22-05-2017, 03:47 PM
تکنولوژی ساخت فلش دیسک را به طور کامل توضیح دهید؟
Flash Memory حافظه اي است که تقريبا در هر ابزار الکترونيکي که نياز به حافظه داشته باشد پيدا مي‌شود.در اين مقاله سعي بر آن داريم که روش کار اين حافظه را توضيح دهيم.
Flash Memory سودمندترين نوآوري تکنولوژي 25 سال اخير است.اين تکنولوژي به عنوان حافظه‌اي قابل حمل براي ابزارهاي کوچک مانند USB , دوربين‌هاي ديجيتالي و موبايل مورد استفاده قرار مي‌گيرد و مي‌توان ادعا کرد که در آينده نزديک جايگزيني براي هاردديسک نوت‌بوک خواهد شد.
اگرچه شرکت توشيبا تکنولوژي Flash memory را اختراع کرد , اما Intel اولين شرکتي بود که نخستين Flash memory کاربردي را معرفي نمود و هم اکنون نيز به همراه سامسونگ بيشترين سهم را در بازار از آن خود دارد.
اين تکنولوژي به اين دليل "Flash" ناميده شده که در فرآيند پاک کردن محتويات آن
( Data Erase ) تصويري از نور عکاسي به وجود مي‌آيد .
Flash memory يک حافظه از نوع غير فرار است.يعني براي نگهداري اطلاعات ذخيره شده احتياج به نيروي الکتريکي ندارد.حافظه‌هاي فلش از نظر طبقه‌بندي جزو خانواده حافظه‌هاي (EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory هستند که قابل پاک و برنامه‌ريزي در بلوک‌هاي بزرگ مي‌باشد .
انواع ديگر EEPROMها بر خلاف حافظه‌هاي فلش بايد قبل از ريخته شدن اطلاعات جديد در آن ، کاملا پاک شوند . BIOS مادربرد يکي از اين نمونه‌ها مي‌باشد.
حافظه‌هاي فلش ، داده‌ها را در آرايه‌اي از چندين سلول به همراه يک ترانزيستور در محل‌هاي تقاطع سطر و ستون ذخيره مي‌کند.اين تکنولوژي، داده‌ها را به جاي ذخيره در يک بايت داخل چندين بخش ذخيره و پاک مي‌نمايد , بنابراين محدوديت‌هاي EEPROM را ندارد .
Flash memory داده‌ها را در رديفي از سلول‌ها که شامل دو ترانزيستور است (يک floating gate و يک control gate) , و توسط يک عايق اکسيد جدا مي‌شود ذخيره مي‌کند . هنگامي‌که ولتاژ کافي به control gate مي‌رسد الکترون‌هاي نيرو گرفته و به سمت لايه اکسيد هدايت مي‌گردند (که به اين فرآيند tunneling مي‌گويند) و در کنار floating gate جمع مي‌شوند. زماني که اين فرآيند صورت مي‌پذيرد سلول‌ها ، ارزش عددي بيت ذخيره شده خود را از صفر و يک تغيير مي‌دهند . در شرايط معمول الکترون‌هاي حبس شده در سمت ديگر floating gate, براي مدت زمان طولاني از آنجا خارج نخواهند شد و اين خاصيت غير فراري الکترون‌ها ست.
SLC در مقابل MLC
حافظه‌هاي فلش در دو نوع مختلف:
(SLC ( Single Level Cell و (MLC ( Multi Level Cell ) توليد مي‌شوند.
هرکدام از اين تکنولوژي‌ها داراي معايب و محاسني است و از نظر ساختار ، تفاوت‌هايي با هم دارند.
در حافظه‌هايي که بر پايه تکنولوژي MLC طراحي مي‌شوند، در هر سلول حافظه 2 بيت ذخيره مي‌شود اما در چيپ‌هاي نوع SLC اطلاعات در هر سلول حافظه ، 1 بيت ذخيره مي‌شود ، بنابراين در صورت يک اندازه بودن حجم حافظه ( مثلا فلش 1 گيگابايتي ) ، اندازه چيپ SLC بزرگتر از چيپ MLC مي‌باشد به همين دليل قيمت حافظه‌هايي که از تکنولوژي MLC بهره مي‌برند ارزان‌تر است.
