Cấu trúc bên trong của NAND Flash

Năm 1965, sau khi ống lưỡng cực được phát minh bởi W. Shockley, W. Brattain và J. Bardeen, Gordon Moore, người đồng sáng lập Intel, đã phát hiện ra một quy luật như vậy: khi giá không đổi, lượng năng lượng có thể phù hợp với mạch tích hợp Số lượng bóng bán dẫn sẽ tăng gấp đôi hàng năm và hiệu suất cũng sẽ tăng gấp đôi. Trên thực tế, số lượng bóng bán dẫn trên một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi khoảng 18 tháng một lần trong vài năm tới. Ví dụ, trong 18 tháng giữa Pentium 1.3 và Pentium 4, số lượng bóng bán dẫn trên một đơn vị diện tích đã tăng từ 28 triệu lên 55 triệu.

Ngày nay, tần số hoạt động của bộ xử lý của một máy tính để bàn tiêu chuẩn được tính bằng gigahertz và thông tin dung lượng mà bộ nhớ có thể lưu trữ được tính bằng terabyte (TB). mà cũng là một thành phần quan trọng trong các hệ thống điện tử.

Bộ nhớ bán dẫn có thể được chia thành hai phần chính: RAM (Random Access Memories) và ROM (Read Only Memories): RAM sẽ biến mất sau khi tắt nguồn, còn ROM thì giữ nguyên. Một loại bộ nhớ khác, NVM (Non-Volatile Memories), nằm giữa hai loại trên. Nội dung của nó có thể được sửa đổi và dữ liệu sẽ không bị mất sau khi mất điện. Điều này linh hoạt hơn ROM thuần túy, vì nội dung của ROM được viết bởi nhà sản xuất và khách hàng không thể sửa đổi.

Lịch sử của Non-Volatile Memories bắt đầu từ những năm 1970, và NVM đầu tiên là EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), kể từ đó cho đến những năm 1990, NVM dần trở thành một trong những thành viên quan trọng nhất của gia đình bán dẫn, và được nhiều người chú ý hơn. đã được trả tiền cho việc phát triển các công nghệ mới để thúc đẩy sự tiến bộ của NVM nhiều hơn là các lợi ích kinh tế mang lại.

Kể từ những năm 1990, khi bộ nhớ bán dẫn thâm nhập vào các sản phẩm đầu cuối kỹ thuật số như điện thoại di động, máy tính cầm tay và máy quay video, thị trường này đã ở trong tình trạng phát triển nhanh chóng cho đến tận ngày nay.

Phương pháp lưu trữ bộ nhớ Flash phổ biến nhất dựa trên công nghệ gọi là Cổng nổi (FG). Bạn có thể tham khảo sơ đồ mặt cắt sau. Một ống MOS bao gồm hai cổng chồng lên nhau: cổng thứ nhất được bao quanh hoàn toàn bởi các ôxít; trong khi cái thứ hai được kết nối với bên ngoài. Cánh cửa duy nhất này tương đương với việc hình thành một vành đai cách ly điện tử, đảm bảo rằng các điện tử (dữ liệu) trong đó có thể được giữ lại trong nhiều năm. Quá trình sạc và xả phần cô lập này được gọi là chương trình và xóa. Do quá trình sạc và phóng điện, điện thế V bên trong phần cô lập sẽ bị thay đổi; đây là nguyên lý hoạt động của một ống MOS điển hình. Khi chúng ta đặt một điện áp vào ô nhớ, chúng ta có thể phân biệt hai trường hợp: khi điện áp chúng ta đặt vào cao hơn Vth, nó được nhận dạng là "1", ngược lại nó được nhận dạng là "0".

Cấu trúc ô nhớ NAND

Mảng

Các đơn vị lưu trữ của bộ nhớ được tổ chức dưới dạng ma trận, bởi vì tổ chức này có thể làm giảm không gian bộ nhớ chiếm một cách hiệu quả. Tôi có thể biết sự khác biệt giữa NAND và NOR Flash bằng cách nhìn vào tổ chức của các ô nhớ. Chúng tôi giới thiệu NAND ngay bây giờ, vì NAND là bộ nhớ được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.

