Флэш-память: технология хранилища информационных данных

Флэш-память: технология века электронных устройств

Флэш-память (также известная как флэш-хранилище данных) — тип энергонезависимой памяти, поддерживающей функции очистки данных единицами, составляющими блоки. Такой блок, сохраненный на микросхеме флэш-памяти, удаляется до того момента, когда данные записываются (программируются) на микросхему. Флэш-память способна сохранять данные на протяжении длительного периода времени, независимо от включения/выключения флэш-устройства.

Ставший привычным потребительский спрос на Флэш-память

Частое применение флэш-памяти — использование в системах корпоративных серверов, хранилищах и сетевых технологиях, а также в широком спектре потребительских устройств. Давно привычными видятся, к примеру,

  • USB-накопители,
  • мобильные телефоны,
  • цифровые камеры,
  • планшетные компьютеры,
  • карты ПК в ноутбуках,
  • встроенные контроллеры.

Так, твердотельные накопители, выстроенные  на флэш-памяти типичного исполнения NAND, нередко используются для повышения производительности приложений, интенсивно использующих ввод-вывод. В свою очередь флэш-память типичного исполнения NOR традиционно используется для хранения управляющего кода, например, базовой системы ввода/вывода (BIOS) ПК.

Флэш-память активно используется для вычислений посредством оперативной памяти, что позволяет повысить производительность и масштабируемость систем, управляющих и анализирующих большие объёмы информации.

Изобретение технологии флэш-памяти

Впервые нечто подобное удалось изобрести учёному Фуджио Масуоке, который числился одним из ведущих сотрудников японской компании «Toshiba» в период 1980-х годов. Вместе с тем, соавтору изобретения Содзи Ариизуми приписывают появление термина «вспышка».  Содзи Ариизуми разработал процесс стирания данных с полупроводникового чипа, объяснив этот процесс на примере вспышки фотокамеры.

Флэш-память: типичное внедрение технологии в состав электроники
Устройство цифрового исполнения, выполненное с применением модулей памяти типа Flash. Типичный пример современного электронного устройства широкого назначения

По сути, флэш-память берёт начало из принципов стираемых программируемых устройств EPROM, а также электрически стираемых модулей EEPROM. Флэш технически рассматривается вариантом EEPROM, но отрасль резервирует термин EEPROM для стираемой памяти на уровне байтов и применяет термин флэш-память к большей стираемой памяти на уровне блоков.

Устройства, использующие флэш-память, стирают данные на уровне блоков и перезаписывают данные на уровне байтов – «NOR Flash», или на уровне многобайтовых страниц – «NAND Flash». Флэш-память широко используется для хранения и передачи данных:

Как работает флеш-память?

Архитектура флэш-памяти содержит массив, укомплектованный большим количеством флэш-ячеек. Базовая ячейка флэш-памяти имеет накопительный транзистор с двумя затворами:

  1. Управляющий.
  2. Плавающий.

Последний в списке затвор, изолированный от остальной части транзистора тонким диэлектрическим материалом (оксидным слоем), хранит электрический заряд и контролирует поток электрического тока.

Электроны наполняют или освобождают зону плавающего затвора, что приводит к изменению порога напряжения накопительного транзистора. Изменением напряжения определяется статус программирования ячейки (ноль или единица).

Процесс, именуемый туннелированием Фаулера-Нордхайма, освобождает от электронов зону плавающего затвора. Добавление и удержание электронов в зоне плавающего затвора осуществляется процессом туннелирования Фаулера-Нордхайма, либо явлением, именуемым канальная инжекция горячих электронов.

 

Архитектура флэш-памяти на примере отдельной ячейки
Рабочая архитектура ячейки с плавающим затвором: 1 – управляющий затвор; 2 – плавающий затвор; 3 – канал; 4 – подзатворная оксидная плёнка; 5 – надканальная оксидная плёнка; 6 – исток; 7 – сток; 8 – подложка (основание)

Туннелированием Фаулера-Нордхайма данные стираются через сильный отрицательный заряд, присутствующий на управляющем элементе. Это заставляет электроны транспортироваться через канал, где существует сильный положительный заряд.

Обратное явление происходит при использовании туннелирования Фаулера-Нордхайма для захвата электронов в зоне плавающего затвора. Электронам удаётся прорываться через тонкий оксидный слой к плавающему затвору в присутствии сильного электрического поля. Способствует этому сильный отрицательный заряд истока и стока транзистора, а также сильный положительный заряд управляющего затвора.

