Memoria flash | acceso a bajo nivel

Acceso a bajo nivel

Flash, como tipo de EEPROM que es, contiene una matriz de celdas con un transistor evolucionado con dos puertas en cada intersección. Tradicionalmente sólo almacenan un bit de información. Las nuevas memorias flash, llamadas también dispositivos de celdas multinivel, pueden almacenar más de un bit por celda variando el número de electrones que almacenan.

Estas memorias están basadas en el transistor FAMOS (Floating Gate Avalanche-Injection Metal Oxide Semiconductor) que es, esencialmente, un transistor NMOS con un conductor (basado en un óxido metálico) adicional localizado o entre la puerta de control (CG – Control Gate) y los terminales fuente/drenador contenidos en otra puerta (FG – Floating Gate) o alrededor de la FG conteniendo los electrones que almacenan la información.

Memoria flash de tipo NOR

Cableado y estructura en silicio de la memoria flash NOR.

En las memorias flash de tipo NOR, cuando los electrones se encuentran en FG (Floating Gate), modifican (prácticamente anulan) el campo eléctrico que generaría CG (control Gate) en caso de estar activo. De esta forma, dependiendo de si la celda está a 1 o a 0, el campo eléctrico de la celda existe o no. Entonces, cuando se lee la celda poniendo un determinado voltaje en CG, la corriente eléctrica fluye o no en función del voltaje almacenado en la celda. La presencia/ausencia de corriente se detecta e interpreta como un 1 o un 0, reproduciendo así el dato almacenado. En los dispositivos de celda multinivel, se detecta la intensidad de la corriente para controlar el número de electrones almacenados en FG e interpretarlos adecuadamente.

Para programar una celda de tipo NOR (asignar un valor determinado) se permite el paso de la corriente desde el terminal fuente al terminal drenador, entonces se coloca en CG un voltaje alto para absorber los electrones y retenerlos en el campo eléctrico que genera. Este proceso se llama hot-electrón injection. Para borrar (poner a “1”, el estado natural del transistor) el contenido de una celda, expulsar estos electrones, se emplea la técnica de Fowler-Nordheim tunnelling, un proceso de tunelado mecánico-cuántico. Esto es, aplicar un voltaje inverso bastante alto al empleado para atraer a los electrones, convirtiendo al transistor en una pistola de electrones que permite, abriendo el terminal drenador, que los electrones abandonen el mismo. Este proceso es el que provoca el deterioro de las celdas, al aplicar sobre un conductor tan delgado un voltaje tan alto.

Es necesario destacar que las memorias flash están subdivididas en bloques (en ocasiones llamados sectores) y por lo tanto, para el borrado, se limpian bloques enteros para agilizar el proceso, ya que es la parte más lenta del proceso. Por esta razón, las memorias flash son mucho más rápidas que las EEPROM convencionales, ya que borran byte a byte. No obstante, para reescribir un dato es necesario limpiar el bloque primero para después reescribir su contenido.

Memoria flash de tipo NAND

Cableado y estructura en silicio de la memoria flash NAND.

Las memorias flash basadas en puertas lógicas NAND funcionan de forma ligeramente diferente: usan un túnel de inyección para la escritura y para el borrado un túnel de ‘soltado’. Las memorias basadas en NAND tienen, además de la evidente base en otro tipo de puertas, un costo bastante inferior, unas diez veces de más resistencia a las operaciones, pero sólo permiten acceso secuencial (más orientado a dispositivos de almacenamiento masivo), frente a las memorias flash basadas en NOR que permiten lectura de acceso aleatorio. Sin embargo, han sido las NAND las que han permitido la expansión de este tipo de memoria, ya que el mecanismo de borrado es más sencillo (aunque también se borre por bloques) lo que ha proporcionado una base más rentable para la creación de dispositivos de tipo tarjeta de memoria. Las populares memorias USB o también llamadas Pendrives, utilizan memorias flash de tipo NAND.

Comparación de memorias flash tipo NOR y NAND

Para comparar estos tipos de memoria se consideran los diferentes aspectos de las memorias tradicionalmente valorados.

  • La densidad de almacenamiento de los chips es actualmente bastante mayor en las memorias NAND.
  • El costo de NOR es mucho mayor.
  • El acceso NOR es aleatorio para lectura y orientado a bloques para su modificación.
  • En la escritura de NOR podemos llegar a modificar un solo bit. Esto destaca con la limitada reprogramación de las NAND que deben modificar bloques o palabras completas.
  • La velocidad de lectura es muy superior en NOR (50-100 ns) frente a NAND (10  µs de la búsqueda de la página + 50  ns por byte).
  • La velocidad de escritura para NOR es de 5 µs por byte frente a 200 µs por página en NAND.
  • La velocidad de borrado para NOR es de 1  ms por bloque de 64  KB frente a los 2  ms por bloque de 16 KB en NAND.
  • La fiabilidad de los dispositivos basados en NOR es realmente muy alta, es relativamente inmune a la corrupción de datos y tampoco tiene bloques erróneos frente a la escasa fiabilidad de los sistemas NAND que requieren corrección de datos y existe la posibilidad de que queden bloques marcados como erróneos e inservibles.

En resumen, los sistemas basados en NAND son más baratos pero carecen de una fiabilidad que los haga eficientes, lo que demuestra la necesidad imperiosa de un buen sistema de ficheros. Dependiendo de qué sea lo que se busque, merecerá la pena decantarse por uno u otro tipo.

Estandarización

El grupo Open NAND Flash Interface (ONFI) ha desarrollado una interfaz estandarizada a bajo nivel para chips de memoria NAND. Esto permite la interoperabilidad entre dispositivos NAND de diferentes fabricantes. El ONFI versión 1.0[2]​ fue lanzado el 28 de diciembre de 2006. Establece:

  • Una interfaz física estándar ( pinout) para memorias NAND.
  • Un set de comandos estándar para leer, escribir y borrar chips NAND.
  • Un mecanismo para auto-identificación (comparable a la función de detección de presencia de módulos de memoria SDRAM).

El grupo ONFI es apoyado por la mayoría de los fabricantes de memorias flash NAND, incluyendo Hynix, Intel, Micron Technology y Numonyx en), así como por los principales fabricantes de dispositivos que incorporan chips de memoria flash NAND.[3]

Un grupo de proveedores (incluyendo Intel, Dell, y Microsoft) formaron el grupo de trabajo NVM Express (Non-Volatile Memory Host Controller Interface). El objetivo del grupo es proporcionar software estándar e interfaces de programación hardware para los subsistemas de memoria no volátil, incluido el dispositivo "flash caché", conectado al bus PCI Express.

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