Программирование NAND FLASH. Микросхемы NAND памяти фирмы HYNIX

Существует два основных типа Flash-памяти: NOR и NAND. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, которые и определяют области использования каждой технологии. Их основные характеристики представлены в таблице.

NOR Flash Memory

Память NOR, названная так в честь особой разметки данных (Not OR – логическое Не-ИЛИ), является высокоскоростной памятью Flash. Память NOR предоставляет возможность высокоскоростного, случайного доступа к информации, и обладает способностью записывать и считывать данные в определенном месте без необходимости обращаться к памяти последовательно. В отличие от NAND памяти, память NOR позволяет обращаться к данным размером до одного байта. Технология NOR выигрывает в ситуациях, когда данные случайным образом записываются или читаются. Поэтому NOR чаще всего встраивают в сотовые телефоны (для хранения операционной системы) и планшеты, а также используется в компьютерах для хранения BIOS.

NAND Flash Memory

NAND память была изобретена после NOR, и также названа в честь особой разметки данных (Not AND – логическое Не-И). NAND память записывает и считывает данные с высокой скоростью, в режиме последовательного чтения, упорядочивая данные в небольшие блоки (страницы). Память NAND может считывать и записывать информацию постранично, однако не может обращаться к конкретному байту, как NOR. Поэтому NAND обычно используют в твердотельных накопителях (), аудио и видео проигрывателях, телевизионных приставках, цифровых камеры, мобильных телефонах (для хранения пользовательской информации) и других устройствах, в которых данные, как правило, записываются последовательно.

Например, большинство цифровых камер используют память на основе технологии NAND, так как изображения снимаются и записываются последовательно. Технология NAND является более эффективной еще и при чтении, так как она способна передавать целые страницы данных очень быстро. Как последовательная память, NAND идеальна для хранения данных. Цена на

В 1989 году состоялся анонс Nand Flash памяти, данная разработка была представлена компанией Toshiba на International Solid-State Circuits Conference. До этого существовали только разработки NOR памяти, основными недостатками которой были: скорость работы и большая площадь чипа. Основным отличием NAND Flash от Nor Flash являются особенности адресации, если в NOR Flash можно адресовать произвольную ячейку, то в NAND Flash применена страничная адресация (обычно размер страницы 528, 2112, 4224, 4304, 4320, 8576 байт).

На сегодня существует масса устройств, где используются микросхемы NAND Flash в том числе и в различных носителях информации, таких как SSD накопители, USB Flash, различные Flash card (MMC, RS-MMC, MMCmicro, SD, miniSD, MicroSD, SDHC, CF, xD, SmartMedia, Memory Stick и т.д.)

Принципиально носители информации на NAND Flash из себя представляют микроконтроллер, который обеспечивает работу с микросхемами памяти, а также работу с различными устройствами по заданному стандартами интерфейсу. В большинстве устройств это выглядит как небольшая плата, на которой размещены одна или несколько микросхем NAND Flash памяти в конструктивном исполнении TSOP-48, short TSOP-48 или TLGA-52 и микроконтроллер. Миниатюрные устройства, как правило выполнены в виде одного чипа в который интегрированы как микросхема Nand Flash, так и микроконтроллер.

Основные недостатки NAND Flash памяти - это недостаточно высокая скорость и не очень большое количество циклов записи, которые способна выдержать микросхема. Для обхода этих проблем, производители контроллеров идут на некоторые ухищрения, такие как организация записи в NAND Flash в несколько потоков, для поднятия быстродействия и организация логических банков разбитых на достаточно крупные блоки и организация сложной системы трансляции.

Для равномерного износа NAND Flash практически во всех контроллерах организованно разделение адресного пространства на логические банки, которые в свою очередь разделяются на блоки (состоящие из нескольких страниц памяти), обычно на 256-2048 блоков. Контроллером ведется учет количества записей в каждый из блоков. Для того чтобы данные пользователя можно было свободно перемещать внутри банка, для этого имеется логическая нумерация блоков т.е. на практике при чтении микросхемы в дамп видим картину что данные пользователя в виде достаточно крупных блоков (16кб – 4Мб) хаотично перемешаны. Порядок работы с пользовательскими данными отражен в трансляторе в виде таблицы в которой указан порядок построения блоков для того чтобы получить упорядоченное логическое пространство.