در حافظه‌هاي نوع MLC به دليل اينکه در هر سلول حافظه 2 بيت ذخيره مي‌شود ، الگوريتم خواندن و همچنين تصحيح خطا بسيار پيچيده‌تر و دشوارتر است به همين علت نيز سرعت خواندن و نوشتن در اين نوع حافظه‌ها به نسبت چيپ‌هاي SLC کند‌تر است.
در حافظه‌ها MLC اين کار را به وسيله جمع‌آوري سطوح مختلف بارهاي الکتريکي در کنار floating gate انجام مي‌شود ؛ بطور مثال يک سلول دو بيتي مي‌تواند بين 4 ولتاژ متفاوت تمايز قائل شود .
ساختار NAND و NOR
طراحان چيپ حافظه ، براي ساخت حافظه فلش از دو روش NAND و NOR استفاده مي‌کنند.بطور کلي هيچ يک از اين دو بر ديگري برتري ندارد ولي هر کدام از آنها در جايگاه خاصي کاربرد بيشتري دارند.
سلولهاي NOR ،بصورت موازي با يکديگر ارتباط دارند بنابراين هر سلول مي‌تواند بصورت مجزا خوانده و برنامه‌ريزي شود,درحاليکه سلولهاي NAND بصورت سري مرتبطند و بايد به همان صورت خوانده و برنامه‌ريزي گردند .
داده‌ها در حالت NOR به همان روشي در RAM سيستم استفاده مي‌گردد،خوانده مي‌شود ، به همين دليل اغلب ريزپردازنده‌ها مي‌توانند با حافظه‌هاي NOR Flash کار کنند. به عبارت ديگر حافظه NOR flash مي‌تواند برنامه‌هاي نرم‌افزاري را بدون ريختن دستور العمل در RAM ذخيره و اجرا نمايد . اين حافظه همچنين مي‌تواند در يک بخش اجرا شود در حاليکه داده‌ها بطور همزمان از قسمت ديگر خوانده , ريخته و يا پاک گردند.به همين دلايل NOR Flash اغلب در تجهيزات پرتابل مانند همراه مانند گوشي‌هاي موبايل به کار برده مي‌شود.
شکل 1: سلولهاي NOR ،بصورت موازي با يکديگر ارتباط دارند بنابراين هر سلول مي‌تواند بصورت مجزا خوانده شود به همين دليل از آنها مي‌توان به عنوان RAM استفاده کرد.اما سلولهاي NAND بصورت سري مرتبطند و بايد به همان صورت خوانده و برنامه‌ريزي گردند.از حافظه‌هاي NAND ،براي مصارف ذخيره سازي فايل استفاده مي‌شود.
بعدها شرکت توشيبا حافظه NAND flash را طراحي کرد , اما اين حافظه فاقد خاصيت "دسترسي تصادفي" ( مانند آن چيزي که در NOR و RAM است ) مي‌باشد و اين مانع استفاده از آن به عنوان جايگزيني براي سيستم ROM است.
از طرفي ديگر حافظه‌هاي NAND بسيار سريع‌تر عمل مي‌کنند و به نسبت به حافظه‌هاي NOR داراي هزينه کمتر و حجم ذخيره‌سازي بيشتري ميباشند .
ساختار خواندن و نوشتن در حافظه‌هاي NAND شبيه ساختار هاردديسک و درايو‌هاي نوري به ترتييب که ديتا بر خلاف رم نمي‌تواند بخش بخش باشد بلکه در هر لحظه اطلاعات فقط از يک بخش( Segment ) خوانده مي‌شود.
