Типы ячеек флэш—памяти (SLC, MLC и TLC NAND)

В одиночной ячейке NAND (SLC – single-level cell) хранится один бит информации. В многоуровневых ячейках (MLC — multi-level cell) хранится по два бита. В трехуровневых ячейках (TLC — triple-level cell) хранится по три бита информации. При выборе типа ячейки следует руководствоваться такими параметрами, как емкость, скорость работы и долговечность.

Ячейка TLC имеет наибольшую емкость, но самую малую долговечность. Срок службы

SLC составляет около 60 тыс. циклов, MLC – не более 3 тыс. циклов, TLC – не более 500 циклов.

Устройство ячейки NAND

В транзисторной ячейке NAND над плавающим затвором расположен управляющий («control gate» на рис. 1). Когда к управляющему затвору приложен положительный заряд, отрицательно заряженные электроны двигаются к плавающему затвору и задерживаются у него. Состояние ячейки считывается без изменения заряда на плавающем затворе.

 

Рис. 1. Ячейка NAND

Удаление заряда (стирание данных) производится для всего ряда транзисторов. При этом во все ячейки записывается логическая 1. Если в дополнительные ячейки в ряду записан логический 0, то новые данные могут быть записаны без предварительного стирания. Это полезно, когда в блоке данных надо изменить один бит с «1» на «0».

Отличие NAND от NOR

Ячейки флэш-памяти NAND и NOR схожи по структуре с ячейками NAND и NOR КМОП. В ячейках NOR между транзисторами имеются отдельные связи, в NAND транзисторы соединены последовательно. В конфигурации NOR разрешен произвольный доступ, в то время как NAND более компактна.

Флэш-контроллер

Разработчикам редко приходится иметь дело напрямую с ячейками NAND.

Как правило, доступ к содержимому осуществляется через контроллер, который выполняет операции стирания, записи и чтения. Базовые контроллеры, или неуправляемые, контроллеры выполняют только эти базовые операции. Перераспределение разрушенных блоков и ранжирование износа выполняется программно. Более продвинутые флэш-контроллеры выполняют полный набор функций.

Ранжирование износа

Флэш-память NAND имеет ограниченный срок службы, который измеряется в количестве циклов записи. В модулях флэш-памяти базового уровня может возникать ситуация, когда отдельный блок несколько раз стирается и записывается, быстро изнашиваясь и приводя в негодность весь модуль.

В управляемых устройствах производится мониторинг записи и перераспределение данных по физическим ячейкам так, чтобы они изнашивались равномерно. При перераспределении логический адрес не меняется. За счет этого износостойкость устройства повышается.

Как правило, NAND с контроллером имеет более хорошие характеристики, чем указано в документации. Излишек используется для перераспределения разрушенных блоков и увеличения срока службы устройства.

Стандарты NAND

Существует большое количество стандартов флэш-памяти, например USB flash storage, SD, microSD или SDHC. На более низком аппаратном уровне применяется JEDEC e-MMC, который предоставляет очень продвинутый интерфейс, включающий загрузку, защищенное стирание, поддержку TRIM. В нем описан тот же интерфейс, что и для извлекаемых носителей, например, карт MMC и SD, для случая  кристалла с фиксированным размером. Ведущая организация для стандартизации флэш – JEDEC.

 Классификация флэш—памяти по назначению

Флэш-память делится на потребительскую, промышленную и для предприятия. Разница лежит главным образом в требованиях к системе и стоимости.

Для потребительских устройств важнее низкая цена, нежели чем надежность, для промышленных – наоборот. Системы на уровне предприятия должны иметь большую емкость и высокое быстродействие, поэтому эти решения более дорогие.

Частично различаются и срок службы. Например, для систем на уровне предприятия проводится больше циклов записи в день, чем в пользовательских приложениях, таких как смартфоны и MP3-плееры – в них чаще производится чтение, чем запись.

Срок хранения неизмененных данных довольно велик, но количество циклов записи ограниченно. В памяти с одноуровневыми ячейками  SLC износ происходит  за год, в то время как пользователь может никогда не исчерпать возможности  памяти с трехуровневыми ячейками поскольку данные редко обновляются.

Также выбор зависит и от архитектуры устройства. Часто используются RAID-решения, чтобы из-за отказа одного узла производилось замедление работы системы, а не полная остановка. Другим важным фактором при выборе является возможность замены без прекращения работы. Таким свойством обладают ячейки MLC и TLC.