Многоуровневые ячейки памяти (MLC - Multi Level Cell).

Как уже говорилось ранее, flash-память – это транзистор с плавающим затвором, который позволяет хранить электроны. Поведение транзистора зависит от количества электронов.

Операция программирования (заряд плавающего затвора) создает поток электронов между истоком и стоком транзистора. Часть этих электронов набирает достаточное количество энергии, чтобы преодолеть барьер диэлектрика и оказаться запертой на плавающем затворе.

Если заряд плавающего затвора у однобитного транзистора меньше 5000 электронов, то это означает, что ячейка хранит логическую единицу, а если заряд больше 30000 электронов, то – ноль. Заряд ячейки вызывает изменение порогового напряжения транзистора, и при операции чтения измеряется величина этого порогового напряжения, а по нему определяется количество заряда на плавающем затворе.

На Рис.5 показано распределение пороговых напряжений для массива из полумиллиона ячеек. После выполнения операции стирания или программирования каждой ячейки этого массива было проведено измерение порогового напряжения с результатами, представленными в виде гистограммы на рисунке. Стертые ячейки (логическая единица) имели порог 3.1В, в то время как запрограммированные (логический ноль) имели пороговое напряжение более 5В.

 

Рис.5.а. Распределение пороговых напряжений для одинарных ячеек.

Возможность сохранять заряд на ячейке дает возможность сохранять несколько бит на одной ячейке. Flash-ячейка является аналоговым запоминающим устройством, а не цифровым. Она хранит заряд (квантованный с точностью до одного электрона), а не биты. Поэтому, используя контролируемый метод программирования, на плавающий затвор можно поместить точное количество заряда. Если получится устанавливать заряд в одно из четырех состояний, то можно запрограммировать два бита данных на одной ячейке. Каждое из четырех состояний соответствует одному из двухбитных наборов.

На Рис.5.б показано распределение порогового напряжения для полумиллиона ячеек, способных хранить два бита данных. После стирания или точного программирования одного из трех состояний (трех, потому что одно состояние получается при стирании) были измерены величины пороговых напряжений и результаты помещены в виде гистограммы на рисунок.

Заметим, что точное управление зарядом позволило двум средним состояниям сузить разброс напряжений до 0.3В, что соответствует 3000 электронов.

 

Рис.5.б. Распределение пороговых напряжений для мульти ячеек.

Большие плотности битов на одну ячейку возможны только при более точном размещении заряда на плавающий затвор. Для трех бит на ячейку потребуется программирование 8-ми различных состояний заряда, для четырех – 16-ти состояний. В общем, количество состояний равно 2 в степени N, где N – требуемое количество бит.

Возможность размещения точного количества заряда, а потом его точного считывания требует новых знаний в области физических основ работы ячейки памяти, а также устройства всего массива памяти в целом. Для этого необходимо решить три основные задачи:

· Точное размещение заряда: программирование ячейки flash-памяти должно очень хорошо контролироваться (что требует детального изучения физики программирования). Это значит, что во время программирования нужно подводить к ячейке ток на строго определенное время.

· Точное чтение количества заряда: операция чтения MLC-памяти – это аналого-цифровое преобразование заряда, сохраненного в ячейке, в цифровые данные (новое решение для устройств памяти).

· Надежное хранение заряда: для сохранения заряда на долгое время ставилась цель сделать его утечку меньше одного электрона за день.

В настоящее время эти задачи решены на практике, мульти ячейки широко используются в различных устройствах флэш-памяти.

Следует отметить проблемы реализации связанные с устранением шума и постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Возникает задача поиска предельного числа бит, которое способна хранить многоуровневая ячейка, обеспечивая при этом надежную работу. Эта задача решается до сих пор.

Основные преимущества MLC:

· Более низкое соотношение $/МБ.

· При равном размере микросхем и одинаковом техпроцессе "обычной" и MLC-памяти, последняя способна хранить больше информации (размер ячейки тот же, а количество хранимых в ней бит - больше).

· На основе MLC создаются микросхемы большей емкости, чем на основе однобитных ячеек.

