זיכרון הבזק

זיכרון הֶבְזֵק^[1] (Flash memory) הוא סוג זיכרון בלתי נדיף המאפשר כתיבה וכתיבה חוזרת.

רקע

זיכרון ההבזק הראשון פותח בשנת 1984 במעבדות חברת טושיבה היפנית והשימוש המסחרי הראשון בטכנולוגיה הוצג על ידי חברת אינטל האמריקאית בשנת 1988. בשנת 2008 היה המוצר הפופולרי למשתמש הממוצע בעל נפח זיכרון של 32GB–2GB, אף על פי שבשוק הוצעו גם זיכרונות בנפח של עד 256GB שמחירם עדיין היה יקר. טכנולוגיות כמו מצלמות דיגיטליות, נגני MP3 ומכשירי דיסק און קי עושים שימוש נרחב בשבבי זיכרון הבזק, בעיקר בשל היתרון שבשמירת המידע ללא מקור חשמל, נפחו הפיזי הקטן ביחס לנפח המידע ובזכות העמידות הגבוהה יחסית שלו לטלטלות, בניגוד לדיסק קשיח.

זיכרון הבזק הראשון היה מסוג NOR, שזמני הכתיבה והמחיקה שלו ארוכים. למרות זאת, היה לו ממשק כתובת/מידע (זיכרון) מלא, המאפשר גישה ישירה לכל מקום. כמו כן, זיכרון NOR יכול לעבור 10,000 עד 100,000 מחזורי מחיקה במהלך חייו. מאוחר יותר פותח זיכרון ה-NAND, בעל מהירות מחיקה וכתיבה גבוהה יותר, צפיפות גדולה יותר, ומחיר נמוך משל ה-NOR ביחס לנפח. ממשק הפלט/קלט שלו מאפשר רק גישה סדרתית למידע. נתונים אלה הופכים אותו מתאים להתקנים בעלי נפח אחסון גדול. זיכרון הבזק מבוסס NAND הוביל לפיתוחם של מספר פורמטי מדיה נשלפת קטנים יותר, כמו MMC, Secure Digital ו-Memory Stick.

מנגנון פעולת זיכרון הבזק

להבדיל מזיכרון EEPROM, מחיקה וכתיבה לזיכרון הבזק מתבצעת בבלוקים בגדלים של עשרות קילו-בית ולעיתים אף מאות. משמעות הדבר היא שעל מנת לכתוב סיבית בודדת, יש לקרוא את כל הבלוק שמכיל את הסיבית לתוך זיכרון גישה אקראית, לשנות את הסיבית שם, למחוק את תוכן הבלוק כולו בזיכרון ההבזק, ואז לכתוב את הבלוק כולו חזרה לזיכרון ההבזק. בגלל מגבלה זו לא ניתן להשתמש בזיכרון הבזק כתחליף לזיכרון גישה אקראית, אם כי השימוש בזיכרון הבזק כתחליף לזיכרון לקריאה בלבד מקובל מאד. גם באמצעי אחסון כמו דיסקים הגישה לתוכן מתבצעת בבלוקים, ולכן זיכרון הבזק מתאים מאוד כאבן בניין ל"דיסק מצב מוצק" (Solid state drive) שאינם דיסקים כלל, אך מדמים כלפי המחשב התנהגות דמוית דיסק, עם ביצועים טובים יותר בכמה סדרי גודל.

זיכרון הבזק מבוסס על תאים הבנויים מטרנזיסטורי MOSFET, בדרך כלל מסוג nMOS, הנמצאים במערכים. לכל טרנזיסטור (תא) יש כתובת המוגדרת על פי מספר הטור ומספר השורה.

שלוש הפעולות הבסיסיות של התא הן כתיבה, קריאה ומחיקה. מנגנון הפעולה בין כתיבה ומחיקה בטרנזיסטור של זיכרון הבזק מבוצע על ידי שינוי מצב של שכבה מבודדת בשער (Gate) הטרנזיסטור הנקראת "שער צף" (Floating Gate), הנקראת כך מכיוון שהיא מבודדת. ניתן לטעון את השער הצף באלקטרונים או לפרוק אותם (במצב המחיקה) ממנה באמצעות תופעת המנהור הקוונטי או באמצעות הזרקת אלקטרונים חמים. נוכחות או היעדר מטען בשער הצף משפיעים על מתח הסף של ה־MOSFET. דבר זה מאפשר למכשיר לייצג מצבים בינאריים (0 ו-1) – תלוי אם השער הצף מכיל מטען או לא. מכיוון שהשער הצף הוא מבודד, מטענו לא משתנה עם ניתוק מקור המתח חשמלי, מה שהופך את הזיכרון לבלתי נדיף. ישנם תאי Single Level שבהם ניתן לאחסן סיבית אחת, ותאי Multi Level שבהם ניתן לאחסן כמה סיביות.