Канал инжекции «горячих» электронов (инжекция «горячих» носителей) позволяет электронам прорваться через оксид затвора и менять пороговое напряжение плавающего затвора. Этот прорыв происходит, когда электроны получают достаточное количество энергии по причине высокого тока канала и заряда управляющего затвора.

Электроны перетекают в зону плавающего затвора независимо от того, получает ли устройство, содержащее элемент флэш-памяти, питание в результате электрической изоляции, создаваемой оксидным слоем. Эта характеристика позволяет флэш-памяти обеспечивать постоянное хранение информации.

Флэш-память и организация процесса туннелирования
Процесс туннелирования Фаулера-Нордхайма: 1 – строго негативный (отрицательный) потенциал; 2 – строго позитивный (положительный) потенциал; 3 – переход электронов через туннельный оксидный слой; 4 – строго негативный (отрицательный) потенциал

Ячейки EPROM и EEPROM работают аналогично флэш-памяти в плане записи (программирования) данными, но отличаются от флэш-памяти тем, как стираются записанные данные. EPROM стирается посредством ультрафиолетового излучения. ЭСППЗУ стирает данные в электронном виде на уровне байтов, тогда как флэш-память стирает электростатические данные на уровне блоков.

Флэш-память типа NOR и NAND

Существует два типа флэш-памяти:

  1. Типичное исполнение NOR.
  2. Типичное исполнение NAND.

Оба типа — NOR и NAND, отличаются архитектурой и конструктивными характеристиками. Тип исполнения NOR Flash не использует общие компоненты и поддерживает параллельное подключение отдельных ячеек памяти, обеспечивая произвольный доступ к данным. Ячейка флэш-памяти NAND более компактна, имеет меньше разрядных линий, соединяющих транзисторы с плавающим затвором, что приводит к увеличению плотности сохраняемых данных.

Типовое исполнение NAND лучше всего подходит для последовательного, но не произвольного доступа к данным. Геометрия процесса флэш-памяти NAND разрабатывалась в ответ на достижение планарной шкалой NAND своего практического предела масштабирования. При чтении данных флэш-память типа NOR работает быстрее, но при стирании и записи отмечается существенное замедление по сравнению с типом NAND.

Архитектура флэш-памяти и канал "горячих" инъекций
Канал «горячих» электронных инъекций (алгоритм построения): 1 – заряд высокого уровня; 2 – привлечение заряда; 3 – частичное «испарение» электронов и дрейф в зону затвора

Типовое исполнение NOR Flash программирует данные на уровне байтов. Типовое исполнение NAND Flash программирует данные страницами, которые по размеру больше байтов, но меньше блоков. Так, размер страницы обычно составляет 4 килобайта (КБ), тогда как размер блока варьируется от 128 до 256 КБ или мегабайт. Приложениями интенсивной записи вспышка NAND потребляет меньше энергии, чем вспышка NOR.

Флэш-память NOR более дорогая в производстве по сравнению с флэш-памятью NAND. Как правило, эта технология используется в основном на уровне бытовых встраиваемых устройств под загрузку, а также в приложениях только для чтения сохранённого кода. Между тем флэш-память NAND больше подходит для хранения данных на бытовых устройствах, а также на корпоративных серверах и в системах хранения, благодаря:

  • более низкой стоимости за бит сохранения данных,
  • большей плотности записи,
  • более высокой скорости программирования и стирания.

Бытовые современные устройства, например, телефоны с фотокамерой, поддерживают использование как NOR Flash, так и NAND Flash, в дополнение к другим технологиям памяти, чем обеспечивают лучшее выполнение кода и надёжное хранение данных.

Архитектура строения флэш-памяти

Традиционно флэш-память организована на кремниевой подложке (исполнение SSD). По сути, это твердотельные устройства, широко используемые, как в бытовой электронике, так и в корпоративных системах хранения данных. Существует три форм-фактора SSD, которые были определены Инициативой по твердотельному хранилищу:

  • устройства SSD, поддерживающие слоты традиционных электромеханических жёстких дисков (HDD).
  • устройства SSD, имеющие архитектуру, похожую на интегральную микросхему.
  • твердотельные карты на печатной плате под стандартный форм-фактор карты (Peripheral Component Interconnect Express).
  • твердотельные модули, которые помещаются в двойной встроенный модуль памяти (DIMM) или небольшой контурный двойной встроенный модуль памяти с использованием стандартного интерфейса жёсткого диска SATA.
Флэш-память: интерфейс SSD под интерфейс HDD
Взаимное соответствие интерфейсов стандартного жёсткого диска HDD и накопителя на основе Flash позволяет решать задачи оперативной перестановки оборудования

Дополнительной подкатегорией является гибридный жесткий диск, который сочетает в себе обычный жесткий диск с флэш-модулем NAND. Гибридный жесткий диск обычно рассматривается как способ преодоления разрыва между вращающимися носителями и флэш-памятью.