Основные недостатки MLC:

· Снижение надёжности, по сравнению с однобитными ячейками, и, соответственно, необходимость встраивать более сложный механизм коррекции ошибок (чем больше бит на ячейку - тем сложнее механизм коррекции ошибок).

· Быстродействие микросхем на основе MLC зачастую ниже, чем у микросхем на основе однобитных ячеек.

· Хотя размер MLC-ячейки такой же, как и у однобитной, дополнительно тратится место на специфические схемы чтения/записи многоуровневых ячеек.

Архитектуры флэш-памяти

Очевидно, что для того, чтобы перейти от отдельных ячеек к массиву памяти, их надо как то объединить. Основные типы соединений ячеек в массивы памяти на сегодняшний день – это NOR (ИЛИ-НЕ) и NAND (И - НЕ).

Тип соединения NOR (ИЛИ-НЕ) предполагает подключение ячейки к двум перпендикулярным линиям - битов и слов (Рис.6).

Если хотя бы один из транзисторов проводит ток, линия битов переходит в состояние «0». А с помощью линии слов происходит выбор читаемой ячейки. Все ячейки памяти NOR подключены к битовым линиям параллельно.

Рис. 6. Соединения ячеек.

 

Второй тип организации - NAND (И - НЕ) (Рис. 6) предусматривает переход битовой линии в состояние «0», если ток проводят все транзисторы. Ячейки в данном случае подсоединяются к битовой линии сериями. Основная специфика — архитектура размещения ячеек и их контактов.

В отличие от NOR, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях. Чипы этого типа более компактны. Недостатки заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа. Для преодоления низкой скорости чтения используется встроенный кэш.

На основе основных типов соединения ячеек формируются архитектуры флэш-памяти.

Существует несколько типов архитектур (организаций соединений между ячейками) флэш-памяти (Таблица 2).

 

 

Таблица 2. Архитектуры флэш-памяти.

NOR (NOT OR, ИЛИ-НЕ)
	Характеристики: Интерфейс параллельный. Произвольное чтение и запись. Преимущества: быстрый произвольный доступ, возможность побайтной записи. Недостатки: относительно медленная запись и стирание. Из перечисленных здесь типов имеет наибольший размер ячейки, а потому плохо масштабируется. Единственный тип памяти, работающий на двух разных напряжениях. Идеально подходит для хранения кода программ (PC BIOS, сотовые телефоны), идеальная замена EEPROM.
Основные производители: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix, NEC, UMC.
Программирование: методом инжекции "горячих" электронов Стирание: метод FN.
NAND (NOT AND, И-НЕ)
	Характеристики: Доступ произвольный, но небольшими блоками, наподобие кластеров жёсткого диска. В связи с этим появляется шина «Линия выборки». Последовательный интерфейс. Преимущества: быстрые запись и стирание, небольшой размер блока. Недостатки: относительно медленный произвольный доступ, невозможность побайтной записи. Наиболее подходящий тип памяти для приложений, ориентированных на блочный обмен: MP3 плееров, цифровых камер и в качестве заменителя жёстких дисков.
Основные производители: Toshiba, AMD/Fujitsu, Samsung
Программирование: метод FN. Стирание: метод FN.
Таблица 2. Архитектуры флэш-памяти (продолжение). AND (И)
	Характеристики: Доступ к ячейкам последовательный, архитектурно напоминает NOR и NAND, комбинирует их лучшие свойства. Небольшой размер блока, возможно быстрое мультиблочное стирание. Подходит для потребностей массового рынка.
Основные производители: Hitachi и Mitsubishi Electric.
Программирование: метод FN. Стирание: метод FN.
Di NOR (Divided bit-line NOR), ИЛИ-НЕ с разделёнными разрядными линиями.
	Характеристики: Тип памяти, комбинирующий свойства NOR и NAND. Доступ к ячейкам произвольный. Использует особый метод стирания данных, предохраняющий ячейки от пережигания (что способствует большей долговечности памяти). Размер блока в DiNOR всего лишь 256 байт.
Основные производители: Mitsubishi Electric, Hitachi, Motorola.
Программирование: метод FN. Стирание: метод FN.