Memórias Flash
As memórias Flash foram uma resposta da indústria às memórias EPROM e EEPROM, com um produto que oferece as vantagens destas memórias sem o alto custo. As duas principais arquiteturas de arranjos das memórias flash são Flash NOR e Flash NAND.

A memória Flash foi inventada pela Toshiba Corp.(pelo Dr. Engº Fujio Masuoka), em 1984. Com base na invenção de Masuoka, a Intel Corp. comercializou memória Flash NOR de base comum em 1988. A Toshiba Corp. introduziu a memória Flash NAND em 1988, que prometia um custo por bit menor do que a Flash NOR e uma programação mais rápida e alta taxa de apagamento de dados.

 

 

		A célula de uma memória Flash é semelhante à célula de uma EPROM, e é constituída por um único transistor. Na memória Flash, uma fina camada de óxido de sílicio forma a porta do transistor, permitindo apagar eletricamente a memória e uma maior densidade que as EEPROMs,  com um  custo menor. A  Figura 1  compara os dois tipos de células de memória, onde a camada de óxido entre a porta e o substrato é 100 Angstroms, aproximadamente, para a  célula Flash e maior que 150 Angstroms para a EPROM.
Fig.1 Célula Flash e Célula EPROM

Depois da escrita ser concluída, uma carga negativa na porta flutuante aumenta a tensão de limiar(VT) da célula acima da tensão equivalente a 1 lógico da linha de seleção de palavra(worldline). Quando a linha de seleção de palavra de uma célula escrita é levada ao nível lógico 1 durante uma leitura, a célula não conduzirá. Um amplificador sensor deteta e amplifica a corrente da célula, e fornece uma saída 0 para uma célula escrita.

Fig.2 Célula Flash - Operação de Escrita

Depois da operação de apagar ser completada, a ausência de cargas na porta flutuante baixa a tensão VT da célula para um valor abaixo da tensão equivalente a 1 lógico da linha de seleção de palavra (worldline). Quando uma célula apagada tem a linha de seleção de palavra(wordline) colocada no nível lógico 1 durante uma leitura, então o transistor conduzirá mais corrente que uma célula escrita, fornecendo saída lógica 1.
	Fig.3 Célula Flash - Operação de Apagar

Tecnologia flash: NOR e NAND

A tecnologia flash NOR utiliza MOSFETS de porta flutuante (FGMOSFET) arranjados em paralelo entre a linha de bits(coluna da matriz de armazenamento) e o terra. A Flash NOR é organizada por byte ou palavra.

A memória Flash NOR emprega uma arquitetura paralela em que cada célula pode ser acessada por meio de um contato (Fig. 4). O acesso direto à célula de bit é a razão para o desempenho de acesso aleatório superior da Flash NOR.

 

Fig.4 Flash NOR

 

No circuito acima da Flash NOR, cada uma das linhas de palavras(wordlines) WL1, WL2, WL3, e WL4 controla os transistor MOSFET que liga a linha de bit(Bit Line - BL) ao terra. Se WL1=1 OU WL2=1 OU WL3=1 OU WL4=1(nível ALTO), então a linha de bit(BL) vai para o nível BAIXO(lógico 0).

A memória é chamada de Flash NOR porque se as entradas WL1=1 OU WL2=1 OU WL3=1 OU WL4=1(nível ALTO) então a linha de bit(saída) é igual a 0, ou seja, Bit Line=0, que é a lógica de funcionamento de uma porta NOR.

Observe que cada célula de bit(transistor MOSFET) é lida(Read) ou escrita(Write) independente dos outros transistores.

Características das Memórias Flash NOR
Vantagens	Desvantagens	Aplicações
Acesso aleatório	Escrita lenta	Substituíção de EPROM
Escrita por bytes	Apagamento lento	Execução direta de programas da memória não-volátil
Endereçamento simples	Maior custo	Firmware de PCs, celulares, palmtops, PDAs

 

FLASH NOR PARALELA M29W400DT
A Fig. 6 mostra a memória Flash NOR paralela M29W400DT, com capacidade de 4Mb, organizada como 512KbX8 ou 256Kb X 16 palavrasXbits, tensão de alimentação 3Vcc, para operações de leitura, apagamento e programação. Essa Flash NOR pode ser lida do mesmo modo que memórias ROM ou EPROM.

