Флэш-память: страсти накаляются

Олег Татарников

Опубликован новый стандарт флэш-карт ММС

Новый стандарт для миниатюрных универсальных флэш-карт

Самый маленький флэш-накопитель Cruzer Micro

Самая быстрая флэш-память Micron

Флэш-память, появившаяся в конце 1980-х годов (разработчиком была все та же компания Intel), — представитель класса перепрограммируемой постоянной памяти с электрическим стиранием. Однако стирание в ней осуществляется не наименьшими адресуемыми словами (ячейками), а сразу целыми областями: блока ячеек или всей микросхемы. Такая процедура обеспечивает более быструю запись информации (перепрограммирование).

лэш-память строится на однотранзисторных элементах памяти, что обеспечивает более высокую плотность хранения информации, чем в динамической оперативной памяти. Основными производителями разработаны различные технологии построения базовых элементов флэш-памяти, которые различаются количеством слоев, методами стирания и записи данных, а также структурной организацией, что отражается в их названии. Наиболее широко известны такие типы флэш-памяти, как NOR (ИЛИ-НЕ) и NAND (И-НЕ), запоминающие транзисторы в которых подключены к разрядным шинам: первые — параллельно, а вторые — последовательно.

Первый тип имеет относительно большие размеры ячеек и быстрый произвольный доступ, что позволяет выполнять программы непосредственно из этой памяти, поэтому она считается более удобной для хранения программ. У второго типа памяти меньшие размеры ячеек и быстрый последовательный доступ (это обеспечивает высокую скорость передачи), что более пригодно для построения устройств блочного типа, в связи с чем она более удобна для хранения данных.

Способность сохранять информацию при выключенном питании, малые размеры, высокая надежность и приемлемая цена привели к широкому распространению флэш-памяти. Она используется и для хранения BIOS, и для построения так называемых твердотельных дисков (solid-state disks), и в картах памяти различного назначения, и т.п.

Впрочем, более широкое применение флэш-память получила в различных модификациях карт памяти, которые используются не только в компьютерах разных классов, но и в цифровых видео- и фотокамерах, плеерах, телефонах, музыкальных центрах и в другой цифровой технике. Еще одной областью применения флэш-памяти являются твердотельные диски, эмулирующие работу внешних винчестеров для бездисковых компьютерных систем. Конечно, производительность такого «диска» меньше, чем у современного жесткого диска: скорость передачи при записи и чтении составляет, как правило, менее 1 Мбайт в секунду.

Помимо относительно невысокой скорости передачи данных, к недостаткам данного вида памяти можно отнести только непропорционально высокий рост цены в зависимости от емкости.

Новые последовательные модули флэш-памяти оказались перспективным направлением развития запоминающих устройств повышенной емкости. С появлением модулей флэш-памяти NAND, позволяющих изготавливать микросхемы с плотностью размещения до 256 Мбит на кристалл, разработчики стали оптимизировать технологический процесс для получения устройств с максимальной производительностью и емкостью. Хорошие перспективы открылись с переходом на 0,25-мкм технологию с использованием неглубоких изолирующих канавок, а также некоторых других технических новшеств этой отрасли микроэлектроники. Кроме того, поскольку в основном флэш-память применяется в портативных системах, дополнительные требования предъявляются и к энергопотреблению таких устройств. Снижение потребляемой мощности требует использования пониженного напряжения питания и проведения таких изменений в архитектурах запоминающих устройств, которые предоставляют большие возможности для управления питанием.

Так, например, компания Samsung Electronics выпускает флэш-память NAND 128 Мбайт, работающую от напряжения 1,8 В. Такой чип прекрасно подходит для использования в мобильных телефонах, КПК и в других портативных устройствах.

Кроме того, фактор низкого потребления энергии продлит срок действия батареи как при работе, так и в режиме stand by. При этом NAND-память не только сберегает энергию по сравнению с NOR, которой требуется напряжение питания в 3 В, но при той же емкости стоит в два раза дешевле.

К тому же при гораздо более низкой стоимости флэш-памяти NAND в пересчете на бит по сравнению с устройствами NOR ее скорость записи в 20 раз выше; одновременно при этом потребляется только 5% необходимой для NOR энергии.

Таким образом, применение NAND улучшит характеристики памяти и предоставит пользователям дополнительные возможности. Так, например, высокая скорость записи надежно обновляет данные приложений и дает возможность записывать видео в режиме реального времени.

В настоящее время на рынке флэш-памяти типа NAND доминируют компании Samsung (напомним, что к концу прошлого года доля этой компании составила 54,3% на рынке флэш-памяти архитектуры NAND, оцениваемом агентством iSuppli в 3,8 млрд. долл., и компания Samsung стала безусловным лидером в этом секторе рынка) и Toshiba, а на рынке памяти типа NOR — компании AMD и Intel. Память типа NOR используется в основном в бытовой электронике: в мобильных телефонах, в MP3-плеерах, в цифровых телевизорах и видеомагнитофонах, карманных компьютерах, игровых приставках и прочих системах на перспективном сегодня рынке систем-на-одном-чипе (SoC).

