česky english Vítejte, dnes je úterý 05. červenec 2022

Paměti flash – pohled na bity a bajty

DPS 6/2016 | Součástky - články
Autor: Andreas Hofmann, Rutronik Elektronische Bauelemente

Paměť typu flash je součástka, která se dnes nachází v každém digitálním fotoaparátu, USB flash disku i ve stále větším počtu notebooků. Je však vhodná pro použití v průmyslových aplikacích? Při výběru vhodného typu paměti bychom měli mít alespoň základní znalosti o technologii flash, protože ta je poměrně značně odlišná od optických paměťových médií nebo magnetických pevných disků.

V technologii flash pamětí jsou elektrické náboje bezpečně uchovány v „plovoucích gatech“ speciálních tranzistorů. Velikost náboje určuje, jak vodivé jsou kontakty na daném tranzistoru, což umožňuje vytvoření informační buňky, ve které lze uchovávat data. Tím vzniká informace, kterou lze číst bit po bitu. Plovoucí gate je přitom vrstvou kysličníku, která je elektricky zcela izolována od všech ostatních částí obvodu tak, že uložený náboj – informace v základní paměťové buňce – zde zůstává uchována trvale a v průběhu času nedochází k její ztrátě. Tato izolace však za normálních okolností brání i žádanému přenosu informace, což je důvod, proč flash technologie používá tzv. „tunelový efekt“ (z kvantové mechaniky). Díky němu je umožněn přenos náboje i přes nevodivý materiál a je tak dostupný pro každý jednotlivý paměťový bit uchovaný v plovoucím gate.

Obr. 1

Obr. 1

Konvenčně je systém řešen tak, že plovoucí gate s nábojem je interpretován jako logická 1, kdežto gate bez náboje je interpretován jako logická 0. Alternativní systémy jsou samozřejmě možné, ale v praxi se s nimi příliš nesetkáme.

Počet paměťových prvků, které flash paměť obsahuje, je závislý na velikosti paměti. Je důležité vědět, že informace, která je z datové paměťové buňky čtena a která má být zapsána zpět, musí být nejdříve vymazána, protože bity ve flash paměti umožňují vždy pouze změnu informace z 1 na 0. Proces vymazání paměti je totiž jediným způsobem, kterým lze tento stav změnit v opačném směru. V praxi ovšem existuje řada funkcí, které brání nechtěnému zápisu do špatných sektorů. Pro zajištění poměrně složitých procesů zápisu a mazání dat je proto na každém čipu přítomen speciální řadič.

Relativní životnost

Životnost flash pamětí lze poměrně spolehlivě definovat, neboť vychází především z použité technologie – single- -level cell (SLC), multi-level cell (MLC) nebo triple-level cell (TLC). SLC modely uchovávají v každém svém paměťovém čipu vždy jeden bit, zatímco MLC je schopna uchovat bity dva a TLC dokonce bity tři. To znamená, že v obvodech MLC a TLC lze uložit několikanásobně více informací oproti standardním obvodům SLC při srovnatelné velikosti povrchu čipu, takže poskytují větší hustotou uchování dat. Tato vlastnost jde však ruku v ruce s omezenou životností. V případě SLC se obvykle očekává životnost až 100 000 programovacích/mazacích cyklů před potenciální ztrátou dat, zatímco MLC zvládne pouze 3 000 cyklů a TLC dokonce jen 1 000 cyklů. To je způsobeno opotřebením právě izolační vrstvy, jejímž účelem je chránit uložený náboj před samovolným vymazáním. Každý programovací/mazací cyklus však způsobuje malé poškození této oxidové vrstvy, takže ztráta dat po určité době je prostě nevyhnutelná. Výrobci vždy v technické dokumentaci definují životnost svých produktů. Tyto hodnoty však slouží spíše jako orientační ukazatele a obvod může v aplikaci pracovat i mnohem déle. Ti vývojáři, kteří spoléhají na opakované uchování dat ve flash paměti po delší dobu životnosti, musí počítat s tím, že dříve nebo později dojde k jejímu selhání.

