نگاهي به ساختار Flash Memory

[djamirku]

نگاهي به ساختار Flash Memory
Flash Memory سودمندترين نوآوري تکنولوژي 25 سال اخير است.اين تکنولوژي به عنوان حافظه*اي قابل حمل براي ابزارهاي کوچک مانند USB , دوربين*هاي ديجيتالي و موبايل مورد استفاده قرار مي*گيرد و مي*توان ادعا کرد که در آينده نزديک جايگزيني براي هاردديسک نوت*بوک خواهد شد.
اگرچه شرکت توشيبا تکنولوژي Flash memory را اختراع کرد , اما Intel اولين شرکتي بود که نخستين Flash memory کاربردي را معرفي نمود و هم اکنون نيز به همراه سامسونگ بيشترين سهم را در بازار از آن خود دارد.

اين تکنولوژي به اين دليل "Flash" ناميده شده که در فرآيند پاک کردن محتويات آن
( Data Erase ) تصويري از نور عکاسي به وجود مي*آيد .
Flash memory يک حافظه از نوع غير فرار است.يعني براي نگهداري اطلاعات ذخيره شده احتياج به نيروي الکتريکي ندارد.حافظه*هاي فلش از نظر طبقه*بندي جزو خانواده حافظه*هاي (EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory هستند که قابل پاک و برنامه*ريزي در بلوک*هاي بزرگ مي*باشد .
انواع ديگر EEPROM*ها بر خلاف حافظه*هاي فلش بايد قبل از ريخته شدن اطلاعات جديد در آن ، کاملا پاک شوند . BIOS مادربرد يکي از اين نمونه*ها مي*باشد.

حافظه*هاي فلش ، داده*ها را در آرايه*اي از چندين سلول به همراه يک ترانزيستور در محل*هاي تقاطع سطر و ستون ذخيره مي*کند.اين تکنولوژي، داده*ها را به جاي ذخيره در يک بايت داخل چندين بخش ذخيره و پاک مي*نمايد , بنابراين محدوديت*هاي EEPROM را ندارد .
Flash memory داده*ها را در رديفي از سلول*ها که شامل دو ترانزيستور است (*يک floating gate و يک control gate) , و توسط يک عايق اکسيد جدا مي*شود ذخيره مي*کند . هنگامي*که ولتاژ کافي به control gate مي*رسد الکترون*هاي نيرو گرفته و به سمت لايه اکسيد هدايت مي*گردند (*که به اين فرآيند tunneling مي*گويند) و در کنار floating gate جمع مي*شوند. زماني که اين فرآيند صورت مي*پذيرد سلول*ها ، ارزش عددي بيت ذخيره شده خود را از صفر و يک تغيير مي*دهند . در شرايط معمول الکترون*هاي حبس شده در سمت ديگر floating gate, براي مدت زمان طولاني از آنجا خارج نخواهند شد و اين خاصيت غير فراري الکترون*ها ست.

SLC در مقابل MLC
حافظه*هاي فلش در دو نوع مختلف:
(SLC ( Single Level Cell و (MLC ( Multi Level Cell ) توليد *مي*شوند.
هرکدام از اين تکنولوژي*ها داراي معايب و محاسني است و از نظر ساختار ، تفاوت*هايي با هم دارند.

در حافظه*هايي که بر پايه تکنولوژي MLC طراحي *مي*شوند، در هر سلول حافظه 2 بيت ذخيره *مي*شود اما در چيپ*هاي نوع SLC اطلاعات در هر سلول حافظه ، 1 بيت ذخيره *مي*شود ، بنابراين در صورت يک اندازه بودن حجم حافظه ( مثلا فلش 1 گيگابايتي ) ، اندازه چيپ SLC بزرگتر از چيپ MLC *مي*باشد به همين دليل قيمت حافظه*هايي که از تکنولوژي MLC بهره مي*برند ارزان*تر است.
در حافظه*هاي نوع MLC به دليل اينکه در هر سلول حافظه 2 بيت ذخيره مي*شود ، الگوريتم خواندن و همچنين تصحيح خطا بسيار پيچيده*تر و دشوارتر است به همين علت نيز سرعت خواندن و نوشتن در اين نوع حافظه*ها به نسبت چيپ*هاي SLC کند*تر است.
در حافظه*ها MLC اين کار را به وسيله جمع*آوري سطوح مختلف بارهاي الکتريکي در کنار floating gate انجام مي*شود ؛ *بطور مثال يک سلول دو بيتي مي*تواند بين 4 ولتاژ متفاوت تمايز قائل شود .

