การ สํารวจ ความ พัฒนา ใน เทคโนโลยี การ เก็บ ความ จํา

คุณเคยประสบกับความหงุดหงิดที่ต้องเสียเวลาทำงานเมื่อคอมพิวเตอร์ของคุณปิดตัวลงกะทันหันหรือไม่? หรือสงสัยว่าสมาร์ทโฟนหรือไดรฟ์ USB ของคุณเก็บภาพถ่ายและวิดีโออันมีค่าโดยไม่ต้องใช้พลังงานคงที่ได้อย่างไร คำตอบอยู่ที่เทคโนโลยีอันน่าทึ่งที่เรียกว่าหน่วยความจำแฟลช ซึ่งเป็น "ชิปหน่วยความจำ" ของโลกดิจิทัลที่เก็บรักษาข้อมูลของคุณแม้ไม่มีไฟฟ้า

หน่วยความจำแฟลชเป็นรูปแบบการจัดเก็บข้อมูลแบบไม่ลบเลือน ซึ่งหมายความว่าจะเก็บข้อมูลไว้โดยไม่ต้องใช้พลังงาน ต่างจากฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ (HDD) ทั่วไปตรงที่หน่วยความจำแฟลชไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ทำให้มีความทนทานต่อแรงกระแทกทางกล อุณหภูมิที่รุนแรง และแรงดันสูง ช่วยให้เขียนใหม่และลบบล็อกข้อมูลในระดับไบต์ได้ ซึ่งให้ความยืดหยุ่นเป็นพิเศษ

หัวใจของหน่วยความจำแฟลชอยู่ที่เซลล์หน่วยความจำซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์แบบโฟลตติ้งเกต สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กเหล่านี้ควบคุมการไหลของกระแสผ่านแต่ละเซลล์ ชิปแฟลชจัดเรียงเซลล์เหล่านี้ในรูปแบบตาราง คล้ายกับบล็อกเมือง เซลล์จัดเก็บข้อมูลจะกระจายเป็นแถวที่เรียกว่าเส้นบิต โดยแต่ละจุดตัดกันจะมีทรานซิสเตอร์ที่มีประตูสองบาน: ประตูควบคุมและประตูลอย

ประตูลอยซึ่งประกบระหว่างประตูควบคุมและชิปทรานซิสเตอร์ MOSFET โดยมีชั้นออกไซด์บางๆ (ซิลิคอนไดออกไซด์ SiO2) เป็นฉนวน ถือเป็นกุญแจสำคัญในการจัดเก็บข้อมูล เมื่อกระแสไปถึงประตูควบคุม อิเล็กตรอนจะไหลเข้าสู่ประตูลอย ทำให้เกิดประจุบวกสุทธิที่ขัดขวางกระแสไฟฟ้า ชั้นออกไซด์จะแยกประตูลอยออกจากกัน เพื่อดักจับอิเล็กตรอน (และข้อมูล) อย่างแน่นหนาเพื่อการจัดเก็บในระยะยาว

หน่วยความจำแฟลชไม่ได้เกิดขึ้นเพียงชั่วข้ามคืน แต่ได้รับการพัฒนาผ่านนวัตกรรมที่ดำเนินมาหลายทศวรรษ คอมพิวเตอร์ยุคแรกๆ ใช้ชิปหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว (ROM) สำหรับระบบอินพุต/เอาท์พุตพื้นฐาน (BIOS) แต่ไม่สามารถแก้ไขได้ การเปลี่ยนไปใช้หน่วยความจำแฟลชสำหรับพื้นที่จัดเก็บข้อมูล BIOS ช่วยให้สามารถเขียนใหม่ได้โดยไม่ต้องถอดชิปออก

ในปี พ.ศ. 2510 นักวิจัยของ Bell Labs Dawon Kahng และ Simon Min Sze ได้เสนอให้มีการนำประตูลอยตัวของ MOSFET มาใช้ใหม่สำหรับ ROM ที่ตั้งโปรแกรมใหม่ได้ Dov Frohman วิศวกรของ Intel คิดค้น ROM ที่ตั้งโปรแกรมได้ซึ่งลบข้อมูลได้ (EPROM) ในปี 1971 โดยมีหน้าต่างโปร่งใสสำหรับการลบรังสียูวี สิ่งนี้พัฒนาไปสู่ ​​PROM ที่สามารถลบข้อมูลด้วยไฟฟ้า (EEPROM) โดยใช้สัญญาณไฟฟ้าเพื่อการลบข้อมูล

