Pamięć Flash jest obecnie najczęściej używanym rodzajem pamięci nieulotnej. Pamięć Flash typu NAND została zoptymalizowana pod kątem przechowywania plików, mając na celu zastąpienie tradycyjnych dysków twardych. Niniejszy artykuł omawia zasadę działania pamięci Flash oraz wpływ kontrolera na optymalizację wydajności i czasu życia takiej pamięci.

 

Czym jest pamięć Flash?

Podstawowym elementem pamiętającym wykorzystywanym w pamięci Flash jest zmodyfikowany tranzystor. W standardowym tranzystorze przepływ prądu w kanale między dwoma kontaktami jest włączony napięciem przyłożonym do trzeciego kontaktu – metalowej bramki znajdującej się nad kanałem, która jest oddzielona od niego izolującą warstwą tlenku. W komórce pamięci Flash obecna jest ponadto dodatkowo bramka izolowana elektrycznie. Tzw. „pływająca”. Znajduje się ona między bramką sterującą i kanałem, co widać na rys. 1.

 

Programowanie komórki Flash

Komórka pamięci Flash jest programowana za pomocą wysokiego napięcia przyłożonego do bramki sterującej. To sprawia, że elektrony przepływają przez warstwę tlenku pływającej bramki – jest to tzw. proces tunelowania. Obecność elektronów w pływającej bramce zmienia napięcie sterujące potrzebne do włączenia tranzystora. Wyzerowana komórka (bez ładunku  pływającej bramce) włączy się i będzie przedstawiać wartość logiczną 1, natomiast zaprogramowania komórka nie włączy się i będzie przedstawiać logiczne 0.

Ponieważ pływająca bramka jest otoczona warstwami izolującymi, utrzyma ładunek elektryczny również po odłączeniu zasilania. Dzięki temu pamięć jest nieulotna.

Zerowanie komórki polega na odwróceniu tego procesu – przyłożenie wysokiego napięcia ujemnego do bramki sterującej, co zmusza elektrony do tunelowania poza pływającą bramkę.

 

Struktura matrycy Flash

Komórki pamięci Flash są zorganizowane w hierarchii pokazanej na rys. 2, która zapewnia efektywny dostęp do wielu bitów. Pewna liczba komórek, typowo od 32 do 128, jest połączona w łańcuch. Łańcuchy są natomiast zorganizowane w bloki. Każdy łańcuch w bloku jest połączony z osobną linią bitów, a bramka każdej komórki w łańcuchu jest połączona z linią słowa. Linia słowa jest połączona z każdą komórką umieszczoną na tej samej pozycji w różnych łańcuchach i określa „stronę” w obrębie bloku. Strona jest minimalnym rozmiarem dostępnym dla operacji zapisu i odczytu. Blok jest najmniejszym rozmiarem dla operacji zerowania.

Wiele bloków można połączyć przy użyciu buforów danych i układów sterujących, tworząc warstwę (plane). Kompletne kości pamięci Flash zawierają jedną lub wiele warstw. W przypadku kości wielowarstwowych zazwyczaj można wykonywać operacje zapisu i odczytu na wielu warstwach jednocześnie, zwiększając sumaryczną wydajność.

Dane są odczytywane poprzez przyłożenie niskiego napięcia na linii słowa strony, która ma zostać odczytana. Wówczas dane te pojawią się na liniach bitów.

Aby zaprogramować komórki w bloku, dane są wprowadzane na linie bitów, a następnie wysokie napięcie zostaje przyłożone do linii słowa odpowiedniej strony. Ponieważ programowanie może jedynie zmienić stan komórki z 1 na 0, przy próbie zaprogramowania 1 komórki pozostaną w dotychczasowym stanie, jakikolwiek on by nie był. Z tego powodu wszystkie komórki muszą być wyzerowane przed zapisem. Takie postępowanie zapewnia, że wszystkie komórki, które nie zostaną zaprogramowane, już zawierają 1.

