28.1.5.5 Микросхемы flash-Memory (флэш-памяти)
Данная технология памяти разработана корпорацией Intel в 1989 г. В качестве ЗЭ используется МОП–транзистор с плавающим и управляющим (выбирающим) затворами, поперечное сечение которого приведено на рисунке 28.7.
Рисунок 28.7 – Поперечное сечение ЗЭ флэш-памяти
Отличие данного элемента от запоминающего элемента EEPROM в основном в размерах и проектных нормах. В данном ЗЭ состоянию, когда плавающий затвор имеет заряд, присвоено значение логического «0», а когда ПЗ не имеет заряда присвоено значение логической «1». Программирование заключается в занесении в ПЗ заряда (т. е. занесение «0»).
При программировании (рисунок 28.8) выбирающий затвор ЗЭ (линия слова) подключается к внешнему источнику напряжения программирования (VPP = 12 В). Сток (бит–линии) подключается к промежуточному напряжению VPP/2, исток подключен к земле.
Рисунок 28.8 – ЗЭ флэш-памяти в режиме программирования
Электроны в области канала получают высокое цифровое ускорение, сопровождающееся ростом их кинетической энергии. Столкновение электронов с атомами подложки разогревает кристаллическую решетку кремния. Электроны становятся все более «горячими» и многие из них пролетают в окисел под ПЗ и накапливаются в ПЗ. Накопление электронов в ПЗ приводит к смещению (увеличению) порогового напряжения переключения транзистора.
При последующем чтении такой транзистор остается в закрытом состоянии. На выходе ЗЭ (бит–линия подключена к стоку) не возникает тока. Длительность внутренних импульсов программирования составляет около 4 мкс.
При стирании электроны снимаются с ПЗ. Для этого напряжение VPP подается на исток, заземляется выбирающий затвор. Сток находится в свободном состоянии (см. рисунок 28.9).
Рисунок 28.9 – ЗЭ флэш-памяти в режиме стирания
При таком включении электроны туннелируют в обратном направлении в область истока, покидая ПЗ. Снятие заряда с ПЗ приводит к снижению порогового напряжения переключения транзистора (записана логическая «1»).
При чтении такого ЗЭ на выходе будет логическая «1», поскольку при подаче соответствующего напряжения чтения транзистор без заряда в ПЗ открывается, и через подключенную к транзистору бит–линию протекает ток. Длительность внутренних импульсов VPP при автоматическом стирании около 10 мс (для БИС 28F008).
!!!Внимание! Текст меньшего размера в материале данной лекции для самостоятельной проработки!!!
Современная флэш-память имеет время доступа при чтении до 35÷200 нс, имеется интерфейс динамической памяти и синхронный интерфейс, напоминающим интерфейс синхронной статической памяти. Стирание информации (поблочное или во всей микросхеме) занимает сотни милисекунд. Программирование (запись) байта занимает много меньшее время (менее 10 мкс), причем шинные циклы обращения к микросхеме при записи – нормальные для процессора (не растянутые, как для EPROM и EEPROM).
Первые микросхемы флэш-памяти были выпущены фирмой Intel в 1989 году и за прошедшие годы претерпели существенные изменения по архитектуре, интерфейсу и напряжению питания. По организации массива ЗЭ различают микросхемы:
– Bulk Erase (BE) – стирание возможно только для всего объема;
– Boot Block (BB) – массив разделен на несколько блоков разного размера, стираемых независимо. Один из блоков имеет дополнительные аппаратные средства защиты от стирания и записи;
– Flash File – массив разделен на несколько равноправных независимо стираемых блоков обычно одинакового размера, что позволяет их называть микросхемами с симметричной архитектурой Symmetriсal Architecture (SA).
Наличие внутреннего регистра команд и управляющего автомата Write State Machine (WSM) позволяет реализовать специфические функции, связанные с модификацией содержимого. Стирание и программирование флэш-памяти возможны только при подаче на вход VPP напряжения 12 В по командам, записываемым во внутренний регистр в шинном цикле записи.
При выключении питания внутренний регистр команд обнуляется, что соответствует команде чтения, и микросхема работает, как обычная микросхема PROM или EPROM. Это позволяет устанавливать микросхемы флэш-памяти вместо EPROM аналогичной емкости.
При подаче на вход VPP низкого напряжения (0–6,5 В) стирание и программирование становится невозможным, и микросхема ведет себя как обычная EPROM.
В микросхемах флэш-памяти второго поколения ЗЭ группируются в блоки, допускающие независимое стирание. Длительная операция стирания одного блока может прерываться для выполнения считывания данных других блоков, что значительно повышает гибкость и производительность устройства. Микросхемы имеют более сложный внутренний управляющий автомат и регистр состояния, что позволяет разгрузить внешний процессор и программу от функции отслеживания и стирания, а также упростить эти процедуры.
По способу разбиения на блоки, ориентированному на различные области применения, различают микросхемы Boot Block и Flash File.
Микросхемы Boot Block имеют однобайтную или переключаемую разрядность 8/16 бит (и состоят из нескольких блоков разного размера. Один из блоков имеет дополнительные аппаратные средства защиты от модификации и предназначается для хранения жизненно важных данных, не изменяемых при запланированных модификациях остальных областей. Эти микросхемы специально предназначены для хранения BIOS, а привилегированный блок (Boot Block) хранит минимальный загрузчик, позволяющий загрузить (например с дискеты) и выполнить утилиту программирования основного блока флэш-памяти.
В обозначении этих микросхем присутствует суффикс Т (Тор) или В (Bottop), определяющий положение Boot-блока либо в старших, либо в младших адресах соответственно.
Микросхемы Flash File организованы в виде набора одинаковых блоков, равноправных по защите (обозначаются SA – Symmetrical Architecture).
Современные микросхемы флэш-памяти третьего поколения выполнены по технологии Smart Voltage, допускают стирание и программирование при напряжении VРР как 12 В, так и 5 В. В последнем случае эти операции занимают больше времени. Кроме того, операции чтения возможны при пониженном питании VСС. При этом снижается потребление, но увеличивается время доступа.
Для управления защитой данных введен сигнал защиты записи WP (Write Protect). Для полной защиты от стирания и программирования на вход VРР должен подаваться низкий логический уровень (или 0 В), а не 5 В, как у микросхем с двенадцати вольтовым программированием.
В 1997 году компания Intel выпустила новый вид микросхем флэш – памяти, называемый Страта–Флэш (Strata Flash), в которых впервые в одном запоминающем элементе хранится два бита, а не один. Это обеспечивается тем, что в плавающем затворе транзистора фиксируется не только наличие или отсутствие заряда, но и определяется его величина, которая может иметь четыре значения. Различая четыре уровня, можно хранить в одном элементе два бита. На рисунке 28.10 приведена схема чтения данных из такого элемента.
Рисунок 28.10 – Схема чтения данных в четырехуровневом ЗЭ микросхем Strata Flash
Запоминающие элементы программируются введением в ПЗ одного из четырех количеств заряда, каждое из которых соответствует паре двоичных цифр: 11,10, 01, 00. В зависимости от заряда запоминающий транзистор имеет одно из четырех пороговых напряжений.
При считывании информации к затвору прикладывают напряжение считывания. Ток запоминающего транзистора зависит от величины внесенного при программировании в ПЗ заряда.
С помощью схем сравнения определяется величина тока Iзэ, протекающего через запоминающий транзистор. Логическая схема преобразует значения выходов схем сравнения в двоичный код (фактически блок эталонных ЗЭ, схемы сравнения и логическая схема образуют параллельный АЦП, преобразующий ток ЗЭ при чтении в двоичный код).