Вспомнить всё. Разбираемся в полупроводниковой памяти
Когда я писал в начале года статью “Кто есть кто в мировой микроэлектронике”, меня удивило, что в десятке самых больших полупроводниковых компаний пять занимаются производством памяти, в том числе две – только производством памяти. Общий объем мирового рынка полупроводниковой памяти оценивается в 110 миллиардов долларов и является постоянной головной болью участников и инвесторов, потому что, несмотря на долгосрочный рост вместе со всей индустрией микроэлектроники, локально рынок памяти очень сильно лихорадит – 130 миллиардов в 2017 году, 163 в 2018, 110 в 2019 и 110 же ожидается по итогам 2020 года.
Топ-10 мировых микроэлектронных компаний, производители памяти выделены красным.
Объем рынка памяти близок к трети всей микроэлектроники, а в десятке самых больших компаний памятью занимается половина. Так чем же полупроводниковая память такая особенная? Давайте разбираться.
Особую важность памяти придает то, что ее всегда нужно много. Я бы даже сказал, что ее всегда нужно больше, чем есть. Билл Гейтс, которого вы наверняка сейчас вспомнили, на самом деле никогда ничего не говорил про 640 Кб, примерно как Мария-Антуанетта ничего не говорила про пирожные. Впрочем, в начале восьмидесятых 640 КБ были огромной цифрой. “И что с того, что памяти нужно много?” – спросите вы. Очень просто – большие тиражи позволяют разработчикам концентрироваться на одном продукте и оптимизировать не только дизайн, но и технологию производства. Сейчас в большинстве случаев чипы памяти производятся на фабриках, специально предназначенных для чипов памяти и принадлежащих производителям памяти. Это принципиальное отличие от всех остальных типов микросхем, где пути разработчиков и производителей давным-давно разошлись, и бал правят контрактные фабрики типа TSMC.
Начнем, собственно, с определения и классификации. Точнее, с классификаций, потому что типов памяти очень много, и различных применений тоже. Классическое разделение памяти по применению – на кэш-память, оперативную память и память хранения данных. Оно же примерно соответствует делению на статическую (SRAM), динамическую память (DRAM) и “диски” (HDD и SSD).
Зачем нужны разные типы памяти? Почему нельзя выбрать самый лучший и производить только его? Разница растет из того, что для разных применений важны разные качества памяти. В кэше, рядом с вычислительными мощностями – скорость. В хранении – объем и энергонезависимость. В оперативной памяти – плотность упаковки. Разумеется, никто бы не отказался от быстрой, плотной, энергонезависимой и малопотребляющей памяти, но соединить все эти качества в одной технологии еще никому не удалось, поэтому приходится совместно использовать разные варианты в тех частях систем, куда они подходят лучше всего.
Диаграмма иерархии памяти в вычислительных системах, с относительными объемами памяти и задержками обращения.
Кэш-память
Самый первый уровень памяти в вычислительной системе – это регистровый файл и кэш-память. Для них определяющее значение имеет скорость доступа, а вот объем может быть небольшим, особенно если его вдумчиво наполнять. Кэш обычно делается на основе статической памяти. Ячейка статической памяти может быть выполнена по-разному, но обязательно содержит в себе положительную обратную связь, которая позволяет хранить информацию и не терять ее (в отличие от динамической памяти, которой требуется периодическая перезапись). В КМОП-технологии ячейка статической памяти состоит из четырех транзисторов собственно запоминающего элемента и одного и более транзисторов, обеспечивающих чтение и запись информации. “Промышленный стандарт” – так называемая 6T-ячейка.
Электрическая схема 6T-ячейки SRAM
Шесть транзисторов – это очень много, особенно в сравнении с DRAM или флэш-памятью, где для хранения одного бита информации требуется два, а то и всего один элемент. Тем не менее, скорость работы сделала свое дело, и в большинстве современных цифровых микросхем статическая память занимает десятки процентов площади. Этот факт, кстати, сделал ячейку SRAM точкой опоры в определении проектных норм производства чипов: когда маркетинговые цифры – те самые пресловутые 28, 7 или 5 нм – отвязались от физических размеров элементов на кристалле, улучшение плотности упаковки стали считать как соотношение площади ячейки SRAM на старом и новом техпроцессах. Если в новой технологии ячейка стала в два раза меньше, значит проектные нормы уменьшились в корень из двух раз.
