Comparație între tipurile de memorie flash

1. Definitia memoriei Flash si generalitati:

Memoria Flash (uneori denumita si “flash RAM”) reprezinta un tip de memorie nevolatila (adica informatia stocata pe chip nu se pierde la intreruperea alimentarii dispozitivului flash de la o sursa), ce poate fi stearsa si reprogramata in unitati de memorie numite “blocuri”. Este o categorie particulara de EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) care, spre deosebire de memoria flash, este stearsa si rescrisa la nivel de byte.

Memoria Flash ofera, de asemenea, un timp de acces foarte rapid (desi nu la fel de rapid ca cel al memoriei DRAM folosita la Pc-uri) si o rezistenta marita la socurile mecanice, iar cand se gaseste incorporata in asa numitele card-uri de memorie prezinta o durabilitate sporita, un cost relativ scazut, precum si capacitatea de a rezista in conditii extreme de temperatura si presiune. Toate aceste caracteristici au facut ca memoria Flash sa devina deosebit de populara pentru dispozitivele portabile, iar in prezent ea este utilizata pentru memoriile propriu-zise ale diverselor echipamente electronice (USB flash drive, thumb drive, handy drive, memory stick, flash stick, jump drive, "Cap N' Go")si implementata in numeroase aplicatii.

2. NOR sau NAND?

Memoria flash stocheaza informatia in celule de memorie (gen matrice), alcatuite din tranzistoare cu grila flotanta. In echipamentele traditionale single-level cell (SLC), fiecare celula stocheaza doar un singur bit de informatie, in schimb cele aparute mai recent, multi-level cell (MLC), sunt capabile sa stocheze mai mult de un bit pe celula, prin alegerea dintre nivele multiple de incarcatura electrica pe care s-o aplice la grila flotanta a celulelor sale.

Pentru toate circuitele FLASH există o aşa zisă structură logică, circuitul fiind împărţit in mai multe blocuri de date (cu dimensiuni tipice de 16kocteţi-bytes sau mai mari), iar blocurile sunt împărţite într-un număr fix de pagini de date. O pagină are la rândul ei un anumit număr de octeţi-bytes, de obicei de ordinul sutelor sau mai mare. Ştergerea se face de fapt nu la nivelul întregului circuit, ci la nivelul unuia sau mai multor blocuri de date.

Există doua tipuri de matriţe ale memoriei flash: NOR şi NAND.

Structura Flash NOR, prima apărută in ordine cronologică, este construită pe baza a doua elemente logice de bază, NOT (nu) şi OR(sau). Ea realizează accesul aleator prin conectarea in paralel a celulelor de memorare la liniile de bit (BL). Astfel biţii corespunzători cuvintelor diferite sunt conectaţi şi accesaţi „în paralel”. Este, deci, asigurat aceesul randomizat către o celulă de memorie, fără a citi succesiv toata pagina de memorie.

Această modalitate de conectare are avantaje majore din punct de vedere al timpului de acces aleator. Din păcate ea prezintă şi un dezavantaj din punct de vedere al realizării tehnologice, şi anume presupune o suprafaţă mare ocupată la nivelul microcircuitului, din cauza configuraţiei particulare de interconexiuni care trebuie realizate. Cu alte cuvinte, este neeconomică din punct de vedere al preţului de cost per bit. Si pentru ca viteza de acces spre informaţiile "distribuite" creste, NOR este o alegere bună pentru PDA, playere multimedia etc, desi costul este ridicat. O menţiune importantă care trebuie făcută relativ la circuitele NOR este că la acestea, la livrare, se garantează că toate locaţiile de memorie sunt “bune” şi au acelaşi număr garantat de cicluri de ştergere-programare. Mai mult, în faza de fabricaţie se realizează un număr destul de mare de locaţii “de rezervă” (un alt aspect neeconomic), care vor fi utilizate pentru repararea eventualelor locaţii cu defecte si producerea astfel a unui circuit perfect.