עיקרון פעולת זיכרון הבזק Single Level

בתהליך הכתיבה, הפעלת מתח גבוה בשער בשילוב מתח גבוה במקור (Source) יביא ליצירת תעלה בין המקור לשפך (Drain) וליצירת אלקטרונים חמים אשר בשל שדה חשמלי גבוה בין השער לתעלה, יעברו מנהור לתוך השער הצף והוא יטען במטען שלילי בשל האלקטרונים הכלואים בו. המטענים השליליים הכלואים בשער הצף לא מאפשרים לפתוח את התעלה בין המקור לשפך במתח הסף הרגיל המאולץ על שער הטרנזיסטור (מתח סף הוא המתח הפותח את התעלה בטרנזיסטור), דבר שלא מאפשר למתג את הטרנזיסטור במתח זה.

בתהליך הקריאה, מופעל מתח סף בשער בשילוב מתח רגיל במקור. אם התעלה תיפתח ותתבצע הולכת מטען בין המקור לשפך, סימן שאין מטען כלוא בשער הצף – 0 בינארי. אם אין הולכה בין המקור לשפך באילוץ מתח הסף על השער, כלומר שהתעלה סגורה ואין מיתוג, סימן שיש מטען כלוא בשער הצף – 1 בינארי. תהליך המחיקה מתבצע באותו אופן, אך בממתחים הפוכים, כך שהמטענים שעברו מנהור ונכלאו בשער הצף יעברו מנהור בכיוון ההפוך ויחזרו למצע ובכך השער הצף יפרק מהמטען שהיה כלוא בו.

עיקרון פעולת זיכרון הבזק Multi Level

בעידן נתוני העתק (Big Data) הביקוש הגובר למידע ולאחסונו דורש זיכרון בעל קיבולת גבוהה ובעל ממדים קטנים, דבר שיצר את המוטיבציה לתכנון ופיתוח זיכרון Multi Level בעל תאים המכילים יותר מסיבית אחת. בתחילה ניסו להגדיל את גודל התא על ידי שימוש בטכנולוגיה היוצרת מספר רמות של מתחי סף התואמים רמות שונות של טעינת השער הצף אך טכנולוגיה זו נתקלה בקשיי אמינות בשל חפיפות חלקיות במתחי הכתיבה והמחיקה של הסיביות, דבר שהוביל לאיבוד מידע ולשגיאות. הודות לטכנולוגיית "הזרקת מוביל חמה" התאפשר לבנות תאים המכילים מספר סיביות ובאמינות גבוהה.

טכנולוגיה נוספת לפעולת שתי סיביות בתא מבוססת על שער צף הבנוי משלוש שכבות כעין "סנדוויץ'", הכולל שכבת ניטריד בין שתי שכבות של תחמוצת צורן. שכבת הניטריד מבודדת מאוד ואינה נותנת למטען הכלוא לנוע לאורך השער הצף. טכנולוגיה זו מפרידה בין שתי פינות של שער הצף, כך שכל פינה תאוחסן סיבית אחת, וכן נוצר תהליך בו מקור ושפך מתחלפים בתפקידיהם – המקור הופך לעיתים לשפך, כתלות בכיוון הממתח. אותו הדבר מתרחש גם בשפך. אם מספקים מתח גבוה לשער ובין המקור לשפך, מטען יכלא באמצעות זרם מנהור באחת הפינות שבשכבת הניטריד, בהתאמה לכיוון הזרם. ממתח הפוך יגרום ליצירת זרם לצד הנגדי ומטען יכלא בזרם מנהור בצד הנגדי של השער הצף. השער הצף המבודד יגרום למטען להישאר משני צדי התא ללא תזוזה בין הצדדים. באופן זה אפשר לכתוב שתי סיביות בתא אחד. קריאת כל צד בתא תעשה על ידי מתח סף רגיל בשער ובמקור או בשפך בהתאמה, כתלות בצד אותו מעוניינים לקרוא. כדי לקבוע אם סף הערך הוא 1 או 0, נהוג להשוות את המתח המתקבל (אחרי הפיכת הזרם למתח באמצעות נגד) עם מתח ייחוס. השוואה עם מתח הייחוס מאפשרת לקבוע את ערך התא (אם המתח הוא מתחת למתח שנקבע אז התא מייצג 1, אם המתח הוא מעל מתח שנקבע אז התא מייצג 0).