Εσωτερική δομή του NAND Flash

Το 1965, μετά την εφεύρεση του διπολικού σωλήνα από τους W. Shockley, W. Brattain και J. Bardeen, ο Gordon Moore, ο συνιδρυτής της Intel, ανακάλυψε έναν τέτοιο κανόνα: όταν η τιμή παραμένει αμετάβλητη, η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να τοποθετείται σε ολοκληρωμένο κύκλωμα Ο αριθμός των τρανζίστορ θα διπλασιάζεται περίπου κάθε χρόνο και η απόδοση θα διπλασιάζεται επίσης. Στην πραγματικότητα, ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα θα διπλασιάζεται περίπου κάθε 18 μήνες τα επόμενα χρόνια. Για παράδειγμα, στους 18 μήνες μεταξύ Pentium 1.3 και Pentium 4, ο αριθμός των τρανζίστορ ανά μονάδα επιφάνειας αυξήθηκε από 28 εκατομμύρια σε 55 εκατομμύρια.

Σήμερα, η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή ενός τυπικού επιτραπέζιου υπολογιστή υπολογίζεται σε gigahertz και οι πληροφορίες χωρητικότητας που μπορεί να αποθηκεύσει η μνήμη υπολογίζονται σε terabyte (TB). που τυγχάνει επίσης να είναι βασικό συστατικό στα ηλεκτρονικά συστήματα.

Η μνήμη ημιαγωγών μπορεί να χωριστεί σε δύο κύρια μέρη: RAM (Μνήμες τυχαίας πρόσβασης) και ROM (μνήμες μόνο για ανάγνωση): Η μνήμη RAM θα ​​εξαφανιστεί μετά την απενεργοποίηση του ρεύματος, ενώ η ROM θα τη διατηρήσει. Ένα άλλο είδος μνήμης, το NVM (Non-Volatile Memories), είναι μεταξύ των δύο παραπάνω τύπων. Το περιεχόμενό του μπορεί να τροποποιηθεί και τα δεδομένα δεν θα χαθούν μετά από διακοπή ρεύματος. Αυτό είναι πιο ευέλικτο από την καθαρή ROM, επειδή το περιεχόμενο της ROM είναι γραμμένο από τον κατασκευαστή και δεν μπορεί να τροποποιηθεί από τον πελάτη.

Η ιστορία των Non-Volatile Memories ξεκίνησε τη δεκαετία του 1970 και το πρώτο NVM ήταν το EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), από τότε μέχρι τη δεκαετία του 1990, το NVM έγινε σταδιακά ένα από τα πιο σημαντικά μέλη της οικογένειας ημιαγωγών και περισσότερη προσοχή έχει καταβληθεί για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών για την προώθηση της προόδου της NVM περισσότερο από τα προκύπτοντα οικονομικά οφέλη.

Από τη δεκαετία του 1990, καθώς η μνήμη ημιαγωγών έχει εισέλθει σε προϊόντα ψηφιακών τερματικών, όπως κινητά τηλέφωνα, υπολογιστές χειρός και βιντεοκάμερες, αυτή η αγορά βρίσκεται σε μια κατάσταση ταχείας ανάπτυξης μέχρι σήμερα.

Η πιο δημοφιλής μέθοδος αποθήκευσης μνήμης Flash βασίζεται σε μια τεχνολογία που ονομάζεται Floating Gate (FG). Μπορείτε να ανατρέξετε στο παρακάτω διάγραμμα διατομής. Ένας σωλήνας MOS αποτελείται από δύο επικαλυπτόμενες πύλες: η πρώτη περιβάλλεται πλήρως από οξείδια. ενώ το δεύτερο συνδέεται με το εξωτερικό. Αυτή η ενιαία πόρτα ισοδυναμεί με το σχηματισμό μιας ηλεκτρονικής ζώνης απομόνωσης, η οποία διασφαλίζει ότι τα ηλεκτρόνια (δεδομένα) σε αυτήν μπορούν να διατηρηθούν για πολλά χρόνια. Η διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης αυτού του απομονωμένου τμήματος ονομάζεται πρόγραμμα και διαγραφή. Λόγω της φόρτισης και της εκφόρτισης, το δυναμικό Vth μέσα στο απομονωμένο τμήμα θα αλλάξει. αυτή είναι η αρχή λειτουργίας ενός τυπικού σωλήνα MOS. Όταν εφαρμόζουμε μια τάση σε ένα κελί μνήμης, μπορούμε να διακρίνουμε δύο περιπτώσεις: όταν η τάση που εφαρμόζουμε είναι μεγαλύτερη από Vth, αναγνωρίζεται ως "1", διαφορετικά αναγνωρίζεται ως "0".

Δομή κυψελών μνήμης NAND

Πίνακας

Οι μονάδες αποθήκευσης της μνήμης είναι οργανωμένες με τη μορφή μήτρας, επειδή αυτή η οργάνωση μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά τον χώρο που καταλαμβάνει η μνήμη. Μπορώ να διακρίνω τη διαφορά μεταξύ NAND και NOR Flash κοιτάζοντας την οργάνωση των κελιών μνήμης. Εισάγουμε το NAND τώρα, επειδή το NAND είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μνήμη αυτή τη στιγμή.