Timpii de acces la citire pentru majoritatea circuitelor NOR Flash sunt de cca 70nsec. Densitatea maximă la care au ajuns (2004) aceste circuite este de cca 512Mbiţi în condiţiile folosirii unei tehnologii cu dimensiunea minimă de cca 70 de nanometri.

Structura Flash NAND (promovată de Toshiba si Samsung) este o tehnologie mai noua, ce a cunoscut o dezvoltare dramatică în ultimii ani. Are la bază conceptul de acces secvenţial şi nu aleator la informaţie. Nu trebuie uitat că unul din scopurile iniţiale ale acestei tehnologii a fost înlocuirea dispozitivele de memorare externe de tip hard-disk, având piese în mişcare, cu dispozitive statice de memorare (solid state mass storage), mai fiabile şi cu timpi de acces la informaţie mai buni. Hard-disk-ul este în esenţă un dispozitiv care accesează informaţia secvenţial, deşi acest aspect este mascat prin intermediul aşa zisului timp de acces aleator, rezultat în urma căutării-regăsirii (seek time) acestei informaţii într-o structură de date secvenţială.

Memoria NAND Flash este, dupa cum am mentionat, o configuraţie relativ nouă care reduce suprafaţa ocupată de celula de memorie astfel încât să crească densitatea de integrare (şi implicit capacitatea), în condiţiile scăderii preţului de cost per bit. O astfel de structură o fost realizată prima dată de Toshiba în 1987 prin conectarea în serie a câte opt celule de memorie (tranzistori). Dimensiunea unei celule de memorie NAND este aproape jumătate din cea a unei celule NOR. Ea este mai mică deoarece prin fiecare tranzistor va circula un curent mai mic, nefiind nevoie să comande o linie de bit lungă, cu capacitate proprie mare.

Un alt câştig major vine şi de la faptul ca noua topologie de interconectare a celulelor de memorare este mult mai economică din punct de vedere al suprafeţei ocupate pe microcircuit. Aproape singurul dezavantaj este că această structură este poate fi accesată doar secvenţial şi este optimizată în acest sens.

Datorită conectării în serie a celulelor de memorare (a tranzistoarelor) timpul de acces la primul octet de date dintr-un acces secvenţial este considerabil mai mare decât acelaşi acces aleator la un octet pentru un circuit NOR. Chiar şi aşa, el este totuşi incomparabil mai mic dacât timpul minim de căutare (seek time) la un hard disk.

Timpul de acces pentru o citire aleatoare este de cca 25usec (comparat cu 70nsec la un NOR Flash) pe când timpul de acces pentru o citire secvenţială este de cca 50nsec.

Avantaje evidente pentru un utilizator ale unui circuit NAND Flash sunt timpii de ştergere şi (re)programare scurţi. Timpul de ştergere pentru un bloc de 16 kocteţi sau mai mare la un circuit NAND este de 2msec, comparativ cu 700msec pentru acelaşi bloc la un circuit NOR.

La un circuit NAND Flash programarea se face la nivel de pagină.

Comparativ, un circuit NOR Flash poate fi programat doar octet cu octet (sau cuvânt cu cuvânt) şi timpul de programare este mai lung, numai dacă comparaţia se face la nivel de pagină. Tipic acesta este mai lung cu un ordin de mărime (x10) decât la un NAND Flash: 4msec pentru 512 octeţi faţă de 200usec tot pentru 512octeţi.

In orice situaţie, consumul de putere pentru orice circuit FLASH este incomparabil mai mic decât cel al unui hard-disk.

Atât pentru circuitele NOR cât şi pentru cele NAND numărul de cicluri de ştergere-programare este limitat (endurance), existând şi noţiunea de uzură (wear). La un circuit NOR Flash mecanismele de ştergere (FN) şi programare (CHE) sunt diferite, neuniforme, fluxul de electroni din grilă (la ştergere) sau în grilă (la programare) are căi diferite şi în consecinţă “uzura” asociată este mai mare. Astfel “durata de