Jeśli komórki zawierają już dane, wówczas dane te trzeba odczytać z bloku, połączyć z nowymi danymi i następnie zaprogramować w nowym, wyzerowanym bloku. Blok, z którego dane zostały skopiowane, jest wówczas gotowy do powtórnego użycia po wyzerowaniu.

 

Komórki wielowartościowe

Powyższy opis dotyczy komórek przechowujących pojedyncze wartości binarne, 0 lub 1. Możliwe jest jednak wprowadzenie różnej ilości ładunku do pływającej bramki, przez co pojedyncza komórka reprezentuje wiele wartości. Komórka dwuwartościowa (multi-level cell, MLC) wykorzystuje cztery różne wartości, aby przechowywać dwa bity. Z kolei komórka trójwartościowa (TLC) wykorzystuje 8 różnych poziomów do przechowywania 3 bitów naraz. To pozwala zmieścić więcej danych w macierzy, obniżając koszt pojedynczego bitu. Jednak powoduje to spadek wydajności, ponieważ napięcia podczas programowania i odczytu muszą być dokładniej kontrolowane. Z tego samego poziomu pamięć Flash MLC jest bardziej podatna na błędy.

 

Pamięć Flash 3D

Pamięć 3D jest nowym rozwiązaniem, które pozwala w dalszym stopniu zwiększyć gęstość opakowania i obniżyć koszt w stosunku do pojemności pamięci Flash. Polega ono na wykorzystaniu trójwymiarowej struktury układu zamiast struktury powierzchniowej. Rzędy komórek pamięci są rozmieszczone pionowo w krzemie, co pozwala zmieścić wielokrotnie więcej bitów na tej samej powierzchni. Tworzenie pamięci Flash 3D wiąże się z kilkoma trudnościami technicznymi, jednak rozwiązania ta są już wykorzystywane do tworzenia układów o bardzo wysokiej pojemności.

 

Kontroler Flash

Kontroler pamięci Flash stanowi interfejs między systemem hosta a układami pamięci. Pełni liczne funkcje, w tym mapowanie adresu dostarczonego przez hosta na konkretne komórki w pamięci Flash. Ponadto musi przeciwdziałać naturalnym wadom tej technologii.

 

Detekcja i korekcja błędów

Z powodu możliwości wystąpienia błędów podczas odczytu danych z matrycy Flash, kontroler podczas zapisu dodaje kilka bitów, które stanowią sumę kontrolną (ECC). Suma kontrolna jest odczytywana razem z danymi. Zastosowanie kodów korekcyjnych pozwala na korekcję pojedynczych nieprawidłowych bitów oraz detekcję błędu występującego na wielu bitach.

 

Naturalne wady technologii Flash

Jedną z wad pamięci Flash jest ograniczona liczba cykli zapisu i zerowania. Stosowanie wysokich napięć prowadzi do stopniowego uszkodzenia komórek, które z czasem są coraz trudniejsze do zaprogramowania i wyzerowania. Uszkodzenie warstw izolujących wokół pływającej bramki skraca również czas, przez jaki dane mogą zostać utrzymane. To ogranicza żywotność pamięci Flash do około 100.000 cykli, lub mniej w przypadku komórek MLC.

Czas życia pamięci Flash można zmaksymalizować zapewniając, że liczba cykli zapisu i zerowania dla wszystkich bloków jest taka sama – dzięki temu zużycie pamięci jest rozłożone równomiernie. Aby to zrealizować, kontroler pamięci musi przechowywać informacje o zużyciu bloków i wybierać najlepszy blok na zapisanie nowych danych.

Napięcia potrzebne do zapisu i odczytu komórek mogą powodować niewielkie zmiany ładunku z sąsiednich komórkach, w końcu doprowadzając do wystąpienia błędów przy odczycie. Jest to efekt chwilowy, który zostaje naprawiony przy kolejnym zapisie danych do komórki. Kontroler pamięci może odświeżyć zawartość komórki, aby zapobiec utracie danych. Może to robić regularnie lub w przypadku wykrycia zbyt wielu błędów.