Для увеличения операций чтения/записи производители контроллеров реализуют функции распараллеливания данных, то есть прямая аналогия с RAID массивом уровня 0 (stripe), только немного более сложная реализация. На практике это выглядит либо в виде внутриблочного распараллеливания (интерлива), на более мелкие подблоки (как правило от 1 байта, до 16Кб), также симметричное распараллеливание (страйп) между физическим банками микросхемы NAND Flash и между несколькими микросхемами.

Стоит понимать, что при таком принципе работы, транслятор накопителя – постоянно изменяющаяся таблица, практически при каждой записи в NAND Flash. Исходя из принципа работы с NAND Flash – чтение блока в буфер, внесение изменений и запись блока на место, очевидно, что наиболее опасны для данных являются незавершенные операции записи; например, когда происходит запись измененного транслятора. В результате необдуманного обращения с накопителями: внезапного извлечения их из USB разъема или из разъема кардридера во время записи, чревато разрушением служебных данных, в частности таблицы трансляции.

При разрушение служебных данных, накопитель не может функционировать или в некоторых случаях функционирует неверно. Извлечение данных программными средствами, как правило, не представляется возможным по многим причинам. Одно из решений – это выпаивание микросхем NAND Flash с последующим чтением на соответствующем считывателе (программаторе). Учитывая, что оригинальный транслятор отсутствует, либо поврежден, предстоит работа по разбору дампа извлеченного из микросхемы NAND Flash. Многие, наверное, обратили внимание на кажущийся странным размер страниц памяти в NAND Flash. Это объясняется тем, что в каждой странице, кроме данных пользователя имеются служебные данные обычно это представлено в виде 512/16; 2048/64; 4096/128; 4096/208 (существуют и значительно более сложные варианты организации данные/служебка). В служебных данных присутствую различные маркеры (маркер, номера блока в логическом банке; маркер ротации блока; ECC; и т.п.) Восстановление пользовательских данных сводится к устранению распараллеливания данных внутри блоков, между банков и между микросхемами памяти для получения цельных блоков. Если есть необходимость, то устраняются внутриблочные ротации, ренумерации и т.п. Дальнейшая задача, состоит в поблочной сборке. Для того чтобы ее осуществить необходимо четко уяснить количество логических банков, количество блоков в каждом логическом банке, количество используемых блоков в каждом банке (задействованы не все) местонахождение маркера в служебных данных, алгоритм нумерации. И только потом производить сбор блоков в конечный файл-образ из которого можно будет произвести чтение пользовательских данных. В процессе сбора подстерегают подводные камни в виде нескольких блоков-претендентов на одну позицию в конечный файл-образ. После решение данного круга задач, получаем файл-образ с пользовательской информацией.

В случаях, когда данные не играют никакой роли, но есть желание восстановить работоспособность самого накопителя, то лучшие вариант коррекции проблем со служебными данными – это выполнение процедуры форматирования фирменной утилитой с сайта производителя накопителя. Многие утилиты фактически переписывают всю служебную информацию, создают чистый транслятор, и выполняют процедуру форматирования с созданием новой файловой системы. Если же производитель не удосужился выложить Recovery-утилиту, тогда выход в виде поиска утилит форматирования накопителей на NAND Flash «по контроллеру», единственно, что покажется сложным пользователю – это обилие производителей контроллеров и сложности с идентификацией последнего.

Павел Янчарский

Перепечатка материалов разрешена только с указанием активной ссылки на оригинал статьи

Потребность в энергонезависимой флэш-памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе флэш-памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в флэш-памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, флэш-память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.

В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR и NAND. Структура NOR (рис.1) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис.2) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.


рис.1 Структура NOR	рис.2 Структура NAND

В результате различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-флэш ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Основные отличия в параметрах флэш-памяти, изготовленной по различным технологиям, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики модулей памяти на основе ячеек NAND и NOR

Параметр	NAND	NOR
Емкость	~ 1 Гбит (2 кристалла в корпусе)	~ 128 Мбит
Напряжение питания	2.7 – 3.6 В	2.3 – 3.6 В
Ввод/вывод	х8 / х16	х8 / х16
Время доступа	50 нС (цикл последовательного доступа) 25 мкС (случайный доступ)	70 нС (30 пФ, 2.3 В) 65 нС (30 пФ, 2.7 В)
Скорость программирования (типовая)	- 200 мкС / 512 байт	8 мкС / байт 4.1 мС / 512 байт
Скорость стирания (типовая)	2 мС / блок (16 кБ)	700 мС / блок
Совокупная скорость программирования и стирания (типовая)	33.6 мС / 64 кБ	1.23 сек / блок (основной: 64 кБ)