В прошлом году компания Samsung Electronics освоила сразу две новые технологии: 4-гигабитную флэш-память NAND и 512-мегабитный модуль оперативной памяти DRAM, причем обе новинки изготовлены соответственно по 70- и 80-нанометровому технологическим процессам. Кроме того, компания работает над новой концепцией производства флэш-памяти NAND, совмещающей чип памяти с системной логикой. Четырехгигабитные чипы NAND-флэш стали пятым поколением флэш-памяти от компании Samsung, а освоение 70-нанометрового техпроцесса позволило сократить размер одной ячейки памяти до 0,0252 нм2. В результате объем NAND-памяти может достигать 8 Гбит (до этого пределом были 4 Гбит). Кроме того, инженеры Samsung использовали в чипах 30-нанометровые вольфрамовые затворы, что позволяет понизить сопротивление в соединениях между ячейками и сделать работу чипа стабильнее. В компании также рассчитывают применять вольфрамовые затворы при последующем освоении 50-нанометрового техпроцесса.

Рынок этого вида памяти, по оценкам лидера — компании Samsung, вырастет в ближайшее время более чем впятеро и составит к 2007 году 16 млрд. долл. (в 2003 году он достиг рубежа 3 млрд. долл.). А по независимым оценкам аналитиков, уже к 2006 году рынок может достичь размеров в 11,5 млрд. долл. благодаря все большему проникновению в бытовую электронику.

Что касается 512-мегабитного модуля DRAM, то он изготовлен с использованием технологии Recess Channel Array Transistor (RCAT), одной из особенностей которой является применение трехмерной архитектуры в создании транзистора вместо стандартной двухмерной. Это позволило уменьшить размер самой ячейки памяти, соответственно увеличив плотность ячеек на пластине. Кроме того, в новом модуле использованы те же вольфрамовые затворы, за счет чего заметно уменьшилось тепловыделение от пластины и понизилось сопротивление соединений между ячейками. Емкость чипов, выполненных по этой технологии, будет составлять от 512 Мбит до 1 Гбит, а скорость обмена данными у новой памяти DRAM вырастет до 3 Гбит/с.

И последней новинкой от Samsung стал интегрированный чип оперативной памяти, совместивший в себе непосредственно саму память и системную логику. Компания назвала свою новую технологию «объединенной памятью» (Fusion Memory). Первым устройством, выполненным по данной технологии, станет 512-мегабитный модуль OneNAND. По мнению компании, внедрение новинки позволит минимизировать издержки и время на оптимизацию системных оболочек к флэш-памяти NAND. В связи с этим аналитики Samsung планируют, что Fusion Memory будет постепенно вытеснять комбинацию «NOR + память» в системах, от которых требуется высокая производительность.

При этом компания Samsung собирается в ближайшем будущем снизить цены на свои продукты флэш-памяти NAND с целью стимулирования спроса и закрепления лидирующего положения на рынке. Таким образом, если Samsung действительно планирует снизить цены, она будет первой компанией, начавшей играть на понижение. Напомним, что в прошлом году рост цен был инициирован Intel, и это, кстати, стоило ей первого места на рынке. Примеру Intel последовали и остальные, и с тех пор цены преимущественно росли.

В немалой степени росту спроса способствовал внезапный бум продаж, начавшийся в октябре прошедшего года в связи с чем Samsung перевела часть производственных мощностей по выпуску DRAM на производство флэш-памяти NAND. Этой тенденции последовали и другие компании.

Воодушевленные успехами компании Samsung и улучшением ситуации на мировом рынке (рост продаж в прошлом году составил около 20%), корейские производители полупроводниковых устройств планируют существенно расширить производство и вложить в модернизацию производственных линий более 5,85 млрд. долл. Так, Samsung Electronics на расширение своих линий на фабрике близ Сеула потратит около 4,2 млрд., а корейская компания Hynix Semiconductor тоже перевела часть производственных мощностей по выпуску DRAM на производство флэш-памяти NAND и планирует начать массовый выпуск флэш-памяти совместно с немецкой STMicroelectronics — инвестиции составили около 1,3 млрд. долл. DongbuAnam Semiconductor также вкладывает около 544 млн. долл. на расширение производства.