Разные варианты топологии шеститранзисторной ячейки статической памяти. Источник — G. Apostolidis et. al., «Design and Simulation of 6T SRAM Cell Architectures in 32nm Technology», Journal of Engineering Science and Technology Review, 2016
Отдельные чипы SRAM были популярны в составе многокристалльных микропроцессоров, таких как девайсы, построенные на базе серии Am2900 или советской 581 серии. При этом, как только появилась возможность поместить достаточно транзисторов на один чип, кэш-память стали размещать на том же кристалле, что и вычислитель, чтобы сэкономить мощность и увеличив скорость работы, избавившись от медленных и громоздких соединений между чипами. В современных микропроцессорах на одном кристалле помещается многоуровневый набор блоков кэш-памяти объемом в несколько Мегабайт. Это, кстати, привело к тому, что рынок SRAM как отдельного продукта практически перестал существовать: его объем оценивается всего в 420 миллионов долларов, то есть в 0.3% от всего рынка полупроводниковой памяти, и продолжает сокращаться. Последние из остающихся могикан – чипы для тяжелых условий эксплуатации, вроде космоса, высокотемпературных промышленных установок или медицинской техники, где нельзя свободно применять обычные коммерческие микросхемы и где из-за этого микроэлектронный прогресс несколько отстает. Есть некоторые перспективы роста в автомобильной электронике и в интернете вещей, где для постоянно включенных устройств не играет роли главный недостаток SRAM – неспособность хранить информацию после отключения питания. Только хранить, а не обрабатывать SRAM может с минимальным энергопотреблением, так что это может быть интересным вариантом. Впрочем, в этой конкретной нише, кроме флэш-памяти, есть еще активно развивающиеся новые виды памяти, такие как MRAM, так что перспективы на самом деле весьма туманны, а производители один за одним уходят из стагнирующего сегмента, что позволило Cypress получить больше половины рынка – повторюсь, крошечного по мировым меркам.
Оперативная память и динамическая память
Главный недостаток статической памяти – большое количество элементов в каждой ячейке, прямо транслирующееся в высокую стоимость, а также в большие габариты. Для того, чтобы преодолеть этот недостаток (а на самом деле еще и огромные габариты повсеместно использовавшейся в шестидесятых и начале семидесятых памяти на магнитных сердечниках) была придумана динамическая память.
Схемы ячейки динамической и статической памяти
Намного более простая ячейка позволяет существенно увеличить количество памяти на кристалле. Уже самый первый серийный кристалл DRAM (Intel 1103) в 1970 году содержал 1024 бита, а современные чипы умещают уже 16 Гигабит! Это стало возможным благодаря постоянному прогрессу технологии производства, а именно разнообразным улучшениям конструкции интегрального конденсатора. Если в самых первых чипах использовалась просто МОП-емкость, крайне похожая по конструкции на транзистор, в современных чипах DRAM конденсатор для экономии площади располагается не горизонтально, а вертикально, под или над транзистором.
Условная схема прогресса технологии производства DRAM.
То, что технологический прогресс в области DRAM сосредоточен на конденсаторе, и обусловило обособление отрасли и появление компаний, специализирующихся на разработке памяти и больше ни на чем.
Небольшой исторический экскурс, про Intel
Компания Intel была основана в 1968 году с прицелом на рынок памяти. Основатели фирмы считали, что относительно новые тогда интегральные схемы имеют потенциал вытеснить с рынка вычислительных машин память на магнитных сердечниках. Первыми продуктами Intel были чипы биполярной статической памяти, почти сразу же за ними последовала серия крайне успешных чипов DRAM, а вот заказы на разработку микропроцессоров очень долго рассматривались как что-то временное и побочное до середины восьмидесятых, когда серьезная конкуренция со стороны японских производителей DRAM, таких как Toshiba, вынудила компанию уйти с рынка памяти.
Позднее, Intel развивал бизнес по производству флэш-памяти, совместно с другой американской компанией, Micron, но буквально на днях продал эти активы ей же, и в ближайшем будущем под маркой Intel будет выпускаться только память Optane, основанная на фазовых эффектах.
Общий объем мирового рынка DRAM оценивается в 60-80 миллиардов долларов и составляет чуть больше половины мирового рынка памяти. Оставшуюся часть почти целиком занимает NAND Flash, а на долю всего остального разнообразия приходится не более трех процентов рынка. Производство чипов DRAM держится на трех китах – корейских Samsung и SK Hynix, а также американской компании Micron. Все три – в пятерке крупнейших полупроводниковых компаний мира, причем если Samsung чем только не занимается, то Micron и SK Hynix производят только память, DRAM и Flash. Три гиганта занимают без малого 95% рынка, а остатки рынка почти полностью разделены между несколькими тайваньскими компаниями.
Основные рыночные ниши – это потребительская электроника, включая смартфоны (40-50%), а также персональные компьютеры (15-20% ), серверное и телекоммуникационное оборудование (20-25%). Самые большие перспективы роста при этом ожидаются в автомобильном секторе, благодаря разного рода автопилотам и другим системам помощи водителю, а также в вычислениях, связанных с искусственным интеллектом.
Стоит отметить, что все чаще речь идет не о привычных нам “планках памяти”, а об аккуратной интеграции чипов на плату телефона или даже непосредственно в корпус процессора, в виде так называемой HBM – high bandwidth memory. Такая конфигурация позволяет увеличить пропускную способность памяти за счет использования многоразрядных шин, которые нет возможности реализовать при соединении корпусов на печатной плате, уменьшить задержки и потребление, а также эффективно разместить кристаллы памяти в несколько слоев, разместить большую емкость на меньшей площади.
