Flash Memory

Memori Flash adalah non-volatile memory, chip yang bisa dihapus secara elektrik dan diprogram kembali. Ini dikembangkan dari EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) dan harus dihapus dalam blok yang cukup besar sebelum hal tersebut dapat ditulis ulang dengan data baru. Jenis kepadatan tinggi NAND juga harus diprogram dan dibaca dalam blok, atau halaman, sedangkan tipe NOR memungkinkan sebuah kata mesin tunggal (byte) yang akan ditulis atau dibaca secara independen.

Jenis NAND terutama digunakan dalam kartu memori contohnya, USB flash drive, solid-state drive, dan produk serupa, untuk penyimpanan umum dan transfer data. Jenis NOR, yang memungkinkan akses acak yang benar dan langsung mengeksekusi kode, digunakan sebagai pengganti EPROM yang lebih tua dan sebagai alternatif untuk beberapa jenis aplikasi ROM. Namun, memori flash NOR dapat meniru ROM terutama pada tingkat kode mesin. Desain digital banyak memerlukan ROM (atau PLA) struktur untuk kegunaan lain, sering pada kecepatan jauh lebih tinggi dari memori flash bisa dicapai. NAND atau NOR flash memory ini juga sering digunakan untuk menyimpan data konfigurasi dalam berbagai produk digital, sebelumnya tugas ini dilakukan oleh EEPROM atau RAM bertenaga baterai statis.

Contoh aplikasi dari kedua jenis memori flash termasuk komputer pribadi, pemutar audio digital, kamera digital, ponsel, video game, instrumentasi ilmiah, robotika industri, elektronik medis, dan sebagainya. Selain menjadi non-volatile, flash memory menawarkan cepat membaca waktu akses, secepat RAM dinamis, walaupun tidak secepat RAM statis atau ROM. Ketahanan kejut mekanik membantu menjelaskan popularitasnya lebih hard disk dalam perangkat portabel seperti halnya daya tahan tinggi, yang mampu menahan tekanan tinggi, temperatur, perendaman dalam air dan lain-lain.

Meskipun flash memory secara teknis adalah jenis EEPROM, tetapi EEPROM umumnya juga digunakan untuk merujuk secara khusus untuk non-flash EEPROM yang bisa dihapus dalam blok kecil, contohnya byte. Karena menghapus siklus lambat, ukuran blok besar yang digunakan dalam memori flash yang terhapus memberikan keuntungan kecepatan yang signifikan dari model lama EEPROM saat menulis data dalam jumlah besar. Memori Flash sekarang biaya jauh lebih kecil dari byte-programmable EEPROM dan menjadi jenis memori dominan yang sejumlah besar bersifat non-volatile, sehingga penyimpanan solid state diperlukan.

Sejarah Flash Memory

Flash memori (baik jenis NOR dan NAND) ditemukan oleh Dr. Fujio Masuoka saat bekerja untuk Toshiba sekitar tahun 1980. Menurut Toshiba, nama "flash" disarankan oleh rekan Dr. Masuoka, yaitu Mr. Shoji Ariizumi , karena proses penghapusan isi memori mengingatkannya pada lampu kilat kamera. Dr. Masuoka menerangkan penemuan ini pada 1984 di International Electron Devices Meeting (IEDM) yang diselenggarakan di San Francisco, California.

Intel Corporation melihat potensi besar dari penemuan ini dan memperkenalkan chip flash NOR jenis komersial pertama pada tahun 1988. NOR berbasis flash memiliki waktu yang panjang untuk menghapus dan waktu menulis. Tetapi memberikan alamat dan bus data yang lengkap, sehingga memungkinkan akses acak untuk setiap lokasi memori . Hal ini membuat pengganti yang cocok untuk chip tua Read-Only Memory (ROM), yang digunakan untuk menyimpan kode program yang jarang diperbarui, seperti BIOS komputer atau firmware dari set-top box. Ketahanannya mungkin sekitar 100 x siklus penghapusan untuk memori flash on-chip, ke 10.000 atau 100.000 siklus lebih khas menghapus, sampai dengan 1.000.000 menghapus siklus NOR berbasis flash. Adalah dasar awal berbasis flash removable media; CompactFlash awalnya berdasarkan itu, meskipun kartu kemudian pindah ke flash NAND lebih murah.