 

Fig.5 Flash NOR paralela M29W400DT

 

Internamente, a Flash NOR paralela M29W400DT é organizada em blocos de memória que podem ser apagados e programados independentemente. Os comandos de programar e apagar são escritos na interface de comando da memória. Um controlador dentro da memória executa e controla todos as operações de apagamento e programação da memória.

 

Fig. 6 Flash NOR M29W400DT endereços dos blocos

 

A tecnologia Flash NAND usa um grupo de FGMOSFETs em série uns com os outros, ligando a linha de bits(Bit Line - BL) com o terra. Os dados armazenados em cada célula de bit são acessados em conjunto com as outras linhas de palavra (Word Line - WL) no grupo ativadas por uma tensão de porta de controle suficiente para ligar todos os outros transistores, independente da carga armazenada na porta flutuante. Ou seja todos outros transistores são colocados em condução, fornecendo baixa resistencia entre a fonte e o dreno e a célula de bit acessada controla a linha de bits.

Como as células de memória na Flash NAND são organizadas em série, a Fig.4 mostra 32 células de memória imprensadas entre grandes transistores selecionadores(GSL) e contatos(BSL). O desempenho de acesso aleatório é lento devido ao fato de que não há contatos acessando diretamente as células de memória. No entanto, como há apenas dois contatos a cada 32 células de memória, o tamanho efetivo da célula é muito menor do que a Flash NOR, resultando em um tamanho de chip menor e menor custo por bit.

A memória Flash NAND é organizada em páginas e apagada em base de bloco. Um bloco consiste em 64 ou mais páginas. A Flash NAND exibe gravações de página rápidas devido à capacidade de gravar de 4 a 8 kB simultaneamente, resultando em uma taxa de transferência de gravação sequencial muito alta.

Como todas as linhas de palavra WL1, WL2...WL32 devem ser ALTAS para que a linha de bits seja puxada para nível BAIXO, então o circuito comporta-se como uma porta NAND, dando o nome à memória Flash NAND.

 

Fig.7 Flash NAND

O circuito Flash NAND tem velocidades de apagamento e programação rápidas e os dados são acessados em blocos. Porém, as memórias Flash NOR tem velocidade de leitura mais rápida e acesso aleatório.

A memória Flash NAND SLC(Single Level Cell) convencional ou armazenamento de célula de nível único distingue entre um '1' e '0' por não ter nenhuma carga ou carga presente na porta flutuante da célula de memória Flash. Aumentando o número de níveis de limite de carga ou tensão de limiar(threshold voltage), (Vt), então mais de 1 bit por célula podem ser armazenados. O armazenamento de dois bits por célula (MLC - Multi Level Cell) é habilitado aumentando o número de níveis de Vt para quatro, representando 11, 10, 01 e 00. Da mesma forma, aumentando o número de níveis de tensao de limiar(Vt) para oito e 16, 3 bits por célula e 4 bit por célula de armazenamento está habilitado. O benefício do armazenamento de células multinível é que a capacidade de armazenamento pode ser aumentada sem um aumento correspondente na complexidade do processo de fabricação do chip de memória.

 

 

À medida que o número de níveis de tensão de limiar, Vt ,aumenta, o tempo necessário para uma programação e detecção de bit precisa aumentar. Os custos mais baixos associados à tecnologia de célula multinível não são gratuitos. O custo mais baixo vem às custas de desempenho e retenção reduzidos. Degradação significativa na persistência, retenção e desempenho de gravação ocorre com o aumento do número de bits por célula.

As memórias Flash NOR e Flash NAND têm características igualmente significativas e diferenças de desempenho que afetam o tipo de aplicativo onde cada uma é mais adequada. Além da capacidade, as memórias Flash NAND e NOR possuem características operacionais, de desempenho e de custo diferentes, conforme mostrado a seguir.

A Macronix International, de Taiwan, fabrica produtos Flash NOR , Flash NAND e ROM para os mercados consumidor, comunicação, computação, automotivo e de rede. A Macronix se concentra no mercado de Flash NAND de baixa densidade com capacidades e recursos padrão da indústria. O portfólio de produtos Flash NAND SLC inclui a Flash NAND SLC paralela de 3V, variando em densidades de 512Mb a 8Gb; e Flash NAND SLC de 1.8V, oferecido em densidades de 1Gb a 4Gb.

