Новые последовательные модули флэш-памяти являются перспективным направлением развития запоминающих устройств повышенной емкости, а значит, для их совершенствования и удовлетворения постоянно растущих системных требований потребуется разработка новых архитектур кристаллов.

    С появлением модулей флэш-памяти NAND (И-НЕ), позволяющих изготавливать микросхемы с плотностью размещения до 256 Мбайт на кристалл, разработчики стали оптимизировать технологический процесс для получения устройств с максимальной производительно-стью и емкостью. Хорошие перспективы открываются с переходом на 0,25-мкм технологию с использованием неглубоких изолирующих канавок, а также некоторых других технических новшеств этой отрасли микроэлектроники. Кроме того, так как большинство разрабатываемых систем являются портативными, то дополнительные требования предъявляются к потреблению устройств. Снижение потребляемой мощности требует использования пониженного напряжения питания и проведения таких изменений в архитектурах запоминающих устройств, которые предоставляют большие возможности для управления питанием.

    Так как микросхемы используются в основном в портативной аппаратуре, ключевым требованием является их размещение в малогабаритном корпусе для поверхностного монтажа. Большинство микросхем сейчас выпускаются в плоских пластиковых корпусах с четырехсторонним расположением выводов и размерами, сопо-ставимыми с размерами самого кристалла, таких как корпус microBGA.

    Модули флэш-памяти NAND зарекомендовали себя как одна из трех базовых архитектурных реализаций электрически стираемых ПЗУ. Эти устройства имеют два важных свойства, определяющих такой статус. Во-первых, они функционируют аналогично накопителю на магнитных дисках. Система генерирует начальный адрес. Когда микросхема перемещает свои внутренние указатели на этот адрес, данные передаются в байт-последовательном порядке с использованием стробирующего сигнала. Во-вторых, стирание содержимого всей микросхемы или какой-либо ее части, часто называемой сектором по аналогии с магнитным диском, может быть осуществлено отдельным сигналом (отсюда и идет название флэш-память "вспышка"). Это позволяет сократить длительность служебных сигналов, требуемых для последовательного стирания байта за байтом.

    Концепция микросхем быстрого стирания далеко не нова, и первое упоминание о ней не совпадает с появлением массивов ячеек памяти NAND производства компании Toshiba. Впервые такие устройства появились в середине 70-х годов как металл-нитридные электрически программируемые модули памяти (EAROM). В те времена разработчики применяли модули EAROM в различном военном оборудовании и использовали термин "тотальное стирание". Им был необходим способ быстрого стирания всех данных из памяти системы в случае попадания ее в руки противника и проведения попыток ее исследования. Когда система обнаруживала какое-либо несанкционированное событие, она генерировала внутренний сигнал стирания, приводящий к полному очищению содержимого ячеек памяти.

    Растущий спрос на байт-последовательные модули флэш-памяти для таких приложений, как цифровые видеокамеры, твердотельные плееры и диктофоны, определил требование повышения емкости микросхем. Устройства с объемом памяти до 128 Мбит уже находятся в массовом производстве, до 256 Мбит ожидаются в конце этого года, а уровень 512 Мбит будет достигнут в середине 2000 года. Производители микросхем и плат запоминающих устройств в настоящее время для обеспечения максимальной емкости строят многокристальные системы, обеспечивающие в некоторых случаях хранение более 100 Мбайт информации.

    Помимо этого, производители конечного оборудования требуют от разработчиков микросхем памяти снижения мощности, потребляемой устройством во время работы, особенно в случаях, когда оно предназначено для портативной аппаратуры с батарейным питанием. Для достижения этого производители запоминающих устройств стремятся снижать рабочее напряжение микросхем. Работа только от источника 5 В скоро канет в лету. Устройства объемом до 32 Мбит, изготовленные с топологическими нормами 0,5 мкм, все еще работают от источника питания 5 В, но по мере перехода к топологическим нормам 0,4 мкм и ниже, напряжение может быть снижено до уровня 2,7√3,6 В.

    Как уже отмечалось, микросхемы флэш-памяти NAND являются всего лишь одним направлением из набора технологий изготовления электрически стираемых и программируемых запоминающих устройств (EEPROM). Два других направления могут быть описаны как устройства прямого доступа и устройства бит-последовательного доступа. Устройства прямого доступа имеют полноразрядную адресную 8- или 16-разрядную шину. К любому слову в памяти можно обратиться всего за один цикл работы. Обычно, для самых быстродействующих интегральных схем длительность цикла составляет не более 40 нс, для большинства доступных устройств не более 100 нс. С другой стороны, бит-последовательные устройства должны передавать команду управления (чтение, запись и так далее), адрес и строб данных бит за битом, а это требует 20 и более циклов работы всего для одной операции доступа.

