ساختار داخلی NAND Flash

در سال 1965، پس از اختراع لوله دوقطبی توسط W. Shockley، W. Brattain و J. Bardeen، گوردون مور، یکی از بنیانگذاران اینتل، چنین قانونی را کشف کرد: زمانی که قیمت بدون تغییر باقی می ماند، مقدار انرژی که می تواند وجود داشته باشد. در مدار مجتمع قرار می گیرد تعداد ترانزیستورها تقریباً هر سال دو برابر می شود و عملکرد نیز دو برابر می شود. در واقع، تعداد ترانزیستورهای یک مدار مجتمع در چند سال آینده تقریباً هر 18 ماه دو برابر خواهد شد. به عنوان مثال، در 18 ماه بین پنتیوم 1.3 و پنتیوم 4، تعداد ترانزیستورها در واحد سطح از 28 میلیون به 55 میلیون افزایش یافت.

امروزه فرکانس کاری پردازنده یک کامپیوتر رومیزی استاندارد بر حسب گیگاهرتز محاسبه می شود و اطلاعات ظرفیتی که حافظه می تواند ذخیره کند بر حسب ترابایت (TB) محاسبه می شود. که اتفاقا جزء کلیدی در سیستم های الکترونیکی نیز می باشد.

حافظه نیمه هادی را می توان به دو بخش اصلی تقسیم کرد: RAM (حافظه های دسترسی تصادفی) و ROM (حافظه های فقط خواندنی): RAM پس از قطع شدن برق ناپدید می شود، در حالی که ROM آن را حفظ می کند. نوع دیگری از حافظه، NVM (حافظه های غیر فرار)، بین دو نوع فوق قرار دارد. محتوای آن قابل تغییر است و پس از قطع برق، داده ها از بین نخواهند رفت. این انعطاف پذیرتر از رام خالص است، زیرا محتوای رام توسط سازنده نوشته شده است و توسط مشتری قابل تغییر نیست.

تاریخچه حافظه های غیر فرار از دهه 1970 شروع شد و اولین NVM EPROM (حافظه قابل برنامه ریزی قابل پاک کردن فقط خواندنی) بود، از آن زمان تا دهه 1990، NVM به تدریج به یکی از مهم ترین اعضای خانواده نیمه هادی ها تبدیل شد و بیشتر مورد توجه قرار گرفت. به توسعه فن آوری های جدید پرداخته شده است تا پیشرفت NVM را بیش از منافع اقتصادی ناشی از آن ارتقا دهد.

از دهه 1990، با ورود حافظه نیمه هادی به محصولات پایانه دیجیتال مانند تلفن های همراه، رایانه های دستی و دوربین های ویدئویی، این بازار تا به امروز در وضعیت رشد سریعی قرار داشته است.

محبوب ترین روش ذخیره سازی حافظه فلش مبتنی بر فناوری به نام دروازه شناور (FG) است. می توانید به نمودار مقطعی زیر مراجعه کنید. یک لوله MOS از دو دروازه با هم همپوشانی تشکیل شده است: اولی کاملاً توسط اکسید احاطه شده است. در حالی که دومی به بیرون متصل است. این درب واحد معادل تشکیل یک تسمه ایزوله الکترونیکی است که تضمین می‌کند که الکترون‌ها (داده‌ها) موجود در آن می‌توانند برای سال‌ها حفظ شوند. فرآیند شارژ و دشارژ این قسمت جدا شده برنامه و پاک کردن نام دارد. با توجه به شارژ و دشارژ، پتانسیل Vth داخل قسمت جدا شده تغییر خواهد کرد. این اصل کار یک لوله MOS معمولی است. وقتی ولتاژی را به سلول حافظه اعمال می کنیم، می توانیم دو حالت را تشخیص دهیم: وقتی ولتاژی که اعمال می کنیم بالاتر از Vth باشد، به عنوان "1" شناخته می شود، در غیر این صورت به عنوان "0" شناخته می شود.

ساختار سلول حافظه NAND

آرایه

واحدهای ذخیره سازی حافظه در قالب یک ماتریس سازماندهی می شوند، زیرا این سازمان می تواند فضای اشغال شده توسط حافظه را به طور موثر کاهش دهد. با نگاه کردن به سازماندهی سلول های حافظه می توانم تفاوت بین NAND و NOR Flash را تشخیص دهم. اکنون NAND را معرفی می کنیم، زیرا NAND پرکاربردترین حافظه در حال حاضر است.