O chip MX30UF1G16(18)AC é um dispositivo de memória Flash NAND SLC de 1Gb. Seus recursos Flash NAND padrão e
qualidade confiável de ciclos típicos, que a torna mais adequada para código de sistema embarcado e armazenamento de dados. O chip MX30UF1G16(18)AC é um dispositivo de plano único de 1Gb, que é composto por 64 páginas de (2.048 + 64) bytes em estrutura NAND de dois `strings` com 32 células conectadas em série em cada string. O chip MX30UF1G16(18)AC é uma memória de acesso sequencial que utiliza entrada de multiplexação de Comando / Endereço / Dados.

 

 

A entrada de endereços, a entrada de comando e a entrada / saída de dados são gerenciadas pelos sinais CLE, ALE, CE#, WE#, RE# e WP#, conforme mostrado na tabela lógica abaixo.
Programar, Apagar, Ler e Redefinir são quatro modos de operação principais controlados por conjuntos de comandos.

 

 

A Fash NAND é o carro-chefe das memórias flash, amplamente usada para armazenamento de dados em massa em sistemas embarcados e dispositivos de armazenamento como SSDs. Mas a Flash NOR desempenha um papel crítico no armazenamento de código de inicialização executável e para aplicativos que requerem leituras aleatórias frequentes de pequenos conjuntos de dados. Ambos os tipos de memória flash continuarão a ser indispensáveis para o projeto de sistemas de computador, rede e armazenamento.

 

Fig.11 Flash NAND versus Flash NOR

O custo de uma memória flash é muito menor que o custo da memória EPROM. A facilidade de apagar e programar e a complexidade aumentam o custo da memória. A denominação de memória flash é devido aos curtos tempos de apagamento e escrita, mais rápido que a escrita de EPROM e EEPROM. O apagamento da memória flash pode ser apagamento total ou apagamento por setor.

Fig.12 Custo e complexidade versus apagamento

 

 

Aplicações de Memórias Flash
As memórias flash acrescentam reprogramabilidade e apagamento elétrico do chip à EPROM não volátil e facilidade de uso. A memória flash é ideal para armazenar códigos de programas e ou tabelas de dados, em aplicações onde atualizações períodicas são necessárias. As memórias flash também servem como um meio de aquisição e armazenamento não volátil de dados.

A necessidade de atualização de códigos aparece em todas as etapas da vida de um sistema - desde do protótipo para fabricação do sistema até o serviço de pós-venda. Na fábricação, durante a obtenção do protótipo, revisões para controlar o código exigem apagamento por ultravioleta e reprogramação de códigos gravados em EPROM do protótipo. Uma memória flash substitui o apagamento por ultravioleta de 15 a 20 minutos  por um apagamento elétrico com 1 segundode duração. Apagamento elétrico e reprogramação do chip podem ser feitos pela mesma estação de trabalho ou programador de PROM.

Diagnósticos, feitos nos estágios de  pré-montagem e montagem final, requerem frequentemente o uso de EPROMs. Os códigos de teste são finalmente substituídos por EPROMs contendo o programa final. Com apagamento e reprogramação elétricos, a memória flash pode ser soldada na placa do circuito.Os códigos de teste são carregados na memória flash quando esta é montada na placa do circuito.Então, o código final pode ser carregado no dispositvo. A programação da memória flash no circuito elimina  manuseios desnecessários e conexões menos confiáveis em soquetes, enquanto acrescenta  maior flexibilidade de teste.

Custos de material e trabalho associados com mudança em códigos aumentam em sistemas com alto de nível de integração - o maior custo é atualização de pós-venda. "Bugs" de códigos, ou necessidade de aumentar a funcionalidade do sistema, exigem atualizações de códigos pós-venda. Revisões em campo de códigos residentes em EPROM exigem a remoção da EPROM ou de placas inteiras.

Projetar com memórias flash alteráveis no circuito elimina memórias em soquetes, reduz o custo total de material e corta drasticamente os custos de trabalho associados com atualizações de códigos. Com memórias flash, atualizações de códigos são feitas localmente através de um conector, ou remotamente por meio de uma comunicação serial.

As características da memória flash de apagamento elétrico do chip, reprogramabilidade por byte e completa não volatilidade atendem as necessidades de acumulação de dados. Os dados(código) podem ser descarregados para análise e atualizados e repetir o ciclo. Ou vários dispositivos podem manter um 'janela deslizante' sobre os dados acumulados.


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