Флеш-память

Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.

USB-флеш-накопитель. На переднем плане видна микросхема NAND-флеш-памяти, на заднем — её контроллер

Эта статья о полупроводниковой технологии и связанных с ней электронных компонентах; о твердотельных накопителях есть другие статьи: карта памяти, USB-флеш-накопитель.

Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации. Серьёзным недостатком данной технологии является ограниченный ресурс носителей, а также чувствительность к статическому электричеству, рентгеновскому и гамма-излучению, космической радиации.

История

Предшественниками технологии флеш-памяти можно считать ультрафиолетово-стираемые постоянные запоминающие устройства (EPROM) и электрически стираемые ПЗУ (EEPROM). Эти приборы также имели матрицу транзисторов с плавающим затвором, в которых инжекция электронов в плавающий затвор («запись») осуществлялась созданием большой напряжённости электрического поля в тонком диэлектрике. Однако площадь разводки компонентов в матрице резко увеличивалась, если требовалось создать поле обратной напряжённости для снятия электронов с плавающего затвора («стирания»), поэтому и возникло два класса устройств: в одном случае жертвовали цепями стирания, получая память высокой плотности с однократной записью, а в другом случае делали полнофункциональное устройство с гораздо меньшей ёмкостью.

Соответственно, усилия инженеров были направлены на решение проблемы плотности компоновки цепей стирания. Они увенчались успехом — изобретением инженера компании Toshiba Фудзи Масуокой в 1984 году. Название «флеш» было придумано также в Toshiba — Сёдзи Ариидзуми, которому процесс стирания содержимого памяти напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку в 1984 году на конференции IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско.

В 1988 году Intel выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference.

Принцип работы

Транзистор с плавающим затвором

Основным компонентом в флеш-памяти является транзистор с плавающим затвором, который является разновидностью МОП-транзисторов. Его отличие в том, что у него есть дополнительный затвор (плавающий), расположенный между управляющим затвором и p-слоем. Плавающий затвор изолирован, и хранимый в нём отрицательный заряд будет оставаться надолго.

SLC и MLC

Различают устройства, в которых элементарная ячейка хранит один бит информации или несколько бит. В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (single-level cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (multi-level cell, MLC). MLC-устройства дешевле и более ёмки, чем SLC-устройства, однако имеют более высокое время доступа и примерно на порядок меньшее максимальное количество перезаписей.

Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита) на каждую ячейку. Более дешёвую в пересчёте на объём память с 8 уровнями (3 бита) называют TLC (Triple Level Cell) или 3bit MLC (так называет её Samsung). Существуют также устройства с 16 уровнями на ячейку (4 бита), QLC (quad-level cell). В августе 2018 года Samsung Electronics объявил о начале массового производства SSD на памяти QLC V-NAND. К середине 2020-х годов многобитная память (включая экспериментальные структуры PLC с 5 битами на ячейку) стала абсолютно доминировать на массовом рынке. Тем не менее, SLC-изделия, несмотря на многократно меньшую ёмкость, продолжают разрабатываться и выпускаться для особо ответственных применений.

Аудиопамять

Естественным развитием идеи MLC-ячеек была мысль записать в ячейку аналоговый сигнал. Наибольшее применение такие аналоговые флеш-микросхемы получили в воспроизведении относительно коротких звуковых фрагментов в дешёвых тиражируемых изделиях. Такие микросхемы могут применяться в простейших игрушках, звуковых открытках, автоответчиках и так далее.

NOR и NAND

Компоновка шести ячеек NOR flash

Структура одного столбца NAND flash с 8 ячейками

Флеш-память различается методом соединения ячеек в массив. Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов — ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке.

Конструкция NAND — в классическом виде плотная двумерная матрица, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется. Также в каждой линии установлено два МОП-транзистора: управляющий транзистор разрядной линии (англ. bit line select transistor), расположенный между столбцом ячеек и разрядной линией и управляющий транзистор заземления, расположенный перед землёй (англ. ground select transistor).

Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика. Наоборот, NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу к большой группе ячеек. Соответственно, различается область применения: NOR используется как для непосредственной памяти программ микропроцессоров, так и для хранения небольших вспомогательных данных.