در معماری NAND، سلول های حافظه به صورت سری هر 32 یا 64 سازماندهی می شوند، همانطور که در شکل 2.2 نشان داده شده است. دو ترانزیستور برای انتخاب (دو پایه خارجی این ترانزیستور DSL/Mdl [متصل به BL] یا SSL/Msl [متصل به SL]) در هر دو انتهای هر رشته از سلول های حافظه (32 یا 64) قرار می گیرند تا این اطمینان حاصل شود. اتصال به خط منبع (از طریق Msl) و بیت لاین (از طریق Mdl). هر رشته سلول حافظه NAND دارای یک خط بیت است که برای اتصال به رشته های دیگر استفاده می شود. گیت های کنترلی برای اتصال خطوط کلمه (WL) استفاده می شوند.

صفحات منطقی بخشی هستند که توسط واحد ذخیره سازی کنترل می شود که توسط همان خط کلمه کنترل می شود. تعداد صفحات کنترل شده توسط هر کلمه به ظرفیت واحد ذخیره سازی مربوط می شود. بر اساس سطح ذخیره سازی واحد ذخیره سازی، حافظه فلش را می توان به دسته های مختلفی تقسیم کرد: SLC (یک واحد ذخیره سازی 1 بیت)، MLS (یک واحد ذخیره سازی 2 بیت)، 8LC (یک واحد ذخیره سازی 3 بیت)، 16LC (یک واحد ذخیره سازی 4 بیتی) .

اگر حالت interleaving SLC را در نظر بگیریم، اعداد فرد و زوج به ترتیب صفحات مختلفی را تشکیل می دهند. به عنوان مثال: یک خط کلمه SLC با اندازه صفحه 4 کیلوبایت (4096 * 8=32768 بیت) دارای 65536 مکان حافظه است.

البته اگر MLC باشد 4 صفحه است و هر سری سلول حافظه یک LSB (کمترین بیت مهم) و یک MSB (بیشترین بیت) دارد. از این رو وجود دارد:

- صفحات MSB و LSB از خطوط بیتی زوج

- صفحات MSB و LSB از بیت های عجیب و غریب

تمام رشته های سلول حافظه NAND از یک خط کلمه هنگام پاک کردن با هم پاک می شوند، بنابراین یک بلوک (blcok) تشکیل می شود، اگر دو بلوک در 2.2 نشان داده شود، از همان گذرگاه استفاده می شود، یکی بلوک از WL تشکیل شده است0<63:0>و دیگری WL1 است<63:0>.

ساختار سلول حافظه NAND Flash یک ماتریس است. مدارهای اضافی هنگام خواندن، نوشتن و پاک کردن NAND مورد نیاز است. از آنجایی که هر قالب NAND باید بسته بندی شود، یک قالب مناسب در مرحله طراحی تنظیم می شود. اندازه و ساخت وسایل الکترونیکی اطراف مهم است. به عنوان مثال، ساختار سلسله مراتبی هر قالب NAND Flash به این صورت است.

شکل 2.3 نمونه ای از سلسله مراتب را نشان می دهد. آرایه ذخیره سازی را می توان به صورت چند صفحه تنظیم کرد (دو صفحه در شکل 2.3)، که با خطوط کلمه در جهت افقی و خطوط بیت در جهت عمودی مشخص شده اند.

Row Decoder بین دو صفحه قرار دارد. یکی از وظایف مدار این است که خطوط کلمات رشته های NAND انتخاب شده را به درستی بایاس کند تا از عملکرد عادی اطمینان حاصل شود. تمام خطوط بیت باید به تقویت کننده های حسی (Sense Amp) متصل شوند. هر تقویت کننده حس می تواند یک یا چند خط بیت داشته باشد که در ادامه در این قسمت به معرفی آنها خواهیم پرداخت. هدف تقویت کننده حس تبدیل جریان موجود در سلول حافظه به کمیت دیجیتال است. در ناحیه محیطی، دستگاه هایی برای شارژ سلول های حافظه و همچنین دستگاه های مدیریت ولتاژ، مدارهای منطقی و سایر دستگاه ها مورد نیاز است. PAD ها برای برقراری ارتباط با دستگاه های خارجی استفاده می شوند.