Toshiba mengumumkan flash NAND pada Pertemuan International Electron Devices 1987. Ini telah mengurangi menghapus dan menulis kali, dan membutuhkan lebih sedikit area chip yang per sel, sehingga memungkinkan kerapatan penyimpanan yang lebih besar dan biaya lebih rendah per bit dari NOR flash, tetapi juga memiliki hingga sepuluh kali daya tahan NOR flash. Namun, antarmuka I / O dari flash NAND tidak menyediakan bus alamat acak-akses eksternal. Sebaliknya, data harus dibaca secara blok-bijaksana, dengan ukuran blok khas ratusan hingga ribuan bit. Hal ini membuat flash NAND tidak cocok sebagai drop-in pengganti ROM program, karena kebanyakan mikroprosesor dan mikrokontroler diperlukan byte-tingkat akses acak. Dalam hal ini, flash NAND mirip dengan perangkat penyimpanan data sekunder, seperti hard disk dan media optik, dan dengan demikian sangat cocok untuk digunakan dalam perangkat penyimpanan massal, seperti kartu memori. Para NAND pertama berbasis removable format media adalah SmartMedia tahun 1995, dan banyak orang lain telah diikuti, termasuk MultiMediaCard, Secure Digital, Memory Stick dan xD-Picture Card. Sebuah generasi baru format kartu memori, termasuk RS-MMC, miniSD dan microSD, dan Stick Cerdas, menampilkan faktor bentuk yang sangat kecil. Misalnya, kartu microSD memiliki luas lebih dari 1,5 cm2, dengan ketebalan kurang dari 1 mm. microSD kapasitas berkisar dari 64 MB hingga 64 GB, pada Mei 2011.

Prinsip Kerja Flash Memory

Flash memori menyimpan informasi dalam array sel memori terbuat dari floating-gerbang transistor. Dalam tradisional single-level perangkat cell (SLC), setiap sel menyimpan satu bit informasi. Beberapa flash memory yang lebih baru, yang dikenal sebagai multi-level perangkat cell (MLC), dapat menyimpan lebih dari satu bit per sel dengan memilih antara berbagai tingkat muatan listrik untuk diterapkan ke gerbang mengambang sel.

Pintu gerbang mengambang mungkin konduktif (biasanya polysilicon di sebagian besar jenis flash memory) atau non-konduktif (seperti dalam flash memory SONOS).

Floating-Gerbang Transistor

Dalam memori flash, setiap sel memori menyerupai MOSFET standar, kecuali transistor memiliki dua gerbang, bukan satu. Di atas adalah gerbang kontrol (CG), seperti dalam transistor MOS lain, tetapi di bawah ini ada sebuah pintu apung (FG) diisolasi oleh seluruh lapisan oksida. FG ini sela antara CG dan saluran MOSFET. Karena FG yang elektrik terisolasi oleh lapisan isolasi, setiap elektron diletakkan di situ terjebak di sana dan, dalam kondisi normal, tidak akan discharge selama bertahun-tahun. Ketika FG memegang biaya, itu layar (sebagian membatalkan) medan listrik dari CG, yang memodifikasi tegangan ambang (VT) sel (tegangan lebih harus diterapkan ke CG untuk membuat pelaksanaan saluran). Untuk membaca-out, suatu perantara tegangan antara tegangan ambang mungkin diterapkan pada CG, dan konduktivitas saluran MOSFET diuji (jika itu melakukan atau isolasi), yang dipengaruhi oleh FG. Aliran arus yang melalui saluran MOSFET dirasakan dan membentuk kode biner, mereproduksi data yang tersimpan. Dalam perangkat sel multi-level, yang menyimpan lebih dari satu bit per sel, jumlah aliran arus dirasakan (bukan hanya kehadirannya atau tidak adanya), untuk menentukan lebih tepatnya tingkat muatan pada FG tersebut.

NOR flash

Di gerbang NOR flash, setiap sel memiliki satu ujung terhubung langsung ke ground, dan ujung lainnya terhubung langsung ke saluran bit. Susunan ini disebut "NOR flash" karena itu bertindak seperti sebuah gerbang NOR: ketika salah satu baris kata (terhubung ke sel CG) dibawa tinggi, transistor penyimpanan yang sesuai bertindak untuk menarik garis bit output rendah. NOR Flash terus menjadi teknologi pilihan untuk aplikasi embedded membutuhkan perangkat memori non-volatile diskrit. Latency rendah membaca karakteristik NOR perangkat memungkinkan untuk kedua eksekusi kode langsung dan penyimpanan data dalam produk memori tunggal

.

