Взгляд изнутри: Flash-память и RAM


    Предисловие


    Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям (1, 2, 3, 4). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.



    Теоретическая часть


    Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…

    Какая память бывает?

    На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.

    Тут можно подробнее ознакомиться с ниже приведённой схемой и сравнением характеристик различных типов «твердотельной памяти». Или тут – жаль, что я был ещё ребёнком в 2003 году, в таком проекте не дали поучаствовать…


    Современные типы «твердотельной памяти». Источник

    Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах.

    Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?

    Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно подробная статья о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память (тут тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.


    Схематическое представление транзистора с плавающим затвором. Источник

    Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано тут. Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.

    NB: «практически» — ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.

    Там же, на ixbt, есть ещё одна статья, которая посвящена возможности записи на один транзистор с плавающим затвором нескольких бит информации, что существенно увеличивает плотность записи.

    В случае рассматриваемой нами флешки память будет, естественно, NAND и, скорее всего, multi-level cell (MLC).

    Если интересно продолжить знакомиться с технологиями Flash-памяти, то тут представлен взгляд из 2004 года на данную проблематику. А здесь (1, 2, 3) некоторые лабораторные решения для памяти нового поколения. Не думаю, что эти идеи и технологии удалось реализовать на практике, но, может быть, кто-то знает лучше меня?!

    Что такое DRAM?

    Если кто-то забыл, что такое DRAM, то милости просим сюда.

    Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:


    Устройство ячейки RAM. Источник

    Опять-таки на ixbt есть неплохая статья, посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.

    Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да, но всё-таки…

    Часть практическая


    Flash

    Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:


    Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти. Источник

    Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы тут). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.


    Корпус кварцевого генератора

    Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:


    Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита

    А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:


    Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий

    Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.

    После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:


    «Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)

    Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый» < 2 диаметров человеческого волоса, так что всё в мире относительно:


    СЭМ-изображения контактов, питающих чип памяти

    Если говорить о самой памяти, то тут нас тоже ждёт успех. Удалось отснять отдельные блоки, границы которых выделены стрелочками. Глядя на изображение с максимальным увеличением, постарайтесь напрячь взгляд, этот контраст реально трудно различим, но он есть на изображении (для наглядности я отметил отдельную ячейку линиями):


    Ячейки памяти 1. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки

    Мне самому сначала это показалось как артефакт изображения, но обработав все фото дома, я понял, что это либо вытянутые по вертикальной оси управляющие затворы при SLC-ячейке, либо это несколько ячеек, собранных в MLC. Хоть я и упомянул MLC выше, но всё-таки это вопрос. Для справки, «толщина» ячейки (т.е. расстояние между двумя светлыми точками на нижнем изображении) около 60 нм.

    Чтобы не лукавить – вот аналогичные фото с другой половинки флешки. Полностью аналогичная картина:


    Ячейки памяти 2. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки

    Конечно, сам чип – это не просто набор таких ячеек памяти, внутри него есть ещё какие-то структуры, принадлежность которых мне определить не удалось:


    Другие структуры внутри чипов NAND памяти

    DRAM

    Всю плату SO-DIMM от Samsung я, конечно же, не стал распиливать, лишь с помощью строительного фена «отсоединил» один из модулей памяти. Стоит отметить, что тут пригодился один из советов, предложенных ещё после первой публикации – распилить под углом. Поэтому, для детального погружения в увиденное необходимо учитывать этот факт, тем более что распил под 45 градусов позволил ещё получить как бы «томографические» срезы конденсатора.

    Однако по традиции начнём с контактов. Приятно было увидеть, как выглядит «скол» BGA и что собой представляет сама пайка:


    «Скол» BGA-пайки

    А вот и второй раз пора кричать: «Язь!», так как удалось увидеть отдельные твердотельные конденсаторы – концентрические круги на изображении, отмеченные стрелочками. Именно они хранят наши данные во время работы компьютера в виде заряда на своих обкладках. Судя по фотографиям размеры такого конденсатора составляют около 300 нм в ширину и около 100 нм в толщину.

    Из-за того, что чип разрезан под углом, одни конденсаторы рассечены аккуратно по середине, у других же срезаны только «бока»:


    DRAM память во всей красе

    Если кто-то сомневается в том, что эти структуры и есть конденсаторы, то тут можно посмотреть более «профессиональное» фото (правда без масштабной метки).

    Единственный момент, который меня смутил, что конденсаторы расположены в 2 ряда (левое нижнее фото), т.е. получается, что на 1 ячейку приходится 2 бита информации. Как уже было сказано выше, информация по мультибитовой записи имеется, но насколько эта технология применима и используется в современной промышленности – остаётся для меня под вопросом.

    Конечно, кроме самих ячеек памяти внутри модуля есть ещё и какие-то вспомогательные структуры, о предназначении которых я могу только догадываться:


    Другие структуры внутри чипа DRAM-памяти

    Послесловие


    Помимо тех ссылок, что раскиданы по тексту, на мой взгляд, довольно интересен данный обзор (пусть и от 1997 года), сам сайт (и фотогалерея, и chip-art, и патенты, и много-много всего) и данная контора, которая фактически занимается реверс-инжинирингом.

