Микросхемы NAND памяти фирмы HYNIX. Программирование микросхем FLASH-памяти Микросхемы flash памяти

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget - устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

NOR

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash , каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи - от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие - архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях:) (а NOR - с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше - площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации. К примеру, для изменения одного байта требуется:

1. считать в буфер блок информации, в котором он находится
2. в буфере изменить нужный байт
3. записать блок с измененным байтом обратно

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение - здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т. п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования - проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

И будет флэш…

Безусловно, флэш - перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas - флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC - error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек - это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит - электромагнитное, физическое (тряска и т. п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC - он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок - чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи - 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) - универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов - 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками - по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что - не взыщите:) Надеюсь, материал был вам интересен.

Носители, использующие флэш-память, составляют самый многочисленный класс портативных носителей цифровой информации и применяются в подавляющем большинстве современных цифровых устройств. Различные типы карт флэш-памяти все чаще используются в цифровых камерах, карманных компьютерах, аудиоплеерах, мобильных телефонах и других портативных электронных системах.

спользование чипов флэш-памяти позволяет создавать миниатюрные и очень легкие энергонезависимые сменные карты памяти, обладающие к тому же низким энергопотреблением. Важным достоинством карт на основе флэш-памяти является также их высочайшая надежность, обусловленная отсутствием движущихся частей, что особенно критично в случае внешних механических воздействий: ударов, вибраций и т.п.

Основные недостатки таких носителей — довольно большая цена самих карт флэш-памяти и высокая удельная стоимость хранимых на них данных, хотя в настоящее время наблюдается тенденция к значительному снижению цен на сменные карты флэш-памяти.

Самыми распространенными типами флэш-карт сегодня являются CompactFlash (CF), SmartMedia (SM), Securе Digital (SD), MultiMediaCard (MMC) и Memory Stick (MS), которые отличаются друг от друга интерфейсами, габаритами, скоростью чтения/записи и максимально возможной емкостью.

Впрочем, несмотря на разнообразие стандартов, выбор у пользователя не слишком велик. А точнее, этого самого выбора пользователю никто и не предлагает. Если взять такой сегмент рынка, как цифровые фотокамеры, то каждая камера рассчитана на определенный формат флэш-карт и нередко именно тип используемой флэш-памяти влияет на конечный выбор в пользу той или иной камеры.

На физическом уровне у флэш-памяти различных стандартов много общего, и в первую очередь это архитектура массива памяти и устройство самой ячейки памяти. Поэтому, прежде чем переходить к рассмотрению различных типов карт флэш-памяти, остановимся на базовых аспектах ее архитектуры.

Устройство ячейки флэш-памяти

ак известно, естественной для компьютера арифметикой является двоичная логика, когда вся информация кодируется с помощью логических нулей и единиц — информационных битов. С позиции электроники двоичной логике соответствует два дискретных состояния сигнала, одному из которых приписывается значение логического нуля, а второму — логической единицы. Соответственно и память, используемая в цифровой электронике, представляет собой организованное хранилище логических нулей и единиц. В простейшем случае каждая элементарная ячейка памяти хранит один бит информации, то есть либо 0, либо 1. Известные типы памяти различаются между собой лишь конструктивными особенностями элементарной ячейки памяти и принципами организации массива этих ячеек.

Рассмотрим для примера хорошо известную оперативную память с произвольным доступом, именуемую также RAM-памятью (Random Access Memory). По принципам действия RAM-память можно разделить на динамическую и статическую.

В статической памяти ячейки построены на различных вариантах триггеров — на транзисторных схемах с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может находиться в одном из этих состояний и сохранять записанный бит как угодно долго: необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти — статическая, то есть пребывающая в неизменном состоянии. Достоинством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками — высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггерная ячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает довольно много места на кристалле.

В динамической памяти элементарная ячейка представляет собой конденсатор, способный в течение короткого промежутка времени сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. Проще говоря, при записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля — разряжается. При считывании данных конденсатор разряжается через схему считывания, и если заряд конденсатора был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение. Кроме того, поскольку при считывании конденсатор разряжается, то его необходимо зарядить до прежнего значения. Поэтому процесс считывания сопровождается подзарядкой конденсаторов (регенерацией заряда). Если в течение длительного времени обращения к ячейке не происходит, то постепенно за счет токов утечки конденсатор разряжается и информация теряется. В связи с этим память на основе массива конденсаторов требует периодического подзаряда конденсаторов, поэтому ее и называют динамической. Для компенсации утечки заряда применяется регенерация, основанная на циклическом обращении к ячейкам памяти, восстанавливающим прежний заряд конденсатора.

И статическая, и динамическая RAM-память представляет собой энергозависимую память, которая способна сохранять информационные биты только при наличии внешнего питания. Соответственно при отключении питания вся информация теряется.

Принципиальное отличие флэш-памяти от RAM-памяти заключается в том, что это энергонезависимая память, способная в течение неограниченного времени сохранять информацию при отсутствии внешнего питания.

В принципе, существует несколько типов энергонезависимой памяти, и в этом смысле флэш-память — лишь одна из ее разновидностей.

Архитектура ПЗУ-памяти

Простейшим примером энергонезависимой памяти является ROM (Read-Only Memory), известная также как ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). В такой памяти массив ячеек представляет собой набор проводников, некоторое из которых остаются целыми, а остальные разрушаются. Данные проводники, выполняющие роль элементарных переключателей, организуются в матрицу путем подсоединения к линиям столбцов и строк (рис. 1). Замкнутому состоянию проводника можно присвоить значение логического нуля, а разомкнутому — логической единицы. Если теперь измерить напряжение между одной из линий столбцов и строк (то есть получить доступ к определенной ячейке памяти), то его высокое значение (разомкнутое состояние проводника) соответствует логической единице, а нулевое (замкнутое состояние проводника) — логическому нулю.

Основным недостатком ПЗУ является невозможность обновлять содержимое ячеек памяти, то есть записывать информацию. Когда-то такая память использовалась для хранения BIOS, однако сегодня этот тип памяти уже не применяется.

Другой тип энергонезависимой памяти — перезаписываемое ПЗУ (ППЗУ) или EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory). Такая память может быть перезаписана только с помощью специальных программаторов. В настоящее время из-за сложности процесса перезаписи на смену ППЗУ приходит флэш-память (Flash Memory).

Сейчас уже довольно сложно определить происхождение термина «flash». В буквальном переводе с английского flash — это вспышка, молния. Возможно, таким названием разработчики хотели подчеркнуть, что данная энергонезависимая память позволяет перезаписывать информацию со скоростью молнии. В любом случае название «flash» прочно закрепилось за этим типом памяти, хотя и не имеет никакого отношения ни к архитектуре памяти, ни к технологиям ее производства.

Структура CMOS-транзистора

Между флэш-памятью и динамической RAM-памятью, равно как и ROM-памятью, есть много общего. Принципиальное различие заключается прежде всего в строении самой элементарной ячейки. Если в динамической памяти элементарной ячейкой является конденсатор, то во флэш-памяти роль ячейки памяти выполняет CMOS-транзистор особой архитектуры. И если в обычном CMOS-транзисторе имеется три электрода (сток, исток и затвор), то во флэш-транзисторе (в простейшем случае) добавляется еще один затвор, называемый плавающим.

Обычный CMOS-транзистор может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. Рассмотрим принцип действия обычного транзистора на примере n-p-n-транзистора (рис. 2). В таком транзисторе области стока и истока имеют электронную проводимость (n-области), а область затвора — дырочную проводимость (p-область). Сам транзистор выполнен в полупроводнике p-типа с дырочной проводимостью. Естественно, что за счет диффузии дырок из p-области в n-область и обратной диффузии электронов из n-области в p-область на границах переходов p- и n-областей формируются обедненные слои (слои, в которых отсутствуют основные носители зарядов), препятствующие протеканию тока. В обычном положении, то есть когда к затвору не прикладывается напряжение или подается отрицательный потенциал, транзистор находится в закрытом состоянии, то есть не способен проводить ток от истока к стоку. Ситуация не меняется, даже если приложить напряжение между стоком и истоком (при этом не принимаются во внимание токи утечки, вызванные движением под воздействием формируемых электрических полей неосновных носителей заряда, то есть дырок для n-области и электронов для p-области).

Однако если к затвору приложить положительный потенциал, то ситуация в корне изменится. Под воздействием электрического поля затвора дырки выталкиваются вглубь p-полупроводника, а электроны, наоборот, втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком. Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток — говорят, что транзистор открывается. Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток, то есть закрывается.

В открытом состоянии напряжение между стоком и истоком близко к нулю, а в закрытом состоянии это напряжение может достигать высокого значения. Ситуация в данном случае аналогична ячейкам ПЗУ с замкнутыми и разомкнутыми проводниками. Закрытое состояние транзистора соответствует разомкнутому проводнику и может трактоваться как логическая единица, а открытое состояние транзистора соответствует замкнутому проводнику и может трактоваться как логический нуль. Проблема заключается лишь в том, что для задания транзистору того или иного состояния необходимо подавать управляющее напряжение на затвор, то есть данная структура позволяет записывать информацию (задавать значение нуля или единицы), но не дает возможности эту информацию сохранять, поскольку при отсутствии напряжения на затворе его состояние всегда становится закрытым. Поэтому нужно придумать такой способ, чтобы способность находиться в открытом или закрытом состоянии у транзистора сохранялась как угодно долго. Для этого в транзисторы, используемые во флэш-памяти, добавляется плавающий затвор, который служит для хранения заряда (электронов) в течение неограниченного времени.

