Флэш-память. Как всё начиналось.
Микросхемы FLASН-памяти впервые были представлены фирмой Iпtеl в 1988 г. Память нового типа является энергонезависимой, электрически стираемой и перепрограммируемой.
Запоминающий элемент (ЗЭ) микросхемы FLASН-памяти построен на одном МОП-транзисторе с плавающим затвором, выполненным по особой, запатентованной Iпtеl технологии, названной ЕТОХ (от англ. ЕРАОМ Тhiп Oxide). Полупроводниковая структура этого транзистора сходна со структурой ЗЭ репрограммируемого ПЗУ (ЕРАОМ) со стиранием информации ультрафиолетовым облучением. Он содержит подложку р-типа, на которой сформированы области пстока и истока. Над промежутком между ними расположен управляющий затвор (УЗ), отделенный от подложки слоем окисла Si02• В последнем сформирована область поликремния, выполняющая функции второго плавающего - затвора (ПЗ). В этой области может накапливаться заряд электронов, электрическое поле которого смещает порог открывания транзистора. В результате при номинальном напряжении на УЗ и отсутствии заряда в ПЗ транзистор открыт, а при наличии заряда - закрыт. Эти два состояния и используются для запоминания "единиц" и "нулей".
Благодаря использованию технологии ЕТОХ, толщину слоя Si02 между ПЗ и подложкой транзистора удалось уменьшить (по сравнению с ЕРАОМ) более чем в три раза (до 100 А). Следствием этого стали две особенности транзистора, которые и позволили создать FLASН-память: напряжение, используемое при записи информации (для инжекции электронов в ПЗ), снизилось ДО 12 В, появилась возможность электрического стирания (удаления заряда из ПЗ) за счет туннельного эффекта при напряжении между стоком и УЗ, равном 12 В. Эти особенности позволили обеспечить перезапись информации в составе микропроцессорной системы и во много раз увеличить число перезаписей.
Для организации накопителя информации в микросхемах FLASН-памяти ЗЭ размещены в виде прямоугольной матрицы. В каждой строке УЗ транзисторов объединены и образуют шины выбора слова, стоки в каждом столбце также объединены и образуют шины выбора разряда (бита), а объединенные истоки - шины, подключаемые к усилителям воспроизведения. Такая схема соединений (NOR) накопителя весьма критична к выполнению стирания. Дело в том, что при стирании из ПЗ может быть изъято больше электронов, чем было инжектировано при программировании. В результате в ПЗ появится положительный заряд, транзистор станет про водящим независимо от напряжения на УЗ и зашунтирует весь столбец ЗЭ в матрице. Вернуть такую микросхему в работоспособное состояние уже не удастся.
Чтобы исключить это нежелательное явление, специалисты Intel разработали ряд мер, повлиявших на структуру и организацию работы микросхем FLASH-naмяти. К их числу относятся:
- применение специальных алгоритмов записи и стирания с контролем состояния и завершением J1роцесса по результатам контроля;
- предварительное программирование в алгоритме стирания, при котором перед стиранием все ЗЭ матрицы устанавливаются в состояние о;
- включение в состав микросхемы регистра, хранящего идентификаторы фирмы-изготовителя и типа микросхемы, что позволяет защитить элемент от ошибок выбора алгоритма (код изготовителя ¬всегда 89Н, а код микросхемы зависит от ее типа);
- встраивание в микросхемы цепей
Наконец, микросхемы группы FLASH¬:=LE используют для хранения данных большого объема в так называемых картах - альтернативе жестким llEГНитным дискам. Так как объемы производства микросхем FLASН-памяти растут, можно ожидать, что в недалеком будущем FLASН-память заменит!-МТ жесткие магнитные диски во многих областях применения. Например, в системах, работающих в условиях сильных мexaнических воздействий, при которых жесткие диски неприменимы или быстро выходят из строя; В портативных персональных компьютерах типов Notebook, almtop и т. д. По времени доступа FLASН-память в 125 ... 250 раз "быстрее" жесткого диска, однако уступает пока ему no информационному объему: у выпускаемых в настоящее время FLASH-карт (ЮlИ так называемых "твердотельных дисков") он не превышает 40 Мбайт.
Число циклов стирания/записи микросхем .FLASН-памяти - не менее 100000. Для новейших микросхем 28F016SA и 28F032SA используются технология и алroритмы стирания/записи, позволяющие улучшить эту характеристику на порядок.
Минимальное 'время чтения байта/слова обычно не превышает 100 нс И всегда существенно больше у микросхем, работающих при напряжении 3,3 В.
Время записи (байт/слово) составляет примерно 9 мкс, время стирания (64 Кбайт) - около 1 с. Здесь следует оговориться: по мере выработки ресурса по циклам стирания/записи изменяется структура окисла между ПЗ и полупроводником. В результате увеличивается число циклов, необходимое для стирания/записи информации, поэтому затраты времени на эти операции могут возрасти в несколько раз. Информационная емкость микросхем - от 256 Кбит до 32 Мбит.
Напряжение питания микросхем FLASH-памяти - 5 В ± 10%, стирания и программирования - 12 В ± 5%. Выпускаются также микросхемы, работающие при напряжении 3,3 ± 0,3 В (в условном обозначении присутствует буква L). Для них характерна большая длительность цикла чтения байта. Микросхемы 28F016SA и 28F032SA могут работать как при 5, так и при 3,3 В (рабочее напряжение устанавливаеся по уровню напряжения на соответствующем выводе микросхемы).
Потребляемый ток существенно зависит от режима работы микросхемы. При отсутствии обращений она находится в ждущем режиме (Standby). Основная частъ внутренних цепей в этом случае отключена, и потребляемый ток значителыю меньше, чем в активном режиме, например при чтении информации из устройства. При стирании и записи потребляемый ток возрастает (по cpaвнению с активным режимом), главным образом по цепи +12 В. Элементы микросхем, стираемых по частям, могут устанавливаться в режим микропотребления (Powerdown), в котором ток, потребляемый от источников напряжений 5 и 12 В, не превышает долей микроампера.
