плавающим затвором просто «перепрыгивали». Такой процесс называется еще инжекцией горячих электронов.
Ток заряда при этом достигал миллиампера – можете себе представить, каково было потребление всей схемы, если в ней одновременно заряжать хотя бы несколько тысяч ячеек. И хотя такой ток требовался на достаточно короткое время (хотя с точки зрения быстродействия схемы не такое уж и короткое – миллисекунды), это было крупнейшим недостатком всех старых образцов EPROM-памяти. Еще хуже другое – и изолятор, и сам плавающий затвор такого «издевательства» долго не выдерживали, постепенно деградируя, отчего количество циклов записи/стирания было ограничено несколькими сотнями, максимум – тысячами. Во многих образцах флэш-памяти (даже более поздних) была предусмотрена специальная схема для хранения карты «битых» ячеек – в точности так, как это делается в жестких дисках. В современных моделях такая карта, кстати, тоже имеется – однако число циклов стирания/записи возросло до сотен тысяч и даже миллионов.
Теперь посмотрим, как осуществлялось в этой схеме стирание. В упомянутой UV-EPROM при облучении ультрафиолетом фотоны высокой энергии сообщали электронам на плавающем затворе достаточный импульс, чтобы они «прыгали» обратно на подложку самостоятельно, без каких-либо электрических воздействий. А Джордж Перлегос использовал «квантовый эффект туннелирования Фаулера-Нордхейма» (Fowler-Nordheim) в электрически стираемой памяти (EEPROM). За непонятным названием кроется довольно простое (но очень сложное с физической точки зрения), по сути, явление: при достаточно тонкой пленке изолятора (10 нм) электроны, если их слегка «подтолкнуть» не слишком высоким напряжением в нужном направлении, могут «просачиваться» через барьер, не перепрыгивая его. Процесс показан на рис. 4 (обратите внимание на знак напряжения на управляющем электроде).
Старые образцы EEPROM именно так и работали: запись производилась горячей инжекцией, а стирание – квантовым туннелированием. Оттого они были довольно сложны в эксплуатации; разработчики со стажем помнят, что первые микросхемы EEPROM требовали два, а то и три питающих напряжения, причем подавать их при записи и стирании требовалось в определенной последовательности. Мало того, цена таких чипов была почти запредельной – автор сам покупал в середине 1990-х полумегабитную (то есть 64-килобайтную) энергонезависимую память по $30 за микросхему. Не забудьте и про «битые» ячейки, возникновение которых в процессе эксплуатации приходилось все время отслеживать. Неудивительно, что разработчики предпочитали использовать более дешевую, удобную, скоростную и надежную статическую память (SRAM), пристраивая к ней резервное питание от литиевых батареек, которые к тому времени уже достаточно подешевели. На этой волне компания Dallas Semiconductor даже выпустила специальный тип NVRAM с батарейкой, встроенной прямо в микросхему.
Превращение EEPROM во Flash происходило по трем разным направлениям. Во-первых, усовершенствовалась конструкция самой ячейки. Для начала избавились от самой противной стадии – «горячей инжекции». Вместо нее при записи стали также использовать квантовое туннелирование, как и при стирании.
На рис. 5
показан этот процесс – если при открытом транзисторе подать на управляющий затвор достаточно высокое (но значительно меньшее, чем при «горячей инжекции») напряжение, часть электронов, двигающихся через открытый транзистор от истока к стоку, «просочится» через изолятор и окажется на плавающем затворе. Потребление тока при записи снизилось на несколько порядков. Изолятор, правда, пришлось сделать еще тоньше, что обусловило довольно большие трудности с внедрением этой технологии в производство.
Во-вторых, ячейку сделали несколько сложнее, пристроив к ней второй транзистор (обычный), который разделил вывод стока и считывающую шину всей микросхемы. Благодаря этому (вместе с отказом от горячей инжекции) удалось добиться значительного повышения долговечности – до сотен тысяч, а в настоящее время – до миллионов
И наконец, в-третьих, изменилась организация доступа к ячейкам на кристалле, вследствие чего этот тип памяти и заслужил наименование flash, «молния».
Впервые принцип DRAM – хранение информации на конденсаторах с периодической регенерацией – применил еще Дж. Атанасов в своем первом компьютере ABC (1941 г.). А зачем вообще нужна регенерация? Дело в том, что ввиду микроскопических размеров конденсатора (и, соответственно, емкости) в ячейке DRAM записанная информация хранится всего лишь сотые доли секунды. Несмотря на использование высококачественных диэлектриков с огромным электрическим сопротивлением, заряд, состоящий в рядовом случае всего из нескольких сотен, максимум тысяч электронов, успеет утечь так быстро, что вы и глазом моргнуть не успеете.
В первых моделях IBM РС регенерация осуществлялась каждые 15 мкс по сигналу системного таймера. Естественно, в таком решении было много подводных камней – во-первых, регенерация всей памяти занимала много времени, в течение которого ПК был неработоспособен. Потому-то сигнал на регенерацию и подавался с такой большой частотой – каждый раз проверялась всего 1/256 памяти, так что полный цикл восстановления занимал около 3,8 мс. Во-вторых, такое решение потенциально опасно: любая зловредная программа спокойно могла остановить системный таймер, отчего компьютер уже через несколько миллисекунд впадал в полный ступор. Современные микросхемы DRAM занимаются восстановлением данных самостоятельно, да еще и так, чтобы не мешать основной задаче – процессам чтения/записи.
Процесс обновления информации в микросхемах EEPROM был очень медленным. Во-первых, каждую ячейку требовалось сначала стереть – ведь запись, то есть помещение на плавающий затвор зарядов, лишь приводило ее в состояние «логического ноля», а восстанавливать «логическую единицу» нужно было отдельно. Во-вторых, из-за большого потребления тока в процессе горячей инжекции каждую ячейку приходилось записывать фактически отдельно, а так как этот процесс занимал миллисекунды, то для перезаписи даже сравнительно небольших массивов (например, тех же 64 Кбайт) уходили уже секунды.
Между тем требовались все большие емкости долговременной памяти. Усовершенствование процедур записи и стирания ускорило процесс, но все же в сравнении с обычными DRAM и SRAM энергонезависимая память принципиально проигрывала в быстродействии. Правда, проигрывает и по сей день – только в последние годы (если не сказать месяцы) появилась надежда, что в будущем вся память компьютеров станет энергонезависимой. Еще совсем недавно «флэшки» уступали в «скорострельности» даже жестким дискам, не то что DRAM – иначе откуда бы взяться таким устройствам, как IBM Microdrive? Давайте посмотрим, как поступили разработчики во главе с Фуджио Масуока, придумывая то, что получило название флэш-память.
Они решили, что раз потребление при записи удалось снизить, то можно записывать ячейки не индивидуально, а блоками – чем крупнее блок, тем быстрее получится. В этой схеме некий массив данных готовится заранее (помещается в специальный временный буфер SRAM – на том же кристалле, что и основная память), затем все нужные ячейки разом стираются, и одновременно же в них записывается информация из буфера. Недостатком такого метода стала необходимость перезаписи целого блока, даже если нужно изменить только один бит в одной-единственной ячейке. Но на практике это не вырастает в проблему – основные задачи, которые выполняет энергонезависимая память в современном мире, как раз и заключаются в разовой записи больших массивов (цифровые камеры, плееры и т.п.). Вот такая разновидность EEPROM и стала называться flash – за многократно выросшую скорость записи информации,