Структура транзистора с плавающим затвором

Рассмотрим сначала ситуацию, когда на плавающем затворе нет электронов. В этом случае транзистор ведет себя подобно уже рассмотренному традиционному транзистору. При подаче на управляющий затвор положительного напряжения (инициализация ячейки памяти) он будет находиться в открытом состоянии, что соответствует логическому нулю (рис. 3). Если же на плавающем затворе помещен избыточный отрицательный заряд (электроны), то даже при подаче положительного напряжения на управляющий затвор он компенсирует создаваемое управляющим затвором электрическое поле и не дает образовываться каналу проводимости, то есть транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Рис. 3. Устройство транзистора с плавающим затвором и чтение содержимого ячейки памяти

Таким образом, наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе однозначно определяет состояние транзистора (открыт или закрыт) при подаче одного и того же положительного напряжения на управляющий затвор. Если подачу напряжения на управляющий затвор трактовать как инициализацию ячейки памяти, то по напряжению между истоком и стоком можно судить о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе. Получается своеобразная элементарная ячейка памяти, способная сохранять один информационный бит. При этом важно, чтобы заряд на плавающем затворе (если он там имеется) мог сохраняться там как угодно долго как при инициализации ячейки памяти, так и при отсутствии напряжения на управляющем затворе. В этом случае ячейка памяти будет энергонезависимой. Осталось лишь придумать, каким образом на плавающий затвор помещать заряд (записывать содержимое ячейки памяти) и удалять его оттуда (стирать содержимое ячейки памяти) в случае необходимости.

Помещение заряда на плавающий затвор (процесс записи) реализуется либо методом инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons), либо методом туннелирования Фаулера-Нордхейма (аналогично тому, как это делается при удалении заряда — см. далее).

При использовании метода инжекции горячих электронов на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение (рис. 4), чтобы придать электронам в канале энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонким слоем диэлектрика, и туннелировать в область плавающего затвора (при чтении на управляющий затвор подается меньшее напряжение и эффекта туннелирования не наблюдается).

Рис. 4. Процесс записи и стирания информационного бита в транзистор с плавающим затвором

Для удаления заряда с плавающего затвора (процесс стирания ячейки памяти) на управляющий затвор подается высокое (порядка 9 В) отрицательное напряжение, а на область истока — положительное напряжение (рис. 4). Это приводит к тому, что электроны туннелируют из области плавающего затвора в область истока (квантовое туннелирование Фаулера-Нордхейма — Fowler-Nordheim, FN).

Рассмотренный нами транзистор с плавающим затвором может выступать в роли элементарной ячейки флэш-памяти. Однако однотранзисторные ячейки имеют ряд существенных недостатков, главный из которых — плохая масштабируемость. Дело в том, что при организации массива памяти каждая ячейка памяти (транзистор) подключается к двум перпендикулярным шинам: управляющие затворы — к шине, называемой линией слов, а стоки — к шине, называемой битовой линией (в дальнейшем данная организация будет рассмотрена на примере NOR-архитектуры). Вследствие наличия в схеме высокого напряжения при записи методом инжекции горячих электронов все линии — слов, битов и истоков — необходимо располагать на достаточно большом расстоянии друг от друга для обеспечения требуемого уровня изоляции, что, естественно, сказывается на ограничении объема флэш-памяти.

Другим недостатком однотранзисторной ячейки памяти является наличие эффекта избыточного удаления заряда с плавающего затвора, который не может компенсироваться процессом записи. В результате на плавающем затворе образуется положительный заряд и транзистор остается всегда в открытом состоянии.

Двухтранзисторная ячейка памяти

Для того чтобы избежать недостатков однотранзисторных ячеек памяти, используют различные модификации ячеек памяти, однако главный базовый элемент — транзистор с плавающим затвором — остается в любом варианте ячейки памяти. Одним из модифицированных вариантов ячейки памяти является двухтранзисторная ячейка, содержащая обычный CMOS-транзистор и транзистор с плавающим затвором (рис. 5). Обычный транзистор используется для изоляции транзистора с плавающим затвором от битовой линии.

Преимущество двухтранзисторной ячейки памяти заключается в том, что с ее помощью можно создавать более компактные и хорошо масштабируемые микросхемы памяти, поскольку в данном случае транзистор с плавающим затвором изолируется от битовой линии. Кроме того, в отличие от однотранзисторной ячейки памяти, где для записи информации используется метод инжекции горячих электронов, в данном случае и для записи, и для стирания информации применяется метод квантового туннелирования Фаулера-Нордхейма, что позволяет снизить напряжение, необходимое для операции записи. Как будет показано в дальнейшем, двухтранзисторные ячейки используются в памяти с архитектурой NAND.

Ячейка SST

Описанными ячейками памяти не исчерпывается все многообразие возможных конструкций. Широкое распространение получили и другие типы ячеек памяти, например ячейка SST, разработанная компанией Silicon Storage Technology, Inc.

По принципу действия SST-ячейка во многом напоминает уже рассмотренную однотранзисторную ячейку памяти.

Однако в транзисторе SST-ячейки изменены формы плавающего и управляющего затворов (рис. 6). Управляющий затвор выровнен своим краем с краем стока, а его изогнутая форма дает возможность разместить плавающий затвор частично под ним и одновременно над областью истока. Такое расположение плавающего затвора позволяет, с одной стороны, упростить процесс помещения на него заряда методом инжекции горячих электронов, а с другой стороны, упростить процесс снятия заряда за счет эффекта туннелирования Фаулера-Нордхейма.

При снятии заряда туннелирование электронов происходит не в область истока, как у рассмотренной однотранзисторной ячейки, а в область управляющего затвора. Для этого на управляющий затвор подается высокое положительное напряжение. Под воздействием электрического поля, создаваемого управляющим затвором, происходит туннелирование электронов с плавающего затвора, чему способствует его изогнутая к краям форма.

При помещении заряда на плавающий затвор сток заземляется, а к истоку и к управляющему затвору подается положительное напряжение. Управляющий затвор формирует при этом канал проводимости, а напряжение между стоком и истоком «разгоняет» электроны, сообщая им энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, то есть для туннелирования на плавающий затвор.

В отличие от однотранзисторной ячейки памяти ячейка SST имеет и несколько иную схему организации массива памяти.

MLC-ячейки памяти

Все рассматривавшиеся до этого варианты ячеек памяти способны сохранять только один бит информации в расчете на одну ячейку. Однако существуют и такие ячейки, каждая из которых сохраняет по нескольку битов, — это многоуровневые ячейки, или MLC (MultiLevel Cell).

Принцип работы многоуровневой MLC-ячейки памяти достаточно прост и во многом схож с принципом работы однотранзисторной ячейки на базе транзистора с плавающим затвором.

Как уже отмечалось при рассмотрении однотранзисторной ячейки памяти, наличие логической единицы или нуля определяется по значению напряжения на битовой линии и зависит от наличия или отсутствия заряда на плавающем затворе. Если на управляющий затвор подается положительное напряжение, то при отсутствии заряда на плавающем затворе транзистор открыт и напряжение между стоком и истоком мало, что соответствует логическому нулю. Если же на плавающем затворе имеется отрицательный заряд, своим полем экранирующий поле, создаваемое управляющим затвором, то транзистор оказывается в закрытом состоянии, что соответствует высокому напряжению между стоком и истоком (логическая единица). Понятно, что даже при наличии отрицательного заряда на плавающем затворе транзистор можно перевести в открытое состояние, однако для этого придется подать большее напряжение (пороговое напряжение) на управляющий затвор. Следовательно, об отсутствии или наличии заряда на плавающем затворе можно судить по пороговому значению напряжения на управляющем затворе. Поскольку пороговое напряжение зависит от величины заряда на плавающем затворе, то можно не только определить два предельных случая — отсутствие или присутствие заряда, но и по величине порогового напряжения судить о количестве заряда. Таким образом, если имеется возможность размещать на плавающем затворе разное количество уровней заряда, каждому из которых соответствует свое значение порогового напряжения, то в одной ячейке памяти можно сохранять несколько информационных битов. К примеру, для того, чтобы с использованием такого транзистора сохранять в одной ячейке 2 бита, необходимо различать четыре пороговых напряжения, то есть иметь возможность размещать на плавающем затворе четыре различных уровня заряда. Тогда каждому из четырех пороговых напряжений можно поставить в соответствие комбинацию двух битов: 00, 01, 10, 11.

Для того чтобы иметь возможность записывать в одну ячейку 4 бита, необходимо различать уже 16 пороговых напряжений.

Ячейки MLC активно разрабатываются компанией Intel, поэтому технология памяти на основе MLC-ячеек получила название Intel StrataFlash.

Ячейки Saifun NROM и MirrorBit

Intel StrataFlash на базе MLC-ячеек — не единственная технология, позволяющая сохранять несколько информационных битов в одной ячейке. Израильской компанией Saifun разработана еще одна технология — Saifun NROM technology. Аналогичная технология под названием MirrorBit есть и у компании AMD. И хотя сама компания AMD заявляет о технологии MirrorBit как о своей разработке, возникают большие сомнения в ее правоте. Компания Saifun также усомнилась в авторских правах AMD и подала иск в суд, который был удовлетворен. В связи с этим мы будем рассматривать только технологию Saifun NROM technology.

Ячейка NROM (Nitrid ROM) по своей структуре напоминает транзистор с плавающим затвором. Управляющий затвор подключается к линии слов (Word Line), а сток и исток (они, кстати сказать, совершенно одинаковые), подключаются к двум разным линиям бит. Плавающий затвор выполнен из нитрида кремния (Si3N4) (рис. 7).

Принцип действия такого транзистора аналогичен принципу работы обычного транзистора с плавающим затвором, но за одним исключением. Дело в том, что нитрид кремния, из которого изготавливается плавающий затвор, препятствует «растечению» заряда, то есть позволяет локализовать его в ограниченном пространстве плавающего затвора. Фактически это позволяет сохранять два информационных бита с использованием одного затвора.

Для записи информационного бита в такую ячейку к управляющему затвору и одному из стоков/истоков подается напряжение. За счет инжекции горячих электронов через слой диэлектрика электроны проникают в плавающий затвор, локализуясь в области, ближайшей к тому стоку/истоку, к которому прикладывалось напряжение.