Programming

Sebuah sel tunggal tingkat NOR flash dalam keadaan standar adalah logis setara dengan nilai biner "1", karena arus akan mengalir melalui saluran di bawah penerapan tegangan sesuai dengan gerbang kontrol. Sebuah NOR flash sel dapat diprogram, atau set ke nilai biner "0", dengan prosedur sebagai berikut:

     * Sebuah peningkatan pada tegangan (biasanya> 5 V) yang diterapkan pada CG

     * Saluran tersebut sekarang diaktifkan, sehingga elektron dapat mengalir dari sumber ke drain (dengan asumsi transistor NMOS)

     * Arus sumber-drain cukup tinggi untuk menyebabkan beberapa elektron energi tinggi untuk melompat melalui lapisan isolasi ke FG, melalui proses yang disebut elektron panas injeksi

Menghapus

Untuk menghapus sel NOR flash (reset ke negara "1"), tegangan besar dari polaritas yang berlawanan diterapkan antara CG dan terminal sumber, menarik elektron dari FG melalui terowongan kuantum. Modern NOR flash chip memori dibagi menjadi segmen menghapus (sering disebut blok atau sektor). Operasi menghapus hanya dapat dilakukan secara blok-bijaksana; semua sel dalam sebuah segmen menghapus harus dihapus bersama-sama. Pemrograman sel NOR, bagaimanapun, secara umum dapat dilakukan satu byte atau kata pada suatu waktu.

Internal charge pumps

Meskipun kebutuhan untuk pemrograman tinggi dan tegangan menghapus, hampir semua chip flash hari ini hanya memerlukan tegangan catu daya tunggal, dan menghasilkan tegangan tinggi melalui on-chip biaya pompa.

NAND flash

NAND flash juga menggunakan floating-gate transistor, tetapi mereka terhubung dengan cara yang menyerupai gerbang NAND: beberapa transistor dihubungkan secara seri, dan hanya jika semua baris kata yang ditarik tinggi (di atas transistor 'VT) adalah garis sedikit menarik rendah. Kelompok ini kemudian terhubung melalui beberapa transistor tambahan untuk array baris NOR gaya bit.

Untuk membaca, sebagian besar baris kata yang menarik di atas VT dari sedikit diprogram, sementara salah satu dari mereka ditarik hingga lebih dari VT dari sebuah bit terhapus. Kelompok seri akan melakukan (dan tarik garis agak rendah) jika bit dipilih belum diprogram.

Meskipun transistor tambahan, pengurangan kabel ground dan baris bit memungkinkan tata letak yang lebih padat dan lebih besar kapasitas penyimpanan per keping. Selain itu, flash NAND biasanya diijinkan untuk mengandung sejumlah kesalahan (NOR flash, seperti yang digunakan untuk ROM BIOS, diharapkan kesalahan-gratis). Produsen mencoba untuk memaksimalkan jumlah penyimpanan yang dapat digunakan dengan mengecilkan ukuran transistor di bawah ukuran di mana mereka dapat dibuat andal, ukuran mana pengurangan lebih lanjut akan meningkatkan jumlah kesalahan lebih cepat dari itu akan meningkatkan penyimpanan total yang tersedia.

Menulis dan menghapus

Flash NAND menggunakan injeksi terowongan untuk menulis dan rilis terowongan untuk menghapus. NAND flash memory membentuk inti dari perangkat penyimpanan removable USB dikenal sebagai USB flash drive, serta format memori yang paling kartu dan solid-state drive tersedia saat ini.