ساختار NAND و NOR
طراحان چيپ حافظه ، براي ساخت حافظه فلش از دو روش NAND و NOR استفاده مي*کنند.بطور کلي هيچ يک از اين دو بر ديگري برتري ندارد ولي هر کدام از آنها در جايگاه خاصي کاربرد بيشتري دارند.
سلول*هاي NOR ،بصورت موازي با يکديگر ارتباط دارند بنابراين هر سلول مي*تواند بصورت مجزا خوانده و برنامه*ريزي شود,درحاليکه سلول*هاي NAND بصورت سري مرتبطند و بايد به همان صورت خوانده و برنامه*ريزي گردند .
داده*ها در حالت NOR به همان روشي در RAM سيستم استفاده مي*گردد،خوانده مي*شود ، به همين دليل اغلب ريزپردازنده*ها مي*توانند با حافظه*هاي NOR Flash کار کنند. به عبارت ديگر حافظه NOR flash* مي*تواند برنامه*هاي نرم*افزاري را بدون ريختن دستور العمل در RAM ذخيره و اجرا نمايد . اين حافظه همچنين مي*تواند در يک بخش اجرا شود در حاليکه داده*ها بطور همزمان از قسمت ديگر خوانده , ريخته و يا پاک گردند.به همين دلايل NOR Flash اغلب در تجهيزات پرتابل مانند همراه مانند گوشي*هاي موبايل به کار برده مي*شود.

شکل 1: سلول*هاي NOR ،بصورت موازي با يکديگر ارتباط دارند بنابراين هر سلول مي*تواند بصورت مجزا خوانده شود به همين دليل از آنها مي*توان به عنوان RAM استفاده کرد.اما سلول*هاي NAND بصورت سري مرتبطند و بايد به همان صورت خوانده و برنامه*ريزي گردند.از حافظه*هاي NAND ،براي مصارف ذخيره سازي فايل استفاده مي*شود.

بعدها شرکت توشيبا حافظه NAND flash را طراحي کرد , اما اين حافظه فاقد خاصيت "دسترسي تصادفي" ( مانند آن چيزي که در NOR و RAM است ) مي*باشد و اين مانع استفاده از آن به عنوان جايگزيني براي سيستم ROM است.
از طرفي ديگر حافظه*هاي NAND بسيار سريع*تر عمل مي*کنند و به نسبت به حافظه*هاي NOR داراي هزينه کمتر و حجم ذخيره*سازي بيشتري مي**باشند .
ساختار خواندن و نوشتن در حافظه*هاي NAND شبيه ساختار هارد*ديسک و درايو*هاي نوري به ترتييب که ديتا بر خلاف رم نمي*تواند بخش بخش باشد بلکه در هر لحظه اطلاعات فقط از يک بخش( Segment ) خوانده مي*شود.
با توجه به خصوصيات تکنولوژي حافظه*هاي NAND ، اين نوع حافظه ، در وسايل ذخيره*سازيي مانند Compact flash , رم*هاي SD ، MMC ، حافظه*هاي XD-Picture ، USB Flash Drive و هاردديسک*هاي SSD ( حالت جامد) استفاده مي*شود.

سيستم* فايل در حافظه*هاي فلش
اغلب رم*هاي فلش قابل حمل( removable flash media ) داراي ميکروکنترلر داخلي مي*باشند .
اين خاصيت ، حافظه*هاي SD ، Compact flash و فلش درايو*ها را قادر به فرمت شدن با استفاده از سيستم* FAT مي*کند . حافظه*هايي که فاقد يکروکنترلر هستند بطور معمول از (FTL( Flash Translation Layer استفاده مي*کنند.
FTL سيستم فايلي است که ساختار سيستم فايل فلش را شبيه FAT مي*کند .

نکته مهم و پاياني
محصولات NAND*برمبناي دو عامل، قيمت گذاري مي*شوند :* ظرفيت و سرعت .
عامل ظرفيت بسيار آسان اندازه*گيري مي*گردد اما دومي *سخت تر از آن است که به نظر مي*رسد زيرا سازنده*ها ميزان متفاوتي براي آن در نظر مي*گيرند .
بسياري از حافظه*هاي NAND* ميکروکنترلر*هاي داخلي دارند که باعث سازماندهي سلول**هاي معيوب مي*گردند. اگر عمل نوشتن با مشکل روبرو شود ميکروکنترلر مي*تواند داده*ها را در سلول ديگري ذخيره نمايد.در واقع اغلب حافظه*هاي NAND هنگامي*که از کارخانه خارج مي*شوند داراي بلوک*هاي معيوب هستند اما از آنجا که اين بلوک*ها توسط ميکروکنترلر شناخته شده*اند داده بر روي آنها ذخيره نمي*شوند.
اين که اين حافظه*ها کمک شاياني به ذخيره داده*ها مي*کنند هيچ شکي نيست اما به کساني که اطلاعات ارزشمند را ذخيره مي*کنند توصيه مي*شود که کپي پشتيبان از آنها تهيه نمايند .

Click this bar to view the full image.