Приблизительно 2,5 млрд. долл. Samsung вложит в проекты, реализуемые на фабрике в Хвасоне. В результате этот завод станет для Samsung основным центром производства чипов, поставляемых на мировой рынок; ежегодный экспорт выпущенной заводом продукции будет составлять около 75 млрд. долл. Крупные инвестиции Samsung в производство стали следствием снятия правительственного запрета на создание заводов в городской зоне Сеула, целью которого было снижение ущерба, наносимого региону быстрой урбанизацией. Теперь же правительство страны планирует усилить экономику за счет увеличения инвестиций крупных компаний в производство.

Помимо отмеченных инвестиций, Samsung планирует вложить около 836 млн. долл. в дополнительную 13-ю (также 300-мм) производственную линию; после вложения почти 3,4 млрд. долларов в расширение производства, производительность 11, 12 и 13-й линий Samsung составит 40-50 тыс. пластин ежемесячно. Помимо дополнительных 418-500 млн. долл., которые будут потрачены на модернизацию старых производственных линий, компания планирует вложить около 836 млн. долл. в рамках первой фазы строительства 14 и 15-й линий.

Что касается Hynix, то эта компания, вновь ставшая рентабельной в III квартале 2003 года (впервые за 18 месяцев), планирует удвоить инвестиции в свои существующие производственные мощности. В случае если ликвидация производства, не связанного с памятью, будет проходить по плану, Hynix инвестирует около 1,3 млрд. долл. в свою пилотную 300-мм линию, в расширение линий в Инчхоне и модернизацию имеющихся фабрик.

Производительность 300-мм линии Hynix после инвестиций составит 35-40 тыс. пластин ежемесячно; всего же в проект будет вложено от 2 до 2,5 млрд. долл., а выпуск продукции начнется в начале 2005 года.

DongbuAnam Semiconductor, которая завершит объединение в этом году, планирует вложить более 550 млн. долл. в расширение и модернизацию своих линий, на которых используется 0,13- и 0,09-мкм техпроцесс. Инвестиции в производство увеличились на 168% с 205 млн. долл. в 2003 году. В период до 2006 года компания вложит в производство около 1 млрд. долл.

Немецкие производители полупроводников и памяти также стараются не отставать от корейцев и японцев. Так, например, компания Infineon Technologies объявила о выпуске первых собственных чипов флэш-памяти (до этого компания специализировалась в основном на производстве оперативной памяти DRAM).

Недавно с конвейера сошел 512-мегабитный чип флэш-памяти NAND на базе технологии TwinFlash, произведенный по 0,17-мкм техпроцессу. Особенность этой технологии состоит в том, что в одной транзисторной ячейке хранится не один, а два бита информации. Это позволяет уменьшить размеры чипа на 40%. К концу этого года Infineon, как отмечается в пресс-релизе компании, планирует выпускать по 10 тыс. пластин в месяц. В перспективе, используя TwinFlash и 0,11-микронный техпроцесс, Infineon намерена освоить производство чипов флэш-памяти объемом до 2 Гбит.

Таким образом, Infineon начала массовый выпуск энергонезависимой флэш-памяти TwinFlash с архитектурой NAND в январе 2004 года и планирует за три года выйти на третье место в мире после Samsung и Toshiba по ее производству.

Почему столь пристальное внимание со стороны всех производителей сегодня привлекает именно флэш-память? Дело в том, что этот сегмент рынка полупроводников имеет самый динамичный и устойчивый спрос, менее всего подверженный колебаниям цен. В то время как рынок оперативной памяти DRAM последние два года переживает кризис перепроизводства, вследствие чего компании-производители вынуждены снижать цены на свою продукцию и нести значительные убытки (в сентябре прошлого года стоимость 256-мегабитного чипа упала до 4,5 долл.), рынок флэш-памяти, напротив, даже при общем снижении цен имеет устойчивую тенденцию к росту.

Сегодняшние карты памяти догоняют по объему и скорости передачи вчерашние жесткие диски! Так, например, компания SimpleTech сообщила о разработке флэш-карт стандарта CompactFlash типа II («толстые» карты) емкостью 8 Гбайт! До этого одна за другой ставили рекорды по емкости компании Pretec и SanDisk: 4; 5, а потом и 6 Гбайт! Модули, продолжившие линейку CompactFlash ProX от SimpleTech, впервые были продемонстрированы на выставке PMA (Photo Marketing Association), которая проходила с 12 по 15 февраля в Лас-Вегасе (шт. Невада, США).

При разработке 8-гигабайтных носителей инженеры фирмы SimpleTech применили фирменную технологию упаковки чипов IC Tower, обеспечивающую возможность многослойного размещения элементов памяти NAND Flash. Кроме того, в новых картах используются улучшенные контроллеры, за счет чего скорость записи удалось довести до 10 Мбит/с. Поставки образцов модулей CompactFlash емкостью 8 Гбайт начались уже в I квартале сего года, а массовое производство запланировано на II квартал. Однако стоимость носителей такого объема будет довольно высокой — речь идет о нескольких тысячах долларов.