Массив All-Flash и гибридная флэш-память

Появление флэш-памяти способствовало появлению массивов, полностью организованных на флэш-памяти. Эти системы содержат исключительно твердотельные накопители.

Массивы All-Flash предлагают преимущества в производительности, обещают снижение эксплуатационных расходов по сравнению с дисковыми массивами хранения. Основное отличие All-Flash заключается в базовой физической архитектуре, используемой для записи данных на запоминающее устройство.

Массивы на основе жестких дисков имеют приводной рычаг, благодаря которому происходит запись данных определенного блока в определённом секторе на диске. Системы флэш-памяти не требуют движущихся частей для записи данных. Записи производятся непосредственно во флэш-память, а пользовательское программное обеспечение обрабатывает данные.

Гибридный флэш-массив объединяет диски и твердотельные накопители. Гибридные массивы используют устройства SSD в качестве кэша для ускорения доступа к часто запрашиваемым горячим данным, которые впоследствии перезаписываются на внутренний диск. Многие предприятия обычно архивируют данные с диска по мере старения накопителя, реплицируя эти данные во внешнюю библиотеку магнитных лент.

Лента Flash plus, также известная как Flape, описывает тип многоуровневого хранилища, в котором первичные данные во флэш-памяти одновременно записываются в линейную ленточную систему.

Организация систем хранилища при помощи массивов "All-Flash"
Наглядный пример организации системного хранилища на основе оборудования класса «All-Flash». Низкие эксплуатационные расходы и высокая производительность

Помимо массивов флэш-памяти, возможность вставлять твердотельные накопители в серверы на базе x86 повышает популярность технологии. Эта схема называется флэш-памятью на стороне сервера и позволяет компаниям обходить ограничения поставщика, связанные с приобретением дорогих и интегрированных массивов флэш-памяти.

Недостаток размещения флэш-памяти на сервере заключается в том, что заказчикам необходимо создавать аппаратную систему внутри компании, включая покупку и установку стёка программного обеспечения для управления хранением у стороннего поставщика.

Плюсы и минусы технологии флэш-памяти

Flash является наименее дорогой формой полупроводниковой памяти. В отличие от динамического оперативного запоминающего устройства (DRAM) и статического ОЗУ (SRAM), флэш-память:

  • энергонезависимая,
  • обеспечивает более низкое энергопотребление,
  • допускает очистку большими блоками.

Кроме того, типовое исполнение NOR Flash, к примеру, поддерживает быстрое случайное чтение, в то время как NAND Flash обеспечивает быстрое последовательное чтение и запись.

SSD с чипами флэш-памяти NAND обеспечивает значительно более высокую производительность, чем традиционные магнитные носители — жёсткие диски и магнитная лента. Флэш-накопители также потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла, чем жёсткие диски. Корпоративные системы хранения, оснащённые флэш-накопителями, имеют низкую задержку (измеряется в микросекундах или миллисекундах).

Основными недостатками флэш-памяти являются механизм износа и межклеточные помехи по мере уменьшения размеров матриц. Проявляются дефекты бит, связанные с чрезмерно большим числом циклов программирования / стирания.

В конечном итоге разрушается оксидный слой, улавливающий электроны. Ухудшение структуры способно искажать установленное изготовителем пороговое значение, при котором определяется статус заряда (нуль или единица). Возможны блокирования электронов внутри оксидного изоляционного слоя, что также приводит к ошибкам.

Типовое исполнение флэш-памяти NAND

Производители полупроводниковых флэш-накопителей NAND разработали различные типы памяти, подходящие для широкого спектра случаев использования данных.

