מבנה פנימי של NAND Flash

בשנת 1965, לאחר שהשפופרת הדו-קוטבית הומצאה על ידי וו. שוקלי, וו. ברטן וג'יי ברדין, גורדון מור, המייסד השותף של אינטל, גילה כלל כזה: כאשר המחיר נשאר ללא שינוי, כמות האנרגיה שניתן במעגל משולב מספר הטרנזיסטורים יוכפל בערך מדי שנה, וגם הביצועים יוכפלו. למעשה, מספר הטרנזיסטורים במעגל משולב יוכפל בערך כל 18 חודשים במהלך השנים הקרובות. לדוגמה, ב-18 החודשים שבין פנטיום 1.3 לפנטיום 4, מספר הטרנזיסטורים ליחידת שטח גדל מ-28 מיליון ל-55 מיליון.

כיום, תדירות הפעולה של המעבד של מחשב שולחני סטנדרטי מחושבת בג'יגה-הרץ, ומידע הקיבולת שהזיכרון יכול לאחסן מחושב בטרה-בייט (TB). עלייה זו במספר הטרנזיסטורים ליחידת שטח מודגמת בזיכרון, שהוא במקרה גם מרכיב מרכזי במערכות אלקטרוניות.

זיכרון מוליכים למחצה ניתן לחלק לשני חלקים עיקריים: RAM (זכרונות גישה אקראית) ו-ROM (זכרונות לקריאה בלבד): זיכרון RAM ייעלם לאחר כיבוי החשמל, בעוד שה-ROM ישמור אותו. סוג אחר של זיכרון, NVM (Non-Volatile Memories), נמצא בין שני הסוגים לעיל. ניתן לשנות את התוכן שלו, והנתונים לא יאבדו לאחר הפסקת חשמל. זה גמיש יותר מ-ROM טהור, מכיוון שהתוכן של ROM נכתב על ידי היצרן ולא ניתן לשנותו על ידי הלקוח.

ההיסטוריה של הזיכרונות הלא נדיפים החלה בשנות ה-70, וה-NVM הראשון היה EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), מאז ועד שנות ה-90, NVM הפך בהדרגה לאחד מהחברים החשובים ביותר במשפחת המוליכים למחצה, ויותר תשומת לב. שולם לפיתוח טכנולוגיות חדשות כדי לקדם את ההתקדמות של NVM יותר מהיתרונות הכלכליים הנובעים מכך.

מאז שנות ה-90, כאשר זיכרון מוליכים למחצה נכנס למוצרי מסוף דיגיטליים כגון טלפונים ניידים, מחשבי כף יד ומצלמות וידאו, שוק זה נמצא במצב של צמיחה מהירה עד היום.

שיטת האחסון הפופולרית ביותר בזיכרון פלאש מבוססת על טכנולוגיה הנקראת Floating Gate (FG). אתה יכול לעיין בתרשים החתך הבא. צינור MOS מורכב משני שערים חופפים: הראשון מוקף לחלוטין בתחמוצות; ואילו השני מחובר לחוץ. דלת יחידה זו שווה ערך ליצירת חגורת בידוד אלקטרונית, המבטיחה שניתן לשמור את האלקטרונים (הנתונים) בה למשך שנים רבות. תהליך הטעינה והפריקה של החלק המבודד הזה נקרא תוכנית ומחק. עקב הטעינה והפריקה, ה-Vth הפוטנציאלי בתוך החלק המבודד ישתנה; זהו עקרון העבודה של צינור MOS טיפוסי. כאשר אנו מפעילים מתח על תא זיכרון, אנו יכולים להבחין בין שני מקרים: כאשר המתח שאנו מפעילים גבוה מ-Vth, הוא מזוהה כ"1", אחרת הוא מזוהה כ"0".

מבנה תאי זיכרון NAND

מַעֲרָך

יחידות האחסון של הזיכרון מאורגנות בצורה של מטריצה, מכיוון שארגון זה יכול לצמצם ביעילות את השטח שתופס הזיכרון. אני יכול להבחין בהבדל בין NAND ל- NOR Flash על ידי התבוננות בארגון של תאי הזיכרון. אנו מציגים את NAND כעת, מכיוון ש-NAND הוא הזיכרון הנפוץ ביותר כיום.

