Введение
История показала, что цена на память неизменно понижается с увеличением емкости. И это, в свою очередь, ведет к неизменному росту требований к этой памяти. Цена на полупроводниковую память (DRAM, SRAM, ROM, Flash и другие виды) в большой степени определяется количеством кремния, необходимым для запоминания одного бита информации. Как и другие типы полупроводниковой памяти, flash-память, которая позволяет хранить данные даже при отсутствии питания, достигла больших плотностей и довольно низкой цены за счет развития технологии масштабирования, т. е. уменьшения характерного размера транзистора. В этой статье мы рассмотрим технологию, которая позволяет увеличить удельную емкость не только за счет уменьшения размеров, но и за счет возможности хранить на одном транзисторе несколько бит информации. В результате уменьшается цена, так как для хранения большего количества информации требуется та же площадь. Эта технология, названная MLC (Multi-Level-Cell), была представлена фирмой Intel под торговой маркой StrataFlash. Благодаря такой памяти, можно перейти к следующему поколению технологии изготовления, используя оборудование предыдущего. На рисунке 1 показано снижение цены за счет применения MLC.
Как работает обычная Flash память
Для того чтобы понять, как работает Intel StrataFlash, нужно сначала понять, как работает обычная flash-память, изготовленная по технологии ETOX. flash-память относится к классу энергонезависимых типов памяти, хранящих данные даже в отсутствие напряжения питания. Технология ETOX является доминирующей flash-технологией, занимающей около 70% всего рынка энергонезависимой памяти. Данные вводятся во flash-память побитно, побайтно или словами при помощи операции, которая называется программированием. Как только данные были введены, они остаются в памяти независимо от того, подведено питание или нет. Очистка памяти производится при помощи операции стирания. Количество стираемых за один раз данных определяется дизайном каждой конкретной реализации flash и обычно колеблется от 8 Kbit до 1 Mbit.
Элемент, хранящий информацию по технологии ETOX, показан на рисунке 2. Это один транзистор, у которого под затвором помещен еще так называемый плавающий затвор (из электрически изолированного поликремния), позволяющий хранить заряд в виде электронов. Количество заряда определяет работу этого транзистора. И это различие в поведении определяет состояние ячейки: Наличие заряда на транзисторе понимается как логический «0», а его отсутствие — как логическая «1». Использование только одного транзистора для хранения одного бита ведет к уменьшению площади памяти (и значит, к уменьшению цены), по сравнению с типами памяти хранящей на нескольких транзисторах (например SRAM).
Обзор развития технологии
Комбинация энергонезависимости, программируемости при помощи электричества и низкой цены стала на сегодняшний день очень привлекательной для портативных систем, не имеющих доступа к постоянным источникам питания, таким, какими являются батареи. Например, большинство продаваемых сегодня сотовых телефонов снабжены flash-устройствами. Эти устройства хранят программу, которую телефон использует для связи пользователя с сетью. Часто flash-память используют для хранения приходящих SMS-сообщений или в качестве автоответчика, сохраняющего запись голосового сообщения. И теперь при вытаскивании, замене или просто разряде батареи энергонезависимость обеспечит вам сохранение программы связи и всех пришедших сообщений.
Уникальные свойства flash-памяти расширили рынок таких устройств с $50 млн в 1987 году до $2,5 млрд в 1997 году. Устройства на flash-памяти сейчас встраиваются в 90% всех персональных компьютеров, более чем в 90% сотовых телефонов и в 50% всех модемов. Они также находят применение в черных ящиках самолетов, медицинском записывающем оборудовании, цифровых автоответчиках, детских игрушках, принтерах, сетевых роутерах и много где еще. Также flash-память является одной из составляющих в цифровой аудио- и видеотехнике, где она используется в качестве носителя аудио- и видеопотоков.
Расширение рынка flash-памяти происходит из-за непрерывного увеличения емкости носителей и уменьшения цены. Это позволяет внедрять память во все большее и большее количество устройств и таким образом поддерживать этот рынок. На рисунке 3 показано быстрое увеличение размера рынка за счет уменьшения цены на память. С уменьшением цены возникает спрос на flash-память в новых областях, в которых она раньше не использовалась. Некоторые области применения показаны на рисунке.
Обычно, уменьшение цены и увеличение плотности памяти связано с уменьшением размеров транзисторов при переходе от одной технологии производства к другой (это справедливо для любого типа полупроводниковой памяти, в т. ч. и DRAM, и SRAM). При этом на одинаковых по площади кремниевых пластинах может располагаться большее количество ячеек памяти, что влечет уменьшение цены за единицу объема (памяти). За последние 10 лет размер ячейки памяти уменьшился в 18 раз только из-за перехода на новые технологические процессы (рис. 4). Кроме того улучшается и процесс конструирования самой памяти, что вместе с технологическими улучшениями дало 100-кратный прирост плотности за последние 10 лет.