Удаление заряда с плавающего затвора происходит за счет процесса инжекции дырок, для чего на сток/исток подается положительное напряжение. Дырки, туннелирующие в область плавающего затвора, рекомбинируют с электронами, что приводит к уничтожению заряда.

Архитектура флэш-памяти

ассмотренная нами простейшая ячейка флэш-памяти на основе транзистора с плавающим затвором, способная сохранять один бит информации, может использоваться для создания массивов энергонезависимой памяти. Для этого нужно только соответствующим образом объединить в единый массив множество ячеек, то есть создать архитектуру памяти.

Существует несколько типов архитектур флэш-памяти, но наибольшее распространение получили архитектуры NOR и NAND.

Архитектура NOR

Самая простая для понимания архитектура флэш-памяти — архитектура NOR (рис. 8).

Как уже отмечалось, для инициализации ячейки памяти, то есть для получения доступа к содержимому ячейки, необходимо подать напряжение на управляющий затвор. Поэтому все управляющие затворы должны быть подсоединены к линии управления, называемой линией слов (Word Line). Анализ содержимого ячейки памяти производится по уровню сигнала на стоке транзистора. Поэтому стоки транзисторов подключаются к линии, называемой линией битов (Bit Line).

Своим названием архитектура NOR обязана логической операции ИЛИ-НЕ (английская аббревиатура — NOR). Логическая операция NOR над несколькими операндами дает единичное значение, когда все операнды равны нулю, и нулевое значение во всех остальных случаях. Если под операндами понимать значения ячеек памяти, то в рассмотренной архитектуре единичное значение на битовой линии будет наблюдаться только в том случае, когда значение всех ячеек, подключенных к данной битовой линии, равно нулю (все транзисторы закрыты).

Архитектура NOR обеспечивает произвольный быстрый доступ к памяти, однако процессы записи (используется метод инжекции горячих электронов) и стирания информации происходит достаточно медленно. Кроме того, в силу технологических особенностей производства микросхем флэш-памяти с архитектурой NOR, размер самой ячейки получается весьма большим и потому такая память плохо масштабируется.

Архитектура NAND

Другой распространенной архитектурой флэш-памяти является архитектура NAND, соответствующая логической операции И-НЕ. Операция NAND дает нулевое значение только в том случае, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех остальных случаях. Как мы уже отмечали, нулевое значение соответствует открытому состоянию транзистора, поэтому архитектура NAND подразумевает, что битовая линия имеет нулевое значение в случае, когда все подсоединенные к ней транзисторы открыты, и единичное значение — когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Такую архитектуру можно организовать, если подключать транзисторы с битовой линии не по одному (как в архитектуре NOR), а последовательными сериями (рис. 9).

В сравнении с архитектурой NOR данная архитектура в силу особенностей технологического процесса производства позволяет добиться более компактного расположения транзисторов, а следовательно, хорошо масштабируется. В отличие от NOR-архитектуры, где запись информации производится методом инжекции горячих электронов, в архитектуре NAND запись осуществляется методом туннелирования FN, что позволяет реализовать более быструю запись, чем для архитектуры NOR. Чтобы уменьшить негативный эффект низкой скорости чтения, микросхемы NAND снабжаются внутренним кэшем.

Кроме рассмотренных нами архитектур NOR и NAND, во флэш-памяти используются и другие архитектуры, например AND, DiNOR и т.д., но они не получили массового распространения.

Типы флэш-карт

Настоящее время на рынке присутствуют карты флэш-памяти различных форматов, самые новые из которых — это Secure Digital (SD), Memory Stick (MS), MultiMediaCard (MMC) и xD-Picture Card (XD). Не стоит также забывать и о хорошо зарекомендовавших себя форматах CompactFlash (CF) и SmartMedia (SM).

По оценкам некоторых аналитических изданий, в настоящее время 54% рынка занимают карты CF, на втором месте — Memory Stick (25%), на третьем — Secure Digital (10%), далее следуют SmartMedia (8%) и MultiMediaCard (3%).

Карты памяти CompactFlash представляют собой высококачественные универсальные перезаписываемые носители информации, ориентированные на бытовую электронику и компьютерное оборудование нового поколения. Компактность и надежность этих носителей делают их идеальным решением для использования в цифровых фотокамерах, персональных цифровых секретарях (PDA), МР3-плеерах, сотовых телефонах, карманных сканерах, фотопринтерах, портативных терминалах, магнитофонах, диктофонах, устройствах глобальной навигации и во многих других устройствах, оснащенных слотом CompactFlash.

CompactFlash является одним из старейших и самым распространенным в настоящий момент стандартом сменных карт флэш-памяти, а также прямым потомком карт PCMCIA. На карты этого стандарта приходится более 54% мирового рынка карт памяти. Первая серийная карта CompactFlash была изготовлена корпорацией SanDisk в 1994 году.

В октябре 1995 года была создана некоммерческая организация Compact Flash Association (CFA), куда помимо компании SanDisk вошли IBM, Canon, Kodak, HP, Hitachi, Epson и Socket Communications.

Размер карты CompactFlash составляет 43Ѕ36Ѕ3,3 мм, а интерфейсный разъем оснащен 50 контактами.

В настоящее время CompactFlash представляет собой наиболее выгодное решение в плане удельной стоимости хранимых носителем данных на основе флэш-памяти при объеме более 32 Мбайт.

Одним из главных достоинств карты CompactFlash является наличие встроенного ATA-контроллера, благодаря которому она совместима с IDE-интерфейсом, что подразумевает возможность эмуляции жесткого диска. На программном уровне карта ничем не отличается от винчестера: она обладает всеми необходимыми параметрами, такими как количество виртуальных цилиндров и головок. Обращение к карте выполняется с помощью стандартного аппаратного прерывания IRQ 14, и зачастую для работы с CompactFlash не нужны специальные драйверы.

Встроенный преобразователь напряжения питания позволяет подключать карты CompactFlash в слоты с напряжением как 3,3 В, так и 5 В.

Существует два типа карт CompactFlash: Type I и Type II, единственное различие между которыми заключается в толщине корпуса: у карт Type I толщина составляет 3,3 мм, а у Type II — 5,5 мм. Однако карты CompactFlash Type I можно использовать в слотах Type I и Type II, а карты CompactFlash Type II — только в слотах Type II.

Карты CompactFlash являются рекордсменами как по скорости чтения/записи, так и по максимальной емкости, что обусловливает их широкое распространение в среде профессиональных цифровых камер. Что касается скорости, то следует отметить, что многие производители выпускают различные как по скорости, так и по цене серии карт CompactFlash. Сегодня в розничной торговле доступны карты CF объемом 4 Гбайт. Если же говорить о скоростях чтения/записи, то здесь все зависит и от производителя, и от серии, и даже от объема карты.

Рассмотрим, к примеру, карты CompactFlash компании Kingston Technology серий Standard (емкость 256, 512 и 1024 Мбайт) и Elite PRO (емкость 2 и 4 Гбайт). Результаты, отражающие скорости последовательного чтения и записи, были получены с помощью тестового пакета IOmeter (рис. 10 и 11).

Рис. 10. Зависимость скорости последовательного чтения от размера запроса для карт формата CompactFlash

Рис. 11. Зависимость скорости последовательной записи от размера запроса для карт формата CompactFlash

Тестирование показало, что скорость линейного чтения у серии Elite PRO более чем в два раза превосходит скорость линейного чтения у серии Standard, причем у карты емкостью 2 Гбайт эта скорость выше, чем у карты емкостью 4 Гбайт, а у всех карт серии Standard скорость последовательного чтения одинакова.

При последовательной записи наблюдается примерно та же закономерность. Исключение составила карта серии Standart емкостью 512 Мбайт, у которой скорость последовательной записи при размере запроса более 32 Кбайт оказалась даже выше, чем у карты серии Elite PRO емкостью 4 Гбайт.

SmartMedia

Спецификация карт SmartMedia была предложена компанией Toshiba в 1996 году. Впрочем, первоначально эти карты имели менее благозвучное название: Solid-State Floppy Disk Card (SSFDC). Карты SmartMedia имеют наименьшую среди существующих сегодня носителей на основе флэш-памяти толщину — всего 0,76 мм (как у кредитной карточки). Этот показатель был достигнут благодаря максимальной простоте устройства: внутри карты SmartMedia отсутствуют контроллеры и дополнительные схемы, а установлен лишь чип NAND-памяти. Такое решение позволило максимально уменьшить как размер (45Ѕ37Ѕ0,76 мм) и вес (около 2 г) самой карты, так и ее цену.

Компактность этих карт памяти позволяет использовать их в цифровых камерах, устройствах PDA, диктофонах, факс-аппаратах, принтерах, сканерах, электронных записных книжках и портативных терминалах. Кроме того, карты памяти этого типа могут применяться в оборудовании, требующем использования съемных микросхем памяти в целях обеспечения портативности, обновления ПО или наращивания объемов памяти для поддержки новых приложений.

Физический интерфейс карт SmartMedia представляет собой плоский разъем с 22 контактами. Передача данных осуществляется по 8-разрядной шине, а максимальное время доступа при чтении и записи в зависимости от емкости карты составляет от 50 до 80 нс.

Существует два вида карт SmartMedia, один из которых рассчитан на напряжение питания 3,3 В, а другой — на 5 В. Вид карты легко определить по положению так называемого ключа — срезанного угла в той части карты, где расположены контакты. Поскольку ключи у них расположены с разных сторон, эти виды карт несовместимы между собой, то есть невозможно подключить карту SmartMedia, рассчитанную на 3,3 В, в слот с напряжением питания 5 В, и наоборот.

MultiMediaCard

Карты стандарта MultiMediaCard появились в 1997 году как результат сотрудничества компаний SanDisk Corporation и Siemens AG/Infineon Technologies AG.