בארכיטקטורת NAND, תאי זיכרון מאורגנים בסדרה כל 32 או 64, כפי שמוצג באיור 2.2. שני טרנזיסטורים לבחירה (שני הפינים החיצוניים של טרנזיסטור זה הם DSL/Mdl [מחוברים ל-BL] או SSL/Msl [מחוברים ל-SL]) ממוקמים בשני הקצוות של כל מחרוזת תאי זיכרון (32 או 64) כדי שזה מבטיח חיבור לקו המקור (דרך Msl) ו-bitline (דרך Mdl). לכל מחרוזת תא זיכרון NAND יש קו סיביות המשמש לחיבור למחרוזות אחרות. שערי בקרה משמשים לחיבור קווי מילים (WLs).

דפים לוגיים הם החלק שנשלט על ידי יחידת האחסון הנשלטת על ידי אותו שורת מילים. מספר העמודים הנשלט על ידי כל שורת מילים קשור לקיבולת יחידת האחסון. בהתבסס על רמת האחסון של יחידת האחסון, ניתן לחלק את זיכרון הפלאש לקטגוריות שונות: SLC (יחידת אחסון אחת 1bit), MLS (יחידת אחסון אחת 2bits), 8LC (יחידת אחסון אחת 3bits), 16LC (יחידת אחסון אחת 4bits) .

אם ניקח בחשבון את מקרה השזירה של SLC, מספרים אי-זוגיים וזוגיים יוצרים עמודים שונים בהתאמה. דוגמה היא: שורת מילים SLC בגודל עמוד של 4KB (4096 * 8=32768 סיביות) כוללת 65536 מיקומי זיכרון.

כמובן שאם זה MLC, יש 4 עמודים, ולכל סדרת תאי זיכרון יש LSB אחד (Last Significant Bit) ו-MSB אחד (Most Significant Bit). מכאן שיש:

- דפי MSB ו-LSB של קווי סיביות אחידים

- דפי MSB ו-LSB של שורות סיביות מוזרות

כל מחרוזות תאי הזיכרון NAND של אותו קו מילים נמחקות יחד בעת המחיקה, וכך נוצרות בלוק (blcok), אם מוצגים שני בלוקים ב-2.2, נעשה שימוש באותו אפיק, אחד הבלוק מורכב מ-WL0<63:0>והשני הוא WL1<63:0>.

מבנה תאי הזיכרון של NAND Flash הוא מטריצה. מעגלים נוספים נדרשים בעת קריאה, כתיבה ומחיקת NAND. מכיוון שכל קובייה של NAND חייבת להיות ארוזה, נקבעת אחת מתאימה בשלב התכנון. חשוב להגדיר ולבנות את האלקטרוניקה שמסביב. לדוגמה, המבנה ההיררכי של כל קובייה של NAND Flash הוא כזה.

איור 2.3 מציג דוגמה של היררכיה. ניתן להגדיר את מערך האחסון כמישורים מרובים (שני מישורים באיור 2.3), המסומנים בקווי מילים בכיוון האופקי וקווי סיביות בכיוון האנכי.

מפענח השורות ממוקם בין שני המישורים. אחת המשימות של המעגל היא להטות כראוי את קווי המילים של מחרוזות ה-NAND שנבחרו כדי להבטיח פעולה תקינה. כל קווי הסיביות חייבים להיות מחוברים למגברי חישה (Sense Amp). לכל מגבר חישה יכול להיות קו סיביות אחד או יותר, אותם נציג בפירוט בהמשך סעיף זה. מטרת מגבר החישה היא להמיר את הזרם בתא הזיכרון לכמות דיגיטלית. באזור ההיקפי, ישנם כמה התקנים הנדרשים לטעינת תאי הזיכרון, כמו גם התקני ניהול מתח, מעגלים לוגיים והתקנים אחרים. PADs משמשים לתקשורת עם מכשירים חיצוניים.