Obr. 2

Obr. 2

Použít, nebo nepoužít flash?

V porovnání s ostatními paměťovými médii mají paměti typu flash vždy nejen řadu výhod, ale také určité nevýhody. Při výběru vhodného typu pamětí je tak třeba brát v potaz všechny základní souvislosti.

Výhody:

  • Paměti flash jsou schopny uchovat data po velice dlouhou dobu bez napájení a i při provozu vyžadují velmi málo energie, což se odráží i na zcela minimální produkci vyzařovaného tepla.
  • Flash paměti jsou velmi malé. V současné době jsou dostupné například paměti, které nejsou větší než nehet na prstu, a přitom jsou schopny uchovat i několik gigabajtů dat. Obyčejné pevné disky přitom mají průměr vždy alespoň 1,8" (4,5 cm).
  • Flash paměti jsou velmi robustní, rezistentní vůči mechanickým rázům a i magnetickému poli.
  • Obvody pracují zcela tiše, nevyžadují ani ventilátor, ani jiné mechanické díly, které by vytvářely hluk. Naproti tomu u magnetických pevných disků může být jasně slyšet pohyb mechanických dílů, což v praxi může být často na obtíž.
  • Flash paměti mají rovněž velmi krátké časy přístupu pro čtení dat, což například operačním systémům umožňuje mnohem rychlejší start a velké programy jsou načteny mnohem rychleji než z pevného disku.
  • Flash paměti dnes podporují všechna běžná a standardní rozhraní.

Nevýhody:

  • Životnost flash pamětí je omezena určitým počtem programovacích/mazacích cyklů.
  • Cena v přepočtu za gigabajt uchovaných dat je stále poměrně vysoká, například oproti pevným diskům, které jsou dnes stále nejvýhodnější cenovou alternativou.

I přes několik nevýhod u flash pamětí stále ještě převažují jejich nesporné výhody. V případě, kdy není omezená doba použitelnosti na škodu, není dnes lepší technologie, která by byla takto cenově dostupná – zejména z hlediska mobility.

Použití flash pamětí v průmyslu?

Stále častěji se potýkáme s otázkou, které produkty z této oblasti jsou vhodné i pro použití v průmyslových aplikacích. Naše zkušenosti ukazují, že pevně daný seznam materiálu v kombinaci s podporou PCN (Product Change Notification) hraje přitom rozhodující roli.

Výpis materiálu (BOM) pokrývá čtyři hlavní skupiny: DPS, flash paměti, řadič a firmware. Než jakýkoliv produkt vstoupí do sériové výroby, je jeho vzorek testován v průmyslovém prostředí a teprve po úspěšném zvládnutí všech podmínek je převeden do sériové výroby. V případě, že by se výpis materiálu finálního produktu lišil od testovaného vzorku, může jako celek selhat z důvodu neslučitelnosti, podobně jako když selže malé kolečko ve velkém mechanismu. Význam firmwaru je stále větší vzhledem k rostoucí složitosti kontrolérů. Dokonce i malé změny zde mohou působit velké problémy.

Přitom se nejedná pouze o teoretický scénář. Téměř všichni výrobci, s cílem snížit výrobní náklady, často mění výpis materiálu a navíc ve velmi krátkém čase, bez jakékoliv publikace či označení provedených změn. Nicméně výrobci jako Swissbit a Apacer z portfolia Rutronik Embedded se zaměřují zejména na průmyslový trh. Nabízejí specializované průmyslové flash produkty s garantovaným a 100% pevným výpisem materiálu, což znamená, že všechny dodávané výrobky jsou shodné konstrukce jako testované vzorky. Případné změny jsou obvykle oznámeny alespoň šest měsíců předem, a to prostřednictvím procesu upozornění na změnu výrobku (PCN – Product Change Notification). Společnost Rutronik následně předá veškerá oznámení PCN a EOL od dodavatelů svým zákazníkům. Díky tomu mají zákazníci dostatek času na otestování modifikovaných flash pamětí ve svých aplikacích a v případě potřeby mohou včas zhodnotit dostupné alternativy. Kromě toho, že produkty nesou přesná označení výrobců, jako je Swissbit, lze podle nich přesně určit i to, který kontrolér, který flash čip nebo který firmware je použit v konkrétním paměťovém modulu. V případě, že se něco z toho změní, změní se i samotné označení produktu.

