Błyskawiczne pamięci

Wraz z rozwojem technologii pamięci błyskowe znajdują coraz więcej zastosowań.

Wraz z rozwojem technologii pamięci błyskowe znajdują coraz więcej zastosowań.

Pamięci błyskowe (Flash Memory) są układami umożliwiającymi pamiętanie danych bez konieczności podtrzymywania zasilania, które pozwalają na wielokrotne zapisywanie/kasowanie informacji. Pod tym względem przypominają one układy EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memories), ale oferują obecnie niższą gęstość zapisu, są większe, a struktura danych wymaga ich zapisu w postaci bloków, co powoduje, że są szybsze niż EEPROM (stąd wzięła się nazwa "flash memory" - pamięć błyskowa).

Układy pamięci błyskowych znajdują zastosowanie w produkcji sprzętu elektronicznego powszechnego użytku, do przechowywania łatwo modyfikowalnych informacji np. o konfiguracji lub parametrach produktu. W komputerach PC są one obecnie wykorzystywane przede wszystkim jako pamięć z systemem BIOS, a w notebookach w postaci kart PC Card (PCMCIA) służących do zapisu i przechowywania danych w sposób podobny jak na dysku magnetycznym. Tego typu karty pamięciowe są też stosowane np. w cyfrowych fotoaparatach do przechowywania zdjęć lub bezprzewodowych telefonach. Karty takie mają niski pobór mocy i są odporne na uszkodzenia.

Technologia wytwarzania pamięci błyskowych jest rozwijana przez Intela, AMD, Samsunga, National Semiconductors, Toshibę i inne firmy, a więc praktycznie przez wszystkich liczących się producentów układów półprzewodnikowych. Wraz z rozwojem technologii wzrasta też popularność i zakres zastosowań tego typu układów.

Pamięć flash od środka

Komórka pamięci błyskowej jest tranzystorem z dodatkową bramką. Architektura układów różnych producentów różni się, ale podstawowe zasady działania są zbliżone. Dodatkowym elementem jest tzw. bramka przepływowa ("floating gate"), która jest wykorzystywana do gromadzenia i trwałego przechowywania ładunku. Jest ona izolowana od pozostałych elektrod (źródło, dren i bramka sterująca) przez cienkie warstwy tlenku krzemu. Gdy do bramki sterującej przyłożone zostanie odpowiednio duże napięcie w stosunku do elektrody źródła, bramka przepływowa zostaje naładowana przez elektrony wprowadzone w procesie tzw. kanałowej iniekcji gorących elektronów ("channel hot electron injection"). Naładowanie komórki pamięci błyskowej oznacza, że przechowuje ona wartość zero. Uziemienie bramki sterującej po przyłożeniu napięcia do elektrody źródła powoduje usunięcie ładunku z komórki i zapisanie w ten sposób wartości logicznej jedynki.

Niestety, usuwanie wartości w komórkach pamięci nie jest równie szybkie, jak to sugeruje nazwa technologii (flash - błysk). Głównym powodem jest korzystanie z relatywnie wysokiego napięcia (ok. 10-20 V), które powoduje, że w układzie wymagany jest przepływ prądu o stosunkowo dużej wartości. Wytrzymałość termiczna układu ogranicza możliwość przyspieszenia odprowadzenia ładunków.

Ponieważ pamięć flash jest wciąż nowym rozwiązaniem, większość jej producentów korzysta z różnego typu nie zawsze zgodnych rozwiązań, np. różnej polaryzacji napięć sterujących.

NOR czy NAND

Na światowym rynku obecne są dwa podstawowe typy pamięci błyskowych - NOR i NAND. Głównymi producentami układów NOR są Intel oraz AMD. NOR organizuje komórki pamięci w równoległe grupy, co pozwala uzyskać jednoczesny dostęp do wielu komórek. Pamięć zapewnia zatem szybszy dostęp do danych, ale jej równoległa struktura redukuje możliwą gęstość upakowania elementów. Jest ona wykorzystywana w kartach pamięciowych, programowalnych mikrokontrolerach oraz jako pamięć BIOS w komputerach.

Pamięć typu NAND jest wytwarzana m.in. przez National Semiconductor, Samsunga i Toshibę. W rozwiązaniu tym komórki pamięci połączone są szeregowo z jedną bramką wyboru odpowiadającą za kilka bramek kontrolnych i szeregowym połączeniem do bramek kontrolnych w grupach bramek. W efekcie pamięć NAND oferuje znacznie wolniejszy dostęp, ale w związku z mniejszym rozmiarem komórek umożliwia gęstsze ich upakowanie.

Zastosowanie

Początkowo uważano, iż trwała, energooszczędna pamięć znajdzie zastosowanie głównie w komputerach. Miała ona zastąpić dyski w komputerach przenośnych. Obecnie powszechne zastosowanie pamięć błyskowa znalazła w miniaturowych kartach PC Card (PCMCIA). Jest także wykorzystywana w komputerach PC do przechowywania systemu BIOS, jako alternatywa dla układów ROM BIOS. Umożliwia to elektroniczne przeprogramowanie BIOS bez potrzeby wymieniania układów. W urządzeniach sieciowych - koncentratory, routery, modemy oraz sprzęcie typu włącz i używaj służy ona do przechowywania danych konfiguracyjnych.

Producenci pamięci błyskowych znaleźli także inny rynek zbytu dla swych produktów. Karty pamięci błyskowej zaczęto używać w systemach gromadzenia danych dla urządzeń przenośnych - osobistych asystentów, dyktafonów, cyfrowych aparatów fotograficznych, telefonów komórkowych, pagerów, automatycznych sekretarek, drukarek itd.

Rzut oka w przyszłość

Technologia pamięci błyskowych przeżywa w ostatnich latach wiele zmian. Zmniejsza się wielkość kart pamięci, dzięki wielopoziomowym algorytmom upakowania danych w układach zwiększona zostaje odporność produktów. Równie szybko zwiększa się pojemność kart. Obecnie dostępne są pamięci PC Card o pojemności ok. 40-80 MB. Rocznie wartość rynku PC Card rośnie o ok. 10%, a obecnie jest szacowana na ponad 1 mld USD.

Niedawno ScanDisk i Matsushita Electronic poinformowały, że opracowały nową technologię - Double Density Flash (D2) - zwiększającą dwukrotnie pojemność układów pamięci błyskowej. Uzyskano to dzięki wykorzystaniu zapisu 2 bitów danych w każdej komórce pamięci. Obie firmy rozwinęły także technologię wytwarzania 64-megabitowych układów klasy D2. Pamięci tego typu mają wejść na rynek w I kw. 1997 r. Technologia D2 ma być wykorzystana również przy produkcji układów o pojemności 256 Mb.

Obecnie istnieją trzy niezależne organizacje producentów pamięci błyskowych, które propagują odmienne standardy miniaturowych kart typu PC Card. Są to Compact Flash Association (ScanDisk, Polaroid, Eastman Kodak, HP, Motorola, NEC), Miniature Card (Intel, AMD, Fujitsu, Sharp) oraz Solid-State Floppy Disk Card (Toshiba). Czy któryś z tych standardów zdobędzie przewagę i zapanuje na rynku, trudno dzisiaj przewidzieć.


TOP 200