Внутренности корпуса графического ускорителя AMD Fiji. Центральный кристалл – собственно вычислитель, по обеим сторонам – упакованные в несколько слоев чипы HBM DRAM.
Впрочем, и планки памяти тоже никуда не денутся в обозримом будущем, и спрос на них стабильно растет – стараниями не только геймеров, но и производителей серверов. Объем рынка модулей памяти составляет приблизительно 16 миллиардов долларов, и он выглядит как Гулливер в окружении лилипутов – рыночная доля Kingston Technology превышает 80%, против 2-3% у ближайших конкурентов. При этом сами чипы Kingston закупают у двух из трех больших производителей – Micron и SK Hynix. Samsung не привлекается, видимо, в силу того, что большинство их чипов DRAM предназначено для мобильных телефонов.
Еще один небольшой исторический экскурс, про Kingston
Kingston – американская компания, основанная в 1987 году, стала одним из пионеров внедрения SIMM-модулей как удобной альтернативы прямому поверхностному монтажу микросхем памяти. Быстро развиваясь на фоне роста рынка персональных компьютеров, Kingston стали “единорогом” с миллиардной капитализацией уже к 1995 году, и с тех пор выросли еще на порядок, увеличив долю на рынке модулей DRAM c 25% до 80% и расширившись на производство других продуктов, таких как SSD, где Kingston тоже является мировым лидером, правда с более скромными 26% мирового рынка против 8% и 6% у ближайших конкурентов.
Модуль оперативной памяти Kingston. Обратите внимание на плотность упаковки чипов на плате.
Kingston — интересный пример того, как можно быть успешной электронной компанией без собственной разработки микросхем и без полной вертикальной интеграции, популярной в последнее время. Добавленную стоимость и уникальные характеристики можно обеспечить на разных этапах создания продукта, и как раз Kingston как успешная электронная компания без собственного производства микросхем может быть хорошим примером для отечественных разработчиков.
А что же японцы, правившие бал в восьмидесятых и вытеснившие с рынка DRAM Intel? В 1999 году профильные подразделения Hitachi и NEC объединились в компанию Elpida, которая позже поглотила DRAM-бизнес Mitshibishi. В двухтысячных компания активно развивалась, много вкладывала в перспективные производства и была поставщиком, например, для Apple. Но финансовый кризис 2009 года очень сильно подкосил Elpida, и в 2012 году она была вынуждена подать на банкротство, после чего была куплена Micron.
На этой печальной ноте давайте заканчивать с DRAM и переходить к flash-памяти, где все еще есть по крайней мере одна успешная японская компания.
Флэш-память и системы хранения данных
Главный недостаток как SRAM, так и DRAM – то, что информация в них пропадает в случае, если им отключить питание. Но, сами понимаете, никогда не отключать питание довольно затруднительно, поэтому всю историю вычислительной техники использовались какие-нибудь системы для постоянного хранения данных – начиная от перфокарт. Большую часть времени в качестве систем постоянного хранения данных использовались магнитные носители – лента или жесткий диск. Жесткие диски – сложные электромеханические системы, которые прошли огромный путь от первого образца IBM размером с небольшой холодильник, до 2.5-дюймовых HDD для ноутбуков. Тем не менее, прогресс в микроэлектронной технологии был быстрее, и сейчас мы с вами наблюдаем процесс практически полного замещения жестких дисков полупроводниковыми SSD. Последним годом денежного роста для рынка HDD был 2012, и сейчас он составляет уже не более трети от рынка флэш-памяти.
Разные поколения жестких дисков.
Ячейка флэш-памяти устроена как МОП-транзистор с двумя затворами, один из которых подключен к схемам управления, а второй – “плавающий”. В обычной ситуации на плавающем затворе нет никакого заряда, и он не влияет на работу схемы, но если подать на управляющий затвор высокое напряжение, то напряженности поля будет достаточно для того, чтобы какое-то количество заряда попало в плавающий затвор, откуда ему потом некуда деться – даже если питание чипа отключено! Собственно, именно так и достигается энергонезависимость флэш-памяти – для изменения ее состояния нужно не низкое напряжение, а высокое.
Структура ячейки флэш-памяти
Чтение из флэш-памяти происходит следующим образом: на сток транзистора подается напряжение, после чего измеряется ток через транзистор. Если ток есть, значит на одном из двух затворов есть напряжение, если тока нет – на обоих затворах ноль.
На практике структура чипов флэш-памяти несколько сложнее, потому что, кроме самого транзистора, есть еще металлизация управляющих линий, и инженерам пришлось пойти на некоторые ухищрения, чтобы уменьшить ее площадь. Изначально типов флэш-памяти было два – NOR Flash и NAND Flash, различающихся как раз способом доступа к ячейкам. Названы они так по подобию соединения ячеек с соответствующими логическими элементами – в NAND последовательно, в NOR параллельно.