Trong kiến ​​trúc NAND, các ô nhớ được tổ chức theo chuỗi cứ 32 hoặc 64 như trong Hình 2.2. Hai bóng bán dẫn để lựa chọn (hai chân bên ngoài của bóng bán dẫn này là DSL / Mdl [kết nối với BL] hoặc SSL / Msl [kết nối với SL]) được đặt ở cả hai đầu của mỗi chuỗi ô nhớ (32 hoặc 64) để đảm bảo kết nối với đường nguồn (qua Msl) và bitline (qua Mdl). Mỗi chuỗi ô nhớ NAND có một dòng bit được sử dụng để kết nối với các chuỗi khác. Các cổng điều khiển được sử dụng để kết nối các dòng chữ (WL).

Các trang logic là phần được điều khiển bởi bộ lưu trữ được điều khiển bởi cùng một dòng chữ. Số lượng trang được kiểm soát bởi mỗi dòng chữ có liên quan đến dung lượng của đơn vị lưu trữ. Dựa trên mức độ lưu trữ của đơn vị lưu trữ, bộ nhớ Flash có thể được chia thành các loại khác nhau: SLC (một đơn vị lưu trữ 1bit), MLS (một đơn vị lưu trữ 2bit), 8LC (một đơn vị lưu trữ 3bit), 16LC (một đơn vị lưu trữ 4bit) .

Nếu chúng ta xem xét trường hợp xen kẽ của SLC, các số lẻ và số chẵn lần lượt tạo thành các trang khác nhau. Một ví dụ là: một dòng chữ SLC có kích thước trang là 4KB (4096 * 8=32768 bit) có 65536 vị trí bộ nhớ.

Tất nhiên, nếu đó là MLC, có 4 trang và mỗi loạt ô nhớ có một LSB (Bit quan trọng nhất) và một MSB (Bit quan trọng nhất). Do đó có:

- Các trang MSB và LSB của các bitline chẵn

- Các trang MSB và LSB của các bitline lẻ

Tất cả các chuỗi ô nhớ NAND của cùng một dòng chữ sẽ bị xóa cùng nhau khi xóa, do đó tạo thành một khối (blcok), nếu hai khối được hiển thị trong 2.2, cùng một bus được sử dụng, một khối được cấu tạo bởi WL 0<63:0>và cái còn lại là WL1<63:0>.

Cấu trúc ô nhớ của NAND Flash là một ma trận. Các mạch bổ sung được yêu cầu khi đọc, ghi và xóa NAND. Vì mỗi khuôn của NAND phải được đóng gói nên một khuôn phù hợp sẽ được thiết lập trong giai đoạn thiết kế. Điều quan trọng là phải xác định kích thước và xây dựng các thiết bị điện tử xung quanh. Ví dụ, cấu trúc phân cấp của mỗi khuôn của NAND Flash là như thế này.

Hình 2.3 cho thấy một ví dụ về hệ thống phân cấp. Mảng lưu trữ có thể được thiết lập dưới dạng nhiều mặt phẳng (hai mặt phẳng trong Hình 2.3), được đánh dấu bằng các dòng chữ theo hướng ngang và các đường bit theo hướng dọc.

Bộ giải mã Hàng nằm giữa hai mặt phẳng. Một trong những nhiệm vụ của mạch là phân biệt đúng các dòng chữ của các chuỗi NAND đã chọn để đảm bảo hoạt động bình thường. Tất cả các đường bit phải được kết nối với bộ khuếch đại cảm nhận (Sense Amp). Mỗi bộ khuếch đại giác quan có thể có một hoặc nhiều đường bit, chúng tôi sẽ giới thiệu chi tiết sau trong phần này. Mục đích của bộ khuếch đại cảm giác là chuyển đổi dòng điện trong ô nhớ thành một đại lượng kỹ thuật số. Trong khu vực ngoại vi, có một số thiết bị cần thiết để sạc các ô nhớ, cũng như các thiết bị quản lý điện áp, mạch logic và các thiết bị khác. PAD được sử dụng để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài.