Восстановление данных с флеш-носителей (стр. 2 из 8)

Чтение, запись, стирание простейшей ячейки

Рассмотрим простейшую ячейку флеш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NOR архитектурой, а также в микросхемах EPROM. Поведение транзистора зависит от количества электронов на "плавающем" затворе. "Плавающий" затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение.[3]

Рис.2 Чтение при отсутствии заряда[3]	Чтение при отсутствии зарядаПри чтении, в отсутствие заряда на "плавающем" затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.
Чтение при наличии зарядаНаличие заряда на "плавающем" затворе меняет вольтамперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.	Рис.3 Чтение при отсутствии заряда[3]
Рис.4Запись[3]	ЗаписьПри программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). "Горячие" электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольтамперные характеристики транзистора. Такие электроны называют "горячими" за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика.
СтираниеПри стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.	Рис.5Стирание[3]

Многоуровневые ячейки

Рис. 6 Одноуровневая и многоуровневая ячейка

Через несколько лет после выпуска флеш-дисков были проведены успешные испытания микросхем, в которых ячейка хранила уже два бита. На такую память можно было записать в два раза больше информации. В настоящее время уже

существуют теоретические разработки памяти с четырехбитными ячейками. В микросхеме с MLC (MultiLevel Cell) существует различие величин заряда, которые накапливаются на “плавающем” затворе. Благодаря этому различию, информация в ячейке может быть представлена различными битовыми комбинациями, то есть в отличие от "обычной" флеш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещённых на "плавающий" затвор, и, соответственно, большее число состояний. При этом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений бит. Величину заряда на затворе можно определить измерением порогового напряжения транзистора и по итогам этого измерения представить битовую комбинацию. В настоящее время многие компании находятся в поисках предельного числа бит, которое способна хранить многоуровневая ячейка. Во время записи на "плавающий" затвор помещается количество заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда на "плавающем" затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную последовательность бит. Микросхемы с MLC нашли своё применение в технологии IntelStrataflash.[2]

Доступ к флеш-памяти

Различают три метода доступа к микросхеме: обычный, пакетный и страничный. Все они используются в зависимости от ситуации, так как отличаются по скорости доступа, имеют свои преимущества и недостатки.

-Обычный доступ (Conventional). Произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти. Используется в тех ситуациях, когда необходимо считать малое количество информации с микросхемы памяти.

-Пакетный (Burst). Синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 бита за один раз. После чтения информации в буфер происходит синхронизация блоков, и, в конечном итоге, данные передаются уже последовательно. Преимущество перед обычным типом доступа - быстрое последовательное чтение данных. Недостаток - медленный доступ при чтении определённых ячеек памяти.

-Страничный (Page). По принципу напоминает пакетный вид, но данные принимаются асинхронно, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества - очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток - относительно медленное переключение между блоками.

В последнее время появились микросхемы флеш-памяти, позволяющие одновременную запись и стирание (RWW - Read While Write или Simultaneous R/W) в разные банки памяти.

Архитектура флеш-памяти

Существует несколько типов архитектур (организаций соединений между ячейками) флеш-памяти. Наиболее распространёнными в настоящее время являются микросхемы с организацией NOR и NAND.

NOR

Название NOR ведет свою родословную от логической операции Not OR (не «или»): если хотя бы один из транзисторов, подключенных к линии битов, включен, то считывается "0". NOR-Ячейки работают сходным с EPROM способом. Каждый транзистор-ячейка подключен к трем линиям: Word Line (линия слов), Select Line (линия выборки) и Bit Line (линия бит). Выборка осуществляется путем подачи высокого напряжения на Word Line, подключенную к затвору, и наблюдения за разницей потенциалов между Select Line (исток) и Bit Line (сток). Если на плавающем затворе находилось достаточное количество электронов, то их отрицательное поле препятствовало протеканию тока между истоком и стоком и напряжение оставалось высоким. Такое состояние полагается в терминах флеш-памяти нулем, в противоположном случае считывается единица.

Интерфейс - параллельный. Возможно как произвольное чтение, так и запись.

Программирование - методом инжекции "горячих" электронов.

Стирание - методом туннеллирования Фаулера-Нордхейма.

Преимущества - быстрый произвольный доступ, возможность побайтной записи. Недостатки - относительно медленная запись и стирание.

Основные производители: AMD, Intel, Sharp, Micron, Ti, Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, SGS-Thomson, STMicroelectronics, SST, Samsung, Winbond, Macronix, NEC, UMC.

Из двух типов имеет наибольший размер ячейки, а потому плохо масштабируется. Единственный тип памяти, работающий на двух разных напряжениях. Идеально подходит для хранения кода программ (PC BIOS, сотовые телефоны), представляет собой идеальную замену обычному EEPROM.

NAND

NAND является более выгодным, с точки зрения экономии пространства, способом организации ячеек. Транзисторы подключаются к битовым линиям группами, то есть последовательно. Если все транзисторы группы открыты, включены, Bit Line заземляется, напряжение между ней и Word Line падает до нуля: срабатывает логика Not AND (не «и») - если все элементы равны 1, то выдается 0. Правда, считывание затруднено вследствие падения напряжения на гирлянде транзисторов, однако скорость обращения повышается за счет адресации сразу целой группы битов. При произвольном доступе достоинство превращается в недостаток, и NAND-чипы обычно отличаются от NOR наличием дополнительного внутреннего кэша. Учитывая всё вышесказанное, NAND-память представляет собой наиболее подходящий тип памяти для устройств, ориентированных на блочный обмен: MP3 плееров, цифровых камер и в качестве заменителя жёстких дисков.[5]

Рис.8 Архитектура NOR[12]

Доступ - произвольный, но небольшими блоками, которые можно рассматривать как кластеры жёсткого диска.

Интерфейс – последовательный, произвольное чтение и запись невозможны. Не очень подходит для задач, требующих произвольного доступа к данным.

Преимущества – запись и стирание информации осуществляются на высокой скорости, размер блока небольшой.

Недостатки - относительно медленный произвольный доступ, невозможность побайтной записи, необходимость использовать внутренний кэш.

Основные производители - Toshiba, AMD/Fujitsu, Samsung, National, Mitsubishi.

Программирование - туннеллированием Фаулера-Нордхейма, в отличие от NOR-памяти.

Стирание - туннеллированием Фаулера-Нордхейма, в этом сходство с NOR-памятью.

Развитие технологии флеш-памяти происходит, в основном, в области совершенствования конструкции ячеек. Так, появились варианты с двумя транзисторами: один из пары является обыкновенным транзистором, изолирующим ячейку от Word Line. Благодаря этому удалось избавиться от паразитных перекрестных наводок, возникающих при стирании одной из страниц данных, а также снизить напряжение программирования. Причем второй транзистор занимает совсем немного места, поскольку он лишен функции запоминающего "конденсатора" и большого плавающего затвора.

Типы карт памяти

CompactFlash