Podobnie jak w każdym układzie pamięci, może pojawić się pewna liczba bloków, które nie będą działały poprawnie z powodu defektów czy rozrzutu procesu produkcji. Pewne bloki ulegną też awarii z biegiem czasu – można je wykryć, jeśli kody korekcyjne nie wykażą poprawy po zapisaniu nowych danych. Kontroler musi zapamiętywać te bloki i zmienić sposób zapisu danych w matrycy, aby uniknąć użycia wadliwych bloków.

Kontroler zarządza przechowywaniem danych i maskuje nieuniknione wady technologii NAND Flash z punktu widzenia hosta. Tym samym maksymalizuje wydajność i czas życia pamięci Flash. Jest to dobre  rozwiązanie do masowych systemów magazynowania danych, które wymagają wysokiej niezawodności.

 

 

 

 

=======================

 

 

wiki

 

• bramka NOT
• bramka AND
• bramka NAND (-AND)
• bramka OR
• bramka NOR
• bramka XOR (NEQ)
• bramka XNOR
• bramka trójstanowa

https://pl.wikipedia.org/wiki/Bramka_logiczna 

--

podstawa Flash:

Bramki NAND wytwarzane są w technologii CMOS i TTL.

• 
  schemat bramki NAND CMOS

 

• 
  schemat bramki NAND TTL

 

• 

• budowa bramki NAND CMOS

https://pl.wikipedia.org/wiki/Bramka_NAND 

 

 

 ========================

 

https://drgoralski.pl/lectures/wsm/ask/4/Flash/PamieciFlash.pdf 

 

 