В 1998 году был сформирован альянс MMCA (MultiMediaCard Association), в состав которого вошли компании HP, SanDisk, Kodak, Hitachi, Infineon Technology, Lexar Media, Micron, Sanyo, Siemens и Nokia.

Стандарт был изначально «свободным», то есть лишенным каких-либо лицензионных ограничений.

На момент появления карты MMC были самыми миниатюрными (24Ѕ32Ѕ1,4 мм) и легкими (менее 2 г).

Карты MMC имеют всего семь контактов и осуществляют передачу данных через последовательный интерфейс, что обусловливает максимальную простоту их использования.

Эти карты ориентированы на применение в новейших цифровых видео- и фотокамерах, мобильных телефонах с интеллектуальными функциями и функциями загрузки/воспроизведения музыкальных записей, цифровых портативных аудиоплеерах, игрушках и игровых приставках, карманных ПК и электронных органайзерах.

Карты MultiMediaCard на 100% совместимы со всеми устройствами, использующими карты памяти типа Secure Digital.

В настоящее время начат выпуск Secure MultiMediaCard, имеющих встроенную схему защиты от несанкционированного доступа и копирования и совместимых со спецификацией SDMI.

11 ноября 2002 года было объявлено об утверждении стандарта на карты ММС уменьшенного размера, получившие название Reduced Size MultiMediaCards (RS-MMC). Размеры карт RS-MMC составляют 24Ѕ18Ѕ1,4 мм (полноформатные ММС имеют размеры 24Ѕ32Ѕ1,4 мм). Предусмотрена обратная совместимость карт RS-MMC с полноформатными носителями: при помощи механических переходников они могут быть использованы в изделиях, оснащенных слотами ММС.

По замыслу разработчиков основной сферой применения RS-MMC станут мобильные телефоны, смартфоны и коммуникаторы.

Другая разновидность карт MMC — это HS-MMC (High Speed MMC), то есть высокоскоростные карты MMC, способные обеспечивать скорость передачи данных до 52 Мбит/с.

Присутствующие сегодня на рынке карты MMC имеют максимальный объем до 1 Гбайт, а средняя скорость чтения и записи составляет у них 2 Мбайт/с.

Карты типа SD были разработаны компаниями Matsushita, San Disk и Toshiba и представляют собой дальнейшее развитие стандарта MultiMediaCard. Эти карты являются представителями третьего поколения флэш-памяти.

Для продвижения нового формата три вышеупомянутые компании основали специальную организацию — SD Association, членами которой в настоящее время являются уже более 200 производителей. Само название Secure Digital ясно указывает на поддержку этим носителем технологии защиты данных от несанкционированного копирования и доступа. В отличие от других типов сменных носителей на флэш-памяти, абсолютно все выпускаемые SD-карты оснащены специальной электронной схемой защиты данных и совместимы со спецификацией SDMI.

На карте может храниться как незащищенная (уровень 1), так и защищенная (уровни 2 и 3) информация. Информация может быть защищена от копирования либо уникальным идентификационным ключом карты (уровень 2), либо активным криптографическим алгоритмом (уровень 3), что дает владельцу карты уверенность в надежности защиты данных.

Несмотря на то что SD-карты появились относительно недавно, они уже широко используются в самых различных электронных приборах: в цифровых диктофонах и портативных плеерах, видеокамерах, автомагнитолах, карманных компьютерах, сотовых телефонах и мультимедийных проекторах.

SD-карты относятся к числу наиболее легких и компактных сменных карт: их размер составляет всего 24Ѕ32Ѕ2,1 мм, а вес — 2 г. Внешне SD-карты очень похожи на MMC и соответствуют их размерам, за исключением большей толщины. Карты имеют девять контактов (у MMC их семь) и миниатюрный переключатель для защиты от случайного уничтожения хранимых данных.

В настоящее время на рынке представлены SD-карты с максимальным объемом до 1 Гбайт. Скорость чтения и записи зависит и от размера карты, и от производителя. Если, к примеру, сравнить две SD-карты емкостью по 512 Мбайт (Kingston и Transcend), то выяснится, что в режиме последовательной записи (рис. 12) производительность карты Transcend почти в четыре раза выше производительности карты Kingston. Так, при размере запроса более 64 Кбайт скорость последовательной записи для карты Transcend составляет 7,8 Мбайт/с, а для карты Kingston — всего 1,75 Мбайт/с. Скорость линейной записи (рис. 13) также выше у карты Transcend и составляет 8,13 Мбайт/с (при размере запроса более 64 Кбайт/с), а у карты Kingston эта скорость равна 6,24 Мбайт/с.

Рис. 12. Зависимость скорости последовательной записи от размера запроса для карт формата SD

Для сравнения на рис. 12 и 13 показаны типичные скорости последовательного чтения и записи карты формата MMC, которые и при чтении, и при записи не превышают 1 Мбайт/с.

Стандарт Memory Stick был разработан компанией Sony, а его массовое внедрение началось в 1998 году. В настоящее время карты стандарта Memory Stick используются во всех без исключения цифровых фотоаппаратах Sony, что, впрочем, отнюдь не способствует их успешному продвижению на рынок. Именно поэтому последняя модель цифровой камеры Sony поддерживает карты уже двух стандартов: Memory Stick и куда более популярные CompactFlash.

Своему названию карты Memory Stick (память в пластинках) обязаны сходству с жевательными пластинками, да и габариты карточки памяти Memory Stick составляют 21,5Ѕ50Ѕ2,8 мм, что примерно соответствует размерам пластинки жевательной резинки.

Выпускается также модификация этого носителя со встроенной системой защиты от несанкционированного копирования и доступа к данным (MagicGate Memory Stick).

Сегодня компания Sony занимается внедрением носителя новой модификации, получившего название Memory Stick Duo. Эта карта совместима с обычной Memory Stick, но имеет меньшие размеры (20Ѕ31Ѕ1,6 мм) и меньший вес (всего 2 г), что позволит использовать ее в самых малых портативных устройствах, особо критичных к размеру сменных модулей памяти, например в мобильных телефонах и микрокомпьютерах. С целью облегчения интеграции нового стандарта в существующие системы предусмотрена полная обратная совместимость: при помощи специального картриджа Memory Stick Duo можно подключать к слотам для полноформатных карт Memory Stick.

В начале января 2003 года на проходившей в Лас-Вегасе выставке Consumer Electronics Show (CES) компания Sony объявила о планах по созданию карт флэш-памяти нового поколения — Memory Stick PRO. Линейка новых носителей будет выпускаться в корпусах тех же форм и размеров, что и обычные Memory Stick. От ставших уже привычными синих карточек Memory Stick новые носители будут отличаться жемчужным цветом. Если же сравнивать технические характеристики, то, кроме увеличения емкости, карты Memory Stick PRO обладают гораздо более высокой скоростью обмена данными и усовершенствованными механизмами защиты данных. Что касается перспектив наращивания объема, то технически возможно создание Memory Stick PRO емкостью до 32 Гбайт. Максимальная скорость обмена, обеспечиваемая конструкцией носителей Memory Stick PRO, составляет 160 Мбит/с, а скорость записи — не менее 15 Мбит/с.

Во всех носителях Memory Stick PRO будет использоваться технология защиты данных MagicGate. Помимо этого в них будет встроена и новая система защиты данных, позволяющая ограничивать доступ к хранимым на носителе файлам, предотвращая просмотр и распространение защищенных данных даже в случае утери или кражи карты.

Еще одно технологическое решение, реализованное при создании карт Memory Stick PRO, позволит избежать потери данных при преждевременном извлечении карты из слота. Даже если пользователь извлечет карту, не дождавшись окончания процесса записи, то после повторной установки носителя можно будет возобновить запись с того места, где она была прервана. При этом гарантируется сохранность не только данного файла, но и всей файловой системы карты.

В настоящее время на рынке представлены модели карт Memory Stick Pro объемом до 1 Гбайт, а также карты Memory Stick PRO DUO объемом до 128 Мбайт.

xD-Picture (XD)

Формат xD-Picture является самым молодым из всех рассмотренных выше форматов. Этот стандарт разработан компаниями Olympus и FujiFilm, но в силу своей новизны пока еще не получил широкого распространения.

Обозначение xD расшифровывается как eХtreme digital, что, по мнению разработчиков, акцентирует внимание на использовании этого носителя для хранения аудиовизуальных данных. Размеры карт xD-Picture составляют всего 20Ѕ25Ѕ1,7 мм, а вес — 2 г, что на данный момент является абсолютным рекордом миниатюрности.

По замыслам разработчиков карты xD-Picture должны заменить морально устаревшие карты SmartMedia, максимальная емкость которых (в силу технологических причин) не превышает 128 Мбайт. Теоретически емкость карт xD может достигать 8 Гбайт. Кроме того, тенденция миниатюризации цифровых любительских камер требует и адекватной миниатюризации карт памяти.

Карты xD-Picture имеют 22-контактный интерфейс, совместимый с интерфейсом SmartMedia Card.

Максимальная скорость чтения данных с карт xD-Picture составляет 5 Мбайт/с, а скорость записи — 3 Мбайт/с (для карт емкостью 16 и 32 Мбайт — 1,3 Мбайт/с); напряжение питания — 3,3 В; потребляемая при работе мощность — 25 мВт. Как и SmartMedia, карты xD-Picture содержат только флэш-память и не оснащаются встроенным контроллером (в отличие, например, от CompactFlash).

В настоящее время максимальная емкость карт xD-Picture составляет 512 Мбайт.

В статье рассказывается о принципах построения микросхем памяти и дается обзор различных видов памяти разрабатываемых и производимых компанией STMicroelectronics, одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов, в том числе микросхем па-мяти, и обладающей уникальной технологией производства Flash-памяти и программируе-мых систем памяти на одном кристалле.

