Välkmälu

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search

Välkmälu (inglise keeles flash memory) on säilmälu, milles andmed säilivad ka elektritoite väljalülitamise järel. Välkmälu on elektriliselt kustutatava ja programmeeritava püsimälu EEPROM erikuju (Flash EEPROM), mida ei kustutata mitte ühe baidi haaval, vaid suurte plokkidena. } Välkmälu on kompaktne, suure andmemahutavusega, väikese energiatarbega ja suhteliselt odav valmistada. Välkmälule kui elektroonsele seadmele on omane suur lugemiskiirus (kuigi väiksem kui muutmälul) ja liikuvate osade puudumise tõttu suur löögi- ja vibratsioonikindlus. Seetõttu on välkmälu laialt kasutusel suuremahulise kompaktse andmesalvestina kas eraldi seadmena (mälupulk, mälukaart) või säilmäluna kaasaskantavates seadmetes (digikaamerates, mobiiltelefonides, mängukonsoolides) ja järjest rohkem arvuti pooljuhtkettana kõvaketta asemel või sellega kombineeritult.
Tänapäeval kasutatavate tehnoloogiate puhul eeldatakse, et salvestatud andmed säilivad välkmälus vähemalt kümmekond aastat. See teeb nad infokandjana võrreldavaks CDga või isegi kõvakettaga, mille sisu tänapäevase ülikõrge salvestustiheduse tõttu samuti vananeb.

Välkmälu oluliseks puudusteks on piiratud tööiga (seda eriti NAND-mälul), sest iga kustutus-kirjutuskord kulutab teatud määral mäluelemente. Samuti on mäluelemendid tundlikud tugevate elektrostaatiliste väljade suhtes.

Kingston Multi Media Card 32 MB (2004)
Mälupulk avatult (aastast 2005). Vasak kiip on välkmälu. Parem kiip on välkmälu kontroller

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Välkmälu leiutas dr Fujio Masuoka, kui töötas 1980. aastatel Toshibas.[1] Sellele mälutüübile andis nimetuse flash (ingl 'välk') Masuoka kolleeg Shoji Ariizumi, sest mälu kustutamisprotsess meenutas talle välklambi välgatust. Masuoka esitles oma leiutist Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituudi 1984. aasta konverentsil San Franciscos.

Intel nägi Masuoka leiutises suurt potentsiaali ja esitles esimest NOR-tüüpi välkmälukiipi 1988. aastal.[2] NOR-tüüpi välkmälul on piiratud kustutamis- ja kirjutamiskiirus, aga see on varustatud täielike aadressi- ja andmesiinidega, mis tähendab, et on võimalik otse pöörduda suvalise adresseeritava üksuse poole. Esimestel CompactFlash-mälukaartidel oli NOR-tüüpi mälu, hiljem hakati kasutama odavamat NAND-tüüpi mälu.

Toshiba tutvustas NAND-tüüpi välkmälu 1987. aastal konverentsil International Electron Devices Meeting. Sellel mälul on lühike kustutamis- ja kirjutamisaeg. Iga mäluelement vajab vähe kiibi pindala, mis võimaldab elemente tihedalt pakkida ja seetõttu on hind biti kohta madal. Kuid NAND-tüüpi mälu puhul ei ole võimalik otse pöörduda suvalise aadressi poole. Andmeid on vaja lugeda plokkidest, igas plokis sadu või isegi tuhandeid bitte. Selles suhtes sarnaneb NAND-tüüpi mälu teiste selliste sekundaarsalvestitega nagu kõvakettad ja optilised andmekandjad.

Esimene NAND-tüüpi välkmälu kasutav andmekandja oli SmartMedia-mälukaart, mis ilmus 1995. aastal. Pärast seda ilmusid MultiMediaCard, Secure Digital, Memory Stick ja xD-Picture Card. Uue põlvkonna mälukaardid on üliväikesed. Näiteks microSD-kaardi pindala on umbes 1,5 cm2. Sellest hoolimata mahutab microSD-kaart kuni 32 GB.[3]

NOR-mäluelemendi ujupaisu (floating gate) laengu kustutamine (tunneldamise teel).
Ujupaisu eraldab transitori lätte (source) ja neelu (drain) vahelisest kanalist dielektrikuna toimiv oksiidikiht paksusega 200 Å = 0,2 nanomeetrit
NOR-mäluelemendile kirjutamine (kuumade elektronide injektsiooni teel)

Välkmälu tööpõhimõte[muuda | muuda lähteteksti]

Välkmälus säilitab andmeühikut (bitt) MOSFET-transistoriga sarnanev elektronseadis, millel on ilma väljaviiguta lisaelektrood – ujupais (ingl floating gate), See paikneb juhtpaisu all ja teda eraldab lätte ning neelu vahelisest kanalist õhuke dielektrikukiht. Transistori elektroodide sobiva pingestamisega saab ujupaisule kanda elektrone, nii et ta omandab negatiivse elektrilaengu. See laeng võib jääda ujupaisule püsima pikaks ajaks (aastateks). Laengu olemasolu või puudumine ujupaisul määrab selle, kas mäluelementi salvestatud biti väärtus on 0 või 1. Niisugust transistori hakati mäluelementides kõigepealt kasutama PROM-tüüpi püsimälus.