Названия NOR и NAND произошли по ассоциации схемы включения ячеек в массив со схемотехникой микросхем КМОП-логики — NOR- и NAND-элементов. NAND чаще всего применяется для USB-флеш-накопителей, карт памяти, SSD; а NOR — во встраиваемых системах. Существовали и другие варианты объединения ячеек в массив, но они не прижились.

• 
  Программирование флеш-памяти
• 
  Стирание флеш-памяти

Чтение

Для чтения подаётся положительное напряжение на управляющий затвор. Если в плавающем затворе отсутствует заряд, то транзистор начнёт проводить ток. В противном случае ток между истоком и стоком не возникает. Для MLC-ячеек необходимо произвести несколько измерений.

NOR

Для чтения определённой ячейки памяти необходимо подать на её управляющий затвор промежуточное напряжение (достаточное для проводимости транзистора только при отсутствии заряда в плавающем затворе). На остальные ячейки в линии следует подать минимальное напряжение для исключения проводимости этих ячеек. Если в интересующей нас ячейке отсутствует заряд, то возникнет ток между разрядной линией (англ. bit line) и землёй.

NAND

В данной компоновке также подаётся промежуточное напряжение на управляющий затвор определённой ячейки. На остальные управляющие затворы в линии подаётся повышенное напряжение, чтобы они гарантированно проводили ток. Таким образом возникает ток между землёй и линией, если в интересующей нас ячейке отсутствует заряд.

Запись

Для записи заряды должны попасть в плавающий затвор, однако он изолирован слоем оксида. Для перенесения зарядов может использоваться эффект туннелирования. Для разряда необходимо подать большое положительное напряжение на управляющий затвор: отрицательный заряд с помощью туннельного эффекта покинет плавающий затвор. И наоборот, для заряда плавающего затвора необходимо подать большое отрицательное напряжение.

Также запись может быть реализована с помощью инжекции горячих носителей. При протекании тока между истоком и стоком повышенного напряжения электроны могут преодолевать слой оксида и оставаться в плавающем затворе. При этом необходимо, чтобы на управляющем затворе присутствовал положительный заряд, который создавал бы потенциал для инжекции.

В MLC для записи разных значений используются разные напряжения и время подачи. Каждая запись наносит небольшой ущерб оксидному слою, поэтому число записей ограничено. Запись в NOR- и NAND-компоновке состоит из двух стадий: вначале все транзисторы в линии устанавливаются в 1 (отсутствие заряда), затем нужные ячейки устанавливаются в 0.

NOR

На первой стадии очистка ячеек происходит с помощью туннельного эффекта: на все управляющие затворы подаётся сильное напряжение. Для установки конкретной ячейки в 0 используется инжекция горячих носителей. На разрядную линию подаётся большое напряжение. Вторым важным условием этого эффекта является наличие положительных зарядов на управляющем затворе. Положительное напряжение подаётся лишь на некоторые транзисторы, на остальные транзисторы подаётся отрицательное напряжение, таким образом ноль записывается только в интересующие нас ячейки.

NAND

Первая стадия в NAND аналогична NOR. Для установки нуля в ячейку используется туннельный эффект, в отличие от NOR. На интересующие нас управляющие затворы подаётся большое отрицательное напряжение.

3D NAND

3D NAND. Красные горизонтали — затворы. Красная вертикаль — каналы полевых транзисторов. Жёлтая полоска — плавающие затворы

Схемотехника NAND оказалась удобна для построения вертикальной компоновки блока ячеек на кристалле. На кристалл послойно напыляют проводящие и изолирующие слои, которые образуют проводники затворов и сами затворы. Затем в этих слоях формируют множество отверстий на всю глубину слоев. На стенки отверстий наносят структуру полевых транзисторов — изоляторы и плавающие затворы (или слои ловушек заряда). Таким образом формируют столбец кольцеобразных полевых транзисторов.