Все статьи цикла:

1. Виды микросхем памяти компании STMicroelectronics

Уважаемый читатель! В последнее время на страницах специализированных журналов часто встречаются публикации посвященные микросхемам памяти различных производителей, в том числе и обзорные статьи. Вместе с тем, далеко не всегда при перечислении компаний-производителей микросхем памяти обращается должное внимание на одного из миро-вых лидеров в этой области - компанию STMicroelectronics. Для восполнения пробелов в данном вопросе и предназначена серия статей, первая из которых предлагается Вашему вниманию.

В настоящее время компания STMicroelectronics (ST) разрабатывает и производит в промышленных масштабах следующие виды микросхем памяти:

• EPROM - широко представлена память с ультрафиолетовым стиранием и с однократным программированием, в том числе стандартные микросхемы памяти OTP и UV EPROM, усовершенствованные микросхемы памяти OTP и UV EPROM семейства Tiger Range, микросхемы нового типа памяти FlexibleROM, разработаного для замены Mask-ROM, а также микросхемы памяти PROM и RPROM компании WSI (США), вошедшей в состав ST;
• EEPROM и SERIAL NVM (последовательная энергонезависимая долговременная память) - из последовательной перепрограммируемой энергонезависимой памяти выпуска-ются микросхемы памяти EEPROM с различным шинным интерфейсом, последовательная FLASH-память, стандартные микросхемы памяти специального назначения (ASM) и бескон-тактные (CONTACTLESS MEMORIES) микросхемы памяти;
• Flash-память - в производстве у ST находятся микросхемы Flash-памяти: индустриального стандарта с различным питанием, микросхемы Flash-памяти с усовершенствованной архитектурой для различных областей применения, микросхемы с разнородной памятью и микросхемы Flash-памяти семейства "LightFlash";
• SRAM - ST производит асинхронные маломощные микросхемы памяти SRAM с различным питанием и быстродействием;
• NVRAM - имеются решения для SRAM с батарейной поддержкой по питанию и генераторов импульсов времени (часов истинного времени);
• PSM - в соответствии со стратегическим направлением создания "систем на кристал-ле", ST разрабатывает и производит микросхемы программируемых систем памяти, которые обеспечивают комплексное системное решение памяти для микроконтроллеров и разработок на сигнальных процессорах (DSP);
• Smartcard - в наличии большой ассортимент микросхем для Smartcard и систем обес-печения безопасности.

Виды и основные серии микросхем памяти производимых компанией STMicroelectron-ics представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Виды и основные серии микросхем памяти компании STMicroelectronics

EPROM, EEPROM и Flash - в чем разница?

Первыми технологиями энергонезависимой памяти были EPROM (стираемая программи-руемая постоянная память) и EEPROM (электронно-перепрограммируемая постоянная память). В EPROM данные могут быть записаны в память один раз и, впоследствии, считываться любое число раз. Если EPROM имеет специальный корпус с прозрачным окном, то содержимое памяти может быть стерто ультрафиолетовым облучением, а затем перепро-граммировано с новыми данными.

EEPROM более гибко. Она обеспечивает многократное перепрограммирование ячеек памяти, но плата за эту гибкость - более сложная структура ячейки памяти, что увеличивает стоимость и понижает плотность хранения. По этой причине EPROM используется главным образом в качестве удобной памяти для хранения больших объемов кодов программы, а EEPROM для хранения параметров и другой информации, которая нуждается в регулярном обновлении.

В последние годы в полупроводниковой промышленности наблюдается быстрый рост в секторе электронной Flash-памяти, которая находит все большее применение во многих устройствах телесвязи, автомобильной электронике, компьютерах и бытовых приборах, но которую не многие изготовители полупроводниковых изделий могут производить в промышленных объемах и недорого для потребителя.

Flash-память относится к классу полупроводниковой памяти с долговременным хранением (NON-VOLATILE) или энергонезависимой от внешнего питания. До ее появления наибо-лее востребованными видами памяти на рынке была DRAM (динамическое ОЗУ с произвольной выборкой) и SRAM (статическое ОЗУ с произвольной выборкой). Несмотря на их энергозависимость это обусловлено возможностью обеспечения высокой скорости записи, что обязательно для оперативной памяти. Кроме того, малые размеры ячеек памяти DRAM позволяют получить высокую плотность для хранения, которая сегодня обычно составляет 256 Mбит и до 1 Гбит в перспективе. Преимуществом SRAM является меньшие непроизво-дительные затраты, а также (для некоторых типов) более высокая скорость чтения - обычно на порядок быстрее чем DRAM. DRAM и SRAM - одни из основных компонентов персональных компьютеров.

Технология Flash первоначально использовалась как вариант замены EPROM. Подобно EEPROM, Flash-память электрически стираема и фактически не имеет ограничений по числу циклов перепрограммирования, но, в отличие от EEPROM, микросхемы Flash-памяти дешевле в производстве и могут иметь очень большие емкости для хранения. Flash-память, в отличие от EEPROM, не надо стирать полностью перед перезаписью, что придает ей дополни-тельное преимущество. Она обычно организована в виде множества секторов, каждый из ко-торых может быть индивидуально перепрограммирован.

Развитие технологии Flash-памяти осуществляется по двум основным направлениям: уменьшение размеров ячеек за счет новых технологических процессов изготовления (0.25µ, 0.18µ, 0.13µ, 0.10µ ...) и оптимизации архитектуры памяти для конкретных приложений. По сравнению с DRAM Flash-память труднее в разработке и производстве. Поэтому ее развитие по плотности отстает от DRAM примерно на одну градацию. То есть, если DRAM произво-дится по 0.18µ технологии, то Flash-память будет производиться по 0.25µ технологии.

Преследуя честолюбивые замыслы, компания ST начала разрабатывать и производить Flash-память по новым технологиям опережающими темпами с целью выравнивая ее технологии с технологией DRAM. С этой же целью был создан Центр в Agrate (Италия). Надежды компании производить Flash с плотностью памяти не хуже чем у DRAM основаны на внедрении методов многоразрядной ячейки. Поэтому в ближайшей перспективе следует ждать появление микросхем Flash-памяти с емкостью до 1 Гбит.

Второй подход, который ST успешно реализует - развитие микросхем специального назначения с архитектурами, которые в максимально возможной степени оптимизированы для конкретных условий эксплуатации. Здесь многое зависит от тесного взаимодействия с ведущими производителями современной электронной аппаратуры и тенденциям ее развития. В этом направлении ST имеет значительное преимущество по сравнению с другими производителями Flash-памяти, особенно в области компьютерной периферии, средств связи и автоэлектроники.

Бурный рост применения Flash-памяти объясняется стремительным развитием электронных устройств и носит объективный характер. Например, на рынке сотовых телефонов сначала использовались микросхемы Flash-памяти с небольшой емкостью (1…4 Mб) для хранения кода. Затем функциональные возможности сотовых телефонов резко возросли вплоть до обеспечения Internet, GPS, интерактивной выдачи новостей, телевизионной конфе-ренц-связи и CD музыки. Каждая новая сервисная функция требует увеличения количества Flash-памяти для хранения кода, емкости которой за это время возросли до 128 Мб. Сейчас сотовый телефон оснащается фотокамерой, биометрическим сенсором, возможностью загрузки музыки и программ. Это означает, что если сейчас для сотового телефона в основном достаточно иметь 8 Мб Flash-памяти, то к концу 2004 года полностью будут задействованы имеющиеся сегодня возможности в 128 Мб Flash-памяти.

Более важно то, что стандартные микросхемы Flash-памяти не являются лучшим выбором для этих продуктов. Взаимоисключающие потребности в максимизации характеристик, уменьшения стоимости и потребляемой мощности могут быть осуществлены только частично и применительно для конкретного применения в сотовых телефонах.

Подобный рост можно предсказать и для различного рода приставок (Set-top box) и для рынка DVD. И здесь, чтобы соответствовать потребностям и требованиям этого рынка, который особенно чувствителен к стоимости и качественным характеристикам, нужна специализированная Flash-память с архитектурой оптимизированной для этого рынка (например, x32 архитектура с двумя банками памяти и 100 MГц характеристикой группового считывания), которая будет использоваться скорее чем стандартные микросхемы Flash-памяти.

Работа на опережение потребностей рынка помогла STMicroelectronics разработать новые изделия типа сверхбыстрого (25 нс!) времени выборки в микросхемах Flash-памяти для жесткого диска компьютера и первую в мире Flash-память на 32 Мбит, комбинирующую ар-хитектуру с двумя банками памяти и быстрый доступ с полнофункциональным режимом по-страничного доступа при питании 1,8 В для следующего поколения сотовых телефонов.

Flash, EPROM и EEPROM используют один и тот же базовый механизм плавающего затвора для запоминания данных, но различные методы для записи и чтения данных. В каждом случае, базовая ячейка памяти состоит из одного МОП-транзистора с двумя затворами: регулирующего, который связан со схемой управления чтения - записи, и плавающего, который локализован между регулирующим затвором и каналом МОП-транзистора (часть МОП-транзистора между истоком и стоком). Схема базовой ячейки EPROM приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Базовая ячейка EPROM

В отличие от стандартного МОП-транзистора, в микросхемах памяти имеются два затвора, которые полностью электрически изолированы слоем диоксида кремния от остальной части электрической схемы. Так как плавающий затвор физически очень близок к каналу МОП-транзистора, то даже очень малый электрический заряд на нем оказывает влияние на электрическое сопротивление транзистора. Применяя соответствующие сигналы к регули-рующему затвору, и измеряя изменение сопротивления транзистора, можно определить на-личие электрического заряда на плавающем затворе. Поскольку плавающий затвор электрически изолирован от остальной части схемы, требуются специальные методы для переноса на нем заряда. Один из методов состоит в заполнении канала МОП-транзистора электронами высокой энергии, прикладывая относительно высокое напряжение к регулирующему затвору и стоку МОП-транзистора. Некоторые из таких "горячих" электронов имеют достаточную энергию для пересечения потенциального барьера между каналом и плавающим затвором. При снятии высокого напряжения они остаются захваченными плавающим затвором. Имен-но такой метод используется для программирования ячейки памяти в EPROM и Flash-памяти.