Сравнение архитектур NOR Flash и NAND Flash
Чтение из NOR Flash происходит ровно так, как описано выше, и позволяет удобно добраться до любого интересующего нас куска памяти. Чтение из NAND Flash несколько более занятно: для того, чтобы узнать значение интересующего нас бита в последовательно включенном стеке, нужно открыть управляющие затворы всех остальных транзисторов – тогда на состояние выхода будет влиять только интересующий нас бит. Согласитесь, заряжать-разряжать множество управляющих затворов ради того, чтобы узнать значение только одного бита – это как-то чересчур расточительно? Особенно с учетом того, что мы должны открыть управляющие затворы всех транзисторов не только в интересующем нас стеке, но и во всех соседних стеках, подключенных к тем же word line. Именно поэтому на практике NAND Flash читается не побитно, а целыми страницами. Это может показаться неудобным, ведь мы, по сути, делаем нашу память не совсем random-access.
Любые рассуждения на тему того, что лучше – NAND Flash или NOR Flash, неизбежно натыкаются на мнение рынка, сделавшего однозначный выбор: объем рынка NAND – 40-60 миллиардов долларов, а NOR – около четырех. Почему же побеждает менее удобная память? Дело на самом деле не в удобстве или неудобстве, а в целевых приложениях и в стоимости. NOR Flash удобнее и быстрее читается, но очень медленно записывается, зато ячейка NAND Flash в два с лишним раза меньше, что, разумеется, критично в ситуации, когда вам нужно БОЛЬШЕ ПАМЯТИ.
Кроме того, если немного подумать над главным недостатком NAND Flash – чтением только большими кусками, то в обычной вычислительной системе чтение из долгосрочной памяти в любом случае происходит большими кусками – чтобы оптимизировать работу кэш-памяти и минимизировать число кэш-промахов. То есть этот недостаток на самом деле и не недостаток вовсе. Так что по факту единственное настоящее преимущество NOR Flash – быстрота чтения, и ее основные применения – как раз те, где требуется быстрое чтение, но не нужна частая и быстрая запись. Например, прошивки разнообразных embedded девайсов, где NOR Flash активно заменяет другие виды EEPROM.
Небольшое отступление: PROM
И, раз уж я упомянул EEPROM, нелишне обсудить и экстремальный случай – когда память только читается, но не перезаписывается – то есть Read-Only Memory или ROM. Такая память гораздо чаще используется в промышленных применениях и для разнообразных прошивок. Такая память может быть запрограммирована на этапе производства с помощью наличия или отсутствия металлических соединений (или транзисторов, как это было сделано в Intel 8086. Но что, если раз-другой записать память все-таки нужно, причем уже после того, как чип произведен? На этот случай существует довольно много разновидностей PROM (P – programmable), довольно часто встраиваемых на кристалл вычислительной системы, например, микроконтроллера, но продолжающих активно использоваться и в качестве отдельных чипов.
Самый простой вариант – это однократно программируемая память типа Antifuse, она же память на пережигаемых перемычках. Идея очень проста: у нас есть структура (транзистор или резистор), которая может быть необратимо разрушена, превратившись в короткое замыкание или разрыв цепи. Чтение такой памяти выглядит как проверка на наличие замыкания или разрыва, а запись возможна только один раз, потому что изменение структуры необратимо.
Внешний вид памяти на пережигаемых перемычках
В случае, если может быть нужно записывать память несколько раз, например изредка обновлять прошивку, в дело вступают разные варианты EPROM (E – erasable) и EEPROM (EE – electrically erasable). Технологически они базируются на транзисторах с плавающим затвором и являются примитивной разновидностью флэш-памяти. Сейчас под термином EEPROM обычно подразумевают NOR Flash c возможностью побайтной записи и удаления данных.
NAND Flash
Что же касается NAND Flash, то ее стоимость за бит уже давно снизилась настолько, что этот вид памяти стремительно завоевывает рынок памяти для хранения информации, один за одним забивая гвозди в крышку гроба HDD и, например, дав нам возможность иметь много памяти в крошечных мобильных телефонах. Ключевые производители чипов NAND Flash – Samsung (33% и почти половина накопителей для телефонов), Kioxia (бывшая Toshiba, 20% рынка), Western Digital (14%), SK Hynix (11%), Micron (10%), Intel (8%).
Из этого списка, впрочем, надо исключить Intel, которые недавно объявили о переходе своей доли в совместном с Micron производстве к последним и об уходе с рынка флэш-памяти. Еще один интересный игрок – Western Digital, один из гигантов HDD, ныне стремительно переориентирующийся на твердотельные диски и ставший для этого уникальным зверем – fabless-производителем памяти. WD выкупили для этого больше трети производственных мощностей Kioxia, которые делают одни и те же чипы для себя и для клиента. Еще одно неожиданное последствие переориентации WD – они стали одним из наиболее заметных участников коммьюнити RISC-V, активно внедряя эту систему команд в свои контроллеры накопителей.