Ведущим лидером в производстве NAND-флэш микросхем является фирма Hynix. Она производит несколько разновидностей микросхем памяти, различающихся по следующим ключевым параметрам:

емкость (256 Мбит, 512 Мбит и 1 Гбит);
ширина шины, 8 или 16 бит (х8, х16);
напряжение питания: от 2.7 до 3.6 В (3.3 В устройства) или от 1.7 до 1.95 В (1.8 В устройства);
размер страницы: в х8 устройствах (512 + 16 запасных) байт, в 16х – (256 + 8 запасных) слов;
размер блока: в х8 устройствах (16 К + 512 запасных) байт, в 16х – (8 К + 256 запасных) слов;
время доступа: случайный доступ 12 мкС, последовательный 50 нС;
время программирования страницы 200 мкС;

Все микросхемы NAND-флэш от Hynix характеризуются типичным временем стирания блока 2 мС, имеют аппаратную защиту данных при переходных процессах по питанию и позволяют выполнять 100000 циклов записи/стирания. Гарантированное время сохранности данных составляет 10 лет. Важной особенностью микросхем памяти Hynix является их повыводная совместимость вне зависимости от емкости. Это позволяет очень легко улучшать потребительские характеристики конечного изделия. В таблице 2 приведены базовые параметры всех микросхем NAND-флэш фирмы Hynix.

Таблица 2. Сравнительный перечень микросхем NAND-флэш фирмы Hynix

Об"ем	Тип	Организаця	Напряжение питания	Диапазон рабочих температур*	Сккорость (ns)	Корпус
256Mbit		32Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		16Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		16Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
512Mbit		64Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
1Gb		128Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA

* - Диапазоны температур
C - Коммерческий диапазон рабочих температур 0...+70°C
E - Расширенный диапазон рабочих температур -25...+85°C
I - Индустриальный диапазон рабочих температур -40...+85°C

Более детально особенности микросхем памяти Hynix можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY27xx(08/16)1G1M. На рис.3 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов. Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Для увеличения жизненного цикла NAND-флэш устройств настоятельно рекомендуется применять код корректировки ошибок (ECC). Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.

Рис.3 Внутренняя организация микросхем NAND-флэш Hynix

Для оптимальной работы с дефектными блоками доступна команда «Copy Back». Если программирование какой-либо страницы оказалось неудачным, данные по этой команде могут быть записаны в другую страницу без их повторной отправки.

Микросхемы памяти Hynix доступны в следующих корпусах:

48-TSOP1 (12x20x1.2 мм) – рис.4;
48-WSOP1 (12х12х0.7 мм)
63-FBGA (8.5х15х1.2 мм, 6х8 массив шаровых контактов, 0.8 мм шаг)

Рис.4 NAND-флэш Hynix

Массив памяти NAND-структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис.5). Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block) основной области. В устройствах х8 страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В устройствах х16 страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.

Рис.5 Организация массива NAND-памяти

NAND-флэш устройства со страницами 528 байт / 264 слова могут содержать негодные блоки, в которых может быть одна и более неработоспособных ячеек, надежность которых не гарантируется. Помимо этого, дополнительные негодные блоки могут появиться в ходе эксплуатации изделия. Информация о плохих блоках записывается в кристалл перед отправкой. Работа с такими блоками выполняется по процедуре, детально описанной в справочном руководстве по микросхемам памяти Hynix.

При работе с микросхемами памяти выполняются три основных действия: чтение (рис.6), запись (рис.7) и стирание (рис.8).

Процедура чтения данных

Рис.6 Диаграмма процедуры чтения

Процедуры чтения данных из NAND-памяти могут быть трех типов: случайное чтение, постраничное чтение и последовательное построчное чтение. При случайном чтении для получения одной порции данных нужна отдельная команда.

Чтение страницы выполняется после доступа в режиме случайного чтения, при котором содержимое страницы переносится в буфер страницы. О завершении переноса информирует высокий уровень на выход «Чтение/занят». Данные могут быть считаны последовательно (от выбранного адреса столбца до последнего столбца) по импульсу сигнала на Read Enable (RE).

Режим последовательного построчного чтения активен, если на входе Chip Enable (CE) остается низкий уровень, а по входу Read Enable поступают импульсы после прочтения последнего столбца страницы. В этом случае следующая страница автоматически загружается в буфер страниц и операция чтения продолжается. Операция последовательного построчного чтения может использоваться только в пределах блока. Если блок изменяется, должна быть выполнена новая команда чтения.