Pamięć flash i dyski SSD Pamięci ROM 2 ROM (Read-Only Memory) EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) PROM (Programmable ReadOnly Memory) EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory) • Programowalna pamięć trwała kasowalna światłem ultrafioletowym • Programowalna pamięć trwała kasowalna sygnałem elektrycznym Budowa komórki pamięci FLASH 3 4 Zasada działania pamięci FLASH • Komórka pamięci Flash składa się z tranzystora, który pomiędzy podłożem, a bramką sterującą (Control Gate - CG) posiada odizolowaną bramkę pływającą (Floating Gate - FG). – Zasada działania opiera się na przechowywaniu informacji w tranzystorach polowych MOSFET. • Zwykły tranzystor składa się ze źródła i drenu - półprzewodnika typu N+ (P+) oddzielonego półprzewodnikiem typu P (N) nad którym umieszczona jest elektroda - bramka. – Jeśli napięcie bramki jest równe napięciu podłoża - nie występuje pole elektryczne w półprzewodniku typu P (N) i nie będzie płynął prąd od rdzenia do drenu - tranzystor jest wyłączony. – Przyłożenie napięci do bramki wywołuje pole elektryczne w półprzewodniku typu P (N) i wytworzenie w nim obszaru o tym samym typie co źródło i dren. Tranzystor jest włączony. • Tranzystor tego typu pobiera prąd tylko w momencie przełączania stanu. – Raz umieszczone elektrony na FG mogą pozostać tam przez wiele lat, pamiętając zaprogramowany stan. 5 Odczyt/zapis komórki FLASH • Zmiana jedynki na zero – Czysta komórka pamięci Flash posiada nienaładowaną FG, co odpowiadabinarnej jedynce. – Przykładając wysokie napięcie (12 V) elektrony "wskoczą" na FG i zostanie zaprogramowane binarne zero. • W celu poprawy szybkości zapisu przykłada się krótkie impulsy, anastępnie sprawdza czy wartość została poprawnie zapisana. – Udało się dzięki temu skrócić czas zapisu komórki do kilkudziesięciu nanosekund,czas ten nie jest jednak deterministyczny. • Odczyt – Odczyt polega na przyłożeniu napięcia do bramki sterującej CG i w zależność od stanu naładowania FG tranzystor będzie przewodził lub nie. • Czyszczenie pamięci – Przyłożenie wysokiego napięcia o odwrotnej polaryzacji powoduje wyczyszczenie zawartości komórki, – Impuls prądu o natężeniu blisko 200 A przypomina ten przepływający przez lampę błyskową i stąd nazwa pamięci. – Kasowanie jest możliwe tylko blokami po kilka tysięcy bitów. • Cykl programowania-zapisywanie (Program/Erase - P/E) może zostać powtórzony maksymalnie od 10 000 do 1 000 000 razy. Po tym czasie zużyta pamięć ulega uszkodzeniu. 6 PAMIĘĆ NOR I NAND NOR • Komórki pamięci typu NOR są połączone równolegle (bit line – linia bitu, linia pionowa). Dzięki temu możliwy jest dostęp do pojedynczej komórki. • Wadą jest złożona struktura układu pamięci oraz zajmowanie dużego miejsca. Jest też kosztowna. 8 NAND • Komórki pamięci typu NAND są połączone szeregowo (Word Line - Linia słowa lub linia pozioma). Dzięki temu możliwy jest tylko dostęp do całego bloku danych. 8 9 Pamięć FLASH EEPROM Właściwości Pamięć na bramkach NOR Pamięć na bramkach NAND Dostęp do pamięci Bezpośredni Sekwencyjny Czas zapisu Długi Krótszy Czas kasowania Długi Krótszy Trwałość 10 000 – 100 000 cykli zapisu/odczytu 100 000 – 1 000 000 cykli zapisu/odczytu Stosunek ceny do wielkości Gorszy Korzystniejszy Zastosowanie Firmware różnych urządzeń Pamięć masowa 10 Organizacja bloków • Oprócz pamięci na dane współczesne układy posiadają oddzielne kilka bajtów na każdy blok do przechowywania sum kontrolnych (Error Correction Code - ECC). Typowe rozmiary stron i bloków współczesnych pamięci NAND wynoszą: – 32 strony x 512 B + 16 B na ECC = blok 16 kB – 64 strony x 2048 B + 64 B na ECC = blok 128 kB – 64 strony x 4096 B + 128 B na ECC = blok 256 kB – 128 stron x 4096 B + 128 B na ECC = blok 512 kB Stany napięć w komórce Pamięć FLASH SLC Single-Level Cell (1 bit – 2 stany) MLC Multi-Level Cell MLC (2 bity – 4 stany) MLC (3 bity – 8 stanów) MLC (4 bity– 16 stanów) 11 12 SLC a MLC • SLC • Single-Level Cell (pojedynczy bit w kilku komórkach) • SLC zapewnia wysoką niezawodność i odporność na błędy. • Ma niższą gęstość zapisu, szybszy czas odczytu i dłuższą żywotność. Jest też odporny na szerszy zakres temperatur. • MLC • Multi-Level Cell (wiele bitów w jednej komórce) • MLC wykorzystuje naładowanie bramki pływającej FG do poziomów pośrednich. – 4 poziomy - 