Эта методика, известная как канальная инжекция горячими электронами (CHE), может использоваться для переноса заряда на плавающий затвор, но она не обеспечивает его сброса. Технология EPROM достигает этого за счет облучения всей матрицы памяти ультрафиолетовым светом, который придает захваченным электронам достаточно энергии для выхода из плавающего затвора. Это достаточно простой и эффективный метод стирания.

Второй метод удаления заряда основан на использовании так называемого туннельного эффекта. Электроны покидают плавающий затвор при прикладывании к истоку МОП-транзистора достаточно большого напряжения, которое заставляет электроны "прокладывать туннель" поперек изолирующей оксидной пленки к истоку. Число электронов, которые могут прокладывать туннель поперек изоляционного слоя в данном времени, зависит от толщины слоя и величины подаваемого напряжения. Для реальных уровней напряжения и ограниченного времени стирания изоляционный слой должен быть очень тонок - обычно 10 нм (100 Ангстрем).

Рис. 3. Базовая ячейка EEPROM

В микросхемах памяти EEPROM туннельный эффект используется для "зарядки" и "разрядки" плавающего затвора согласно полярности прикладываемого туннельного напряжения (рисунок 3). Поэтому, несмотря на то, что Flash-технология не просто прививка механизма стирания EEPROM на технологию EPROM, Flash-память может рассматриваться как запоминающее устройство, которое программируется подобно EPROM и стирается подобно EEPROM.

Наиболее существенное отличие EPROM от других двух видов памяти находится в толщине оксидной пленки, которая отделяет плавающий затвор от истока. В EPROM - это обычно 20…25 нм и этого достаточно много для реализации туннельного эффекта при прак-тических напряжениях. У Flash-памяти (рисунок 4) толщина туннельной оксидной пленки составляет 10 нм, и ее качество оказывает существенное влияние на характеристики и надежность микросхемы памяти. Это одна из основных причин того, что только относительно немногие производители электронных компонентов овладели технологией Flash-памяти, а еще меньшее количество способно квалифицировано надежно комбинировать Flash-технологию с другими КМОП компонентами для создания изделий типа микроконтроллеров со встроенной Flash-памятью.

Традиционно, плавающий затвор использовался для хранения одного информационного разряда, который считывался путем сравнения порогового напряжения МОП-транзистора с опорной величиной, но появились более сложные методы чтения - записи, которые позво-ляют различать более двух энергетических состояний плавающего затвора, что эквивалентно хранению двух и более битов на одном плавающем затворе. Это крупное научно-техническое достижение, потому что хранение двух битов в одной ячейке позволяет удвоить емкости микросхем памяти, не изменяя их физических размеров. STMicroelectronics - одна из немногих компаний, которая может предложить микросхемы Flash-памяти с архитектурой на основе многоразрядной ячейки.

Рис. 4. Базовая ячейка Flash

Хотя все микросхемы Флэш-памяти используют одну и ту же базовую запоминающую ячейку, имеется множество видов их связей в пределах всей матрицы памяти. Наиболее известными архитектурами являются NOR (НЕ) и NAND (И-НЕ). Эти условия традиционной комбинаторной логики определяют топологию матрицы памяти и виды связи к отдельным ячейкам при обращении к ним для чтения и записи.

Первоначально, имелось ясное различие между этими двумя существенно различными архитектурами. NOR устройства демонстрировали существенно более быстрые времена считывания (предоставляя лучшие возможности для хранения кода), а NAND устройства предлагали более высокие плотности хранения (так как ячейка NAND приблизительно на 40 % меньше чем ячейка NOR). Однако появление технологии многоразрядной ячейки сдвигает баланс явно к NOR архитектурам. Кроме того, надо учитывать, что в NOR архитектуре уси-лители считывания сигнала имеют прямой доступ к каждой ячейке памяти, а в NAND архитектуре сигнал усилителя считывания должен пройти через множество других ячеек, каждая из которых может вносить определенную погрешность. Поэтому маловероятно, что схема NAND может быть с двухразрядной ячейкой памяти, а для NOR архитектуры следует ожидать появления в скором времени четырехразрядной ячейки и ее преимущество окончательно утвердиться.

2. Микросхемы памяти EPROM компании ST

Компания STMicroelectronics (ST) производит весьма конкурентоспособные микросхемы памяти EPROM. Непрерывные усовершенствования технологии производства приводят к расширению их возможностей, более высокой емкости и понижению напряжения питания. Компания находится в числе мировых лидеров-производителей памяти типа OTP и EPROM с ультрафиолетовым стиранием, которая удобна для разработки, производства и для замены масочной ROM ввиду того, что они программируются на завершающей стадии производства.

Выпускаемые микросхемы обладают емкостью от 64 кбит до 64 Мбит при питании 5 и 3 В, достаточным быстродействием, различными корпусами, в том числе и для поверхностного монтажа. Организация памяти устройств может быть типа x8, x16 и x8/x16. Расшифровка обозначений микросхем памяти ST вида OTP и UV EPROM приведена на Рис.5.

Рис. 5. Маркировка микросхем EPROM ST

Набор продукции включает стандартные микросхемы с питанием 5 В и 3,3 В, усовершенствованные микросхемы семейства Tiger Range с питанием 3 В (2,7…3,6 В) и микросхемы нового семейства FlexibleROM™.

Микросхемы этих типов памяти доступны в FDIP керамических корпусах с окошком и PDIP пластиковых двурядных корпусах, а также в корпусах PLCC и TSOP для поверхностного монтажа. Основные параметры стандартных микросхем памяти EPROM приведены в таблице 1.

Таблица 1. OTP и UV EPROM

* в разработке

Усовершенствованная низковольтная серия Tiger Range

Для низковольтной серии Tiger Range компания STMicroelectronics использовала новейшую технологию OTP и UV EPROM. Структурные усовершенствования, связанные с толщиной основных слоев, позволили значительно улучшить электрические характеристики. Уменьшение на 25% толщины оксидного слоя затвора позволило снизить пороговое напряжение ячейки и увеличить скорость выборки при питании от 2,7 В и выше во всем температурном диапазоне от -40 до +85°C.

Улучшая электрические характеристики, ST стремиться обеспечить потребителя изделиями с новыми качествами и поэтому рекомендует заказчикам заменить "V" серию с питанием 3…3,6 В на серию "W" - Tiger Range, которая имеет лучшие характеристики при питании 2,7…3,6 В. Временные параметры для серии Tiger Range гарантируются двойным тестированием микросхем при напряжении 2,7 В и 3 В. Время доступа при питании 2,7 В маркируется на микросхеме и более быстрое время доступа специфицируется в описании.

Времена доступа для напряжения питания выше 2,7 В являются рабочими. Состав семейства микросхем Tiger Range приведен в таблице 2.

Таблица 2. OTP и UV EPROM типа Tiger Range, питание 3 В

Семейство UV и OTP EPROM Tiger Range характеризуется сверхмалым потреблением, высокой скоростью работы и одновременно быстрым доступом с коротким временем программирования. Время программирования микросхем одинаково как для пословного, так и побайтного режимов программирования. Для самых последних микросхем с плотностью 4 Мб и 8 Мб скорость программирования доведена до 50 мкс на слово или байт. Данные по потреблению и производительности серии Tiger Range приведены в таблице 3.

Таблица 3. Tiger Range

Микросхемы низковольтной серии Tiger Range полностью совместимы по штырькам со стандартной серией 5В UV и OTP EPROM. Это гарантирует их полное соответствие для приложений, в которых микропроцессорное питание заменяется с 5 В на 3 В (таблица 4).

Таблица 4. Совместимость UV и OTP EPROM по питанию

Уже много лет сохраняется тенденция к более высоким плотностям памяти. Отвечая требованиям потребителей, компания ST постоянно развивает как свои технологии производства, так и сами компоненты.

Гибкость EPROM, ее более низкие производственные издержки и возможность программирования на завершающей стадии производства ведут к тому, что многие заказчики теперь предпочитают использовать данный вид памяти вместо масочной ROM. Диапазон памяти EPROM ST включает много типов микросхем, которые могут легко использоваться взамен масочной ROM (таблица 5).

Таблица 5. Замена Mask ROM высокоплотной EPROM

* заменяющие Mask ROM

Для примера рассмотрим более подробно 32 Mбит микросхему M27C320 (4M x 8 или 2M x 16), которая предназначена в основном для игральных автоматов, DVD проигрывателей и многих других приложений, где для микропроцессорных систем требуется много памяти для данных или программных кодов.

Логическая схема данного устройства приведена на рис. 6, а режимы работы представлены в таблице 6. В режиме чтения требуется одно питающее напряжения. Все входы совместимы c TTL схемами за исключением Vрр и A9 с напряжением 12 В для электронной подписи производителя микросхемы.

Рис. 6. Логическая схема M27C320

Таблица 6. Режимы работы M27C320

M27C320 имеет два вида режима чтения - пословный и побайтный. Вид чтения определяется уровнем сигнала на выводе BYTE. При высоком уровне сигнала на этом штырьке выбирается считывание по словам и контакт Q15A-1 используется для вывода данных по Q15. При низком уровне сигнала на BYTE устанавливается режим побайтового считывания и кон-такт Q15A-1 используется для адресации входа по A-1.

M27C320 имеет две функции управления и для получения данных на выходах они обе должны быть логически активны. Кроме того, должен быть выбран вид считывания по словам или по байтам. Выход E используется для выбора устройства и управления потреблением. Блокирующий выход (G) управляет выходом и используется для управления считыванием с ячейки данных к выходным контактам независимо от выбора устройства.

M27C320 имеет дежурный режим, в котором потребление понижается до 50 - 100 мкА. M27C320 переходит в этот режим при наличии высокого уровня логического сигнала на входе Е. В дежурном режиме все выходы находятся в состоянии высокого импеданса независимо от сигнала на входе G.