Такая вертикальная структура оказалась очень удачна и обеспечила качественный рывок плотности флеш-памяти. Некоторые компании продвигают технологию под своими торговыми марками, например, V-NAND, BiCS. Количество слоёв по мере развития технологии стремительно наращивается:

• В 2016 году количество слоёв ряда изделий достигло 64;
• В 2018 году освоено производство 96-слойной памяти;
• В 2019 году Samsung заявила о серийном освоении 136-слойных кристаллов;
• В конце июля 2022 года американская компания Micron Technology первой в мире выпустила 232-слойную память формата NAND, а уже через неделю, в начале августа 2022 года, Hynix выпустила 238-слойную флеш-память;
• К 2024–2026 годам ведущие производители преодолели рубеж в 300 слоёв, освоив серийный выпуск высокоплотных структур (включая архитектуры SK Hynix на 321 слой и конкурентные решения свыше 300 слоёв от Micron и Samsung).

Многокристальные микросхемы

Для экономии места в одну микросхему флеш-памяти может упаковываться несколько полупроводниковых пластин (кристаллов), до 16 штук в одном корпусе (модули MCP / стек кристаллов).

Технологические ограничения

Запись и чтение ячеек различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют большой ток при записи для формирования высоких напряжений, тогда как при чтении затраты энергии относительно малы.

Ресурс записи

Изменение заряда сопряжено с накоплением необратимых изменений в структуре и потому количество записей для ячейки флеш-памяти ограничено. Типичные количества циклов стирания-записи составляют от тысячи или менее до десятков и сотен тысяч, в зависимости от типа памяти и технологического процесса. Гарантированный ресурс значительно более низок при хранении нескольких бит в ячейке (MLC, TLC, QLC) и при использовании техпроцессов класса «30 нм» и более современных.

Одна из причин деградации — невозможность индивидуально контролировать заряд плавающего затвора в каждой ячейке. Дело в том, что запись и стирание производятся над множеством ячеек одновременно — это неотъемлемое свойство технологии флеш-памяти. Автомат записи контролирует достаточность инжекции заряда по референсной ячейке или по средней величине. Постепенно заряд отдельных ячеек рассогласовывается и в некоторый момент выходит за допустимые границы, которые может скомпенсировать инжекцией автомат записи и воспринять устройство чтения. С уменьшением топологических норм полупроводниковой технологии создавать идентичные элементы на плоскости становилось все труднее, однако переход на структуры 3D NAND с более «крупной» планарной геометрией внутри слоёв частично скомпенсировал эту проблему для многобитных ячеек.

Другая причина — взаимная диффузия атомов, изолирующих и проводящих областей полупроводниковой структуры, ускоренная градиентом электрического поля в области кармана и периодическими электрическими пробоями изолятора при записи и стирании. Это приводит к размыванию границ и ухудшению качества изолятора, уменьшению времени хранения заряда.

Изначально, в 2000-х годах, для 56-нм памяти такой ресурс стираний составлял до 10 тыс. раз для MLC-устройства и до 100 тыс. раз для SLC-устройств. Для 34-нм памяти (начало 2010-х годов) обычная 2-битная MLC гарантировала порядка 3—5 тысяч, а SLC — до 50 тысяч. Позже плоские TLC-ячейки снижали этот показатель до нескольких сотен циклов. Современная архитектура 3D NAND за счет усложненных алгоритмов сигнальных процессоров контроллера (LDPC ECC) позволила удержать ресурс TLC на уровне 1000–3000 циклов, а QLC — на уровне 100–1000 циклов.

Тип памяти	Ресурс (циклов P/E)	Примеры решений
SLC NOR	100 000 .. 1 000 000	Numonyx M58BW, Spansion S29CD016J
MLC NOR	100 000	Numonyx J3 flash
SLC NAND	100 000	Samsung OneNAND KFW4G16Q2M
MLC NAND	1000 .. 10 000	Samsung K9G8G08U0M
TLC NAND	500 .. 1500	Плоская потребительская память ранних серий (2013–2015 гг.)
3D MLC NAND	6000 .. 40 000	Samsung SSD 850 PRO, 845DC PRO
3D TLC NAND	1000 .. 3000	Samsung SSD 850 EVO, Crucial MX300, современные NVMe SSD
3D QLC NAND	100 .. 1000	Бюджетные высокоёмкие накопители M.2 / NVMe

Срок хранения данных

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий, составляет до 10 лет для новых устройств, хотя реальная гарантия на носители даётся на меньший срок. При этом память с большим количеством бит в ячейке (TLC, QLC) имеет меньшие сроки удержания заряда, чем SLC.