Keterbatasan Flash Memory

Penghapusan Blok

Salah satu keterbatasan memori flash adalah bahwa meskipun dapat membaca atau diprogram byte atau kata pada suatu waktu dengan cara akses acak, hanya dapat dihapus "blok" pada suatu waktu. Ini biasanya set semua bit dalam blok untuk 1. Dimulai dengan blok yang baru saja dihapus, setiap lokasi di dalam blok yang dapat diprogram. Namun, setelah sedikit telah diatur untuk 0, hanya dengan menghapus seluruh blok itu dapat diubah kembali ke 1. Dengan kata lain, memori flash (khusus NOR flash) menawarkan acak-akses baca dan operasi pemrograman, tetapi tidak dapat menawarkan acak acak-akses penulisan ulang atau menghapus operasi. Sebuah lokasi bisa, bagaimanapun, ditulis ulang asalkan nilai 0 baru bit adalah superset dari nilai lebih yang ditulis itu. Sebagai contoh, sebuah nilai nibble dapat terhapus untuk 1111, kemudian ditulis sebagai 1110. Berturut-turut menulis untuk gigit yang dapat mengubahnya ke 1010, kemudian 0010, dan akhirnya 0000. Pada dasarnya, penghapusan set (semua) bit, dan program hanya dapat menghapus bit. Berkas sistem yang dirancang untuk perangkat flash dapat memanfaatkan kemampuan ini untuk mewakili metadata sektor.

Meskipun struktur data dalam memori flash tidak dapat diperbarui dengan cara yang benar-benar umum, ini memungkinkan anggota untuk "dihapus" dengan menandai mereka sebagai tidak valid. Teknik ini mungkin perlu dimodifikasi untuk multi-level perangkat sel, di mana satu sel memori memegang lebih dari satu bit.

Perangkat flash umum seperti stik USB dan kartu memori hanya menyediakan antarmuka blok-tingkat, atau flash lapisan terjemahan (FTL), yang menulis ke sel yang berbeda setiap kali memakai-tingkat perangkat. Hal ini untuk mencegah menulis tambahan dalam blok, namun itu tidak membantu perangkat dari yang aus sebelum waktunya oleh sistem yang dirancang buruk. Sebagai contoh, hampir semua perangkat konsumen kapal diformat dengan sistem file MS-FAT, yang pra-tanggal memori flash, yang telah dirancang untuk DOS dan media disk.

Pemakaian Memory

Keterbatasan lain adalah bahwa memori flash memiliki sejumlah hingga program-menghapus siklus (biasanya ditulis sebagai P / E siklus). Produk flash yang paling tersedia secara komersial dijamin untuk menahan sekitar 100.000 P / E siklus, sebelum memakai mulai memburuk integritas penyimpanan. Micron Technology dan Sun Microsystems mengumumkan SLC NAND flash chip memori rating 1.000.000 P / E siklus pada tanggal 17 Desember 2008.

Jumlah siklus dijamin mungkin berlaku hanya untuk memblokir nol (seperti halnya dengan perangkat TSOP NAND), atau untuk semua blok (seperti dalam NOR). Efek ini sebagian diimbangi di beberapa firmware chip atau driver sistem file dengan menghitung menulis dan dinamis remapping blok dalam rangka untuk menyebarkan Operasi tulis antara sektor, teknik ini disebut mengenakan meratakan. Pendekatan lain adalah untuk melakukan menulis verifikasi dan pemetaan untuk cadangan sektor dalam hal kegagalan menulis, teknik yang disebut Blok Manajemen Bad (BBM). Untuk perangkat portabel konsumen, teknik wearout manajemen ini biasanya memperpanjang umur flash memory melebihi umur perangkat itu sendiri, dan beberapa kehilangan data dapat diterima dalam aplikasi ini. Untuk tinggi penyimpanan keandalan data, bagaimanapun, tidak dianjurkan untuk menggunakan memori flash yang akan harus melalui sejumlah besar siklus pemrograman. Keterbatasan ini tidak berarti untuk 'read-only' aplikasi seperti thin client dan router, yang diprogram hanya sekali atau paling banyak beberapa kali selama hidup mereka.

Metode yang digunakan untuk membaca memori flash NAND dapat menyebabkan sel lain di dekat sel yang sedang dibaca untuk berubah seiring waktu jika sel-sel sekitarnya blok tidak ditulis ulang. Ini umumnya dalam ratusan ribu membaca tanpa menulis ulang dari sel-sel. Kesalahan tidak muncul ketika membaca sel asli, melainkan muncul ketika akhirnya membaca salah satu sel di sekitarnya. Jika controller lampu kilat tidak melacak jumlah membaca seluruh perangkat penyimpanan secara keseluruhan dan menulis ulang data sekitarnya secara berkala sebagai tindakan pencegahan, membaca kesalahan mengganggu kemungkinan akan terjadi, dengan hilangnya data sebagai hasilnya.