بررسی پیشرفت‌ها در فناوری ذخیره‌سازی حافظه

آیا تا به حال ناامیدی از دست دادن ساعت‌ها کار را تجربه کرده‌اید، زمانی که رایانه شما ناگهان خاموش می‌شود؟ یا از خود پرسیده‌اید که چگونه تلفن هوشمند یا درایو USB شما عکس‌ها و ویدیوهای ارزشمند را بدون برق ثابت حفظ می‌کند؟ پاسخ در یک فناوری قابل توجه به نام حافظه فلش نهفته است – «تراشه حافظه» دنیای دیجیتال که داده‌های شما را حتی بدون برق حفظ می‌کند.

حافظه فلش نوعی ذخیره‌سازی غیر فرار است، به این معنی که اطلاعات را بدون برق حفظ می‌کند. برخلاف درایوهای هارد دیسک (HDD) سنتی، حافظه فلش هیچ قسمت متحرکی ندارد و این باعث می‌شود در برابر ضربه‌های مکانیکی، دمای شدید و فشار بالا مقاوم‌تر باشد. این امکان بازنویسی و حذف بلوک‌های داده در سطح بایت را فراهم می‌کند و انعطاف‌پذیری استثنایی را ارائه می‌دهد.

در قلب حافظه فلش، سلول حافظه قرار دارد که بر اساس ترانزیستورهای دروازه شناور است. این سوئیچ‌های الکترونیکی میکروسکوپی، جریان را از طریق هر سلول کنترل می‌کنند. تراشه‌های فلش این سلول‌ها را در یک الگوی شبکه‌ای، شبیه به بلوک‌های شهری، مرتب می‌کنند. سلول‌های ذخیره‌سازی در ردیف‌هایی به نام خطوط بیت توزیع می‌شوند که هر نقطه تقاطع شامل یک ترانزیستور با دو دروازه است: یک دروازه کنترل و یک دروازه شناور.

دروازه شناور که بین دروازه کنترل و تراشه ترانزیستور MOSFET با یک لایه نازک اکسید (سیلیکون دی‌اکسید SiO2) به عنوان عایق قرار دارد، کلید ذخیره‌سازی داده‌ها را در دست دارد. هنگامی که جریان به دروازه کنترل می‌رسد، الکترون‌ها وارد دروازه شناور می‌شوند و یک بار مثبت خالص ایجاد می‌کنند که جریان را قطع می‌کند. لایه اکسید، دروازه شناور را ایزوله می‌کند و الکترون‌ها (و داده‌ها) را برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت ایمن به دام می‌اندازد.

حافظه فلش یک شبه یک شبه ظاهر نشد، بلکه از طریق دهه‌ها نوآوری تکامل یافت. رایانه‌های اولیه از تراشه‌های حافظه فقط خواندنی (ROM) برای سیستم‌های ورودی/خروجی (BIOS) استفاده می‌کردند، اما اینها قابل اصلاح نبودند. انتقال به حافظه فلش برای ذخیره‌سازی BIOS، امکان بازنویسی بدون حذف فیزیکی تراشه را فراهم کرد.

در سال 1967، محققان آزمایشگاه‌های بل، داون کانگ و سیمون مین سزه، پیشنهاد کردند که از دروازه شناور MOSFET برای ROM قابل برنامه‌ریزی مجدد استفاده شود. مهندس اینتل، داو فروهمن، در سال 1971، ROM قابل برنامه‌ریزی قابل پاک شدن (EPROM) را اختراع کرد که دارای یک پنجره شفاف برای پاک کردن UV بود. این به EEPROM (PROM قابل پاک شدن الکتریکی) تبدیل شد که از سیگنال‌های الکتریکی برای پاک کردن استفاده می‌کرد.

این پیشرفت در دهه 1980 رخ داد، زمانی که دکتر فوجی ماسوکا از توشیبا، حافظه فلش مدرن را توسعه داد. این فناوری نام خود را زمانی به دست آورد که همکاران متوجه شدند که چگونه داده‌های نیمه‌رسانا را می‌توان «در یک چشم به هم زدن» پاک کرد – مانند یک استروب دوربین.

حافظه فلش در درجه اول در دو معماری با ویژگی‌های متمایز وجود دارد:

فلش NAND که به نام دروازه‌های منطقی «NOT AND» نامگذاری شده است، دارای سلول‌های مرتب شده عمودی است. برنامه‌نویسی زمانی اتفاق می‌افتد که جریان به دروازه کنترل می‌رسد و الکترون‌ها را به دروازه شناور می‌فرستد. لایه اکسید این بار را حفظ می‌کند تا زمانی که با اعمال ولتاژ برای تخلیه دروازه شناور پاک شود.

تولید NAND شامل بیش از 800 فرآیند در حدود یک ماه برای ایجاد ویفرهای 12 اینچی است که بعداً به تراشه‌هایی به اندازه ناخن انگشت تقسیم می‌شوند که بر اساس کیفیت درجه‌بندی می‌شوند. مزایای آن عبارتند از:

• بدون قطعات متحرک برای دوام بیشتر
• ظرفیت بالاتر با هزینه کمتر
• مقاومت بهتر در برابر لرزش نسبت به HDD

محدودیت‌ها شامل چرخه‌های بازنویسی محدود و معماری‌های سلولی در حال تکامل از تک سطحی (SLC) که 1 بیت در هر سلول ذخیره می‌کند تا طرح‌های چهار سطحی (QLC) برای پاسخگویی به تقاضای رو به رشد داده‌ها است.

فلش NOR که بر اساس دروازه‌های منطقی «NOT OR» است، سلول‌ها را به صورت افقی به خطوط بیت متصل می‌کند و امکان دسترسی فردی را فراهم می‌کند. این معماری ارائه می‌دهد:

• سرعت خواندن سریع‌تر
• استقامت بازنویسی بالاتر
• قابلیت دسترسی تصادفی

این ویژگی‌ها NOR را برای سیستم‌های ترافیکی، اتوماسیون صنعتی و دستگاه‌هایی که ذخیره‌سازی را با اجرای کد ترکیب می‌کنند، ایده‌آل می‌کند. با این حال، اندازه‌های سلول بزرگتر منجر به سرعت نوشتن/پاک کردن کندتر در مقایسه با NAND می‌شود.

هیچ یک از این فناوری‌ها با سرعت حافظه پنهان یا DRAM (که 100 برابر سریع‌تر است اما فرار است) مطابقت ندارند. عملکرد به برنامه بستگی دارد – NOR در خواندن سریع برتری دارد در حالی که NAND در کارهای مدیریت داده عملکرد بهتری دارد.

حافظه فلش در همه جا وجود دارد و همه چیز را از تلفن‌های هوشمند گرفته تا سرورها تامین می‌کند. درک ویژگی‌های NAND و NOR به انتخاب ذخیره‌سازی بهینه کمک می‌کند:

• NAND را انتخاب کنید برای ذخیره‌سازی با ظرفیت بالا و مقرون به صرفه در دستگاه‌های مصرف‌کننده و برنامه‌های داده‌های حجیم
• NOR را انتخاب کنید هنگام نیاز به خواندن سریع، قابلیت اطمینان بالا و اجرای کد در سیستم‌های تعبیه‌شده

با افزایش تقاضای داده‌ها، فناوری فلش به تکامل خود ادامه می‌دهد و اطمینان حاصل می‌کند که خاطرات دیجیتالی ما حتی زمانی که برق وجود ندارد، باقی می‌مانند.