Laengukandjad (elektronid) kanduvad läbi dielektriku Fowler-Nordheimi tunneleerumise abil või kuumade elektronide injektsiooni teel. Laengukandjad eemaldatakse Fowler-Nordheimi tunneleerumise abil. Fowler-Nordheimi efekt on energeetiliselt efektiivsem kui kuumade elektronide injektsioon.

Transistoristruktuuride omavahelise ühendusviisi järgi mälumassiivis eristatakse kaht tüüpi välkmälu: NOR Flash ja NAND Flash. Nimetused NOR ja NAND seostuvad vastavate loogikaelementide nimetustegaja.

NOR-tüüpi mälu struktuur ränikiibil
NAND-tüübi mälu struktuur ränikiibil

NOR- ja NAND-mälud[muuda | muuda lähteteksti]

NOR kasutab klassikalist kahemõõtmelist ristuvate rea- ja veerujuhtmetega maatriksit, kus igale ristumiskohale vastab ühe transistoriga mäluelement. Seejuures on reajuhe ühendatud transistori neeluga ja veerujuhe juhtpaisuga. Niisugune ühendusviis võimaldab otse pöörduda iga adresseeritava mälukoha juurde, kuid vajab rohkesti kiibipinda. NOR-mälule on iseloomulik lühike pöördusaeg ja seetõttu suur lugemiskiirus.

NAND kasutab kolmemõõtmelist massiivi. Selle aluseks on samasugune NOR-maatriks, kuid ühe transistori asemel on igasse ristumiskohta jadamisi ühendatud suur hulk transistore, kusjuures igaühel on eraldi väljaviik juhtpaisu pingestamiseks. Niiviisi saavutatakse palju suurem paigutustihedus, sest iga elemendi juurde on vaja viia ainult üks juhe – paisujuhe. Siiski muutub kirjutamise ja lugemise algoritm keerukamaks ja sellest tulemvalt pöördusaeg pikemaks. Iga jadaühenduses transistorirühm vajab siiski kaht lisatransistori, et ühendada rühma bitiliinile. NAND-mälule on omane väike voolutarve.

Vastavalt kummagi välkmälu isearustele erinevad ka kasutusalad: NOR näiteks protsessorite ja kontrollerite säilmäluna, NAND mälupulkades, mälukaartides ja pooljuhtketastes.

Andmete lugemine[muuda | muuda lähteteksti]

Lugemiseks antakse otsingule vastava mäluelemendi transistori juhtpaisule positiivne pinge. Kui ujupaisus laeng puudub, siis läbib transistori vool ja edastatakse bitiväärtus 1. Elemendis, mille ujupais on negatiivselt laetud, ei saa lätte ja neelu vahel voolu tekkida, sest ujupaisu laengu mõjul on kanal suletud (mittejuhtiv), seetõttu on väljundsignaaliks 0.

NAND-struktuuris antakse samaaegselt paisupingega teiste järjestikku ühendatud transistoride paisudele selline minimaalne pinge, et need oleksid juhtivad signaali 1 läbilaskmiseks.

Andmete salvestamine[muuda | muuda lähteteksti]

Vajalike bittide salvestamiseks on vajalik, et piisava suurusega elektrilaeng jõuaks adresseeritava mäluelemendi ujupaisule. Selleks tuleb juhtpaisule anda küllalt kõrge negatiivse pinge impulss. Samamoodi on võimalik ka laeng ujubaasist eemaldada, nüüd aga positiivse pingega. Mäluelemendi transistori ujubaas on vaja laengust vabastada selleks, et sellessei saaks uut bititväärtust sisestada.

Nii NOR- kui ka NAND-mälusse kirjutatakse andmed kahes etapis: esmalt eemaldatakse kõigilt ülekirjutatavatelt elementidelt laeng (neile antakse bitiväärtus 1) ja seejärel viiakse vajalikud mäluelemendid olekusse 0 neile laengu andmisega.