با توجه به خصوصيات تکنولوژي حافظه‌هاي NAND ، اين نوع حافظه ، در وسايل ذخيره‌سازيي مانند Compact flash , رم‌هاي SD ، MMC ، حافظه‌هاي XD-Picture ، USB Flash Drive و هاردديسک‌هاي SSD ( حالت جامد) استفاده مي‌شود.
سيستم فايل در حافظه‌هاي فلش
اغلب رم‌هاي فلش قابل حمل( removable flash media ) داراي ميکروکنترلر داخلي ميباشند .
اين خاصيت ، حافظه‌هاي SD ، Compact flash و فلش درايو‌ها را قادر به فرمت شدن با استفاده از سيستم FAT مي‌کند . حافظه‌هايي که فاقد يکروکنترلر هستند بطور معمول از (FTL( Flash Translation Layer استفاده مي‌کنند.
FTL سيستم فايلي است که ساختار سيستم فايل فلش را شبيه FAT مي‌کند .
نکته مهم و پاياني
محصولات NANDبرمبناي دو عامل، قيمت گذاري مي‌شوند : ظرفيت و سرعت .
عامل ظرفيت بسيار آسان اندازه‌گيري مي‌گردد اما دومي سخت تر از آن است که به نظر مي‌رسد زيرا سازنده‌ها ميزان متفاوتي براي آن در نظر مي‌گيرند .
بسياري از حافظه‌هاي NAND ميکروکنترلر‌هاي داخلي دارند که باعث سازماندهي سلولهاي معيوب مي‌گردند. اگر عمل نوشتن با مشکل روبرو شود ميکروکنترلر مي‌تواند داده‌ها را در سلول ديگري ذخيره نمايد.در واقع اغلب حافظه‌هاي NAND هنگامي‌که از کارخانه خارج مي‌شوند داراي بلوک‌هاي معيوب هستند اما از آنجا که اين بلوک‌ها توسط ميکروکنترلر شناخته شده‌اند داده بر روي آنها ذخيره نمي‌شوند.
اين که اين حافظه‌ها کمک شاياني به ذخيره داده‌ها مي‌کنند هيچ شکي نيست اما به کساني که اطلاعات ارزشمند را ذخيره مي‌کنند توصيه مي‌شود که کپي پشتيبان از آنها تهيه نمايند .
حسین عالی زاده
Flash Memory سودمندترين نوآوري تکنولوژي 25 سال اخير است.اين تکنولوژي به عنوان حافظه‌اي قابل حمل براي ابزارهاي کوچک مانند USB , دوربين‌هاي ديجيتالي و موبايل مورد استفاده قرار مي‌گيرد و مي‌توان ادعا کرد که در آينده نزديک جايگزيني براي هاردديسک نوت‌بوک خواهد شد.
اگرچه شرکت توشيبا تکنولوژي Flash memory را اختراع کرد , اما Intel اولين شرکتي بود که نخستين Flash memory کاربردي را معرفي نمود و هم اکنون نيز به همراه سامسونگ بيشترين سهم را در بازار از آن خود دارد.
اين تکنولوژي به اين دليل "Flash" ناميده شده که در فرآيند پاک کردن محتويات آن
( Data Erase ) تصويري از نور عکاسي به وجود مي‌آيد .
Flash memory يک حافظه از نوع غير فرار است.يعني براي نگهداري اطلاعات ذخيره شده احتياج به نيروي الکتريکي ندارد.حافظه‌هاي فلش از نظر طبقه‌بندي جزو خانواده حافظه‌هاي (EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory هستند که قابل پاک و برنامه‌ريزي در بلوک‌هاي بزرگ مي‌باشد .
انواع ديگر EEPROMها بر خلاف حافظه‌هاي فلش بايد قبل از ريخته شدن اطلاعات جديد در آن ، کاملا پاک شوند . BIOS مادربرد يکي از اين نمونه‌ها مي‌باشد.
حافظه‌هاي فلش ، داده‌ها را در آرايه‌اي از چندين سلول به همراه يک ترانزيستور در محل‌هاي تقاطع سطر و ستون ذخيره مي‌کند.اين تکنولوژي، داده‌ها را به جاي ذخيره در يک بايت داخل چندين بخش ذخيره و پاک مي‌نمايد , بنابراين محدوديت‌هاي EEPROM را ندارد .