И в завершение рассказа про NAND Flash, надо непременно рассказать о произошедшей в последние годы технологической революции. Флэш-память, как и “обычная” микроэлектроника, уже уперлась в технологический предел миниатюризации транзисторов, и если в вычислительных системах можно хотя бы попробовать отыграть что-то за счет архитектуры, то в памяти плотность упаковки – это главное и единственное, что по-настоящему волнует. Поэтому, пока разговоры о переходе обычных КМОП-микросхем в третье измерение все еще остаются разговорами, 3D NAND уже четыре года как массово присутствует на рынке, позволяя разместить на кристалле в десятки, а то и в сотни раз больше ячеек памяти, чем обычное планарное решение.
Схематичный разрез двухмерной и трехмерной NAND Flash памяти
На электрической схеме выше транзисторы размещены последовательно, сверху вниз, тогда как в планарном варианте изготовления они расположены на плоскости, занимая ценную площадь на кристалле. Однако простая и монотонная структура позволила реализовать самое логичное, что можно сделать – сквозной вертикальный канал транзистора, выглядящий примерно так же, как и электрическая схема (и показанный на схеме справа желтым, идущим сквозь зеленые затворы). Разумеется, оно только звучит логично и просто, а на практике создание глубокого отверстия с вертикальными стенками – это одна из самых сложных операций, возможных в микроэлектронной технологии. Тем не менее, инженерные задачи были решены, и сейчас такие этажерки, как на рисунке выше, включают в себя уже до 128 транзисторов в серийно производимых чипах и до 192 слоев в девайсах, ожидаемых через год-два. Проектные нормы производства современной флэш-памяти примерно соответствуют уровню 15-20 нм, так что такая плотность упаковки – это эквивалент норм 0.1-0.2 нм! В обычном КМОП повторить этот фокус в точности не удастся, но свежие исследования по GAAFET предполагают упаковку нескольких горизонтальных каналов друг поверх друга. Samsung рассчитывает таким образом выйти на уровень 1 нм, а то и чуть меньше.
На этом мы прошли полный путь от кэша микропроцессора до памяти долговременного хранения и посмотрели на технологии, занимающие больше 97% рынка полупроводниковой памяти. Однако в оставшихся небольших процентах, в числе прочего скрываются и новые перспективные типы памяти, на которые тоже было бы неплохо взглянуть.
Новые типы энергонезависимой памяти
Читая научные исследования новых видов полупроводниковой памяти, я в какой-то момент перестал воспринимать их всерьез, потому что обещания златых гор можно было лицезреть ежегодно, а вот с готовыми к серийному производству продуктами вечно была напряженка. В основном исследования концентрировались и концентрируются на том, чтобы преодолеть разрыв между DRAM и флэш-памятью, создав нечто одновременно быстрое, энергонезависимое и дешевое. Никаких серьезных достижений на этом поприще пока не достигнуто, и те разработки, которые все же дошли до стадии коммерциализации, в основном составляют небольшую долю от рынка EEPROM, как в виде отдельных чипов, так и дополнительных опций в КМОП-технологии.
Три наиболее зрелых технологии такого рода – это MRAM (магнитная RAM), FRAM (ферроэлектрическая или сегнетоэлектрическая RAM) и PCM (phase-change memory).
FRAM основана на сегнетоэлектрическом эффекте – свойстве некоторых материалов менять свои свойства под действием высокого напряжения. В частности, в FRAM используется изменение емкости конденсатора. Эта память появилась в серийных продуктах, например в микроконтроллерах MSP430, еще двадцать лет назад, но почти тогда же проявился ее главный недостаток – пленки сегнетоэлектрических слоев оказались плохо масштабируемыми, и развитие технологии остановилось на уровне 130 нм, а существующие до сих пор продукты – в основном довольно старые радиационностойкие микросхемы. Впрочем, в последние годы работы по сегнетоэлектрикам снова активизировались, и возможно нас ждет новое пришествие FRAM, на этот раз в виде FeFET, где из сегнетоэлектрика будет делаться затвор транзистора.
Разные варианты MRAM используют несколько физических эффектов, позволяющих манипулировать спином магнитных материалов и посредством него, на их электрические свойства. По сути, мы говорим о физической реализации концепции мемристора – резистора, сопротивление которого зависит от его предыдущего состояния. Первые серийные чипы MRAM появились еще в 2004, но проиграли технологическую войну флэш-памяти. Тем не менее, технология продолжает активно развиваться, подогреваемая тем, что у MRAM потенциально на несколько порядков большее количество циклов перезаписи, чем у флэш, а значит ее можно использовать как гибрид кэша и памяти долгосрочного хранения. Считается, что такое сочетание может быть востребовано в малопотребляющих микросхемах интернета вещей, и сейчас встраиваемые блоки MRAM предлагают такие именитые фабрики, как Samsung и GlobalFoundries.
PCM – класс памяти, основанной на изменении фазового состояния некоторых веществ, например с кристаллического в аморфное, под действием внешних факторов типа высокого напряжения или кратковременного нагрева (обычно проводимого при помощи пропускания большого тока через запоминающий элемент). Потенциальные преимущества PCM примерно такие же, как у MRAM – быстрое чтение и большое количество циклов перезаписи, что в теории может позволить заменить даже все три типа памяти одним унифицированным решением. На практике же изначальное внедрение PCM обернулось грандиозным провалом: в 2012 году Micron с помпой представили серийную линейку для применения в мобильных телефонах, однако уже к 2014 году все эти продукты были отозваны с рынка. Их вторая попытка стала более успешной – совместно с Intel в 2017 году была представлена память 3D Xpoint и линейка SSD Optane (Intel) X100 (Micron). Продажи пока что невелики, но отзывы потребителей довольно хорошие. Посмотрим, выдержит ли новая технология проверку временем и сможет ли действительно потеснить традиционные SSD на основе NAND Flash.
Традиционная невеселая рубрика “А что в России?”
И, конечно же, мой рассказ был бы неполон без упоминания о том, что происходит в России. К сожалению, хорошего можно рассказать немного. Производство памяти – это именно что производство, а с микроэлектронными заводами у России довольно печальная ситуация. Соответственно, речи о собственных чипах DRAM и flash-памяти нет и в обозримом будущем не предвидится. А что есть?
Во-первых, есть какое-то количество микросхем SRAM. Самый технологически продвинутый продукт – микросхема 1663РУ1, представляющая собой 16 Мбит статической памяти по нормам 90 нм, производства завода “Микрон”. Кроме этого чипа, есть и другие, в основном предназначенные для аэрокосмических применений.
Во-вторых, «Микрон» на нормах 180 нм имеет опцию производства EEPROM, с максимальным заявленным в серийных продуктах (RFID-микроконтрроллерах) размером блока в 16 кбит. Это отличное решение для недорогих МК, но, к сожалению, мало подходящее для производства больших накопителей информации.
Кроме статической памяти и EEPROM, есть еще одно производство – “Крокус-наноэлектроника”, производящая MRAM. Расположенная в Москве фабрика КНЭ – единственная в России, умеющая работать с пластинами диаметром 300 мм. Правда, Крокус-нано не обладает полным циклом производства, а может делать только металлизацию и совмещенные с ней магнитные слои, формирующие ячейку MRAM. Транзисторная часть при этом должна быть изготовлена на другой фабрике (иностранной, потому что в России с пластинами 300 мм работать некому). На сайте КНЭ заявлена доступность микросхем объемом от 1 до 4 Мбит, скоростью считывания 35 нс и записи 35/90/120/150 нс. Еще немного света на функционирование и происхождение этих чипов проливают также заявленные в качестве продуктов на официальном сайте сложнофункциональные блоки MRAM, совместимые с техпроцессами китайской фабрики SMIC и израильской TowerJazz. Вероятно, именно эти производители являются технологическими партнерами и при производстве собственных чипов КНЭ.
Последнее, о чем стоит упомянуть в контексте производства памяти в России – это твердотельные системы хранения данных, являющиеся одним из важных драйверов импортозамещения в российской электронике. Российский рынок подобных систем оценивается в 122 миллиона долларов, доля отечественной продукции растет, идут жаркие споры насчет протекционистского законодательства и сравнения качества отечественных и импортных решений – в общем, настоящая жизнь. К сожалению, как уже было сказано выше, о собственном производстве чипов NAND flash речи не идет, и под импортозамещением понимается сборка импортных чипов в корпус и на плату, а также разработка или адаптация встроенного ПО. Из хороших новостей – в России ведутся разработки микросхем контроллеров флэш-памяти. Собственные контроллеры, хоть и не смогут решить проблему технологического отставания и зависимости от импорта, позволяют обеспечить контроль за функционированием импортных кристаллов памяти и безопасность решений на их основе. На этой позитивной ноте, я пожалуй, и закончу на сегодня.
Кратко о EPROM, EEPROM и Flash
После успешной реанимации флешки-зайца я заинтересовался темой флэш-памяти. Всеми этим загадочным аббревиатурами типа LLF, ECC и т.д. Так что это хоть и не моя тема (я занимаюсь веб-программированием и программированием на языках высокого уровня), но все равно интересно – для развития кругозора. Так что начинаю новую серию статей, в которой буду делиться полученными знаниями. В этой серии статей будут рассмотрены различные аспекты флэш-памяти, начиная с историями, устройством и различиями между NOR Flash и NAND Flash.
В начале 1980-х годов, еще до появления таких удивительных вещей, как сотовые телефоны, планшеты или цифровые камеры, ученый по имени Фудзио Масуока работал на Toshiba в Японии над ограничениями чипов EPROM и EEPROM. EPROM (стираемая программируемая память только для чтения) – это тип чипа памяти, который, в отличие от ОЗУ, например, не теряет свои данные при потере питания — на техническом жаргоне он энергонезависим. Он делает это путем хранения данных в ячейках, состоящих из транзисторов с плавающим затвором.
В EPROM могут быть загружены данные, но эти данные также могут быть стерты с помощью ультрафиолетового света, чтобы можно было записать новые данные. Этот цикл программирования и стирания известен как цикл стирания программы (или цикл PE) и важен, потому что это может произойти только ограниченное количество раз на устройстве. Однако, хотя перепрограммируемый характер EPROM был полезен в лабораториях, он не был решением для встраивания в потребительскую электронику – в конце концов, включение ультрафиолетового источника света в устройство сделало бы его громоздким и коммерчески нежизнеспособным.
Последующее развитие памяти, известно как EEPROM: в нем стиралась информация электрическим полем, а не с помощью света. В отличие от EPROM, EEPROM также может стирать и программировать отдельные байты, а не весь чип. Однако EEPROM также имел недостаток: каждая ячейка требовала по крайней мере двух транзисторов вместо одного, необходимого в EPROM. Другими словами, они хранили меньше данных: у них была более низкая плотность.
Прибытие Flash
Идея Масуоки, представленная как патент США 4612212 в 1981 году, брала преимущества EPROM и EEPROM и откидывала их недостатки. Он использовал только один транзистор на ячейку (увеличивая плотность, т. е. объем данных, который он мог хранить) и все еще позволял перепрограммировать их электричеством.
Новая конструкция достигла этой цели, только позволяя стирать и программировать несколько ячеек сразу вместо отдельных. Это не только дает преимущества плотности EPROM и электрически-перепрограммируемые преимущества EEPROM, оно также приводит к меньшему времени доступа: используется меньше времени, чтобы выдать одиночную команду для программирования или стирания большое количества ячеек.
Однако число ячеек, затронутых одной операцией стирания, отличается – и намного больше — чем число ячеек, затронутых одной операцией программирования. И именно этот факт, прежде всего, приводит к поведению, которое мы видим от устройств, построенных на флэш-памяти. В следующих постах мы рассмотрим, что именно происходит, когда происходят операции программирования и стирания, прежде чем перейти к рассмотрению типов доступных flash (SLC, MLC и т. д.) и их поведения.
Тем временем, мы все должны поблагодарить нашего хорошего друга доктора Масуоку за флэш-память, которая позволяет нам носить с собой телефоны и планшеты в карманах и SD-карты в наших цифровых камерах. Кстати, популярная легенда гласит, что название флэш (Flash, англ ”вспышка») пришло от одного из коллег доктора Масуоки, потому что процесс стирания данных напомнил ему вспышку камеры.
Автор этого материала — я — Пахолков Юрий. Я оказываю услуги по написанию программ на языках Java, C++, C# (а также консультирую по ним) и созданию сайтов. Работаю с сайтами на CMS OpenCart, WordPress, ModX и самописными. Кроме этого, работаю напрямую с JavaScript, PHP, CSS, HTML — то есть могу доработать ваш сайт или помочь с веб-программированием. Пишите сюда.
заметки, Flash, история, флешки
Русские Блоги
Время, а затем вы можете сделать это снова, поэтому вы не можете менять его несколько раз в день. Колесо истории продолжается, великий EEPROMПоявилось, спасло большое количество программистов и, наконец, можно свободно модифицировать содержимое ПЗУ.
Полное название EEPROM — «Электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство», то есть «Электрически стираемая программа».rammable Постоянная память. Это относительно ультрафиолетового стирания ПЗУ. Но сегодня существует много вариантов EEPROM, которые стали общим названием типа памяти.
Характеристика этого ПЗУ состоит в том, что любой байт может быть доступен и изменен случайным образом, и 0 или 1 могут быть записаны в каждый бит. Это наиболее традиционный тип EEPROM: данные не теряются после отключения питания, их можно хранить в течение 100 лет, а также можно стирать и записывать 100 раз. Имеет более высокую надежность, но схема сложная / дорогая. Таким образом, текущие EEPROM составляют от десятков килобайт до сотен килобайт и редко превышают 512K.
Flash — это обобщенная EEPROM, потому что это также электрически стираемое ПЗУ. Однако, чтобы отличить его от общего EEPROM, которое стирается байтом, мы называем его Flash.
Так как два похожи, почемуСКМДолжны ли мы иметь Flash и EEPROM?
Обычно Flash в микроконтроллере используется для хранения рабочего кода, который не может быть изменен во время операции, а EEPROM используется для сохранения пользовательских данных, которые могут быть изменены во время операции, таких какчасыВремя будильника изначально установлено на 12:00, а затем изменено на 6:00 во время работы. Оно сохраняется в EEPROM. Вы не боитесь сбоя питания и вам не нужно перенастраивать его на 6:00, даже если вы снова включаете питание.
Но самая большая разница на самом деле: FLASH работает по секторам, EEPROM работает по байтам Способы адресации этих двух различны, и структура блока памяти также различна. Структура схемы FLASH относительно проста. Та же емкость занимает небольшую область микросхемы, а стоимость, естественно, ниже, чем у EEPROM. Поэтому она подходит для памяти программ, и EEPROM больше используется как Энергонезависимое хранение данных. Конечно, также можно использовать FLASH в качестве памяти данных, но эта операция более хлопотна, чем EEPROM, поэтому она более «гуманна»MCUПроект будет интегрировать энергонезависимую память FLASH и EEPROM, в то время как дешевые проекты часто имеют только FLASH, а ранние стираемые микроконтроллеры представляют собой структуры EEPRM, которые в основном были прекращены.
Во внутренней микросхеме микросхемы FLASH и EEPROM не только имеют разные схемы, но также имеют разные адресные пространства.Методы работы и инструкции также различны, независимо от структуры фон Неймана или структуры Гарварда. Технически, и программная память, и энергонезависимая память данных могут использовать только структуру FALSH или структуру EEPROM, и даже «гибкие» технические средства могут использоваться для имитации «области хранения данных» в области хранения программ, но даже в этом случае концептуально эти два объекта все еще По-другому, это вопрос здравого смысла.
ЭСППЗУ: электрически стираемое и программируемое постоянное запоминающее устройство. Рабочие характеристики Flash полностью соответствуют определению ЭСППЗУ. Это, несомненно, ЭСППЗУ. Когда была запущена первая флэш-память, в руководстве по данным четко указывалось, что это была ЭСППЗУ, что также имеет место в большинстве руководств по флеш-памяти. указывается, Отношения между ними — «белая лошадь» и «лошадь» , Что касается того, почему в отрасли необходимо различать эти два фактора, основная причина заключается в том, что метод работы Flash EEPROM полностью отличается от традиционного EEPROM.Вторичная причина заключается в сжатости языка. Flash EEPROM в неофициальных документах и разговорной речи для краткости называется Flash. Это «белый» атрибут белой лошади, а не ее «конь», чтобы отличать Flash от традиционной EEPROM.
Характеристики Flash — простая структура, один и тот же процесс и одна и та же область матрицы могут получить более высокую емкость и более быструю работу с большим объемом данных, но недостатком является то, что процесс работы является громоздким, особенно когда небольшой объем данных многократно перезаписывается, поэтому Flash-структура в MCU подходит для памяти программ без частого переписывания 。
Во многих приложениях Необходимость часто перезаписывать некоторые небольшие объемы данных и отключение энергонезависимой, EEPROM с традиционной структурой очень подходит здесь, Поэтому многие микроконтроллеры разработали два типа структур EEPROM, FLASH и традиционные, чтобы получить баланс затрат и функций, что значительно облегчает пользователям. С популярностью ISP и IAP, особенно в серии MCU, где адресное пространство хранения программ и адресное пространство хранения данных перекрываются, все больше и больше производителей MCU теперь поддерживают память программ IAP для имитации памяти данных, соответствующей EEPROM. Обходной путь для внедрения энергонезависимого хранилища данных при низких затратах. Чтобы достичь «эквивалентности» процесса двойной EEPROM в коммерческой пропаганде, многие производители, использующие программную память Flash для «симуляции» (обратите внимание, что техническая концепция на самом деле не является аналогом), производители памяти данных EEPROM заявили, что их продукты оснащены EEPROM Строго говоря, это очень строгое, но у продавца есть цель и метод продавца, и использование Flash для «симуляции» EEPROM может принести большую выгоду для бизнеса, так что на самом деле источником путаницы в технической концепции являются именно они.
ГИБРИДЫ (Hybrid)
Таблица 1 резюмирует особенности каждого типа памяти, описного выше, но имейте в виду, что различные типы памяти служат разным целям. Каждый тип памяти имеет свои сильные и слабые стороны. Сравнение «один к одному» не всегда эффективно.
Таблица 1. Характеристики различных типов памяти.
Related items
- Тест EEPROM памяти AVR микроконтроллера. Эксперимент
- Учебный курс AVR. Проблемы при работе с EEPROM. Повышение надежности EEPROM. Ч3
- Учебный курс AVR. Работа с EEPROM. Низкоуровневое чтение и запись данных. Ч2
- Учебный курс AVR. Работа с EEPROM. Объявление переменных. Чтение и запись данных. Ч1
Comments
alexandershahba zov, а что за девайс такой с операционной системой?
Кстати есть еще FRAM или FeRAM
Кусок из энциклопедии на Академике:
«Сегнетоэлектрическая память FRAM (англ. Ferroelectric RAM) — статическая оперативная память с произвольным доступом, ячейки которой сохраняют информацию, используя сегнетоэлектрич еский эффект («ferroelectric » переводится «сегнетоэлектри к, сегнетоэлектрич еский», а не «ферромагнетик» , как можно подумать). Ячейка памяти представляет собой две токопроводящие обкладки, и плёнку из сегнетоэлектрич еского материала. В центре сегнетоэлектрич еского кристалла имеется подвижный атом. Приложение электрического поля заставляет его перемещаться. В случае, если поле «пытается» переместить атом в положение, например, соответствующее логическому нулю, а он в нём уже находится, через сегнетоэлектрич еский конденсатор проходит меньший заряд, чем в случае переключения ячейки. На измерении проходящего через ячейку заряда и основано считывание. При этом процессе ячейки перезаписываютс я, и информация теряется(требуе тся регенерация). Исследованиями в этом направлении занимаются фирмы Hitachi совместно с Ramtron, Matsushita с фирмой Symetrix. По сравнению с флеш-памятью, ячейки FRAM практически не деградируют — гарантируется до 1010 циклов перезаписи.»