Процедура записи данных

Рис.7 Диаграмма процедуры записи

Стандартной процедурой записи данных является постраничная запись. Главная область массива памяти программируется страницами, однако допустимо программирование части страницы с необходимым количеством байт (от 1 до 528) или слов (от 1 до 264). Максимальное число последовательных записей частей одной и той же страницы составляет не более одной в главной области и не более двух в резервной области. После превышения этих значений необходимо выполнить команду стирания блока перед любой последующей операцией программирования этой страницы. Каждая операция программирования состоит из пяти шагов:

Один цикл на шине необходим для настройки команды записи страницы.
Четыре шинных цикла требуются для передачи адреса.
Выдача данных на шину (до 528 байт / 264 слов) и загрузка в буфер страниц.
Один цикл на шине необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.
Выполнение контроллером PER записи данных в массив.

Процедура стирания блока

Рис.8 Диаграмма процедуры стирания

Операция стирания выполняется за один раз над одним блоком. В результате её работы все биты в указанном блоке устанавливаются в «1». Все предыдущие данные оказываются утерянными. Операция стирания состоит из трех шагов (рис.8):

Один цикл шины необходим для установки команды стирания блока.
Только три цикла шины нужны для задания адреса блока. Первый цикл (A0-A7) не требуется, поскольку верны только адреса с А14 по А26 (старшие адреса), А9-А13 игнорируются.
Один цикл шины необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.

Помимо Hynix микросхемы NAND-памяти выпускаются еще несколькими производителями, среди которых весьма большую номенклатуру и объем продаж изделий имеет компания Samsung. Она производит две базовые линейки микросхем памяти NAND Flash и One NAND™. Модули памяти семейства One NAND™ представляют собой одиночный кристалл памяти со стандартным интерфейсом NOR-флэш, основанный на массиве ячеек NAND-флэш.

Ассортимент выпускаемых компанией Samsung изделий более широк, чем у Hynix. Представлены модули емкостью от 4 Мбит до 8 Гбит, работающие в коммерческом и индустриальном температурных диапазонах. Доступны как 8-ми, так и 16-разрядные модификации на разные диапазоны питающих напряжений: 1,65…1,95 В или 2,7…3,6 В. Выпускаемые Samsung изделия имеют развитые аппаратные возможности защиты данных: защиту от записи для BootRAM, защитный режим для Flash-массива и защиту от случайной записи при включении и выключении.

В остальном устройство микросхем памяти Hynix и изделий семейства NAND Flash от Samsung практически идентично. В этой ситуации предпочтительным для потребителя вариантом является продукция того производителя, рыночная стоимость изделий которого наиболее приемлема.

Высокое быстродействие при считывании последовательных потоков данных предопределяет широкую сферу применимости NAND-флэш. Весьма популярным и перспективным рынком для памяти такого типа является рынок твердотельных накопителей для шины USB. В таблице 3 отражены возможности производимых в настоящее время микросхем NAND-флэш применительно к этой сфере. Помимо этого, наиболее выгодным оказывается использование такой памяти в MP3-плеерах, цифровых фотоаппаратах, компьютерах - наладонниках и в другом подобном оборудовании.

Таблица 3. Преимущества и недостатки использования NAND-флэш в твердотельных накопителях

Категория		Содержимое
Возможности	Преимущества	Хранилище данных, которые могут быть переданы через USB
		Малый размер, легкость создания портативных устройств
		Нет ограничений в объеме памяти
		Безопасное хранение данных, физически более надежное в сравнении в HDD
		Поддержка функции «горячей» установки Plug&Play
		Быстрая скорость передачи: USB 1.1: максимум до 12 Мбод, USB 2.0: максимум 480 Мбод
		Превосходная совместимость со стандартизованным USB интерфейсом
		Возможность питания от USB порта (500 мА, 4,5…5,5 В)
	Недостатки	Необходимость в программном обеспечении в операционной системе хост-контроллера
		Необходимость в использовании чипсета USB-хоста
		Высокая стоимость в сравнении с HDD сравнимой емкости
Емкость продукта		От 16 Мбит до 8 Гбит
Скорость передачи	Запись	До 13 Мб/с под USB 2.0 у карты CF от SanDisk
	Чтение	До 15 Мб/с под USB 2.0 у SanDisk
Применение		ПК (настольные, переносные), DVC,PDA, сотовые телефоны и пр.
Ведущие производители, использующие флэш-память		M-Systems, Lexar Media, SanDisk и др.
Ассоциации		USB-IF (форум конструкторов USB), UTMA (ассоциация универсальной транспортабельной памяти)