Flash memory داده‌ها را در رديفي از سلول‌ها که شامل دو ترانزيستور است (يک floating gate و يک control gate) , و توسط يک عايق اکسيد جدا مي‌شود ذخيره مي‌کند . هنگامي‌که ولتاژ کافي به control gate مي‌رسد الکترون‌هاي نيرو گرفته و به سمت لايه اکسيد هدايت مي‌گردند (که به اين فرآيند tunneling مي‌گويند) و در کنار floating gate جمع مي‌شوند. زماني که اين فرآيند صورت مي‌پذيرد سلول‌ها ، ارزش عددي بيت ذخيره شده خود را از صفر و يک تغيير مي‌دهند . در شرايط معمول الکترون‌هاي حبس شده در سمت ديگر floating gate, براي مدت زمان طولاني از آنجا خارج نخواهند شد و اين خاصيت غير فراري الکترون‌ها ست.
SLC در مقابل MLC
حافظه‌هاي فلش در دو نوع مختلف:
(SLC ( Single Level Cell و (MLC ( Multi Level Cell ) توليد مي‌شوند.
هرکدام از اين تکنولوژي‌ها داراي معايب و محاسني است و از نظر ساختار ، تفاوت‌هايي با هم دارند.
در حافظه‌هايي که بر پايه تکنولوژي MLC طراحي مي‌شوند، در هر سلول حافظه 2 بيت ذخيره مي‌شود اما در چيپ‌هاي نوع SLC اطلاعات در هر سلول حافظه ، 1 بيت ذخيره مي‌شود ، بنابراين در صورت يک اندازه بودن حجم حافظه ( مثلا فلش 1 گيگابايتي ) ، اندازه چيپ SLC بزرگتر از چيپ MLC مي‌باشد به همين دليل قيمت حافظه‌هايي که از تکنولوژي MLC بهره مي‌برند ارزان‌تر است.
در حافظه‌هاي نوع MLC به دليل اينکه در هر سلول حافظه 2 بيت ذخيره مي‌شود ، الگوريتم خواندن و همچنين تصحيح خطا بسيار پيچيده‌تر و دشوارتر است به همين علت نيز سرعت خواندن و نوشتن در اين نوع حافظه‌ها به نسبت چيپ‌هاي SLC کند‌تر است.
در حافظه‌ها MLC اين کار را به وسيله جمع‌آوري سطوح مختلف بارهاي الکتريکي در کنار floating gate انجام مي‌شود ؛ بطور مثال يک سلول دو بيتي مي‌تواند بين 4 ولتاژ متفاوت تمايز قائل شود .
ساختار NAND و NOR
طراحان چيپ حافظه ، براي ساخت حافظه فلش از دو روش NAND و NOR استفاده مي‌کنند.بطور کلي هيچ يک از اين دو بر ديگري برتري ندارد ولي هر کدام از آنها در جايگاه خاصي کاربرد بيشتري دارند.
سلولهاي NOR ،بصورت موازي با يکديگر ارتباط دارند بنابراين هر سلول مي‌تواند بصورت مجزا خوانده و برنامه‌ريزي شود,درحاليکه سلولهاي NAND بصورت سري مرتبطند و بايد به همان صورت خوانده و برنامه‌ريزي گردند .
داده‌ها در حالت NOR به همان روشي در RAM سيستم استفاده مي‌گردد،خوانده مي‌شود ، به همين دليل اغلب ريزپردازنده‌ها مي‌توانند با حافظه‌هاي NOR Flash کار کنند. به عبارت ديگر حافظه NOR flash مي‌تواند برنامه‌هاي نرم‌افزاري را بدون ريختن دستور العمل در RAM ذخيره و اجرا نمايد . اين حافظه همچنين مي‌تواند در يک بخش اجرا شود در حاليکه داده‌ها بطور همزمان از قسمت ديگر خوانده , ريخته و يا پاک گردند.به همين دلايل NOR Flash اغلب در تجهيزات پرتابل مانند همراه مانند گوشي‌هاي موبايل به کار برده مي‌شود.
شکل 1: سلولهاي NOR ،بصورت موازي با يکديگر ارتباط دارند بنابراين هر سلول مي‌تواند بصورت مجزا خوانده شود به همين دليل از آنها مي‌توان به عنوان RAM استفاده کرد.اما سلولهاي NAND بصورت سري مرتبطند و بايد به همان صورت خوانده و برنامه‌ريزي گردند.از حافظه‌هاي NAND ،براي مصارف ذخيره سازي فايل استفاده مي‌شود.
بعدها شرکت توشيبا حافظه NAND flash را طراحي کرد , اما اين حافظه فاقد خاصيت "دسترسي تصادفي" ( مانند آن چيزي که در NOR و RAM است ) مي‌باشد و اين مانع استفاده از آن به عنوان جايگزيني براي سيستم ROM است.
از طرفي ديگر حافظه‌هاي NAND بسيار سريع‌تر عمل مي‌کنند و به نسبت به حافظه‌هاي NOR داراي هزينه کمتر و حجم ذخيره‌سازي بيشتري ميباشند .
ساختار خواندن و نوشتن در حافظه‌هاي NAND شبيه ساختار هاردديسک و درايو‌هاي نوري به ترتييب که ديتا بر خلاف رم نمي‌تواند بخش بخش باشد بلکه در هر لحظه اطلاعات فقط از يک بخش( Segment ) خوانده مي‌شود.
با توجه به خصوصيات تکنولوژي حافظه‌هاي NAND ، اين نوع حافظه ، در وسايل ذخيره‌سازيي مانند Compact flash , رم‌هاي SD ، MMC ، حافظه‌هاي XD-Picture ، USB Flash Drive و هاردديسک‌هاي SSD ( حالت جامد) استفاده مي‌شود.
سيستم فايل در حافظه‌هاي فلش
اغلب رم‌هاي فلش قابل حمل( removable flash media ) داراي ميکروکنترلر داخلي ميباشند .
اين خاصيت ، حافظه‌هاي SD ، Compact flash و فلش درايو‌ها را قادر به فرمت شدن با استفاده از سيستم FAT مي‌کند . حافظه‌هايي که فاقد يکروکنترلر هستند بطور معمول از (FTL( Flash Translation Layer استفاده مي‌کنند.
FTL سيستم فايلي است که ساختار سيستم فايل فلش را شبيه FAT مي‌کند .
نکته مهم و پاياني
محصولات NANDبرمبناي دو عامل، قيمت گذاري مي‌شوند : ظرفيت و سرعت .
عامل ظرفيت بسيار آسان اندازه‌گيري مي‌گردد اما دومي سخت تر از آن است که به نظر مي‌رسد زيرا سازنده‌ها ميزان متفاوتي براي آن در نظر مي‌گيرند .
بسياري از حافظه‌هاي NAND ميکروکنترلر‌هاي داخلي دارند که باعث سازماندهي سلولهاي معيوب مي‌گردند. اگر عمل نوشتن با مشکل روبرو شود ميکروکنترلر مي‌تواند داده‌ها را در سلول ديگري ذخيره نمايد.در واقع اغلب حافظه‌هاي NAND هنگامي‌که از کارخانه خارج مي‌شوند داراي بلوک‌هاي معيوب هستند اما از آنجا که اين بلوک‌ها توسط ميکروکنترلر شناخته شده‌اند داده بر روي آنها ذخيره نمي‌شوند.
اين که اين حافظه‌ها کمک شاياني به ذخيره داده‌ها مي‌کنند هيچ شکي نيست اما به کساني که اطلاعات ارزشمند را ذخيره مي‌کنند توصيه مي‌شود که کپي پشتيبان از آنها تهيه نمايند .