Что такое nand flash в планшете
Технология флеш-памяти 3D NAND
Всем привет! Как вы знаете, современная планарная флеш-память NAND почти исчерпала свой потенциал. Основной её проблемой является то, что уменьшать размеры кристалла становится все труднее. По прогнозам экспертов, 14-15 нм технологические нормы станут пределом планарной флеш-памяти, по крайней мере на ближайшее время. А на смену ей придет технология «вертикальной» флеш-памяти – 3D NAND.
Очень важно понимать, что же мешает дальнейшему уменьшению размеров кристалла. Прежде всего, для освоения более тонких техпроцессов необходимо дорогостоящее оборудование, покупка которого может в дальнейшем не оправдаться с экономической точки зрения. И если приобретение новых литографических машин – вопрос решаемый, то проблему перетекания заряда из одной ячейки в другую, из-за которой возникают ошибки, решить не так легко.
Словом, индустрия оказалась в ситуации, когда ресурсы обычной, планарной, флеш-памяти оказались исчерпаны. Поэтому появилась идея размещать ячейки не только в плоскости, но еще и слоями. Таким образом, чип получает трехмерную структуру и способен вмещать значительно больше информации на единицу площади, нежели двухмерные кристаллы. Технология получила название 3D NAND. Тут же стоит отметить, что производители используют различные техники для создания трехмерной памяти, поэтому архитектура 3D NAND у каждой компании может иметь свои особенности и отличия.
Первой компанией, наладившей производство трехмерной флеш-памяти под названием 3D V-NAND и накопителей на их основе, был корейский гигант Samsung. Еще в 2013 году они объявили о выпуске первых трехмерных чипов типа MLC, насчитывающих 24 слоя. А уже через год 3D реализацию получила флеш-память TLC, число слоев которой увеличилось до 32.
Как вы знаете, в основе конструкции планарной флеш-памяти лежит транзистор с плавающим затвором. Плавающий затвор обладает способностью удерживать заряд в течение длительного времени. Как оказалось, в этом кроется основной недостаток конструкции: при уменьшении техпроцесса вследствие износа ячеек заряд может перетекать из одной ячейки в другую. Для решения этой проблемы Samsung использует технологию 3D Charge Trap Flash, что в переводе с английского означает «ловушка заряда».
Её суть заключается в том, что заряд теперь помещается не в плавающий затвор, а в изолированную область ячейки из непроводящего материала, в данном случае — нитрида кремния (SiN). Тем самым снижается вероятность «утечки» заряда и повышается надежность ячеек.
Помимо всего прочего, применение технологии CTF позволило сделать чипы памяти более экономичными. По данным Samsung, экономия может достигать 40% в сравнении с планарной памятью.
Трехмерная ячейка 3D V-NAND представляет собой цилиндр, внешний слой которого является управляющим затвором, а внутренний – изолятором. Ячейки располагаются друг над другом и формируют стек, внутри которого проходит общий для всех ячеек цилиндрический канал из поликристаллического кремния. Количество ячеек в стеке эквивалентно количеству слоев флеш-памяти.
3D V-NAND память также может похвастаться более высокой скоростью работы. Этого удалось достичь за счет упрощения алгоритма записи в ячейку – теперь вместо трех операций выполняется всего одна. Упрощение алгоритма стало возможным благодаря меньшей интерференции между ячейками. В случае с планарной памятью из-за возможных помех между соседними ячейками требовался дополнительный анализ перед записью. Вертикальная память свободна от этой проблемы, и запись выполняется за один шаг.
Ну и несколько слов о надежности. 3D V-NAND память значительно меньше подвержена износу благодаря тому, что для записи информации в ячейку не требуется высокого напряжения. Напомним, для того чтобы поместить данные в ячейку планарной памяти применяется напряжение порядка 20 В. Для трехмерной памяти этот показатель ниже. На надежности благоприятно сказался и тот факт, что производство трехмерной флеш-памяти не требует тонких технологических норм. Например, третье поколение памяти 3D V-NAND с 48 слоями производится по отлаженному 40 нм техпроцессу.
Пока Samsung производила чипы трехмерной флеш-памяти себе в убыток (что, кстати, было официально подтверждено корейской компанией), другие производители флеш-памяти разрабатывали конкурирующие технологии. Так, компании Toshiba и SanDisk объединились в альянс для выпуска трехмерной флеш-памяти BiCS 3D NAND (Bit Cost Scalable).
Работа над технологией началась еще в 2007 году силами одной Toshiba, а первые образцы трехмерной флеш-памяти BiCS были продемонстрированы в 2009 году. С тех пор развитие технологии не форсировалось. Кроме того, альянс Toshiba/SanDisk четко дал понять, что они не собираются выводить трехмерную флеш-память в массовое производство до тех пор, пока это не будет экономически выгодно.
Основным отличием 3D флеш-памяти Toshiba от планарной, как и в случае с Samsung 3D V-NAND, является использование технологии CTF вместо классических транзисторов с плавающим затвором. Материалом для изолированной области также служит нитрид кремния (SiN). Принцип действия технологии в BiCS 3D NAND остается тем же самым: информация помещается не в плавающий затвор, как раньше, а в изолированную область.
Что выгодно отличает BiCS 3D NAND от технологии 3D V-NAND, так это использование U-образных строк (линий). Это означает, что ячейки группируются не в ряд, а в имеющую форму буквы U последовательность. По словам Toshiba, такой подход позволяет добиться максимальной надежности и скорости работы. Это стало возможным благодаря тому, что в U-образном дизайне переключающий транзистор и линия истока располагаются в верхней части последовательности (а не в нижней, как при «рядном» дизайне) и не подвергаются высокотемпературному воздействию, вследствие чего уменьшается количество ошибок при чтении и записи.
Также к преимуществам U-образного дизайна Toshiba относит и тот факт, что такая конструкция не требует использования фотолитографии в глубоком ультрафиолете. Поэтому для изготовления трехмерной флеш-памяти компания может использовать существующие производственные мощности.
Интересно и то, что в производстве BiCS 3D NAND компания Toshiba впервые в массовом будет применять технологию тонкопленочных транзисторов (TFT).
Что касается технических характеристик чипов BiCS, то это будут 48-слойные кристаллы памяти типа TLC. Их плотность составит 256 Гбит. При производстве будет использоваться отлаженный 30-40 нм техпроцесс. В целом, по характеристикам первые массовые чипы BiCS 3D NAND будут очень схожи с третьим поколением кристаллов Samsung 3D V-NAND.
Альянс Micron/Intel также ведет разработку собственной трехмерной флеш-памяти. Многие эксперты предрекали, что все проекты 3D NAND будут использовать технологию CFT, однако Micron с Intel удивили всех и пошли иным путем. Основу их трехмерной флеш-памяти составляют ячейки с плавающим затвором. В Micron утверждают, что именно такая архитектура позволяет более надежно хранить заряд в ячейке.
Micron обещает наладить массовое производство чипов трехмерной флеш-памяти уже в этом году. Это будут 32-слойные кристаллы плотностью 256 Гбит (MLC) и 384 Гбит (TLC).
Об архитектуре трехмерной флеш-памяти SK Hynix известно не многое. Изначально южнокорейская компания планировала использовать ячейки с плавающим затвором, однако в конце концов выбор пал на технологию CTF. В этом году SK Hynix обещает наконец-то наладить массовое производство 3D NAND. Это будут 48-слойные чипы TLC емкостью 256 Гбит.
Flash память в телефоне
Эта статья должна дать четкое представление что такое flash память в телефоне и зачем она нужна. Я потрачу немного времени и расскажу про нее, что знаю. Вы прочтите, потому что редко от мастера увидишь такие статьи. Их пишут, как правило, те кто не разбирается в вопросе)).
Flash память что это?
В любом современном смартфоне и планшете есть внутренняя память. Это знаете как на «русском» языке? Лежит USB флешка в кармане и на ней хранятся фотографии, документы. А когда мы ее подключим к компьютеру или ноутбуку, то увидим содержимое. Тем самым микросхема флеш-памяти содержит и хранит наши файлы. Друзья, не путайте ее с micro SD карточкой памяти (внешняя карта памяти). Чип флеш памяти изображен на рисунке 1.
Рисунок 1
Рисунок 2
Такая микросхема имеет разные размеры — форм-фактор, разный объем памяти. Есть флеш память 8 Гб, флеш память 16 Гб, флеш память 32 Гб и флеш память 64 Гб. Но прогресс, как говорится, на месте не стоит. Уже в новых смартфонах внутренняя flash память достигает 1 Тб объема хранимой информации. Но мы давайте, остановимся на том что имеем. Что на данный момент является проблемой, носящей распространенный характер.
Производители мобильных телефонов и планшетов повсеместно начали оснащать таким чипом свои девайсы. Началось это примерно с 2013 года. Раньше применялась nand память (Рисунок 2). Причиной смены явились: скорость передачи информации, размер накопителя. Не стоит забывать, что у flash памяти eMMC свой внутренний контроллер. Он отвечает за распределение и хранение ваших файлов. А у nand чипов эту роль выполнял процессор устройства. Да и техника наша с вами постоянно совершенствуется.
Сгорела плата в телефоне.
В сервисе разводят руками и говорят: «Сгорела плата в телефоне», примерно так.
Для микросхем флеш памяти eMMC ресурс работы около 3 лет. Как показывает практика, работают и по 7 лет. Вот пришло то время когда вроде бы смартфон по характеристикам еще должен работать, а тут выключился. И вот несете в сервис прошить телефон, ну или планшет. В сервисе разводят руками и говорят: «Сгорела плата в телефоне», примерно так. Это если уровень знаний недостаточный у инженера. Квалифицированный мастер всегда точно определит причину поломки телефона. Т.е. понятия «сгорела плата» и «сгорела микросхема памяти» разные.
Почему я хочу поставить акцент на этот аспект? Потому что флеш память меняется отдельно и дешевле за стоимость замены платы. С некоторой стороны заменить плату выгоднее, чем тратить время на ремонт. А самое главное, мастеров, умеющих менять отдельно flash память на пальцах можно пересчитать. Учитывайте, что плату вам установят с другого такого же телефона. То есть вы получаете кота в мешке. Где гарантии что ресурс не выработан у чипа, что стоит на ней?
Не будем останавливаться на компетентности сотрудников различных сервисов. Остановимся на том как определить что пора менять чип.
Когда нужна замена flash памяти.
А как узнать? Легко. Я пишу вам симптомы, а вы выбираете свой пункт и все становится на свои места)).
Почему сгорела флеш память?
Вот все вышеперечисленные пункты происходят от чего. Информация во флеш памяти как говорилось выше распределяется по адресам и в них хранится. Вот вы файлик сохранили в телефоне, это файлик в соответствии с таблицей файловой системы разносится по разным адресам. А нашли старую фотографию, удалили ее с телефона, осталось место свободное, следующий файл будет заполнять это место.
Это как сиденье в автобусе на котором мы сидим ежедневно. Одно мягкое место посидело, ушло, второе пришло… Вот стирается обивка и приходит в негодность. Тоже самое и с ячейком (адресом), со временем она становится медленной. Потом вовсе нельзя на ней хранить 0 или 1.
Контроллер ее помечает неисправной и пересчитывает на другие адреса. В итоге мы имеем большое количество ошибок и сбои в работе. А глобально, вот вы, например, телефон постоянно включаете и выключаете. Это сказывается на области Flash памяти где хранится прошивка телефона. Вовсе перестает включаться и да: «сгорела флеш память». Вот откуда это понятие))).
Достать файлы из флеш памяти.
Ну раз уже задели тему извлечения, давайте остановимся. Важно понять, что в последнее время производители телефонов стали шифровать данные пользователя. Это зависит и от операционной системы, например, с версии android 7.0 уже раздел с файлами ваши зашифрован. Ну или пользователь сам может зашифровать свой аппарат. Люди часто звонят и спрашивают, вот сгорела плата, как извлечь фото из андроид моего. Вот если не зашифровано ничего, то решаемо. Просто процедуры извлечения разные, от простых до трудоемких способов. Для таких случаев в основном флеш память выпаивается и через программатор флеш памяти считывается содержимое. Такие программаторы стоят больших денег. Поэтому и цена на такие работы дорогая. Всегда помните, что принеся неквалифицированным ребятам свой аппарат, по сути вы станете как минер… ))) Ошибается единожды. Раскурочат, сломают напополам флеш память и пиши пропало. В общем думайте сами)).
Почему надо менять флеш память.
В первую очередь, есть новые микросхемы еще в доступе. Либо микросхемы снятые когда-то с бракованных по другим причинам плат в телефонах. Это плюс, новый чип — новая жизнь. А знаете, что можно варьировать объемом флеш памяти? Вот стояла у вас микросхема на 4 Гб, а мы можем поставить на 16 Гб. И все буде отлично и без нареканий работать. Плюс ко всему ж есть гарантия 4 месяца. А, как правило, по опыту, если работает, то уже работает. На ближайшие минимум 2-3 года вы обеспечены работой девайса.
Кстати, любим делать фото работ «До» и «После». Есть и в instagram фото и в профиле на онлайнере в Услугах. В общем, как говорится, себя не похвалишь, никто не похвалит))).Там можно посмотреть кое-чего для ликбеза.
Замена flash памяти в телефоне и планшете.
А знаете что? Сейчас мы с вами поменяем память в…..в…а пусть в Huawei P8 lite.
Итак, берем аппарат, вскрываем его и извлекаем из устройства системную плату. Это то про что выше упоминалось: «Сгорела плата» ))
Ставим ее в держатель для плат. Нужно для ее фиксации, чтобы она была неподвижной. И феном ее выпаиваем. Выпаиваем так, чтобы не повредить сам чип и рядом стоящие не перегреть, а это Мастерство. Повредить ее нельзя, потому что оттуда нужны фотографии хозяйке телефона.
Вот мы микросхему выпаяли и подготовили для установки в сокет для чтения программатором флеш памяти ее содержимого.
Поставили в сокет и она прочиталась. На следующем рисунке особо внимательные читатели этой статьи обратят внимание. Версия прошивки 5.0, т.е. телефон не включался, а драгоценные фотографии мы хозяйке достанем.
После всего этого возьмется другая микросхема, рабочая. Мы ее установим и восстановим программное обеспечение телефону. Но это уже другая история)).
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Предисловие
Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям (1, 2, 3, 4). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.
Теоретическая часть
Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…
Какая память бывает?
На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.
Тут можно подробнее ознакомиться с ниже приведённой схемой и сравнением характеристик различных типов «твердотельной памяти». Или тут – жаль, что я был ещё ребёнком в 2003 году, в таком проекте не дали поучаствовать…
Современные типы «твердотельной памяти». Источник
Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах.
Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?
Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно подробная статья о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память (тут тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.
Схематическое представление транзистора с плавающим затвором. Источник
Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано тут. Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.
NB: «практически» — ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.
Там же, на ixbt, есть ещё одна статья, которая посвящена возможности записи на один транзистор с плавающим затвором нескольких бит информации, что существенно увеличивает плотность записи.
В случае рассматриваемой нами флешки память будет, естественно, NAND и, скорее всего, multi-level cell (MLC).
Если интересно продолжить знакомиться с технологиями Flash-памяти, то тут представлен взгляд из 2004 года на данную проблематику. А здесь (1, 2, 3) некоторые лабораторные решения для памяти нового поколения. Не думаю, что эти идеи и технологии удалось реализовать на практике, но, может быть, кто-то знает лучше меня?!
Что такое DRAM?
Если кто-то забыл, что такое DRAM, то милости просим сюда.
Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:
Устройство ячейки RAM. Источник
Опять-таки на ixbt есть неплохая статья, посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.
Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да, но всё-таки…
Часть практическая
Flash
Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:
Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти. Источник
Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы тут). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.
Корпус кварцевого генератора
Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:
Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита
А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:
Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий
Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.
После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:
«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)
Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый»
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:
Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.
В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»