ความก้าวหน้าดังกล่าวเกิดขึ้นในทศวรรษ 1980 เมื่อ Dr. Fujio Masuoka แห่งโตชิบาพัฒนาหน่วยความจำแฟลชสมัยใหม่ เทคโนโลยีนี้ได้รับชื่อเมื่อเพื่อนร่วมงานตั้งข้อสังเกตว่าข้อมูลเซมิคอนดักเตอร์สามารถลบ "ในพริบตา" ได้อย่างไร เหมือนกับไฟแฟลชของกล้อง

หน่วยความจำแฟลชส่วนใหญ่มาในสถาปัตยกรรมสองแบบที่มีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกัน:

แฟลช NAND ตั้งชื่อตามลอจิกเกต "NOT AND" มีลักษณะเซลล์ที่จัดเรียงในแนวตั้ง การโปรแกรมเกิดขึ้นเมื่อกระแสไปถึงประตูควบคุม โดยส่งอิเล็กตรอนไปยังประตูลอย ชั้นออกไซด์จะรักษาประจุนี้ไว้จนกว่าจะถูกลบโดยการใช้แรงดันไฟฟ้าเพื่อคายประจุประตูลอย

การผลิต NAND เกี่ยวข้องกับกระบวนการมากกว่า 800 กระบวนการในเวลาประมาณหนึ่งเดือนเพื่อสร้างเวเฟอร์ขนาด 12 นิ้ว จากนั้นจึงตัดเป็นชิปขนาดย่อตามคุณภาพ ข้อดีของมัน ได้แก่ :

• ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเพื่อความทนทานที่มากขึ้น
• ความจุสูงกว่าด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่า
• ทนทานต่อการสั่นสะเทือนได้ดีกว่า HDD

ข้อจำกัดได้แก่ รอบการเขียนซ้ำอย่างจำกัดและการพัฒนาสถาปัตยกรรมเซลล์จากการออกแบบระดับเดียว (SLC) ที่จัดเก็บ 1 บิตต่อเซลล์ไปจนถึงการออกแบบระดับสี่ระดับ (QLC) เพื่อตอบสนองความต้องการข้อมูลที่เพิ่มขึ้น

ตามลอจิกเกต "NOT OR" แฟลช NOR จะเชื่อมต่อเซลล์ในแนวนอนขนานกับเส้นบิต ทำให้แต่ละบุคคลสามารถเข้าถึงได้ สถาปัตยกรรมนี้มอบ:

• ความเร็วในการอ่านที่เร็วขึ้น
• ความอดทนในการเขียนซ้ำที่สูงขึ้น
• ความสามารถในการเข้าถึงแบบสุ่ม

ลักษณะเหล่านี้ทำให้ NOR เหมาะสำหรับระบบการรับส่งข้อมูล ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม และอุปกรณ์ที่รวมพื้นที่จัดเก็บข้อมูลเข้ากับการเรียกใช้โค้ด อย่างไรก็ตาม ขนาดเซลล์ที่ใหญ่ขึ้นส่งผลให้ความเร็วในการเขียน/ลบช้าลงเมื่อเทียบกับ NAND

ไม่มีเทคโนโลยีใดที่ตรงกับความเร็วของหน่วยความจำแคชหรือ DRAM (ซึ่งเร็วกว่า 100 เท่าแต่มีความผันผวน) ประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน – NOR ยอดเยี่ยมในการอ่านอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ NAND มีประสิทธิภาพเหนือกว่าในงานการจัดการข้อมูล

หน่วยความจำแฟลชแพร่หลายมากขึ้น ขับเคลื่อนทุกสิ่งตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงเซิร์ฟเวอร์ การทำความเข้าใจคุณลักษณะของ NAND และ NOR จะช่วยในการเลือกพื้นที่จัดเก็บข้อมูลที่เหมาะสมที่สุด:

• เลือก NANDสำหรับการจัดเก็บข้อมูลความจุสูงและคุ้มค่าในอุปกรณ์ผู้บริโภคและแอปพลิเคชันข้อมูลจำนวนมาก
• เลือกใช้ NORเมื่อต้องการการอ่านที่รวดเร็ว ความน่าเชื่อถือสูง และการเรียกใช้โค้ดในระบบฝังตัว

เมื่อความต้องการข้อมูลเพิ่มมากขึ้น เทคโนโลยีแฟลชก็มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้มั่นใจว่าความทรงจำดิจิทัลของเรายังคงอยู่แม้ว่าจะไม่ได้ใช้พลังงานก็ตาม