Kui NOR-tüüpi välkmälu saab lugeda/kirjutada suvaliselt aadressilt / suvalisele aadressile, siis NAND-mälus on kustutamine võimalik vaid tervete plokkidena. Üldjuhul seatakse kõik bitid plokis väärtusele 1. Kui hakatakse kirjutama tühjale plokile, on iga bitt selles plokis seadistatav (programmeeritav). Kuid pärast seda, kui bitt seatakse väärtusele 0, võib seda seada väärtusele 1 ainult pärast terve ploki kustutamist. Teisisõnu pakub NAND-tüüpi välkmälu võimalust lugeda ja kirjutada suvalisele aadressile, aga kustutada on võimalik ainult tervete plokkidena. Ühe biti võib kirjutada üle, aga ainult siis, kui sellel on veel väärtus 1. Näiteks, kui on olemas plokk 1111, võib sellesse kirjutada 1011, siis 1001, siis 0001, ja lõpuks 0000. Pärast seda on kirjutamiseks vaja terve plokk kustutada.

Andmete kirjutamisel kasutatavad suhteliselt kõrge pinge ja tugeva voolu impulsid kahjustavad vähehaaval ujupaisu eraldavat dielektrikut, mis panebki lõpuks piiri kirjutuskordade arvule. Andmete lugemine mäluelementi ei kahjusta.

Enamik NOR-välkmälu kasutavatest seadmetest on garanteeritud vastu pidama sada tuhat kuni miljon kustutamise ja kirjutamise tsüklit, enne kui seadme töövõime hakkab halvenema.[4] NAND-mälu vastupidavus on oluliselt väiksem, mõned tuhnded tsüklid.

Pooljuhtketas avatult

Välkmälu kõvaketta asendajana[muuda | muuda lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Pooljuhtketas.

Välkmälul põhineval pooljuhtkettal ei ole kõvaketaste mehaanilisi piiranguid. Seepärast on SSD-ketas (inglise keeles Solid-State Drive) hea asendus kõvakettale, sest on kiirem, müratu ja energiasäästlik. SSD-tüüpi mäluseadmed on kompaktsuse ja ökonoomsuse tõttu väga sobivad kasutamiseks kaasaskantavates seadmetes. Järjest laieneb pooljuhtketaste kasutus ka arvutites ja serverites, kus kasutatakse RAID- ja SAN-arhitektuuri.

SSD-ketaste hind on järjest alanenud. Ka lähenevad nad kirjutustsüklite arvu poolest praegustele kõvaketastele.[5][6]

On olemas hübriidsed tehnoloogiad, näiteks ReadyBoost, mis kasutavad SSD ja HDD paremaid omadusi.

Mälumahu suurendamine[muuda | muuda lähteteksti]

Kuna välkmälul on lihtne struktuur ja järjest kasvab vajadus suurema mahu järele, püütakse pidevalt vähendada välkmälus kasutatavate komponentide mõõtmeid, seda eriti NAND-mälu osas. Kui mäluelemendi suurus jõuab tehnoloogiliselt minimaalse piirini, saab edaspidine tiheduse suurenemine baseeruda ühte elementi mahtuvate bittide arvu suurendamise teel. Nii ongi kasutusel MLC- ja TLC-elemendid, mis mahutavad vastavalt kaks või kolm bitti.

Uurimisjärgus on mitmed uued tehnoloogiad (näiteks FeRAM (ferroelektriline mälu) ja MRAM (magnetoresistiivne mälu), mis võivad tulevikus hakata välkmälu asendama.[7]

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. Benjamin Fulford: "Unsung hero" Forbes. 24. juuni 2002
  2. Tal, Arie (Veebruar 2002). "NAND vs. NOR flash technology: The designer should weigh the options when using flash memory". Vaadatud 2010-12-11. 
  3. "SanDisk ships 32GB mobile memory card". Computerworld. 22. märts 2010. Vaadatud 2010-12-11. 
  4. "Micron Collaborates with Sun Microsystems to Extend Lifespan of Flash-Based Storage, Achieves One Million Write Cycles". Vaadatud 2010-12-11. 
  5. "Flash Memory vs. HDD – Who Will Win?". STORAGEsearch. Vaadatud 2010-12-11. 
  6. "Flash Solid State Disks – Inferior Technology or Closet Superstar?". STORAGEsearch. Vaadatud 2010-12-11. 
  7. Kim, Kinam; Koh, Gwan-Hyeob (2004-05-16). Future Memory Technology including Emerging New Memories. Serbia and Montenegro: Proceedings of the 24th International Conference on Microelectronics (avaldatud 2004-05). pp. 377–384. Vaadatud 2010-12-11.