рис.1 Структура NOR	рис.2 Структура NAND

Основные отличия в параметрах флэш-памяти, изготовленной по различным технологиям, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики модулей памяти на основе ячеек NAND и NOR

Параметр	NAND	NOR
Емкость	~ 1 Гбит (2 кристалла в корпусе)	~ 128 Мбит
Напряжение питания	2.7 – 3.6 В	2.3 – 3.6 В
Ввод/вывод	х8 / х16	х8 / х16
Время доступа	50 нС (цикл последовательного доступа) 25 мкС (случайный доступ)	70 нС (30 пФ, 2.3 В) 65 нС (30 пФ, 2.7 В)
Скорость программирования (типовая)	- 200 мкС / 512 байт	8 мкС / байт 4.1 мС / 512 байт
Скорость стирания (типовая)	2 мС / блок (16 кБ)	700 мС / блок
Совокупная скорость программирования и стирания (типовая)	33.6 мС / 64 кБ	1.23 сек / блок (основной: 64 кБ)

емкость (256 Мбит, 512 Мбит и 1 Гбит);
ширина шины, 8 или 16 бит (х8, х16);
напряжение питания: от 2.7 до 3.6 В (3.3 В устройства) или от 1.7 до 1.95 В (1.8 В устройства);
размер страницы: в х8 устройствах (512 + 16 запасных) байт, в 16х – (256 + 8 запасных) слов;
размер блока: в х8 устройствах (16 К + 512 запасных) байт, в 16х – (8 К + 256 запасных) слов;
время доступа: случайный доступ 12 мкС, последовательный 50 нС;
время программирования страницы 200 мкС;

Таблица 2. Сравнительный перечень микросхем NAND-флэш фирмы Hynix

Об"ем	Тип	Организаця	Напряжение питания	Диапазон рабочих температур*	Сккорость (ns)	Корпус
256Mbit		32Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		16Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		16Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
512Mbit		64Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
1Gb		128Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA

Рис.3 Внутренняя организация микросхем NAND-флэш Hynix

Микросхемы памяти Hynix доступны в следующих корпусах:

48-TSOP1 (12x20x1.2 мм) – рис.4;
48-WSOP1 (12х12х0.7 мм)
63-FBGA (8.5х15х1.2 мм, 6х8 массив шаровых контактов, 0.8 мм шаг)

Рис.4 NAND-флэш Hynix

Рис.5 Организация массива NAND-памяти

Процедура чтения данных

Рис.6 Диаграмма процедуры чтения

Процедура записи данных

Рис.7 Диаграмма процедуры записи

Один цикл на шине необходим для настройки команды записи страницы.
Четыре шинных цикла требуются для передачи адреса.
Выдача данных на шину (до 528 байт / 264 слов) и загрузка в буфер страниц.
Один цикл на шине необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.
Выполнение контроллером PER записи данных в массив.

Процедура стирания блока

Рис.8 Диаграмма процедуры стирания

Один цикл шины необходим для установки команды стирания блока.
Только три цикла шины нужны для задания адреса блока. Первый цикл (A0-A7) не требуется, поскольку верны только адреса с А14 по А26 (старшие адреса), А9-А13 игнорируются.
Один цикл шины необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.

Таблица 3. Преимущества и недостатки использования NAND-флэш в твердотельных накопителях

Категория		Содержимое
Возможности	Преимущества	Хранилище данных, которые могут быть переданы через USB
		Малый размер, легкость создания портативных устройств
		Нет ограничений в объеме памяти
		Безопасное хранение данных, физически более надежное в сравнении в HDD
		Поддержка функции «горячей» установки Plug&Play
		Быстрая скорость передачи: USB 1.1: максимум до 12 Мбод, USB 2.0: максимум 480 Мбод
		Превосходная совместимость со стандартизованным USB интерфейсом
		Возможность питания от USB порта (500 мА, 4,5…5,5 В)
	Недостатки	Необходимость в программном обеспечении в операционной системе хост-контроллера
		Необходимость в использовании чипсета USB-хоста
		Высокая стоимость в сравнении с HDD сравнимой емкости
Емкость продукта		От 16 Мбит до 8 Гбит
Скорость передачи	Запись	До 13 Мб/с под USB 2.0 у карты CF от SanDisk
	Чтение	До 15 Мб/с под USB 2.0 у SanDisk
Применение		ПК (настольные, переносные), DVC,PDA, сотовые телефоны и пр.
Ведущие производители, использующие флэш-память		M-Systems, Lexar Media, SanDisk и др.
Ассоциации		USB-IF (форум конструкторов USB), UTMA (ассоциация универсальной транспортабельной памяти)