Στην αρχιτεκτονική NAND, τα κελιά μνήμης οργανώνονται σε σειρά κάθε 32 ή 64, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.2. Δύο τρανζίστορ για επιλογή (οι δύο εξωτερικές ακίδες αυτού του τρανζίστορ είναι DSL/Mdl [συνδεδεμένο στο BL] ή SSL/Msl [συνδεδεμένο με SL]) τοποθετούνται και στα δύο άκρα κάθε σειράς κυψελών μνήμης (32 ή 64) για να σύνδεση στη γραμμή πηγής (μέσω Msl) και bitline (μέσω Mdl). Κάθε συμβολοσειρά κελιών μνήμης NAND έχει μια γραμμή bit που χρησιμοποιείται για σύνδεση με άλλες συμβολοσειρές. Οι πύλες ελέγχου χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση γραμμών λέξεων (WL).

Οι λογικές σελίδες είναι το τμήμα που ελέγχεται από τη μονάδα αποθήκευσης που ελέγχεται από την ίδια γραμμή λέξεων. Ο αριθμός των σελίδων που ελέγχονται από κάθε γραμμή λέξης σχετίζεται με τη χωρητικότητα της μονάδας αποθήκευσης. Με βάση το επίπεδο αποθήκευσης της μονάδας αποθήκευσης, η μνήμη Flash μπορεί να χωριστεί σε διάφορες κατηγορίες: SLC (μία μονάδα αποθήκευσης 1 bit), MLS (μία μονάδα αποθήκευσης 2 bit), 8LC (μία μονάδα αποθήκευσης 3 bit), 16LC (μία μονάδα αποθήκευσης 4 bit) .

Αν λάβουμε υπόψη την περίπτωση παρεμβολής του SLC, οι περιττοί και ζυγοί αριθμοί σχηματίζουν διαφορετικές σελίδες αντίστοιχα. Ένα παράδειγμα είναι: μια γραμμή λέξεων SLC με μέγεθος σελίδας 4 KB (4096 * 8=32768 bit) έχει 65536 θέσεις μνήμης.

Φυσικά, αν είναι MLC, υπάρχουν 4 σελίδες και κάθε σειρά κυψελών μνήμης έχει ένα LSB (Λάγιστο Σημαντικό Bit) και ένα MSB (Πιο σημαντικό Bit). Ως εκ τούτου υπάρχουν:

- Σελίδες MSB και LSB με ζυγές γραμμές bit

- Σελίδες MSB και LSB με περιττές γραμμές bit

Όλες οι συμβολοσειρές κελιών μνήμης NAND της ίδιας γραμμής λέξεων διαγράφονται μαζί κατά τη διαγραφή, σχηματίζοντας έτσι ένα μπλοκ (blcok).<63:0>και το άλλο είναι το WL1<63:0>.

Η δομή των κελιών μνήμης του NAND Flash είναι μια μήτρα. Απαιτούνται πρόσθετα κυκλώματα κατά την ανάγνωση, τη γραφή και τη διαγραφή του NAND. Δεδομένου ότι κάθε μήτρα NAND πρέπει να συσκευάζεται, τίθεται ένα κατάλληλο στο στάδιο του σχεδιασμού. Είναι σημαντικό το μέγεθος και η κατασκευή των γύρω ηλεκτρονικών. Για παράδειγμα, η ιεραρχική δομή κάθε μήτρας του NAND Flash είναι αυτή.

Το σχήμα 2.3 δείχνει ένα παράδειγμα ιεραρχίας. Ο πίνακας αποθήκευσης μπορεί να ρυθμιστεί ως πολλαπλά επίπεδα (δύο επίπεδα στο Σχήμα 2.3), σημειωμένα με γραμμές λέξεων στην οριζόντια κατεύθυνση και γραμμές bit στην κατακόρυφη κατεύθυνση.

Ο αποκωδικοποιητής σειράς βρίσκεται ανάμεσα στα δύο επίπεδα. Ένα από τα καθήκοντα του κυκλώματος είναι να πολώσει σωστά τις γραμμές λέξεων των επιλεγμένων συμβολοσειρών NAND για να διασφαλίσει την κανονική λειτουργία. Όλες οι γραμμές bit πρέπει να συνδέονται με ενισχυτές αίσθησης (Sense Amp). Κάθε ενισχυτής αίσθησης μπορεί να έχει μία ή περισσότερες γραμμές bit, τις οποίες θα παρουσιάσουμε λεπτομερώς αργότερα σε αυτήν την ενότητα. Ο σκοπός του ενισχυτή αίσθησης είναι να μετατρέψει το ρεύμα στο κελί μνήμης σε ψηφιακή ποσότητα. Στην περιφερειακή περιοχή, υπάρχουν ορισμένες συσκευές που απαιτούνται για τη φόρτιση των κυψελών μνήμης, καθώς και συσκευές διαχείρισης τάσης, λογικά κυκλώματα και άλλες συσκευές. Τα PAD χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία με εξωτερικές συσκευές.