Поскольку EPROM обычно используются в больших массивах памяти, эти схемы имеют функцию двухлинейного управления, которая обеспечивает обращение к памяти нескольких устройств. Такая функция в M27C320 позволяет экономно расходовать пространство памяти и предупреждает конфликтные ситуации при обращении к памяти нескольких устройств.

Так как микросхемы памяти EPROM обычно работают в условиях неустановившихся переходных напряжений в цепях питания, для сглаживания тока рекомендуется на каждой схеме использовать керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ между Vcc и Vss и один электролитический конденсатор емкостью 4,7 мкФ между Vcc и Vss на каждые восемь микросхем. Этот конденсатор должен быть установлен около точки подключения электропитания на плате.

В поставляемых микросхемах M27C320 все ячейки памяти находятся в состоянии "1". Данные вводятся путем выборочного программирования "0" в требуемых местоположениях разрядов. Программируется только ноль, но в информационном слове могут присутствовать как единицы, так и нули. M27C320 находится в режиме программирования при напряжении на входе Vpp равном 12,5 В, на G - напряжение высокого логического уровня (Vih) и на Е подаются импульсы низкого логического уровня (Vil).

Запрограммированные данные поступают параллельно по 16 бит на контакты вывода данных. В режиме программирования уровни сигналов для адресации и входных данных должны соответствовать TTL логике, а питающее напряжение Vcc находиться в пределах 6,25 В ± 0,25 В.

Алгоритм программирования PRESTO III обеспечивает программирование всего массива с гарантированным временем до 100 с. Программирование слова осуществляется последовательностью импульсов 50 мкс на слово с проверкой.

Имеется возможность программирования нескольких M27C320 параллельно с различными данными. При этом используется высокий уровень логического сигнала на входе Е для запрета программирования. Проверка программирования осуществляется считыванием. Имеется режим доступа к электронной подписи производителя. Более подробные сведения приводятся в описании микросхемы .

Технология ST в отношении EPROM непрерывно совершенствуется. Новые перспективы открываются с внедрением новой архитектуры микросхем памяти, основанной на использовании многобитных ячеек памяти для получения высоких плотностей записи, начиная с емкости в 64 Mбит. Кроме того, каждая новая разработка содержит несколько фотолитогра-фических новшеств, улучшающих электрические характеристики микросхем.

С входом в состав STMicroelectronics компании WAFERSCALE INC. (США) открылись возможности поставок микросхем памяти типа PROM (programmable ROM) / RPROM (re-programmable ROM). Основные параметры семейства высокоэффективных PROM и RPROM микросхем памяти выполненных по КМОП технологии компании WSI приведены в таблице 7. Эти микросхемы доступны в трех температурных диапазонах работы: коммерческом (от 0 до +70°C), индустриальном (от -40 до +85°C) и военном (от -55 до +125°C). Кроме того, некоторые компоненты изготавливаются по стандарту для военного назначения (SMD), в том числе и EPROM (Таблица 8).

Таблица 7. КМОП PROM/RPROM компании WSI

Таблица 8. Military EPROM

Самой последней разработкой компании STMicroelectronics в области электрически про-граммируемых ПЗУ является семейство FlexibleROM™, которое может использоваться как простая замена для любого ПЗУ. Это одноразовое программируемое семейство, изготавливаемое по 0,15 мкм технологии компании ST, доступно потребителю с начальной емкостью памяти в 16 Mбит. Новое семейство микросхем памяти "FlexibleROM" относится к типу энергонезависимой памяти и предназначено для хранения программного кода. "FlexibleROM" - идеально подходит для использования вместо масочного ПЗУ (MaskROM) и перехода от Flash-памяти на ПЗУ после отладки программы, если в дальнейшем не планируется изменения программного кода.

Эти микросхемы памяти оптимизированы для хранения программного кода и могут использоваться в игровых приставках, DVD проигрывателях и в приставках к телевизору, а также в офисных устройствах автоматизации и для компьютерной периферии.

Семейство FlexibleROM имеет все необходимое, чтобы заменить масочное ПЗУ и обеспечить выгоды потребителю благодаря своей гибкости и стоимости модернизации. Основные характеристики микросхем данного семейства приведены в таблице 9.

Таблица 9. Семейство FlexibleROM

Микросхемы доступны как в "пустых", так и в предварительно запрограммированных версиях. Имеющаяся возможность предварительного программирование позволяет потребителю сократить время производственного цикла. Например, по сравнению с масочным ПЗУ экономия по времени составляет до двух недель при использовании программирования с кодом клиента при изготовлении микросхемы.

Благодаря технологии, основанной на флэш, время программирования также существенно уменьшено. Микросхемы FlexibleROM обеспечены типовой способностью многословной программы с большим потоком данных, что позволяет программировать устройство с емкостью 64 Mбит всего за девять секунд.

Еще одним преимуществом по сравнению с другими одноразово программируемыми ПЗУ является высокая производительность программирования, поскольку 100% функциональных возможностей массива памяти проверяются в ходе тестирования.

Микросхемы семейства памяти FlexibleROM используют питание напряжением от 2,7 В до 3,6 В для операций чтения и от 11,4 В до 12,6 В для программирования. Устройства организованы как x16-бит, при включении питания по умолчанию устанавливается режим памя-ти "Чтение", так что они могут читаться как ПЗУ (ROM) или ЭПЗУ (EPROM).

В настоящее время доступны образцы M27W016 (DIL или SM корпус) и M27W064 (SM корпус) и массовое производство уже начато. Разворачивается производство M27W032 (SM корпус), а 128-Mбит и 256-Mбит версии планируется начать производить в конце 2003 года.

Основные особенности памяти "FlexibleROM":

• Стандартный набор команд.
• Стандартная цоколевка масочного ПЗУ.
• Стандартные корпуса масочного ПЗУ.
• Полная тестируемость при программировании.
• Прямая замена для любого ПЗУ.
• Очень быстрое программирование (в 30 раз быстрее стандартной OTP).
• Кодирование по заказу клиента быстрее, чем масочного ПЗУ (1-2 недели).
• Бесплатный сервис предпрограммирования.
• Эффективнее при использовании чем ROM и OTP.
• Способность быстрого "в системе" однократного программирования.
• Легкость модернизации емкости памяти.

В завершение краткого обзора микросхем памяти UV и OTP EPROM приведем некоторые данные по соответствию микросхем данного вида компании ST с микросхемами памяти других производителей (Таблица 10).

Таблица 10. Кросс-таблица EPROM

В следующих выпусках журнала будут рассмотрены и другие виды микросхем памяти ST.

Литература:

1. Data sheet M27C320, STMicroelectronics, 2000

В процессе создания и эволюции средств вычислительной техники было затрачено немало усилий, чтобы устройство могло не только обрабатывать информацию, но и надежно ее хранить, как в процессе вычислений, так и в виде окончательных результатов.

Электронную память можно разделить на два основных вида — энергозависимый и энергонезависимый. Несмотря на то, что энергозависимая память обладает хорошими характеристиками по скорости чтения/записи, ее содержимое при выключении питания безвозвратно теряется. Оборудование, рассчитанное на запоминание и хранение информации после выключения питания, даже и на долгий срок (иногда годы), содержит энергонезависимую память.

Для целей долгосрочного хранения информации в настоящее время используются в основном два вида энергонезависимой памяти — это EEPROM и FLASH (см. рис. 1). И неизменным лидером в производстве микросхем памяти все это время остается компания STMicroelectronics. Рассмотрим варианты EEPROM и FLASH на примере микросхем, выпускаемых этой компанией.

Рис. 1.

Любая микросхема памяти отвечает требованиям быстродействия, времени хранения информации и стоимости. Помимо этого, на выбор того или иного вида памяти влияют несколько моментов:

Порядок запоминания информации:

• по одному байту информации в нужный момент;
• большими блоками информации.

Тип доступа к памяти:

• через параллельную шину;
• через последовательную шину.

Дополнительные требования:

• возможность считывать содержимое памяти одновременно с запоминанием информации;
• обеспечение только авторизованного доступа;
• большой объем памяти для хранения только данных по наименьшей цене;
• возможность выполнять код непосредственно из энергонезависимой памяти (XiP).

Существуют микросхемы, которые обладают наилучшими характеристиками, такими как:

• выполнение кода на месте,
• высокая степень разбиения массива памяти с множеством поддерживаемых специальных функций (наличие двух портов, защищенный режим работы);
• энергонезависимая память, но со скоростью, присущей энергозависимым;
• с напряжением питания меньше 1,8 В;
• с неограниченным количеством циклов записи/стирания.

Однако цена такого устройства не будет низкой.

Если основным требованием к устройству является хранение ограниченных объемов информации (калибровочные таблицы сенсоров, серийные номера плат, небольшие объемы данных [несколько номеров телефонов для DECT, некоторые параметры статуса, может быть даже несколько строк кода]), то удачное решение для такого случая — EEPROM-память, которая используется почти везде. При этом, как правило, используются EEPROM с последовательным интерфейсом, потому что с параллельным уже практически не выпускаются. Такая память допускает перепрограммирование одного произвольного байта информации без необходимости предварительного стирания. В номенклатуре ST присутствует широкий выбор EEPROM:

• объемом от 1 Кбит до 1 Мбит;
• диапазоны питающих напряжений с низким потреблением от 2,5 до 5,5 В и от 1,8 до 5,5 В;
• три стандартных последовательных шины I 2 C, SPI, MICROWIRE ® ;
• 1 миллион циклов записи/стирания как стандартное значение;
• время хранения данных — больше 40 лет;
• промышленный и автомобильный температурный диапазон;
• минимальные посадочные площадки, включая MSOP8, TSSOP8 и уникальный по размерам UFDFPN8 (2×3 мм) корпуса.

На табл. 1 приведена номенклатура выпускаемой памяти EEPROM.