Наряду с флэш-картами ProX CompactFlash типа II компания SimpleTech представила и новые высокоскоростные носители стандарта CompactFlash типа I («тонкие» карты). Покупателям будут предлагаться варианты емкостью 2, 4 и 5 Гбайт. Максимальная скорость записи всех этих карт будет одинакова и составит 10 Мбит/с. В общем, именно такие карты кажутся более привлекательными для широкого использования, а не «толстые» рекордсмены. При этом обратите внимание, что флэш-карта большого объема (свыше 1 Гбайт) стоит сейчас чуть ли не в два раза дороже, чем несколько флэш-карт меньшей емкости, суммарный объем которых равен ее объему. В принципе, это и понятно: в новых картах используются другие технологии. Однако платить за одну карточку, скажем в 512 Мбайт, почти столько же, сколько за три-четыре по 256 Мбайт (а для карт большего объема разница еще существеннее), рядовому пользователю не представляется разумным. Поэтому, закрывая глаза на рекорды, следует ориентироваться в ближайшем будущем на объемы карт около 2 Гбайт.

В связи с этим разумно отвлечь внимание от формата-рекордсмена CompactFlash, который сегодня не очень удобен в портативных устройствах. Другие стандарты также продолжают свое развитие и увеличивают емкость. Так, недавно сразу две компании, тайваньская Power Digital Card и американская АТР, представили карты MultiMedia Card (MMC) емкостью в 1 Гбайт. Этого должно хватить примерно на тысячу высококачественных цифровых фотографий, несколько десятков часов музыкальных композиций в формате МР3 или на пять часов видео в формате MPEG-4.

К тому же карта, представленная Power Digital Card, использует новый формат RS-MMC — у него идентичный разъем и интерфейс, а длина карты вдвое меньше (что удобнее, например, для использования в мобильных телефонах и MP3-плеерах).

Интересно, что из всех шести существующих сегодня стандартов (кроме MMC, это CompactFlash, SmartMedia, SecureDigital, MemoryStick и xD) MultiMedia Card является одним из самых дешевых. Меньше стоят только CompactFlash и SmartMedia, но первый стандарт гораздо больше по размерам, а второй — значительно менее скоростной и, видимо, уже окончательно устаревший. Еще одно преимущество MMC заключается в том, что этот формат является одним из наиболее распространенных. Разъемами SD/MMC оборудованы большинство цифровых фотоаппаратов, многие КПК, а для RS-MMC прогнозируется широкое применение в устройствах мобильной связи.

Компании-производители обещают в скором времени довести объем флэш-карт MMC до 2 Гбайт, но более перспективным направлением считают все же не увеличение объема, а повышение скорости обмена (см. врезку о новом стандарте флэш-карт ММС).

А компания SanDisk сообщила о начале поставок новых флэш-карт памяти стандарта Secure Digital (SD) емкостью до 1 Гбайт, но, в отличие от стандарта MMC, многофункциональных. Так, например, компания объявила о выпуске контроллера Wi-Fi в формате SDIO-карты для карманных компьютеров Palm. Соответствующий драйвер для операционной системы Palm OS 5, по всей видимости, появится не ранее II квартала нынешнего года.

При разработке новых SD-карт на 1 Гбайт использованы технологии японской корпорации Sharp, благодаря чему удалось вдвое увеличить емкость модулей без изменения их физических размеров. Кстати, та же технология может быть применена и во флэш-картах некоторых других форматов, в частности в Compact Flash и Memory Stick. Размеры новых носителей SD составляют 32Ѕ24Ѕ2,1 мм. Приобрести SD-карты такого объема можно уже сейчас, их рекомендованная розничная цена установлена на уровне 500 долл. Следует также отметить, что планы по выпуску накопителей формата Secure Digital емкостью 1 Гбайт вынашивают и некоторые другие компании, в частности японская фирма Green House и тайваньская Silicon Power.

На выставке PMA компания SanDisk представила и новую карту Memory Stick Pro емкостью в 2 Гбайт, и теперь линейка карт Memory Stick Pro имеет карты емкостью от 256 Мбайт до 2 Гбайт. Новые карты Memory Stick Pro DUO отличает более темный голубой цвет. Следует отметить, что цена новых карт Memory Stick также растет не пропорционально емкости. Так, карту Memory Stick Pro DUO емкостью в 256 Мбайт можно купить за 100 долл., а вот карта на 2 Гбайт будет стоить уже около 1000 долл.

Поэтому рядовым пользователям все же более интересны флэш-карты меньшего объема, которые в последнее время резко подешевели. Так, например, современные флэш-карты емкостью 32 Мбайт стоят от 15 долл. и имеют вполне приличную скорость обмена — до 10 Мбит/с.

КомпьютерПресс 3'2004