0, 1/3, 2/3 i 1 umożliwiają zapisanie 2 bitów w jednej komórce. – 8 poziomy - 0, 1/7, 2/7, 3/7, 4/7, 5/7, 6/7 i 1 umożliwiają zapisanie 3 bitów w jednej komórce. • Pamięci MLC mają 2-3 krotnie wyższą gęstość zapisu, wolniejszy czas odczytu o kilkadziesiąt procent i 10-krotnie mniejszą żywotność w porównaniu do SLC. MLC są też podatne na błędy i gubienie informacji przy zmianach temperatur. SLC i MLC 13 Skala miniaturyzacji pamięci Flash 14 15 Problemy • Komórka do zapisu danych musi być pusta – nie może zawierać żadnych danych. • Trzeba skasować jej zawartość – Skasować można tylko cały blok komórek. – Kasowanie trwa dłużej niż zapis/odczyt • Zapis trzeba skoordynować z kasowaniem. – Plik aktualizowany i nadpisywany trzeba zaznaczyć jako usunięty, a nowy umieścić w innym miejscu. – Niekiedy konieczna defragmentacja wewnętrzna, by mieć odpowiednio duży blok do zapisu. – Ograniczona ilość skasowań komórki. 16 Rozwiązania • Kontroler rozdziela równomiernie operacje zapisu na całą przestrzeń nośnika. – Równoważenie zużycia (wear levelling) • Nośnik dysponuje obszernym buforem, gdzie dane są układane w odpowiednie struktury przed zapisem. • Nie ma sensu defragmentowanie nośnika Flash. Rodzaje pamięci FLASH Karty pamięci Pendrive Dysk SSD 17 18 Karta pamięci • Pamięć Flash w postaci niewielkiej karty zawierającej do kilkudziesięciu/kilkuset GB pamięci. • Stosowana w aparatach fotograficznych, telefonach komórkowych, smartfonach, tabletach i innych urządzeniach audiowizualnych. 21 Karty pamięci MMC MultiMedia Card SD Secure Digital SM SmartMedia miniSD CF CompactFlash SDHC Secure Digital High Capability SDXC Secure Digital Extended Capability microSD xD MS xD Picture Card Memory Stick Memory Stick PRO Duo Memory Stick Micro Memory Stick Duo Przykładowe karty 20 Dyski SSD 21 Budowa dysku SSD 22 23 Dysk SSD • Dysk SSD to twardy dysk wykorzystujący pamięć typu FLASH do zapisu danych. • Fizycznie wygląda i zachowuje się jak twardy dysk, ale wewnątrz jest pełen komórek EEPROM. 24 Porównanie SSD i HDD • Dyski SSD są całkowicie pozbawione ruchomych części – Jako nośnik wykorzystują układy pamięci flash. – Są odporne na uszkodzenia mechaniczne. – Działa bezszelestnie – Oferują krótki czas dostępu, <1ms (max. kilku ms). – Stała prędkość odczytu w większości przypadków. Kontroler dysku SSD 25 Zalety i wady dysków SSD • Niska pojemność przy relatywnie dużym koszcie gigabajta. • Rzadko wykorzystywane do archiwizowania danych. • Pamięci zewnętrzne wykorzystujące nośnik SSD. – Szybki interfejs USB 3.# (>650 MB/s). • Główny nośnik z systemem i kilkoma najważniejszymi aplikacjami. – Często pojemności 1TB, 2TB i 4TB – Czasem drugi dysk tradycyjny na dane – Płyta główna z interfejsem SATA II lub nowszym • Laptopy • Największa różnica w prędkości pracy przy zmianie dysku HDD na SSD. – Dyski HDD laptopów są bardzo wolne (5400 obr./min i transfer 60-80 MB/s). – Odporność na uszkodzenia powstałe w trakcieruchu – Szeroki zakres temperatur pracy • Desktopy – W desktopach dysk wymaga szybkiej i nowoczesnej płyty głównej. • Wady – Jak się psuje to bywa że gwałtownie, dyski HDD zazwyczaj powoli. 31 27 Dyski hybrydowe • HHD (Hybrid Hard Disk) • Dysk hybrydowy to połączenie w jednej obudowie dysku SSD i tradycyjnego HDD. • Dane często odczytywane i rzadko zapisywane (np. pliki wykonywalne, biblioteki) są umieszczone na SSD a dokumenty i pliki często edytowalne są lokowane na HDD. • HHD posiada system samouczący się, który analizuje wykorzystanie plików i odpowiednie sam kopiuje do SSD. – MS Windows startuje z dysku. Pliki systemowe kopiowane są na SSD i przy powtórnym użyciu ich są dużo szybciej wysyłane. Były stosowane takie rozwiązania 28 Dyski HHD 29 30 Współpraca dysków HDD i SSD • Najlepszą opcją jest posiadanie różnych rozwiązań np. 2 dysków: po jednym z każdego typu. • Na dysku SSD najlepiej zainstalować system operacyjny i najważniejsze aplikacje – SSD umożliwi szybki rozruch i dostęp do danych • Na dodatkowych dyskach HDD np. >10TB można trzymać duże zbiory danych (filmy, zdjęcia) i rzadziej używane aplikacje.

 

 

 

====================

 

https://picockpit.com/raspberry-pi/pl/czesc-2-jak-pracuje-pamiec-flash/ 

 

Część 2 - Jak działa pamięć flash?

 

 

 

 

https://picockpit.com/raspberry-pi/pl/czesc-2-jak-pracuje-pamiec-flash/