Максимальная емкость

    Большинство изготовителей флэш-памяти NAND уже перешли или планируют перейти на 0,25-мкм технологию. Этот метод решения проблемы "в лоб" позволяет получить почти четырехкратное увеличение плотности заполнения кристаллов по сравнению с устройствами, изготовленными по технологии с топологическими нормами 0,35√0,5 мкм, используемой сейчас для производства устройств емкостью до 64 Мбит. В перспективе многие компании планируют переход на 0,18-мкм технологию, а некоторые из них делают конкретные шаги навстречу устройствам нового поколения.

Рисунок. Архитектура этой микросхемы флэш-памяти NAND емкостью 64 Мбит производства компании SAMSUNG 64-Mbit типична для устройств флэш-памяти на основе ячеек NAND. Данные, адреса и команды передаются через порт ввода/вывода. Команды и адрес во время чтения поступают на порт ввода/вывода от хост-системы. Команды загружаются в регистр команд, адрес поступает в Х- и Y-триггеры и декодируется. При выполнении команды считывания данные считываются из массива ячеек памяти, передаются в буфер ввода/вывода, а затем на порт ввода/вывода.

    Как мы уже говорили, термин "флэш-память" изначально применялся для определения ячеек памяти структуры NAND, разработанных специалистами компании Toshiba. Фактически, ячейка состоит из восьми последовательно соединенных транзисторов, из которых в виде цепочки формируется структура NAND. Устройства на ячейках памяти NAND обеспечивают более высокую плотность хранения информации, чем устройства на ячейках NOR (ИЛИ-НЕ) и EEPROM, что делает их весьма привлекательными для использования в приложениях, где нет необходимости в прямом доступе к памяти. За счет применения ячеек памяти NAND при производстве устройств с очень большим объемом памяти, разработчики могут получить дополнительный выигрыш в емко-сти и добиться функционирования устройства подобно магнитному диску. Кроме того, очистка всего массива памяти может быть произведена лишь одной командой, вместо последовательного перехода от адреса к адресу. В отличие от устройств EEPROM и EPROM с ультрафиолетовым стиранием, в которых время доступа к определенному слову данных составляет менее 150 нс, модули памяти NAND имеют значительно большее время ожидания. Оно может достигать нескольких микросекунд, что подобно времени ожидания в несколько миллисекунд для доступа к первому слову файла на магнитном диске. Однако, последующие байты при таком типе доступа могут быть считаны очень быстро, обычно со скоростью от 50 до 100 нс на байт, то есть, со скоростью следования тактовых импульсов. Таким образом, байт-последовательный формат организации памяти подобен работе накопителя на магнитных дисках, но обеспечивает намного большую скорость считывания информации.

    Тем временем, компания Hitachi разработала систему хранения информации на ячейках AND (И), которая может составить конкуренцию описанным выше устройствам. Компания Hitachi также заключила перекрестное лицензионное соглашение с компанией Mitsubishi, которая разработала собственную структуру организации ячеек для модулей флэш-памяти с произвольным доступом, носящую название DINOR (DIvided bit-line NOR структура NOR с разделенными разрядными линиями). Обе компании предлагают устройства с принципиально противоположным принципом действия. Специалисты компании Mitsubishi утверждают, что их структура DINOR потребляет меньшую мощность и требует меньшей полезной площади на кристалле, чем аналогичное по емкости ЗУ на основе ячеек NOR. Разработчики компании Hitachi гарантируют, что их устройства на основе ячеек AND обеспечивают аналогичный выигрыш по сравнению с модулями на основе ячеек NAND. Помимо этого, компания Hitachi сообщила о выпуске микросхем памяти на основе структуры AND с емкостью до 128 Мбит со стандартной организацией один бит на ячейку. Микросхемы имеют более высокую скорость записи сектора, чем устройства предыдущего поколения, что составляет всего 200 мкс. Отдельно следует отметить повышенную износостойкость микросхем она обеспечивает 300000 циклов стирания/записи, что в три раза превышает аналогичный параметр у микросхем емкостью 64 Мбит. Здесь для достижения высокого значения износостойкости применяются специальные алгоритмы, обеспечивающие равномерное использование всех ячеек микросхемы в процессе функционирования.

    Корпорация Intel (Санта-Клара, штат Калифорния), а также некоторые другие компании, вернулась к идее использования многоуровневой логики, где для представления различных значений данных используются не только значения "0" и "1". Несмотря на то, что многоуровневая логика широко применяется уже несколько лет, в этой области есть еще широкие просторы для проведения научных исследований. Несколько лет назад компания Intel нашла способ реализовать эти схемы таким образом, что стало возможным создавать модули флэш-памяти. За счет разбиения размаха напряжения между логическими "0" и "1" на четыре меньших области и использования специальных компараторов для определения уровней в этих областях, стало возможным хранение в одной ячейке памяти 2 бит данных. Такая многоуровневая система хранения информации, примененная в устройствах StrataFlash, позволила компании Intel вдвое увеличить емкость своих модулей памяти с произвольным доступом.