За долгие годы работы специалисты LSI пришли к пониманию всей важности аналитики взаимодействия с NAND флэш-памятью для оптимизации производительности и увеличения времени ее жизнедеятельности. В связи с этим в компании создали группу, которая занимается изучением поведения NAND флэш и описанием особенностей взаимодействия с контроллерами LSI. Предлагаю вашему вниманию интервью с экспертом в этой области Биллом Хантом, главным инженером аналитического отдела, которое позволяет лучше понять, чем занимается группа.

Все ли NAND флэш одинаковы?

Конечно, нет. Спецификации NAND флэш, производительность и другие характеристики разнятся не толькоу разных производителей, они также отличаются и между моделями одного семейства. Зачастую разнятся даже чипы одной модели, произведенные в разное время, особенно на самых первых этапах и впоследствии. Порой, производители специально создают различные модели одного чипа, адресованные различным рынкам, например, для корпораций и пользовательских решений. Понимание разницы между типами NAND жизненно необходимо для построения эффективного решения.

Чем чипы NAND отличаются у разных производителей?

Существуют два «уровня» разницы между производителями чипов: различия, обусловленные разницей архитектуры, и различия между производителями, использующими одинаковую архитектуру. У производителей NAND с разным дизайном и производственным процессом отличия кардинальны. Они состоят в разной распиновке, требованиях к питанию, расположении блоков и страниц, схемах адресации, командах, процедурах восстановления при сбоях чтения и многом другом.

Некоторые производители используют схожие дизайны и производственные процессы. Но даже в этом случае, их продукция может иметь существенные операционные различия. Каждое устройство может иметь уникальные свойства, зависящие от настроек при производстве, команды, диагностики. Даже при использовании стандартных интерфейсов, таких как ONFI и Toggle, нет гарантии одинаковой работы. У каждого производителя есть своя интерпретация этих стандартов.

Каковы различия между чипами NAND разных поколений?

Уменьшение геометрии при производстве чипов требует новой архитектуры. Новая архитектура приводит к изменениям в работе и спецификациям устройства NAND. Самые большие изменения вызываются ростом плотности чипов памяти. Например, размер и расположение блоков и страниц должны изменяться, чтоб справиться с новой архитектурой и возрастающей емкостью. Поскольку ячейки памяти становятся меньше и плотнее, функции обработки ошибок также должны улучшаться. Растут требования к кодам коррекции ошибок (ECC) и резервным участкам. Также NAND должны адаптироваться к возрастающей скорости появления сбойных блоков. Скорость передачи данных и производительность каждого нового поколения также должна увеличиваться, чтоб удовлетворять потребности пользователей. Это приводит к изменениям в спецификациям тайминга интерфейса и добавлению новых функций. В целом, работоспособность NAND ухудшается по мере уплотнения геометрии, и критически важно понимать эти изменения для разработки более мощных и эффективных механизмов ECC.

Какие тесты проводятся в лаборатории флэш-аналитики LSI?

Лаборатория флэш-аналитики преследует две цели. Первая - мы интегрируем устройства NAND в SSD с контроллером LSI SandForce, чтобы убедиться в том, что они работают вместе. Вторая - мы испытываем устройства NAND, чтобы увидеть, как флэш-память работает на протяжении всего своего жизненного цикла. Мы проводим тестирования в разных рабочих режимах. Понимание поведения непосредственно чипов NAND критически важно для разработки решений с надежностью и производительностью, востребованными рынком.

Проводятся ли испытания флэш-памяти «за пределами» их паспортного жизненного цикла?

Да. Поставщики NAND не всегда делятся результатами и методиками их тестов на выносливость, поэтому мы вынуждены собирать эти данные самостоятельно. Обычно, мы проводим цикли записи/стирания до тех пор, пока уровень ошибок не достигнет очень большой величины, или случится фатальный сбой. Также мы измеряем и другие параметры, например, объемы резервирования. Понимать поведение памяти по мере старения просто необходимо для того, чтобы прогнозировать, как будут вести себя устройства в сценариях реального мира.