Ячейка flash-памяти состоит только из одного транзистора, где может храниться один бит информации. Для SRAM, к примеру, требуется 6 транзисторов (или 4 транзистора и 2 резистора), для DRAM — один транзистор и одна емкость, для EPROM — два транзистора. Один транзистор считался наименьшей единицей для хранения одного бита данных. В 1992 году группа инженеров компании Intel начала разработки с целью уменьшить удельную площадь кремниевой пластины, требуемой для хранения одного бита данных. Они решили использовать только часть транзистора для хранения бита, т. е. транзистор должен хранить не один, а несколько бит данных. Так появилась новая технология Intel StrataFlash, которая позволила хранить два бита на одном транзисторе — первая технология такого рода. Это и позволяет перейти к следующему поколению технологического процесса.
Новая технология Intel StrataFlash, позволяющая хранить на одном транзисторе 2 бита
Как уже говорилось ранее, flash-память — это транзистор с плавающим затвором, который позволяет хранить электроны. Поведение транзистора зависит от количества электронов. Операция программирования (заряд плавающего затвора) создает поток электронов между истоком и стоком транзистора. Часть этих электронов набирает достаточное количество энергии, чтобы преодолеть барьер Si-SiO2 и оказаться запертой на плавающем затворе. Если заряд плавающего затвора у однобитного транзистора меньше 5000 электронов, то это означает, что ячейка хранит логическую «1», а если заряд больше 30000 электронов, то — «0». Заряд ячейки вызывает изменение порогового напряжения транзистора, и при операции чтения измеряется величина этого порогового напряжения, а по нему определяется количество заряда на плавающем затворе. На рисунке 6 показано распределение пороговых напряжений для массива из полумиллиона ячеек. После выполнения операции стирания или программирования каждой ячейки этого массива было проведено измерение порогового напряжения с результатами, представленными в виде гистограммы на рисунке. Стертые ячейки (логическая «1») имели порог 3,1 В, в то время как запрограммированные (логический «0») имели пороговое напряжение более 5В.
Возможность сохранять заряд на ячейке дает возможность сохранять несколько бит на одной ячейке. Flash-ячейка является аналоговым запоминающим устройством, а не цифровым. Она хранит заряд (квантизованый с точностью до одного электрона), а не биты. Поэтому, используя контролируемый метод программирования, на плавающий затвор можно поместить точное количество заряда. Если получится устанавливать заряд в одно из четырех состояний, то можно запрограммировать два бита данных на одной ячейке. Каждое из четырех состояний соответствует одному из двухбитных наборов. На рисунке 7 показано распределение порогового напряжения для полумиллиона ячеек, способных хранить два бита данных. После стирания или точного программирования одного из трех состояний (трех, потому что одно состояние получается при стирании) были измерены величины пороговых напряжений и результаты помещены в виде гистограммы на рисунок. Заметим, что точное управление зарядом позволило двум средним состояниям сузить разброс напряжений до 0,3 В, что соответствует 3000 электронов.
Большие плотности битов на одну ячейку возможны только при более точном размещении заряда на плавающий затвор. Для трех бит на ячейку потребуется программирование 8-ми различных состояний заряда, для четырех — 16-ти состояний. В общем, количество состояний равно 2 в степени N, где N — требуемое количество бит.
Возможность размещения точного количества заряда, а потом его точного считывания требует новых знаний в области физических основ работы ячейки памяти, а также устройства всего массива памяти в целом.
История развития технологии StrataFlash
Хранение аналоговых данных на плавающем затворе у flash-памяти не является новым изобретением, оно использовалось еще в начале 1971 года для EPROM-устройств, которые применялись для построения нейронных сетей, записи голосовой информации и, позже, для электронных игрушек. Такое применение не требовало безошибочной работы, и поэтому не ставилось никаких жестких требований к точности сохранения каждого бита информации. Нейронные сети по своей природе терпимы к ошибкам, запись голоса и игрушки, способные воспроизводить речь, также не слишком восприимчивы к ошибкам, потому что потеря некоторого небольшого процента данных не сильно искажает аудиоинформацию в целом. В то же время, такого рода память не могла быть использована для передовых технологий в области хранения информации. Поэтому целью программы MLC стало создание ячейки двухбитовой памяти, способной долго и надежно хранить данные в отсутствие питания.
