Организация NAND

Организация NAND является более выгодной, 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.

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 флэш-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.

Архитектура флэш-диска.
Персональный компьютер, его операционная система MS Windows, «видит» карту флэш–памяти PC card, как обычный сменный накопитель — вроде съемного винчестера.
По архитектуре флэш диски (ФД) можно разделить на две большие группы: интеллектуальные, со встроенным микроконтроллером, и без него, то есть неинтеллектуальные. Структурные схемы обоих типов, естественно, имеют общие черты. ФД неинтеллектуального типа содержит интерфейс системной шины, контроллер памяти, генератор напряжения программирования и собственно массив ячеек памяти. Основным узлом является контроллер памяти, работающий под управлением программы FFS и формирующий все внутренние управляющие сигналы. Контроллер чередования позволяет значительно увеличить пиковую скорость записи, что всегда актуально, а для флэш просто необходимо. Он осуществляет попеременный выбор нескольких кристаллов флэш памяти при записи последовательных байт сектора. Выбор осуществляется таким образом, чтобы каждый следующий байт записывался в другой кристалл, т. е. сектор данных распределяется среди нескольких кристаллов, что ускоряет запись в несколько раз. Смысл чередования заключается в том, что запись данных осуществляется параллельно в нескольких корпусах, и соответственно во столько же раз уменьшается суммарное время программирования всего сектора. Однако применение чередования имеет и минусы - увеличение в несколько раз величины блока стирания, что вынуждает FFS интенсивнее проводить сборку мусора. В результате повышаются накладные расходы и возможно уменьшение средней скорости записи и время выполнения команды ввода/вывода. Генератор напряжения VPP (Voltage Programming Pulse) формирует напряжение программирования для флэш-памяти. В современных ФД могут использоваться кристаллы флэш памяти (ФП) с напряжением программирования +5/+12B, хотя существует ФП, которая работает при обоих значениях напряжения. Но скорость записи/стирания при повышенном напряжении значительно выше, чем при пониженном напряжении. Но и энергии потребляется при этом несколько больше. В качестве генератора напряжения программирования обычно используются преобразователи напряжения, так называемые DC/DC-конвертеры. Они имеют вход управления выходным напряжением. Выключенный генератор напряжения программирования обеспечивает дополнительную защиту от несанкционированного изменения содержимого ФП, когда не выполняется операция записи сектора. В некоторых дисках применяются генераторы контрольного кода. Причины и особенности их применения рассмотрим ниже. Упомянем только, что контрольный код можно формировать двумя способами: аппаратно или программно. Первый способ более быстрый, но он увеличивает стоимость диска. При втором способе вся нагрузка по генерации контрольного кода при записи и чтении данных ложится на операционную систему, что требует соответствующих ресурсов, зато это несколько дешевле. Исправление же обнаруженных ошибок в обоих случаях производится операционной системой.

ФД интеллектуального типа отличается наличием встроенного микроконтроллера, который имеет собственные ОЗУ, ПЗУ и выполняет программу FFS. Такой накопитель имеет интерфейс дискового устройства, электрически и логически эмулирующий для центральной системы устройство памяти с интерфейсом IDE или SCSI, и "откликается" на стандартные процедуры BIOS. Его особенностью является то, что весь обмен данными между оперативной памятью и массивом ФП осуществляется только через буферное ОЗУ, а у неинтеллектуальных ФД - непосредственно. При использовании подобной архитектуры загрузка центрального процессора и системной шины минимальна и обусловлена практически только пересылкой сектора данных между ОЗУ системы и буферным ОЗУ. Выполнение программы FFS, пересылка блока данных для массива ФП, сборка мусора, формирование контрольного кода и исправление обнаруженных ошибок скрыты от центрального процессора. Существует еще одно положительное свойство. В этом случае программа FFS не занимает оперативной памяти.
Теперь о недостатках. Встроенный контроллер повышает стоимость ФД и, главное, занимает драгоценное место в накопителе. Быстродействие же его, по сравнению с центральным процессором, значительно меньше. Соответственно, и время выполнения команд программы FFS, обнаружение и исправление ошибок медленнее. Во-вторых, вся передача секторов данных осуществляется в два приема с использованием буферного ОЗУ. Последний вопрос архитектуры ФД связан с применением методов сжатия данных. Несколько лет назад этот вопрос был актуальным для жестких дисков, и выход тогда был найден в применении принципа сжатия информации с использованием отдельных утилит либо системных драйверов, обеспечивающих сжатие всех записываемых на диск данных. В последнем случае при чтении данных с диска этот же драйвер обеспечивает восстановление исходных данных в первоначальном виде. Единственный видимый недостаток выражается в некотором замедлении работы с диском, что, однако, быстро компенсируется возрастающей мощностью центральных процессоров. Для флэш-диска вопрос применения сжатия информации является одним из самых актуальных - емкости существующих накопителей недостаточно велики, чего никак нельзя сказать об их стоимости, да и скорость записи данных пока оставляет желать лучшего. Применение сжатия информации, конечно, не увеличит емкость диска, но зато уменьшит достаточно высокую стоимость ее хранения. Существует еще одно, более важное основание для применения сжатия. Это возможность увеличения скорости записи. Конечно, физически скорость записи не изменится. Но если скорость рассматривать как соотношение величины переданной на ФД информации ко времени записи, то, безусловно, она возрастет. Для флэш-диска могут быть реализованы два варианта сжатия. В первом случае сжатие данных производится на уровне сектора, причем уменьшается только количество записываемых в сектор данных, сама же величина сектора остается неизменной. Тогда имеется только выигрыш по скорости записи данных, но не по объему запоминаемой информации. Во втором случае сжатие данных применяется уже на системном, файловом уровне. Это приводит к увеличению и пропускной способности флэш-диска, и количества запоминаемой информации.