Таблица 1. Микросхемы памяти EEPROM

Если основным требованием является хранение увеличенных объемов информации (большое количество строк кода, большое количество данных), то решение для такого случая — обычная FLASH-память (FLASH NOR). FLASH NOR с параллельным доступом распространена больше, однако последовательная FLASH NOR становится все более популярной в приложениях, где нет специфических требований параллельного доступа (см. рис. 2). Например, производители персональных компьютеров уже выбрали последовательную FLASH NOR, как основную. Эта тенденция распространения последовательной энергонезависимой памяти (EEPROM и FLASH) прослеживается во всех существующих приложениях (так же, как и во многих новых приложениях, например, в цифровой бытовой электронике).

Рис. 2.

Почему последовательный интерфейс?

• уменьшается стоимость контроллера, меньше выводов;
• уменьшается занимаемое место на печатной плате, размер корпуса;
• уменьшается стоимость памяти (в среднем);
• увеличивается гибкость по плотности памяти (не нужно менять плату, если нужен больший объем памяти, достаточно установить на то же посадочное место кристалл памяти большего объема);
• содержимое загружается для выполнения в ОЗУ (хранение кода программы).

Основные направления развития последовательной памяти таковы:

• переход на продукты с высокой плотностью;
• необходимость в высокоскоростной последовательной передаче данных;
• миниатюрный, с малым количеством выводов недорогой корпус.

В табл. 2 представлены доступные типы и семейства памяти NOR FLASH.

Таблица 2. Микросхемы памяти NOR FLASH

Если основным требованием является хранение все увеличивающихся объемов информации, которая в основном представляет собой данные, то для такого случая лучше выбрать FLASH NAND. Эта память предназначена именно для хранения данных. Хранить программный код в такой памяти слишком опасно из-за возможных ошибок при считывании. Такую память обслуживают специальным образом: производят коррекцию ошибок, маркируют негодные области памяти, распределяют нагрузку по страницам в количествах циклов записи/стирания. Как правило, все эти функции возлагаются на ПО управляющего процессора.

Преимущество этого типа памяти — относительная дешевизна в пересчете на объем доступной памяти. ST производит FLASH NAND объемом от 128 Мбит до 8 Гбит и больше, с различными размерами страниц: 528 байт/264 слова и 2112 байт/1056 слов, с независящим от плотности памяти посадочным местом, питанием 1,8 В и 3 В и в разнообразных корпусах.

NAND FLASH используется также и в картах памяти SD, Compact Flash, MMC, которые также выпускает ST.

Отдельно можно отметить особый тип памяти, который выпускается ST — так называемая NVRAM.

NVRAM — это устройства энергонезависимого (благодаря встроенной литиевой батарее) статического ОЗУ — устройство ZEROPOWER co всеми присущими ему свойствами такими, как скорость записи и неограниченный ресурс (семейство М48Z). Батарея соединяется с корпусом микросхемы посредством технологии SNAPHAT ® — инновационного и дешевого решения для поверхностного монтажа продуктов компании ST.

Кроме этого ST выпускает по той же технологии устройства TIMEKEEPER, которые имеют емкость памяти от 1 кбит до 4 Мбит и включают в себя еще и энергонезависимые часы реального времени (семейство М48Т). Имеются также функционально насыщенные TIMEKEEPER Supervisors, предлагающие такие полезные функции как RTC, POR/LVD, Power-Fail Warning, Battery Monitor, Battery Switchover и Write Protection.

С полным перечнем предлагаемых ST микросхем памяти можно ознакомиться на сайте: http://www.st.com/stonline/products/families/memories/memory/index.htm .

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail:

Датчик движения широкого применения

Компания STMicroelectronics расширила линейку датчиков движения новым двухосевым линейным акселерометром с цифровым выходом. Микромощный миниатюрный датчик LIS202DL, обладающий интеллектуальными функциями, предназначен для широкого использования, как в бытовой технике, так и для индустриальных применений.

Интеллектуальными возможностями акселерометр обладает благодаря встроенной в датчик интегральной схеме и фильтру высокой частоты, позволяющим реагировать и различать воздействие — одинарное или двойное прикосновение, определять движение (перемещение, поднятие). LIS202DL позволяет, например, отключить некстати звонящий в кармане телефон, не доставая его — одним касанием руки.

Подстраиваемые высокочастотные фильтры могут быть настроены на мониторинг вибрации или на активирование необходимых функций устройства через движение. Возможность реализации заданных функций по внешнему воздействию не зависит от того, в каком положении будет находиться исследуемый объект в момент измерений.

Датчик ST со встроенной функцией определения движения можно использовать для прекращения подачи энергии в устройство, которое может включаться или выключаться после передвижения (например, пульт ДУ).

Цифровой выход, реализованный в виде стандартных интерфейсов SPI/I 2 C (можно выбирать), делает датчик эффективным в использовании и легко интегрируемым в систему.

LIS202DL помещен в миниатюрный пластиковый корпус размерами 5х3х0,9 мм, который можно разместить практически в любом месте, ограниченном малыми размерами.

Микросхемы флеш-памяти eeprom серии 25xxx широко применяются в микроэлектронике. В частности, в современных телевизорах и материнских платах в 25xxx хранится прошивка биоса. Перепрошивка 25xxx осуществляется по интерфейсу SPI, в чем и заключается отличие этих микросхем от флеш-памяти семейства 24xxx, которые шьются по i2c(квадратная шина).

Соответственно, для чтения/стирания/записи 25xxx нужен SPI-программатор. Одним из самых дешевых вариантов программаторов для этой цели является USBasp, который стоит смешные деньги- с доставкой всего около 2$ на ебее. В свое время я купил себе такой для программирования микроконтроллеров. Теперь мне понадобилось прошить не микроконтроллер, а SPI-флеш и решено было им воспользоваться.

Забегая вперед скажу, что прошивка от Tifa работает, микросхемы 25xxx шьются. Кстати, кроме 25xxx, модифицированный программатор рассчитан на работу с 24xxx и Microwire.

1. Перепрошивка USBasp

Сначала нужно замкнуть контакты J2:

Лично я не просто замкнул, а впаял в контакты переключатель:

При замкнутых контактах J2 (это у меня переключатель в положении вправо) USBasp переходит в режим готовности к перепрошивке.

Сам себя USBap перепрошить не может, поэтому нужен еще один программатор. USBasp как бы оказывается в положении хирурга, который не может сам себе вырезать аппендикс и просит друга помочь. Для перепрошивки USBasp я использовал самодельный программатор AVR910 , но для одного раза можно по-быстрому за пару минут спаять программатор «5 проводков» , который состоит всего-лишь из одного разъема LPT и 5 резисторов.

Подключаем программатор к USBasp:



Теперь идем на форум альтернативной прошивки от Tifa, в самом верхнем посте находим и качаем архив с последней прошивкой и ПО.

Находим там файл mega8.hex, это и есть альтернативная прошивка для USBasp.

Запускаем CodeVisionAvr (я использую версию 2.0.5), выставляем настройки программатора: Settings-> Programmer.

Устанавливаем настройки записи: Tools->Chip programmer. Выбираем чип Atmega8L, именно такой стоит на USBasp. Фьюзы не выставляем- те, что надо, уже прошиты в чипе. Остальные настройки оставляем по умолчанию.

Стираем старую программу USBasp: Program-> Erase chip.

Открываем файл прошивки mega8.hex: File-> Load flash.

Перепрошиваем USBasp: Program-> Flash.

Если прошла запись и не выдало сообщение об ошибке, значит альтернативная прошивка благополучно прошита в USBasp. Теперь USBasp может не только шить AVR-микроконтроллеры, как раньше, но еще и работать с флеш-памятью. Размыкаем контакты J2, что бы USBasp снова перешел в режим программатора.

Теперь проверим, видит ли Windows 7 x86 этот программатор. Вставляем USBasp в USB и… система пишет «USBasp не удалось найти драйвер». Понятно, нужно установить драйвер. Но драйверов в скачанном на форуме нет, их нужно скачать на родном сайте USBasp , оригинальные драйвера подходят и для модифицированного программатора. Скачали, установили, Win7 увидела программатор, все ок. Впрочем, я программирую микроэлектронику на ноутбуке с WinXP, она тоже после установки драйверов видит программатор.

2. Площадка для подключения USBasp к микросхеме 25xxx DIP

Теперь нужно подготовить площадку для программирования 25xxx. Я это сделал на макетной плате по такой схеме:

3. Прошивка микросхем 25xxx через USBasp

Для прошивки 25xxx через модифицированный USBasp используется программа AsProgrammer, которая тоже есть в .

Для примера, поработаем с микросхемой Winbond 25×40. Запускаем AsProgrammer, ставим режим работы SPI и выбираем тип микросхемы: Микросхема-> SPI-> Winbond->…

… и видим, что W25X40 в списке нет. Что же, тогда заполним параметры микросхемы вручную. Находим мануал на Winbond 25X40 и там на странице 4 видим такие параметры:

Эти параметры вносим сюда:

Подключаем USBasp к компьютеру и микросхеме Winbond 25×40:

С помощью кнопок «прочитать», «записать», «стереть», проверяем работу программатора:

Только нужно учесть, что перед тем, как что-то записать в микросхему, сначала нужно выставить: Настройки-> Проверка записи, что бы после записи прошивки в микросхему была выполнена проверка на соответствие того, что писали тому, что в итоге записали. Это немаловажная вещь, потому что если прошивку делать не на очищенный чип, в него запишется чёрт-те что. Поэтому сначала нужно стереть микросхему, а затем только проводить ее запись.

Благодаря прошивке от Tifa дешевый китайский программатор USBasp теперь умеет работать с микросхемами flash-памяти eeprom 25xxx. Теоретически еще может работать c 24xxx и Microwire, но я проверил только работу с 25xxx.

UPD1:
Оказывается, такую же прошивку можно записать и в программатор AVR910. Тогда он тоже будет работать с flash-памятью 25xxx: