Внутрішня структура NAND Flash

У 1965 році, після того, як У. Шоклі, У. Браттейн і Дж. Бардін винайшли біполярну трубку, Гордон Мур, співзасновник Intel, відкрив таке правило: коли ціна залишається незмінною, кількість енергії, яку можна розміщені на інтегральній схемі. Кількість транзисторів буде подвоюватися приблизно щороку, і продуктивність також подвоїться. Фактично кількість транзисторів на інтегральній схемі подвоюватиметься приблизно кожні 18 місяців протягом наступних кількох років. Наприклад, за 18 місяців між Pentium 1.3 і Pentium 4 кількість транзисторів на одиницю площі зросла з 28 мільйонів до 55 мільйонів.

Сьогодні робоча частота процесора стандартного настільного ПК обчислюється в гігагерцах, а інформація про ємність, яку може зберігати пам’ять, обчислюється в терабайтах (ТБ). Прикладом цього збільшення кількості транзисторів на одиницю площі є пам’ять, який також є ключовим компонентом електронних систем.

Напівпровідникову пам'ять можна розділити на дві основні частини: RAM (оперативна пам'ять) і ROM (запам'ятовуюча пам'ять лише для читання): RAM зникає після вимкнення живлення, а ROM зберігає її. Інший тип пам’яті, NVM (енергонезалежна пам’ять), знаходиться між двома вищезазначеними типами. Його вміст можна змінювати, і дані не будуть втрачені після збою живлення. Це більш гнучко, ніж чисте ПЗУ, оскільки вміст ПЗУ пише виробник і не може бути змінений клієнтом.

Історія енергонезалежної пам’яті почалася в 1970-х роках, і першим NVM був EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory). Відтоді до 1990-х років NVM поступово став одним із найважливіших членів сімейства напівпровідників, і все більше уваги було приділено розробці нових технологій для сприяння прогресу NVM більше, ніж отриманій економічній вигоді.

З 1990-х років, коли напівпровідникова пам’ять увійшла до цифрових терміналів, таких як мобільні телефони, кишенькові комп’ютери та відеокамери, цей ринок перебуває у стані швидкого зростання до сьогодні.

Найпопулярніший метод зберігання флеш-пам'яті заснований на технології під назвою Floating Gate (FG). Ви можете звернутися до наступної діаграми поперечного перерізу. МОП-трубка складається з двох затворів, що перекриваються: перший повністю оточений оксидами; в той час як другий з'єднаний ззовні. Ці єдині двері еквівалентні утворенню електронної ізоляції, яка гарантує, що електрони (дані) у ній можуть зберігатися протягом багатьох років. Процес заряджання та розряджання цієї ізольованої частини називається програмуванням і стиранням. Через зарядку та розрядку потенціал Vth всередині ізольованої частини буде змінено; це принцип роботи типової трубки MOS. Коли ми прикладаємо напругу до комірки пам’яті, ми можемо розрізнити два випадки: коли напруга, яку ми прикладаємо, вища за Vth, вона розпізнається як «1», інакше вона розпізнається як «0».

Структура комірки пам'яті NAND

Масив

Блоки зберігання пам’яті організовані у формі матриці, оскільки така організація може ефективно зменшити простір, займаний пам’яттю. Я можу визначити різницю між NAND і NOR Flash, дивлячись на організацію комірок пам’яті. Зараз ми представляємо NAND, тому що NAND є найпоширенішою пам’яттю на даний момент.

В архітектурі NAND комірки пам’яті організовані послідовно кожні 32 або 64, як показано на малюнку 2.2. Два транзистори для вибору (два зовнішні висновки цього транзистора є DSL/Mdl [підключеними до BL] або SSL/Msl [підключеними до SL]) розміщуються на обох кінцях кожного рядка комірок пам’яті (32 або 64), щоб це гарантувало підключення до вихідної лінії (через Msl) і бітової лінії (через Mdl). Кожен рядок комірки пам’яті NAND має бітову лінію, яка використовується для з’єднання з іншими рядками. Контрольні ворота використовуються для з’єднання рядків слів (WL).

Логічні сторінки - це частина, яка контролюється блоком зберігання, який контролюється тією ж лінією слів. Кількість сторінок, контрольованих кожним рядком слів, пов’язана з ємністю блоку зберігання. Залежно від рівня збереження пам’яті флеш-пам’ять можна розділити на різні категорії: SLC (один блок зберігання 1 біт), MLS (один блок зберігання 2 біти), 8LC (один блок зберігання 3 біти), 16LC (один блок зберігання 4 біти). .

Якщо ми розглянемо випадок чергування SLC, непарні та парні числа утворюють різні сторінки відповідно. Приклад: словесний рядок SLC із розміром сторінки 4 КБ (4096 * 8=32768 біт) має 65536 місць пам’яті.

Звичайно, якщо це MLC, є 4 сторінки, і кожна серія комірок пам’яті має один LSB (молодший біт) і один MSB (старший біт). Тому існують:

- MSB і LSB сторінки парних бітових ліній

- MSB і LSB сторінки непарних бітових ліній

Усі рядки комірок пам’яті NAND одного рядка стираються разом під час стирання, таким чином утворюючи блок (blcok), якщо в 2.2 показано два блоки, використовується та сама шина, один Блок складається з WL0<63:0>а інший – WL1<63:0>.

Структура комірки пам'яті NAND Flash є матрицею. Під час читання, запису та стирання NAND необхідні додаткові схеми. Оскільки кожен кристал NAND повинен бути упакований, відповідний встановлюється на етапі проектування. Важливо визначити розмір і створити навколишню електроніку. Наприклад, ієрархічна структура кожного кристала NAND Flash виглядає так.

На малюнку 2.3 показано приклад ієрархії. Масив зберігання може бути налаштований як кілька площин (дві площини на малюнку 2.3), позначених рядками слів у горизонтальному напрямку та бітовими лініями у вертикальному напрямку.

Декодер рядків розташований між двома площинами. Одним із завдань схеми є належне зміщення рядків вибраних рядків NAND для забезпечення нормальної роботи. Усі бітові лінії мають бути підключені до підсилювачів сенсу (Sense Amp). Кожен сенсорний підсилювач може мати одну або більше бітових ліній, які ми детально розглянемо пізніше в цьому розділі. Призначення підсилювача чутливості — перетворення струму в комірці пам’яті в цифрову величину. У периферійній області є деякі пристрої, необхідні для зарядки елементів пам’яті, а також пристрої керування напругою, логічні схеми та інші пристрої. PAD використовуються для зв’язку із зовнішніми пристроями.