное состояние после проведенной разрушающей операции чтения. Такая обратная перезапись информации занимает время около 10-20 нс и сохраняет считанные данные. Процессы в ЗУ синхронизированы с фронтами управляющих импульсов.

Рассмотренный запоминающий элемент называют элементом  типа 1Т/1С, т.к. в его схеме используется один транзистор и один фотоэлектрический конденсатор. Существуют также элементы типа 2Т/2, похожие на сдвоенный элемент 1Т/1С. В таких элементах две ячейки 1Т/1С программируются в противоположных направлениях и в элементе имеются две разрядные линии с взаимоинверсными сигналами. Используется дифференциальный канал для восприятия сигналов, а это повышает помехоустойчивость ЗУ и улучшает также некоторые другие параметры.

Достоинства FRAM: быстрые запись и чтение, практически  неограниченное число циклов чтения/записи, малые напряжения питания и потребляемая мощность, компактность запоминающего элемента (площадь его соизмерима с площадью обычного запоминающего элемента DRAM), высока радиационная стойкость, энергонезависимость.

Такой набор  достоинств позволяет FRAM выступить в роли конкурента как по отношению к динамическим ОЗУ, не обладающим энергонезависимостью, так и по отношению к EEPROM и Flash, не обеспечивающим быструю запись данных. В настоящее время ЗУ типа FRAM уже выпускаются рядом фирм (Ramtron International, Samsung, NEC и др.)

16.2.2 ЗУ типа PFRAM (полимерно-ферроэлектрические)

ЗУ типа PFRAM (Polimeric Ferroelectric RAM) – разновидность ферроэлектрических ЗУ. Они построены на основе ферроэлектрических материалов – пленок с двумя стабильными  состояниями поляризации, полученных около 10 лет назад шведской фирмой Opticom. Над применением таких пленок в схемах ЗУ работает фирма Intel совместно с дочерней компанией указанной шведской фирмы.