Специфические внешние условия, например, повышенные температуры хранения или радиационное облучение, могут катастрофически сократить срок хранения данных. У микросхем NAND при чтении возможно повреждение данных на соседних страницах в пределах блока (явление Read Disturb) — осуществление большого числа (сотни тысяч) операций чтения без перезаписи может вызвать ошибку. Длительность хранения данных на SSD, отключенных от питания, сильно зависит от степени износа ячеек и в худших случаях (для сильно изношенных накопителей при высокой температуре) может составлять от нескольких месяцев до полугода.

Иерархическая структура

Стирание, запись и чтение флеш-памяти всегда происходят относительно крупными блоками разного размера, при этом размер блока стирания всегда больше, чем блок записи, а размер блока записи не меньше, чем размер блока чтения. Собственно, это — характерный отличительный признак флеш-памяти по отношению к классической побайтовой памяти EEPROM.

Память разбивается на блоки, блоки состоят из секторов, секторы — из страниц. В зависимости от назначения конкретной микросхемы глубина иерархии и размер элементов могут меняться. Например, NAND-микросхема может иметь размер стираемого блока в несколько мегабайт, размер страницы записи и чтения — 4—16 кбайт.

Скорость чтения и записи

Время стирания варьируется от единиц до сотен миллисекунд в зависимости от размера стираемого блока. Время записи составляет десятки-сотни микросекунд. Время чтения для NOR-микросхем нормируется в десятках наносекунд (высокое быстродействие произвольного доступа). Для NAND-микросхем время последовательного чтения страницы составляет десятки микросекунд.

Технологическое масштабирование

Масштабирование техпроцесса изготовления плоской флеш-памяти NAND в исторической ретроспективе 2004—2013 годов.

Из-за своей высокорегулярной структуры техпроцесс при изготовлении плоской флеш-памяти NAND уменьшался более быстро, чем для DRAM-памяти и логики (ASIC). NAND-флеш показывала удвоение плотности практически каждые два года. В 2012 году 19-нм техпроцесс был освоен совместным предприятием Toshiba и SanDisk. Примерно в этот же период производители внедрили воздушные промежутки (air-gaps) между управляющими линиями, чтобы преодолеть взаимное влияние ячеек на узких техпроцессах ниже 24 нм. После достижения физического тупика плоской компоновки на рубеже 15 нм, дальнейшее масштабирование плотности пошло по пути вертикального наращивания слоёв (3D NAND).

Производитель / Стандарт	2010	2012	2014	2016	2019	2022	2025/2026
ITRS Flash Roadmap	32 нм	20 нм	16 нм	Переход на 3D	Развитие 3D	Высокая плотность	Экстремальные слои
Samsung	35-32 нм	21 нм	19 нм / V-NAND (24L)	3D V-NAND (64L)	V-NAND (136L)	V-NAND (232L)	V-NAND (300L+)
Micron	34-25 нм	20 нм	16 нм	3D-NAND Gen1	3D-NAND (128L)	3D-NAND (232L)	3D-NAND (300L+)
Kioxia / WD	43-32 нм	19 нм	15 нм	BiCS 3D (64L)	BiCS (128L)	BiCS (212L)	BiCS (300L+)
SK Hynix	46-35 нм	20 нм	16 нм	3D V1	3D (128L)	4D NAND (238L)	4D NAND (321L)

Параллельно ведутся исследования альтернативных типов энергонезависимой памяти, таких как PCM, MRAM, ReRAM.

Особенности применения

Стремление достичь предельных значений ёмкости для NAND-устройств привело к «стандартизации брака» — праву выпускать и продавать микросхемы с некотором процентом бракованных ячеек с завода. Чтобы минимизировать потери данных, каждая страница памяти снабжается служебной областью, где записывается контрольная сумма (ECC), информация для восстановления при битовых ошибках и маркеры bad-блоков.

Слабое место флеш-памяти — локальный износ при частой перезаписи одних и тех же секторов (например, таблиц разделов или логов файловой системы). Распределение нагрузки позволяет существенно продлить срок работы памяти.