В начале 90-х flash-память рассматривалась как потенциальная замена жестких дисков малых объемов для применения в устройствах, требующих хранения небольшого количества данных и потребляющих мало энергии. Одной из проблем применения flash-памяти была ее высокая, по сравнению с магнитными носителями, цена. К надежности flash-памяти предьявлялись более высокие требования, чем к магнитным носителям, потому что в последних применялся механизм коррекции ошибок, да и скорость вращения диска была не велика для правильного чтения информации. Технология многобитной ячейки представляла собой идеальное решение для замены жесткого диска, причем с меньшей, чем для однобитной flash-памяти, ценой, но требовалось удовлетворить нескольким жестким требованиям, которые касались надежности такой памяти. Такой целью задалась фирма Intel, когда начала разработку программы MLC.
В лаборатории компании велись разработки методов размещения точного заряда и чтения и создавался тестовый 32Mb чип по данной технологии. Все это время решались три основные задачи:
- Точное размещение заряда: программирование ячейки flash-памяти должно очень хорошо контролироваться (что требует детального изучения физики программирования). Это значит, что во время программирования нужно подводить к ячейке ток на строго определенное время.
- Точное чтение количества заряда: операция чтения MLC-памяти — это, в основном, аналого-цифровое преобразование заряда, сохраненного в ячейке, в цифровые данные (новое решение для устройств памяти).
- Надежное хранение заряда: для сохранения заряда на долгое время ставилась цель сделать его утечку меньше одного электрона за день.
Такой тестовый чип был сделан в 1994 году и доказал возможность сохранения нескольких бит информации в одной ячейке памяти.
Главной целью разработчики поставили для себя надежность этой памяти. Различия в состояниях зарядов составляют несколько тысяч электронов, и утечка даже одного электрона в день даст ошибку в бите уже за десять лет хранения. В этой области были проведены исследования, которые показали, что тестовый чип потерял очень малое количество электронов, и что при хранении при нормальной температуре ошибка в бите может возникнуть только приблизительно через 50 лет. Это позволило убрать дополнительные схемы коррекции ошибок для памяти и сэкономить оборудование. Эти данные сильно изменили ход программы в лучшую сторону и, начиная с 1995 года, Intel развернул большой проект по разработке и созданию такой памяти. Кроме того, этот 32Mbit чип показал стабильность и надежность методов, используемых для программирования и чтения данных, при том что регуляторы напряжения, необходимые для чтения, умудрились поместить внутрь чипа, избавившись от внешнего конвертера напряжения. Позже, в связи с ростом спроса на такую память, было решено делать 64Mbit чипы, и в сентябре 1997 года был создан первый такой чип. А в 1999 году был создан чип с напряжением питания 3В. Такое напряжение используется сейчас для большинства видов flash-памяти. Для сравнения обычной flash-памяти и Intel StrataFlash здесь приведена таблица:
| Однобитовая flash-память (Intel) | 5В StrataFlash память | 3В StrataFlash память | |
|---|---|---|---|
| Размер (Mbit) | 32 | 64 | 128 |
| Размер одного блока (Kb) | 64 | 128 | 128 |
| Напряжение питания (В) | 2.7 — 3.6 | 4.5 — 5.5 | 2.7 — 3.6 |
| Время чтения (ns) | 120 | 150 | 150 |
| Время записи (ms) | 11.3 | 12.6 | 13.6 |
| Время стирания (s) | 0.55 | 0.7 | 1.2 |
| Рабочая температура (°C) | От -40 до +85 | От -20 до +70 | От -20 до +70 |
| Количество циклов записи | 100000 | 100000 | 100000 |
Как видно из таблицы, скорость чтения одного блока для Strataflash-памяти превосходит скорость чтения для обычной памяти более чем в полтора раза. Это связано с тем, что из одной ячейки памяти читаются сразу два бита, а не один, но и прибавляется некоторое время задержки, связанное с расшифровкой значения битов. Это же относится и к записи, и к стиранию. Остальные параметры достаточно похожи для всех видов памяти.
Примеры применения Strataflash-памяти на сегодняшний день
Сегодня эта память находит применение в различных областях техники, где требуется большая емкость при низкой цене. Одно из применений — это сотовые телефоны, в большинстве которых стоит именно эта память, служащая для хранения программ связи, телефонных номеров и другой запоминаемой информации. Другое применение — это портативные компьютеры, оснащенные операционной системой Windows CE, где Strataflash-память используется для хранения программ и данных вместо винчестеров. В будущем фирма Intel собирается делать память, которая хранила бы 4 бита в одной ячейке. Такая память, по планам, должна появиться уже в 2003 году.
Заключение
Представленная технология позволяет значительно продвинуть производство flash-памяти вследствие своей низкой стоимости. Видно, что она имеет большое будущее, так как позволяет использовать оборудование для изготовления памяти предыдущего поколения. Кроме того, производители обычной памяти начали задумываться над тем, что и для нее можно использовать похожую технологию и хранить на одном конденсаторе несколько бит информации, уменьшая удельную площадь памяти. Таким образом, можно сказать, что появление этой технологии задало новый стандарт всей индустрии памяти.