    Подобный принцип хранения информации в настоящее время находится в стадии разработки или внедрения в производство в компаниях Hitachi, Mitsubishi, SanDisk, Samsung и других для использования в байт-последовательных модулях флэш-памяти. Например, компании Hitachi и Mitsubishi совместно разрабо-тали устройство флэш-памяти на основе ячеек AND ем-костью 256 Мбит, где используется многоуровневый подход и топологические нормы 0,25 мкм. Компания SanDisk применила многоуровневую схему для изготовления микросхем памяти с емкостью до 128 Мбит. В отличие от "автономных" микросхем, предлагаемых компаниями Hitachi и Mitsubishi, микросхемы компании SanDisk имеют уникальный интерфейс, требующий использования вспомогательной микросхемы контроллера для формирования совместимой с PC CARD ATA/IDE подсистемы хранения информации.

    Недавно компании Hitachi и Mitsubishi на совмест-ной презентации представили разрабатываемые ими устройства памяти емкостью 256 Мбит, занимающие на кристалле площадь всего 138,6 мм2. С использованием многоуровневого принципа хранения информации, разработчики кристаллов получают возможность дальнейшего совершенствования 128-Мбит устройств, выполненных по схеме один транзистор на бит, и увеличения их емкости вдвое.

    Матрица запоминающего устройства делится на сектора, каждый из которых содержит 8192+256 ячеек памяти (8192 для данных и 256 для коррекции ошибок), которые с учетом многоуровневого принципа позволяют хранить 16384+512 бит или 2048+64 байт полезной информации. Указанная организация массива памяти поз-воляет сохранить время стирания и записи сектора на уровне 1 мс, что позволяет программировать микросхему со скоростью 2 Мбайт в секунду.

    В другом докладе говорилось о проделанной компанией Toshiba работе по разработке микросхемы емкостью 256 Мбит, использующей стандартный способ хранения информации "один бит на ячейку". Благодаря использованию метода изоляции неглубокими канавка-ми, обеспечивающего более плотную компоновку транзисторов, разработчики компании смогли расположить 256 млн. ячеек памяти на площади всего 130 мм2. С отказом от передачи служебных сигналов, необходимых для обслуживания ячеек памяти, они достигли вдвое большей скорости программирования, чем микросхемы альянса Hitachi/Mitsubishi, что составило 4,4 Мбайт в секунду. Использование плавающей битовой линии с экраном позволяет достичь очень хорошей величины времени ожидания при первом доступе, составляющей всего 3,8 мкс, а также задержки 35 нс для каждой последующей операции.

    Специалисты компании Samsung не планируют применять принцип многоуровневого хранения информации в своих модулях флэш-памяти на основе ячеек NAND, пока не достигнут емкости 512 Мбит на кристалл. Сейчас компания разрабатывает устройства емкостью 256 Мбит, которые планирует выпустить в конце 1999 года, и успешно поставляет потребителям устройства емкостью от 4 до 128 Мбит.

    Микросхема KM29U64000 производства компании Samsung (рисунок) работает аналогично магнитному диску и имеет емкость 64 Мбит и архитектуру, типичную для большинства байт-последовательных модулей флэш-памяти. Микросхема содержит главную матрицу памяти размером 64 Мбит и вспомогательную матрицу размером 2 Мбит, используемую для контроля четности и коррекции ошибок. Команды, адресная информация и данные передаются в микросхему по шине ввода/вывода. Команды пересылаются в регистр команд, а данные распределяются в так называемые глобальные буферы и затем передаются в главную матрицу запоминающего устройства во время действия сигнала записи/хранения. При чтении данных в микросхему должны быть переданы команды и адресная информация. Но данные при этом будут передаваться с главной матрицы на глобальные буферы, а затем на шину ввода/вывода.

    Для некоторых из своих устройств с меньшей емкостью, например, микросхем 64 Мбит и недавно выпущенных 128 Мбит, компания Samsung планирует совершенствовать технологию расположения нескольких кристаллов в одном корпусе. Она предлагает микросхемы емкостью 128 Мбит, содержащие два кристалла по 64 Мбит каждый, пока однокристальные 128-Мбит устройства не станут более рентабельными. Затем компания сможет представить микросхему емкостью 256 Мбит, содержащую два кристалла по 128 Мбит каждый. Такой подход позволит разработчикам конечного оборудования при проектировании ориентироваться на более мощные уст-ройства следующего поколения, что в будущем значительно облегчит модернизацию оборудования.

    Компания Advanced Micro Devices, также совершившая переход к модулям флэш-памяти NAND, уже получила первые образцы микросхем памяти UltraNAND, массовый выпуск которых планируется начать в этом квартале. Микросхема AM30L0064 представляет собой запоминающее устройство емкостью 64 Мбит, обеспечивающее правильную работу при более 100000 циклах стирания/записи без использования функции исправления ошибок. При включении режима исправления ошибок микросхема обеспечивает более 1 миллиона циклов стирания/записи. Микросхема работает от источника напряжением 3 В (от 2,7 до 3,6 В) и имеет линии ввода/вывода, допускающие соединение с устройствами с питанием 5 В.

    Опираясь на свой опыт в области разработки быстродействующих модулей флэш-памяти на основе ячеек NOR, компания AMD получила очень высокопроизводительную микросхему. Чтение данных может производиться со скоростью до 20 Мбайт/с, а запись со скоростью 2,5 Мбайт/c. Скорость стирания данных достигает 2 мс на блок (8 Кбайт/блок). Микросхема также предлагает режим непрерывного (беззазорного) считывания, при котором устраняются задержки на 7 мкс, типичные при переходе со страницы на страницу. Базовый набор команд микросхемы включает функции, общие для большинства модулей флэш-памяти NAND: Read Data, Read ID, Read Status, Input Data, Program Data, Block Erase и Reset. В дополнение к функции беззазорного последовательного считывания (Gapless Sequential Read) была добавлена команда Erase Suspend/Resume. Теперь за-прос на считывание может приостановить действие команды продолжительного стирания, а после выполнения операции считывания стирание будет продолжено. Такая функция позволит избежать миллисекундных задержек системы, связанных со стиранием блока. Чтобы ускорить загрузку данных, микросхема UltraNAND содержит регистр данных размером в полную страницу. Это позволяет загружать данные со скоростью 50 нс на байт при одновременной записи в главную матрицу запоминающего устройства всего за 200 мкс. При пересчете на байт, это означает, что описываемое устройство приблизительно в 20 раз быстрее, чем модули флэш-памяти на основе ячеек NOR.

    Типичным представителем модулей флэш-памяти NAND, функционирующих аналогично магнитному диску, являются микросхемы Disk-on-Chip Millennium компании M-Systems. Эта микросхема полностью подражает работе накопителя на магнитных дисках. Для достижения этого, разработчики интегрировали в нее разнообразные функции: флэш-память NAND емкостью 8 Мбайт, буферное ОЗУ емкостью 512 байт, обеспечивающее локальное исполнение загрузочного кода, и контроллер обнаружения и исправления ошибок.

    Встроенный контроллер обеспечивает интерфейс связи с хост-системой, аналогичный устройствам EEPROM. Но когда микросхема и хост объединяются с программным обеспечением компании, отдельные функции микросхемы работают точно так же, как полностью самоза-гружаемый магнитный диск. При желании она может заменить загрузочное ПЗУ компьютера или какой-либо другой системы. Выполненная в корпусе с 32 выводами, микросхема DOC Millennium является совместимой с существующим семейством изделий "диск на кристалле" компании M-Systems. Поставляемые сейчас многокристальные сборки, выпускаемые в корпусах с 32 выводами, предлагают емкость от 2 до 144 Мбайт.

    В процессе разработки данной микросхемы специалисты компании M-Systems решили ряд технологиче-ских проблем. Одной из таких проблем было требование изготовления всего устройства по технологии, использующей только один слой металлизации, что определяется структурой матрицы запоминающего устройства NAND. Реализация самозагрузки микросхемы и ОЗУ для локального исполнения загрузочного кода представляют собой еще два препятствия, которые разработчикам пришлось успешно преодолеть.

    При наличии некоторой изобретательности, разработчики могут превратить стандартные модули флэш-памяти с произвольным доступом в устройство, подобное накопителю на магнитных дисках. Примером такого устройства является твердотельный контроллер диска, разработанный компанией Macronix America. Микросхема MX9691 объединяет 16 кристаллов флэш-памяти по 32 Мбит каждый (или по 16 Мбит) и может превратить их в диск с неформатированной емкостью 64 Мбайт (или 32 Мбайт, соответственно). Чтобы осуществить это, микросхема включает не только сигналы управления для модулей флэш-памяти, но и контроллер буферного ОЗУ, который управляет двухпортовым кольцевым буфером емкостью 1 Кбайт. Также в микросхеме содержится цифровой сигнальный процессор с производительностью 21 MIPS, предназначенный для обнаружения и обработки сигнала.

Electronic Design, март 1999 г.
Перевод Ю. Потапова