NAND Flash Memory là gì?

NAND Flash Memory là gì?

KIOXIA đã phát minh ra bộ nhớ NAND flash đầu tiên trên thế giới vào năm 1987. Đây là một giải thích về cấu trúc của bộ nhớ flash và cơ chế lưu trữ dữ liệu.

Bộ nhớ flash là một loại bán dẫn lưu trữ dữ liệu. Nó được sử dụng trong smartphone và nhiều thiết bị điện tử khác xung quanh chúng ta. KIOXIA đã phát minh ra bộ nhớ NAND flash đầu tiên trên thế giới vào năm 1987 và vẫn là một trong những công ty hàng đầu trong việc phát triển và sản xuất bộ nhớ flash.

Trong số tất cả các loại bộ nhớ flash, NAND flash là loại bộ nhớ được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới đến ngày nay.

Hãy cùng xem bộ nhớ flash là gì.

Một chiếc điện thoại thông minh có thể lưu trữ các dữ liệu khác nhau như văn bản, hình ảnh và nhạc trong bộ nhớ flash vì tất cả các dữ liệu được biểu thị dưới dạng dữ liệu kỹ thuật số sử dụng các số 0 và 1.

Ví dụ, hãy tưởng tượng rằng một bức ảnh đang được hiển thị trên điện thoại của bạn. Nếu chúng ta phóng to ảnh này và nhìn kỹ hơn, nó được tạo thành từ một tập hợp các điểm (pixel). Mỗi điểm được tạo thành từ ba màu sắc cơ bản của ánh sáng: đỏ, xanh lục và xanh dương. Trong dữ liệu kỹ thuật số, độ sáng của ánh sáng của mỗi màu sắc được điều chỉnh trong 256 cấp độ với tám số 0 và 1 (2 lũy thừa 8). Tổng cộng, một kết hợp của hai mươi bốn số 0 và 1 có thể biểu thị khoảng 16,77 triệu màu (đỏ ở 256 cấp độ × xanh lục ở 256 cấp độ × xanh dương ở 256 cấp độ). Ví dụ, màu hồng trong bức ảnh trong Hình 1 là sự kết hợp của ánh sáng đỏ sáng (11111111), ánh sáng xanh lục tối (10000000) và ánh sáng xanh dương sáng (11000000), vì vậy nó có thể được lưu trữ dưới dạng "111111111000000011000000".

Như vậy, tất cả các dữ liệu như văn bản, hình ảnh và nhạc được lưu trữ trong một smartphone đều được lưu trữ dưới dạng kết hợp của các số 0 và 1.

Hình 1. Hình ảnh tưởng tượng của một hình ảnh được phóng to.

Cấu trúc thực tế của bộ nhớ flash và cơ chế lưu trữ dữ liệu.

Hình 2 thể hiện cấu trúc ô nhớ (cắt ngang) của bộ nhớ flash. Ô nhớ là đơn vị lưu trữ dữ liệu nhỏ nhất. Trong những năm gần đây, bộ nhớ flash bao gồm hàng trăm tỷ ô nhớ. Dữ liệu được lưu trữ bằng cách di chuyển điện tử vào và ra khỏi một lớp màng lưu trữ điện tích được bao bọc bởi một chất cách điện.

Hình 2. Cấu trúc ô nhớ

Hình 3 giải thích cách mà các electron được di chuyển vào và ra khỏi lớp phim lưu trữ điện tích này. Khi một điện áp cao (Vcg(++)) được áp dụng lên cổng điều khiển, các electron đi qua cách điện và vào lớp phim lưu trữ điện tích từ nền silic (Hình 3(a)). Khi nguồn điện được tắt, trạng thái của các electron đã được lưu giữ. Ngược lại, khi một điện áp cao (Vw(++)) được áp dụng ở phía nền silic, các electron đi qua cách điện và đi ra khỏi lớp phim lưu trữ điện tích về phía nền silic (Hình 3(b)). Kết quả là trạng thái được tạo ra là không có electron trong lớp phim lưu trữ điện tích. Đây là hoạt động để ghi và xoá dữ liệu trong một ô nhớ.

Hình 3. Hoạt động ghi và xóa dữ liệu

Quá trình xác định dữ liệu “0” và “1”.

Khi một điện áp hằng số (điện áp đọc Vcg(+)) được áp dụng lên cổng điều khiển, liệu dữ liệu có phải là “0” hay “1” được xác định bởi việc có hay không có dòng điện chảy theo hướng ngang của ô nhớ (hình 4(a)(b)). Khi một điện áp được áp dụng dần dần lên cổng điều khiển, điện áp ngưỡng ở đó một dòng điện bắt đầu chảy trong ô nhớ được gọi là điện áp ngưỡng (Xem phần về công nghệ đa cấp cho chi tiết). Việc quyết định “0” hay “1” được thực hiện bằng cách sử dụng thực tế rằng điện áp ngưỡng thay đổi tùy thuộc vào có hay không có điện tử trong lớp phim lưu trữ điện tích. Trong trạng thái có điện tử trong lớp phim lưu trữ điện tích (dữ liệu "0"), điện áp ngưỡng cao hơn điện áp đọc Vcg(+), vì vậy dòng điện không chảy (hình 4(a)). Ngược lại, trong trạng thái không có điện tử trong lớp phim lưu trữ điện tích (dữ liệu "1"), điện áp ngưỡng thấp hơn điện áp đọc Vcg(+), vì vậy dòng điện chảy (hình 4(b)). Ngay cả khi nguồn cung cấp điện được tắt, các trạng thái "0" và "1" này vẫn được giữ lại. Điều này là đặc tính của bộ nhớ flash rằng dữ liệu không biến mất ngay cả khi nguồn điện được tắt.

Hình 4. Phương pháp xác định “1” và “0”

Multi-level technology (Phương pháp xác định “1” và “0” và hoạt động đọc/ghi dữ liệu trên bộ nhớ flash)

Hình 4. Phương pháp xác định “1” và “0” Bộ nhớ với cấu trúc có các ô nhớ này được sắp xếp theo chuỗi như được thể hiện trên, Hình 5 được gọi là bộ nhớ flash NAND. Một đặc điểm của bộ nhớ flash NAND là có thể sắp xếp các ô nhớ với mật độ cao. Nó đã được sử dụng trên các thẻ cho máy ảnh kỹ thuật số và sau đó, khi dung lượng bộ nhớ tăng lên, các ứng dụng và thị trường cho nó đã mở rộng đáng kể đến các thiết bị chơi nhạc cầm tay, máy quay video, điện thoại di động, smartphone và các thiết bị khác.