NAND-контроллеры

Для работы с сырым массивом ячеек NAND используются контроллеры. Они выполняют:

• Преобразование интерфейсов и протоколов;
• Виртуализацию адресации (трансляцию адресов для обхода сбойных ячеек);
• Проверку и восстановление данных при помощи кодов коррекции ошибок (LDPC/ECC);
• Минимизацию эффекта усиления записи (англ. Write amplification);
• Равномерное распределение нагрузки на секторы при записи (англ. Wear leveling).

В самых дешевых накопителях могут устанавливаться упрощённые безбуферные (DRAM-less) контроллеры. Для ресурсоёмких задач предпочтительно использовать многоканальные контроллеры с выделенным буфером оперативной памяти.

Специальные файловые системы

Если во встраиваемых системах флеш-память подключается напрямую без аппаратного контроллера, задачи распределения износа ложатся на операционную систему. В таких случаях используются специальные файловые системы: JFFS2, YAFFS, UBIFS или лог-структурированные решения вроде F2FS. Для стандартных дисковых контроллеров критически важной является поддержка команды TRIM на уровне ОС.

Применение

NOR

NOR-флеш применяется в устройствах, требующих быстрого случайного доступа к памяти небольшого объёма и гарантии надежности:

• Встраиваемая память программ однокристальных микроконтроллеров.
• Микросхемы начальной загрузки компьютеров (BIOS / UEFI), сетевых процессоров и ПЛИС.
• Малые микросхемы хранения данных (например, DataFlash) с интерфейсом SPI.

NAND

Флеш-карты разных типов

NAND-флеш незаменима там, где требуются рекордные объёмы памяти. Она используется во всевозможных мобильных и стационарных носителях информации: USB-накопителях, картах памяти (SD, microSD), смартфонах, планшетах.

Высокая скорость чтения сделала NAND-память популярной для кэширования жестких дисков (технологии вроде ReadyBoost) и создания гибридных жёстких дисков (SSHD). Накопители на базе NAND практически полностью вытеснили с массового рынка дисеты, оптические диски и существенно потеснили традиционные HDD.

Стандартизация

Низкоуровневые интерфейсы

Стандартизацией интерфейсов и команд голых чипов NAND занимается организация Open NAND Flash Interface (ONFI). Начиная с версии ONFI 1.0 (2006 год), спецификации развились через версии 2.x, 3.0, 4.x до современных высокоскоростных ревизий с пропускной способностью интерфейса в несколько гигатранзакций в секунду. Альтернативным стандартом является Toggle Mode DDR.

Высокоуровневые интерфейсы

Во встраиваемой технике и смартфонах долгое время доминировал интерфейс eMMC, объединяющий в одной микросхеме контроллер и NAND-память. Ему на смену в производительных мобильных платформах пришёл стандарт UFS (Universal Flash Storage), курируемый комитетом JEDEC. В компьютерном сегменте стандартом де-факто для высокоскоростных SSD стал протокол NVM Express (NVMe), работающий поверх шины PCI Express.

Рынок NAND-памяти

Основное производство флеш-памяти NAND сосредоточено у ограниченного пула компаний, владеющих собственными полупроводниковыми фабриками: Samsung Electronics, SK Hynix (совместно с подразделением Solidigm), Kioxia (выделившаяся из Toshiba), Western Digital (поглотившая SanDisk), Micron Technology, а также активно развивающаяся китайская YMTC.

Лишь менее 5 % NAND-памяти, поставлявшейся в первой половине 2010-х годов, имели однобитные ячейки (SLC), 75 % составляла двухбитная память (MLC) и 15—25 % — трёхбитная память (TLC). С развитием 3D NAND структуры TLC и QLC заняли более 95% всего мирового рынка.

Рынок контроллеров разделен между вертикально-интегрированными производителями и независимыми разработчиками контроллеров, поставляющими решения сторонним брендам: Marvell, Phison, Silicon Motion (SMI), InnoGrit, Maxio.

См. также

• Универсальный флеш-накопитель (UFS)
• Твердотельный накопитель (SSD)
• Charge Trap Flash
• Восстановление данных

Ссылки

• Технологии флеш-памяти // iXBT, 2004