Следующая таблица представляет различные типы флэш-памяти NAND:

Типовое исполнение Обозначение Преимущества Недостатки Основное применение
Одноуровневая ячейка (SLC) Сохранение одного бита на ячейку + два уровня заряда. Более высокая производительность, выносливость и надежность, чем у других типов флэш-памяти NAND. Более высокая стоимость, чем у других типов NAND-памяти Корпоративные хранилища данных, критически важные приложения.
Многоуровневая ячейка (MLC) Способность хранить несколько бит на ячейку и несколько уровней заряда. Дешевле, чем SLC, при этом исполнение MLC (eMLC) обеспечивает высокую плотность данных. Пониженная выносливость, чем у SLC, плюс eMLC работает медленнее SLC. Устройства бытового назначения, корпоративные хранилища.
Корпоративные MLC (eMLC) Способность хранить два бита на ячейку и несколько уровней заряда. Дополняются специальными алгоритмами записи. Менее дорогая, чем SLC-flash, обладает лучшей выносливостью, чем MLC-flash Дороже, чем MLC, медленнее, чем SLC. Корпоративные приложения под высокую нагрузку записи.
Трёхуровневая ячейка (TLC) Хранит три бита на ячейку и несколько уровней заряда. Также упоминается как MLC-3, X3 или 3-битный MLC. Более низкая стоимость и более высокая плотность записи, чем у MLC и SLC. Более низкая производительность и выносливость, чем у MLC и SLC. USB-накопители, карты флэш-памяти, смартфоны и клиентские твердотельные накопители, а также твердотельные накопители для центров обработки данных для нагрузок с интенсивным чтением.
Вертикальная (3D NAND) Ячейки памяти расположены одна над другой, в трёх измерениях, по сравнению с традиционной плоской технологией NAND. Более высокая плотность, более высокая производительность записи и более низкая стоимость на бит по сравнению с плоской NAND. Более высокая стоимость изготовления, чем у плоской NAND. Сложность изготовления с использованием производственных плоских процессов NAND. Потенциально более низкий срок хранения данных. Пользовательские и корпоративные хранилища
Четырёхуровневая ячейка (QLC) Использует 64-уровневую архитектуру, которая считается следующей итерацией 3D NAND. Редкость по состоянию на ноябрь 2017 года. Хранит четыре бита данных на ячейку NAND, что потенциально повышает плотность SSD. Больше битов данных на ячейку негативно влияет на степень выносливости. Увеличенные затраты на разработку. Одноразовая запись, с последующим многоразовым чтением (WORM) – как основной пример использования.

Типичное исполнение флэш-памяти NOR

Два основных типа флэш-памяти NOR делятся на устройства, имеющие:

  1. Параллельный интерфейс.
  2. Последовательный интерфейс.

Типичное исполнение NOR Flash изначально предлагалось только с параллельным интерфейсом. Архитектура параллельных NOR модулей предлагает высокую производительность, безопасность и дополнительные функции. Основное использование таких устройств отмечается для нужд:

  • промышленности,
  • автомобильной сферы,
  • сетевых и телекоммуникационных систем,
  • различного оборудования.

Ячейки таких NOR Flash соединены параллельно для произвольного доступа. Конфигурация предназначена для случайного чтения, связанного с инструкциями микропроцессора, а также для выполнения кодов, используемых в портативных электронных устройствах, почти исключительно из потребительского разнообразия.

Флэш-память NOR Flash с последовательным интерфейсом имеет меньшее количество выводов и более компактную упаковку, что делает этот вариант менее дорогим, чем параллельный. Варианты использования для последовательной вариации NOR включают:

  • персональные и ультратонкие компьютеры,
  • серверы,
  • жёсткие диски,
  • принтеры,
  • цифровые камеры,
  • модемы и маршрутизаторы.

Будущее коммерческого рынка флэш-памяти

Рынок флэш-памяти продолжает рассматривать прогрессивные изменения форм-фактора и вариантов развёртывания. Поставщики массивов хранения добавляют поддержку интерфейса контроллера энергонезависимой памяти (NVMe). Речь идёт о протоколе, который ускоряет передачу данных между клиентскими системами и флэш-хранилищем. Хост-контроллер NVMe использует быстродействующую шину PCIe.

 

Использование шины PCIe позволяет приложению напрямую обмениваться данными с флэш-хранилищем, уменьшая скачки в сети, которые могут возникнуть с адаптерами и маршрутизаторами главной шины. Интерфейс PCIe обеспечивает появление дисков, основанных на спецификации NVMe, предоставляя альтернативу, которая, по мнению экспертов, может заменить форм-факторы 2,5 и 3,5 дюйма. Твердотельные накопители NVMe подключаются к незанятым слотам сервера на компьютере, что снижает стоимость и сложность транспортировки, связанные с кабельными сетями.

 


При помощи информации: SearchStorage.Techtarget


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *