کامپیوتر و ریاضی با علی رضا نقش

فلاش NOR [ ویرایش ]

سیم کشی و ساختار حافظه فلش NOR روی سیلیکون

در فلش NOR، هر سلول دارای یک سر است که مستقیماً به زمین و انتهای دیگر مستقیماً به یک خط بیت متصل است. این چیدمان "NOR flash" نامیده می شود زیرا مانند یک دروازه NOR عمل می کند: هنگامی که یکی از خطوط کلمه (مرتبط به CG سلول) بالا می آید، ترانزیستور ذخیره مربوطه برای پایین کشیدن خط بیت خروجی عمل می کند. فلاش NOR همچنان فناوری انتخابی برای برنامه‌های تعبیه‌شده است که به یک دستگاه حافظه غیرفرار مجزا نیاز دارند. تأخیر خواندن کم مشخصه دستگاه های NOR امکان اجرای مستقیم کد و ذخیره داده ها را در یک محصول حافظه واحد فراهم می کند. [70]

برنامه نویسی [ ویرایش ]

برنامه نویسی یک سلول حافظه NOR (تنظیم آن بر روی 0 منطقی)، از طریق تزریق الکترون داغ

پاک کردن یک سلول حافظه NOR (تنظیم آن بر روی 1 منطقی)، از طریق تونل کوانتومی

یک سلول فلش NOR تک سطحی در حالت پیش فرض خود منطقاً معادل یک مقدار باینری "1" است، زیرا جریان از طریق کانال تحت اعمال ولتاژ مناسب به گیت کنترل جریان می یابد، به طوری که ولتاژ بیت لاین به پایین کشیده می شود. یک سلول فلش NOR را می توان با روش زیر برنامه ریزی کرد یا روی مقدار "0" باینری تنظیم کرد:

• یک ولتاژ روشن (معمولا> 5 ولت) به CG اعمال می شود
• کانال در حال حاضر روشن است، بنابراین الکترون ها می توانند از منبع به تخلیه (با فرض یک ترانزیستور NMOS) جریان پیدا کنند.
• جریان تخلیه منبع به اندازه‌ای زیاد است که باعث می‌شود برخی از الکترون‌های پر انرژی از طریق فرآیندی به نام تزریق الکترون داغ از طریق لایه عایق به FG بپرند .

پاک کردن [ ویرایش ]

برای پاک کردن سلول فلاش NOR (بازنشانی آن به حالت "1")، ولتاژ زیادی با قطب مخالف بین CG و ترمینال منبع اعمال می شود و الکترون ها را از طریق تونل زنی کوانتومی از FG خارج می کند . تراشه های حافظه فلش مدرن NOR به بخش های پاک (که اغلب بلوک ها یا بخش ها نامیده می شوند) تقسیم می شوند. عملیات پاک کردن را می توان فقط بر اساس بلوک انجام داد. تمام سلول های یک بخش پاک کردن باید با هم پاک شوند. برنامه نویسی سلول های NOR، با این حال، به طور کلی می تواند یک بایت یا کلمه در یک زمان انجام شود.

سیم کشی و ساختار حافظه فلش NAND بر روی سیلیکون

فلش NAND [ ویرایش ]

فلش NAND همچنین از ترانزیستورهای دروازه شناور استفاده می کند ، اما آنها به گونه ای به هم متصل شده اند که شبیه یک گیت NAND است : چندین ترانزیستور به صورت سری به هم متصل می شوند و خط بیت تنها در صورتی به پایین کشیده می شود که همه خطوط کلمه به بالا کشیده شوند (بالای ترانزیستورها). V T ). سپس این گروه ها از طریق چند ترانزیستور اضافی به یک آرایه خط بیت به سبک NOR متصل می شوند، به همان روشی که ترانزیستورهای منفرد در فلش NOR به هم متصل می شوند.

در مقایسه با فلش NOR، جایگزینی ترانزیستورهای منفرد با گروه‌های متصل به سریال، سطح بیشتری از آدرس‌دهی را اضافه می‌کند. در حالی که فلش NOR ممکن است حافظه را به صفحه و سپس کلمه نشان دهد، فلش NAND ممکن است آن را با صفحه، کلمه و بیت نشان دهد. آدرس دهی در سطح بیت برای برنامه های سری بیتی (مانند شبیه سازی هارد دیسک) مناسب است که هر بار فقط به یک بیت دسترسی دارند. از سوی دیگر، برنامه های کاربردی در محل ، نیاز به دسترسی همزمان به هر بیت از یک کلمه دارند. این نیاز به آدرس دهی در سطح کلمه دارد. در هر صورت، هر دو حالت آدرس دهی بیت و کلمه با فلش NOR یا NAND امکان پذیر است.

برای خواندن داده ها ابتدا گروه مورد نظر انتخاب می شود (همانطور که یک ترانزیستور از یک آرایه NOR انتخاب می شود). در مرحله بعد، بیشتر خطوط کلمه در بالای V T یک بیت برنامه ریزی شده به بالا کشیده می شوند، در حالی که یکی از آنها تا کمی بیش از V T یک بیت پاک شده به بالا کشیده می شود. اگر بیت انتخاب شده برنامه ریزی نشده باشد، گروه سری هدایت می کند (و خط بیت را پایین می کشد).

علیرغم ترانزیستورهای اضافی، کاهش سیم‌های زمین و خطوط بیت، چیدمان متراکم‌تر و ظرفیت ذخیره‌سازی بیشتر در هر تراشه را می‌دهد. (سیم های زمین و خطوط بیت در واقع بسیار گسترده تر از خطوط در نمودارها هستند.) علاوه بر این، فلش NAND معمولاً مجاز است تعداد معینی خطا داشته باشد (فلش NOR، همانطور که برای رام BIOS  استفاده می شود، انتظار می رود که چنین باشد. بدون ایراد). سازندگان سعی می کنند با کوچک کردن اندازه ترانزیستورها، میزان ذخیره قابل استفاده را به حداکثر برسانند.

سلول های NAND Flash با تجزیه و تحلیل پاسخ آنها به ولتاژهای مختلف خوانده می شوند. [58]

نوشتن و پاک کردن [ ویرایش ]

فلش NAND از تزریق تونل برای نوشتن و از تونل برای پاک کردن استفاده می کند. حافظه فلش NAND هسته دستگاه های ذخیره سازی USB قابل جابجایی معروف به درایوهای فلش USB و همچنین اکثر فرمت های کارت حافظه و درایوهای حالت جامد موجود امروزی را تشکیل می دهد.

ساختار سلسله مراتبی NAND Flash از یک سطح سلولی شروع می شود که رشته ها، سپس صفحات، بلوک ها، صفحات و در نهایت یک قالب را ایجاد می کند. رشته مجموعه ای از سلول های NAND متصل است که در آن منبع یک سلول به درن سلول بعدی متصل است. بسته به فناوری NAND، یک رشته معمولاً از 32 تا 128 سلول NAND تشکیل شده است. رشته ها در صفحاتی سازماندهی می شوند که سپس در بلوک هایی سازماندهی می شوند که در آن هر رشته به یک خط جداگانه به نام خط بیت (BL) متصل می شود. شامل تعداد معینی بلوک است که از طریق همان BL به هم متصل می شوند. یک فلش دای شامل یک یا چند صفحه و مدارهای جانبی است که برای انجام تمام عملیات خواندن/نوشتن/پاک کردن مورد نیاز است.

معماری NAND Flash به این معنی است که داده ها را می توان در صفحاتی، معمولاً بین 4 تا 16 کیلو بایت خواند و برنامه ریزی کرد، اما فقط در سطح بلوک های کامل متشکل از چندین صفحه و اندازه مگابایت پاک می شوند. وقتی یک بلوک پاک می شود، همه سلول ها به طور منطقی روی 1 تنظیم می شوند. هر سلولی که با برنامه نویسی روی 0 تنظیم شده باشد فقط با پاک کردن کل بلوک می تواند به 1 بازنشانی شود. این بدان معناست که قبل از اینکه بتوان داده‌های جدید را در صفحه‌ای که قبلاً حاوی داده است برنامه‌ریزی کرد، محتوای فعلی صفحه به اضافه داده‌های جدید باید در یک صفحه جدید و پاک شده کپی شوند. اگر صفحه مناسبی در دسترس باشد، می توان داده ها را بلافاصله روی آن نوشت. اگر هیچ صفحه پاک شده ای در دسترس نباشد، قبل از کپی کردن داده ها در صفحه ای در آن بلوک، یک بلوک باید پاک شود.[71]

NAND عمودی [ ویرایش ]

3D NAND به مقیاس پذیری فراتر از 2D ادامه می دهد.

حافظه NAND عمودی (V-NAND) یا 3D NAND سلول های حافظه را به صورت عمودی روی هم قرار می دهد و از معماری فلش دام شارژ استفاده می کند. لایه‌های عمودی بدون نیاز به سلول‌های کوچک‌تر، امکان چگالی بیت‌های منطقه‌ای بزرگ‌تر را فراهم می‌کنند. [72] همچنین تحت نام تجاری BiCS Flash فروخته می شود که علامت تجاری Kioxia Corporation (توشیبا Memory Corporation سابق) است. 3D NAND اولین بار توسط توشیبا در سال 2007 معرفی شد. [43] V-NAND اولین بار به صورت تجاری توسط Samsung Electronics در سال 2013 تولید شد. [44] [45] [73] [74]

ساختار [ ویرایش ]

V-NAND از هندسه فلاش دام شارژ (که به صورت تجاری در سال 2002 توسط AMD و فوجیتسو معرفی شد ) استفاده می کند [42] که شارژ را روی یک فیلم نیترید سیلیکون تعبیه شده ذخیره می کند. چنین لایه‌ای در برابر نقص‌های نقطه‌ای مقاوم‌تر است و می‌توان آن را ضخیم‌تر کرد تا تعداد بیشتری الکترون را در خود نگه دارد. V-NAND یک سلول تله بار مسطح را به شکل استوانه ای می پیچد. [72]از سال 2020، حافظه‌های فلش سه بعدی NAND میکرون و اینتل به جای آن از گیت‌های شناور استفاده می‌کنند، با این حال، حافظه‌های Micron 128 لایه و بالاتر از 3D NAND از ساختار تله شارژ معمولی استفاده می‌کنند که دلیل آن انحلال مشارکت بین Micron و اینتل است. تله شارژ 3D NAND Flash نازک تر از دروازه شناور 3D NAND است. در 3D NAND دروازه شناور، سلول های حافظه کاملاً از یکدیگر جدا می شوند، در حالی که در تله بار 3D NAND، گروه های عمودی سلول های حافظه از مواد نیترید سیلیکون یکسانی به اشتراک می گذارند. [75]

یک سلول حافظه فردی از یک لایه پلی سیلیکونی مسطح تشکیل شده است که حاوی سوراخی است که توسط چندین استوانه عمودی متحدالمرکز پر شده است. سطح پلی سیلیکونی سوراخ به عنوان الکترود دروازه عمل می کند. بیرونی ترین سیلندر دی اکسید سیلیکون به عنوان دی الکتریک دروازه عمل می کند، یک سیلندر نیترید سیلیکون را در بر می گیرد که بار را ذخیره می کند، به نوبه خود یک سیلندر دی اکسید سیلیکون را به عنوان دی الکتریک تونلی که میله مرکزی پلی سیلیکون رسانا را احاطه می کند که به عنوان کانال رسانا عمل می کند، در بر می گیرد. [72]

سلول‌های حافظه در لایه‌های عمودی مختلف با یکدیگر تداخل ندارند، زیرا بارها نمی‌توانند به صورت عمودی از طریق محیط ذخیره‌سازی نیترید سیلیکون حرکت کنند و میدان‌های الکتریکی مرتبط با دروازه‌ها به شدت در هر لایه محدود می‌شوند. مجموعه عمودی از نظر الکتریکی با گروه های متصل به سریال که در آنها حافظه فلش NAND معمولی پیکربندی شده است، یکسان است. [72]

ساخت و ساز [ ویرایش ]

رشد گروهی از سلول های V-NAND با یک پشته متناوب از لایه های پلی سیلیکون رسانا (دوپ شده) و لایه های دی اکسید سیلیکون عایق آغاز می شود. [72]

مرحله بعدی ایجاد یک سوراخ استوانه ای از طریق این لایه ها است. در عمل، یک تراشه 128  گیبیتی V-NAND با 24 لایه سلول حافظه به حدود 2.9 میلیارد سوراخ نیاز دارد. در مرحله بعد، سطح داخلی سوراخ چند پوشش، ابتدا دی اکسید سیلیکون، سپس نیترید سیلیکون، سپس لایه دوم دی اکسید سیلیکون دریافت می کند. در نهایت، سوراخ با پلی سیلیکون رسانا (دوپ شده) پر می شود. [72]