Spojování a 3D Flash

Zdaleka nejčastěji používanou formou flash pamětí jsou dnes produkty vyrobené za použití NAND architektury. Ve srovnání s NOR architekturou mohou být paměťové čipy takových obvodů zapojeny i v sérii. Vzhledem k tomu, že procesy čtení a zápisu lze provést pouze po blocích – stejně jako u pevných disků – výborně se NAND flash hodí pro použití jako úložné médium pro paměťové karty, USB flash disky a SSD. Dalším přínosem NAND flash, v porovnání s ostatními non-volatile úložnými médii, je i podstatně vyšší rychlost zápisu a nízká spotřeba energie, jakož i vyšší hustota dat při nízké výrobní ceně.

Nicméně NAND flash paměti jsou dnes předmětem obrovského cenového tlaku. K dalšímu snížení ceny na jeden gigabajt dat se výrobcům podařilo dojít snížením strukturální šířky paměťových buněk ve stále kratších intervalech. Toto smršťování využívá strukturální šířky paměťových buněk mezi 42 nm až pouhými 15 nm, kde se výrobci již blíží hranici současných výrobních technologií. Nejenže přitom přímo diametrálně rostou náklady na vývoj, ale i kvalita uchování dat je horší. Zmenšení výrobních technologií ovlivňuje i vrstvu oxidu kolem plovoucího gate, která tak musí být stále tenčí a stále méně účinně zabraňuje ztrátě uchované informace. Fyzicky tak tyto paměti stárnou rychleji, bitová chybovost stoupá a obecně se zkracuje životnost flash pamětí, počet programovacích/mazacích cyklů i celkový výkon. Zejména u průmyslových aplikací je tento vývoj zcela nepřijatelný. Navzdory tomu jsou k dosažení přijatelných vlastností potřeba stále složitější funkce firmwaru paměťového řadiče.

Přední výrobci paměťových čipů proto při řešení tohoto problému uplatňují stále nové koncepty, pokud jde o uspořádání flash paměťových buněk. Například tak vznikly 3D vertikální NAND flash paměti. Zde nejsou paměťové buňky uspořádány v rovině, ale ve svislém směru. Tím vzniká poměrně zajímavý kompromis mezi výrobní cenou, životností a celkovým výkonem obvodů.

Toho bylo možné dosáhnout také díky tomu, že nanotechnologie, které se již řadu let používají pro uchování informací, jsou dnes mnohem vyspělejší a výsledné produkty jsou mnohonásobně menší. Ve srovnání i s moderními pevnými disky umožňují uchování mnohem více dat na velmi tenkém povrchu. Tato technologie však stále prochází vývojem a ani zdaleka není připravena na své masivní rozšíření.

Dokud ten čas nepřijde, bude klasická flash paměť stále nejpoužívanějším paměťovým médiem. V portfoliu společnosti Rutronik lze přitom nalézt součástky všech provedení a kapacit, které jsou dnes na trhu k dispozici. Z hlediska kvality, dodacích lhůt a cen patří mezi hlavní partnery Rutroniku společnosti Apacer, Swissbit, Toshiba a Transcend. Ty jsou schopny uspokojit prakticky jakýkoliv požadavek, včetně specifických požadavků zákazníků vyvíjejících speciální aplikace. Ze strany společnosti Rutronik se zákazníci mohou spolehnout na rozsáhlou podporu celé řady specialistů paměťových médií, kteří mohou pomoci nejen při výběru vhodného produktu.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik