Дмитрий Василенко, продакт-менеджер по активным компонентам, ЗАО ПЭК

Новинки на рынке FLASH-памяти для встраиваемых приложений

Современные тенденции развития электронных приборов требуют постоянного увеличения объема используемой памяти. На сегодня инженеру доступны микросхемы как энергозависимой памяти типа DRAM, которую характеризуют предельно низкая цена за бит и большие уровни интеграции, так и энергонезависимой памяти типа Flash, себестоимость которой постоянно снижается и стремится к уровню DRAM. Память типа Flash предлагается 2-х видов: NAND и NOR. Каждый из видов имеет свои особенности и рекомендации по применению в разрабатываемых приборах.

Различие микросхем NAND и NOR FLASH-памяти

Как было показано выше, Flashпамять бывает 2-х видов: NAND и NOR. NOR-тип был разработан компанией Intel в 1988 г. Данная память имеет сравнительно долгие времена стирания (erase) и записи (write), но обладает доступом к каждому биту на чтение (см. рис. 1). Данное обстоятельство позволяет применять такие микросхемы для записи и хранения программного кода, который не требует частого перезаписывания. Такими применениями могут быть, например, BIOS для встраиваемых компьютеров или ПО для телевизионных приставок.

Рис. 1. Сравнение скоростей записи, стирания и чтения различных видов Flash-памяти. Strata — подтип NOR-памяти производства Intel

Память типа NAND Flash была разработана компаниями Samsung и Toshiba в 1989 г. Ее характеризуют более бы стрые времена стирания (erase) и записи (write), а также более низкая себе стоимость (см. рис. 1). Особенностью системы ввода/вывода памяти данного типа является последовательный побайтный доступ. Свойства NAND Flash определили область ее применения: карты памяти и иные устройст ва хранения данных. Сейчас данный тип памяти применяется почти повсеместно в мобильных устройствах, фото- и видеокамерах и т.д. NAND Flash лежит в основе практически всех типов карт памяти: SmartMedia, MMC, SecureDigital, MemoryStick.

Себестоимость Flash-памяти обусловлена характеристиками лейаута МОП-транзисторов элементарных ячеек. Более низкая себестоимость NAND определяется отсутствием металлизированного контакта с каждым транзистором — ячейкой памяти. NOR, с другой стороны, обладает таким контактом, что в конечном итоге позволяет организовать доступ к каждому биту (см. рис. 2)

Рис. 2. Сравнение расположения транзисторов на кристалле для разных типов памяти

Малое количество металлизированных контактов у NAND позволяет значительно легче скалировать структуру на кристалле, что крайне важно для создания микросхем со все большим объемом памяти. Таким образом, технологические преимущества NAND обуславливают их применение в системах энергонезависимого хранения данных в будущем.

Диапазон объемов памяти, доступный на основе Flash-микросхем сегодня составляет от 4 Мбит до единиц Гбит. В начале 2005 г. компания Toshiba первая преодолела психологический рубеж в 8 Гбит (1 Гбайт) для NAND.

NOR FLASH серии Р30 компании INTEL для хранения программного кода

Компания-разработчик NOR-памяти Intel постоянно совершенствует данные продукты и рекомендует применять их в устройствах, требующих высокой надежности. В апреле 2005 г. была выпущена серия Р30, идущая на замену популярной версии для индустриальных приложений J3. Основные усовершенствования затронули технологию изготовления: Р30 изготавливается по технологии 0,13 мкм, тогда как J3 — по 0,18 мкм (запланирован переход на новую технологию). Это означает более низкую себестоимость бита для новых серий по сравнению со старыми. Также микросхемы серии Р30 позволяют снизить энергопотребление, т.к. рассчитаны на более низкое напряжение питания ядра. Напряжение питания схем ввода — вывода может быть повышено до 3,6 В, что позволяет осуществить интерфейс с другими блоками прибора, работающими от напряжения 3,3 В. Скорость асинхронного доступа повышена до 85 нс, есть возможность осуществить синхронный доступ на максимальной частоте 40 МГц. (см. табл.1).

Таблица 1. Сравнение NOR-памяти Intel типа J3 и Р30

	Параметр	Значение для J3	Значение для Р30
1	Корпус	56L TSOP64 ball ezBGA	TSOP — несовместно с J3 Easy BGA — совместно с J3/K3 QUAD SCSP
2	Vcc (ядро), В	2,7…3,6	1,7…2,0
3	Vcc (схемы ввода вывода), В	2,7…,6	1,7…3,6
4	Объем памяти, Мб	32…256	64…1000
5	Время чтения, нс	125 только асинхронный режим	85 асинхронный режим 40 МГц синхронный режим
6	Время записи, мкс	6,8	6,8
7	Типичное время стирания, с	1,0	1,2
8	Максимальное время стирания, с	5,0	4,0
9	Минимальное число циклов перезаписи на блок	100 000	100 000
10	Температурный диапазон, °С	–40 …85	–40 …85

Память Intel отличает высокая надежность: величина параметра минимального цикла перезаписи на уровне 100 000 циклов на блок характерна для более надежной памяти NAND. Данное обстоятельство, вместе с широким диапазоном рабочих температур, наличием как TSOP, так и BGA корпусов в линейке, позволяют оптимальным образом применять данный тип для хранения программного кода и важных данных во встраиваемых приложениях.

NAND FLASH производства MICRON — замена популярным решениям SAMSUNG

Flash-память типа NAND доказала свое превосходство для таких применений как устройства хранения данных, карты памяти и flash-диски. Основными ее преимуществами, как было показано выше, является дешевизна, и возможность простого скалирования¹ на более современные технологии. Наиболее популярными решениями для систем хранения данных являются микросхемы Samsung. В середине мая 2005 г. компания Micron (www.micron.com) — мировой лидер в производстве динамической памяти — квалифицировала² в производство 2 вида микросхем Flash-памяти объема 1 Гбит и 2 Гбит. Данные приборы полностью совместимы с ИС Samsung соответствующего объема. Сравнение основных технических характеристик представлено в табл. 2.

¹ Скалирование — технологический термин, означающий «пропорциональное изменение физических размеров компонентов на кристалле». В данном случае имеет место уменьшение размеров.

² Квалификация — технологический этап разработки ИС, который означает проведение испытаний и передачу окончательной версии ИС в производство.

Таблица 2. Сравнение NAND-памяти Micron и Samsung

	Параметр	Значение для K9K2G08UOMYCBO (Samsung)	Значение для MT29M2G08AABWG (Micron)
1	Корпус	TSOP-48	TSOP-48
2	Объем памяти	256…8000 Мбит	1, 2, 4, 8 Гбит
3	Время чтения (произвольный блок), мкс	15	25
4	Время записи страницы, мкс	300	300
5	Время стирания блока, мс	2	2
6	Шина данных, бит	8	8
7	Минимальное число циклов перезаписи на блок	100000	100000

Как видно из приведенной выше таблицы, основные характеристики типов памяти разных производителей совпадают. Совпадает также и стандартный набор команд управления микросхемой: различные режимы чтения, стирания и программирования. В микросхемы Micron добавлена дополнительная функция кэшированного чтения PAGE READ CACHE MODE. Данная функция позволяет повысить скорость последовательного считывания страниц на 39% для 16-битного интерфейса и на 20% для 8-битного. Данный эффект начинает быть заметен при чтении пяти и более последовательных страниц (см. рис. 3).

Рис. 3. Ускорение скорости считывания при использовании команды PAGE READ CACHE MODE

Микросхемы Micron потребляют в среднем на 33% меньше энергии, чем аналоги Samsung, что интересно для портативных устройств. Уровни логических напряжений Micron специфицирует по абсолютной величине, Samsung — относительно Vcc. Последнее обстоятельство позволяет закладывать более высокую надежность в разрабатываемые приборы.

Выводы

В статье рассмотрены некоторые типы Flash-памяти, которые рекомендованы для применения во встраиваемых приложениях. Для современного инженера доступны два вида таких микросхем:

• NOR, применяемые в основном для хранения программного кода, а также сравнительно небольшого объема данных;
• NAND, используемые для хранения больших объемов данных.

Литература

1. Intel StartaFlash® Embedded Memory (P30) Datasheet. Order number 306666-001, April 2005.
2. Intel StrataFlash® Memory (J3) Datasheet, Order number 290667-021, March 2005.
3. 256M Ч 8 bit NAND Flash memory Datasheet, Rev. 0.2, Samsung, 2005.
4. 2, 4 and 8 Mbit Ч 8/Ч 16 Multiplexed NAND Flash Memory Datasheet, Micron, 2005.
5. Increasing NAND Flashperformance, Using Micron® PAGE CACHE READE MODE, Technical Note 2901.