    К сожалению, большого количества видео на тему производства Flash и RAM найти не удалось, поэтому довольствоваться придётся лишь сборкой USB-Flash-накопителей:



    P.S.: Ещё раз всех с наступающим Новым Годом чёрного водяного дракона!!!
    Странно получается: статью про Flash хотел написать одной из первых, но судьба распорядилась иначе. Скрестив пальцы, будем надеяться, что последующие, как минимум 2, статьи (про биообъекты и дисплеи) увидят свет в начале 2012 года. А пока затравка — углеродный скотч:


    Углеродный скотч, на котором были закреплены исследуемые образцы. Думаю, что и обычный скотч выглядит похожим образом



    Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:

    Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT, более обстоятельная статья дана тут: Современные чипы – взгляд изнутри
    Взгляд изнутри: CD и HDD
    Взгляд изнутри: светодиодные лампочки
    Взгляд изнутри: Светодиодная промышленность в России
    Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
    Взгляд изнутри: мир вокруг нас
    Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи
    Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер
    Взгляд изнутри: Plastic Logic
    Взгляд изнутри: RFID и другие метки
    Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 1
    Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 2
    Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 2
    Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 3
    Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 4
    Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 1
    Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 2
    Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 3
    Взгляд изнутри: IKEA LED наносит ответный удар
    Взгляд изнутри: а так ли хороши Filament-лампы?

    и 3DNews:
    Микровзгляд: сравнение дисплеев современных смартфонов

    Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.

    В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

    Yandex.Money 41001234893231
    WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)


    Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)
    Метки:
    Поделиться публикацией
    Похожие публикации
    Комментарии 37
    • 0
      А где про NVRAM?
      • +6
        С Вас NVRAM, с меня распил…
        • +2
          Если бы я знал, как она выглядит. Всю жизнь в цисках был nvram для хранения конфига, а как оно выглядит на плате — не знаю.
          • 0
            Дык, это ж общее название энергонезависимой памяти, а не конкретной разновидности чипов. Сохраняет инфу пока питание подводится. Или неправильно думаю?
            • 0
              А фиг её знает. Я знаю, что nvram в циске доступна даже если выдрать CF'ку с прошивкой.
              • +1
                Ну эт как CMOS в компе. Если вытащить шнур питалова и батарейку — когда конденсаторы разрядятся — всё пропадёт. Может и в циске так, попробуйте батарейку найти и вытащить :-)
                • 0
                  NVRAM это память, которая не теряет своё состояние без батарейки, вы же сами написали «энергонезависимая» — это значит не нуждается в энергии.
                  • 0
                    «Под понятие энергонезависимой памяти подпадают по сути энергозависимая память, „энергонезависимость“ которой обеспечивается применением технологией с «ускользающе малым потреблением» (например) вкупе с подпиткой от миниатюрной батарейки» — из той же Вики.
                    • 0
                      Не стоит слепо доверять Вики, особенно когда сразу видно, что статья тупо заглушка «чтобы было». Прочитайте хотя бы английский вариант, и вы узнаете, что память с батарейкой это редкий частный случай использующийся, например, когда нужна высокая производительность чтения-записи в такую память или большой объём. Во всех других применяется реально энергонезависимая память.

                      Вообще как-то странно слышать в одной фразе — энергонезависимая память, это такая энергозависимая, только с батарейкой, вам не кажется?
                      • +1
                        Не стоит доверять логике, когда дело касается практики :).
                        На практике, под nvram чего только не подразумевают, и компьютерную «cmos»-память настроек биоса с батарейкой в том числе.
                        • 0
                          Включите компьютер, чтоб видеть сообщения BIOS при загрузке. У меня на трёх компах появляется сообщение Checking NVRAM. Это CMOS. А в компе CMOS прекрасно стирается если вытащить батарейку и разрядить кондёры.
                          • 0
                            Могу Вам указать на примеры из мира СХД.
                            NVRAM — Non-Volatile Random Access Memory — в них выполняет функцию энергозащищенного кэша. Существует в двух вариантах:
                            1. RDRAM (или иное) + батарея в случае отказа основного источника питания + контроллер который управляет батарейкой и питанием памяти.
                            2. RDRAM (или иное) + суперконденсатор + флэшка + контроллер который в случае пропадания питания пользуясь зарядом конденсатора резво скидывает данные из RAM на флэшку, а при появлении питания восстанавливает их оттуда в исходное положение.
                            И то и то NVRAM ибо является RAM и может пережить отключение питания.
                            Естественно есть и другие варианты NVRAM.
                            Как видите автор не зря разместил этот подвид решений в ветви гибридов ибо мутант еще тот.
                            • 0
                              Кстати если Вас интересует энергонезависимая память с бесконечным сроком хранения Вы можете обратить свой взор на перфокарты. Там срок хранения информации упирается лишь в материал. + абсолютная защищенность от электромагнитных полей и многих других факторов. Рекоммендую рассмотреть в качестве материала вольфрам. Всетаки температура плавления 3500 градусов цельсия.
                              Прошу простить мне невольное кормление тролля.
          • 0
            Сколько флэшек пострадало при написании статьи?
            • 0
              А может они уже были нерабочие
              • +1
                Пострадала одна флешка, которую потенциально можно было восстановить, но проще было купить новую… На счёт RAM — старая планка памяти, извлечённая из компьютера samsung R 30 или R 40
            • +1
              Очень ждем статью про дисплеи…
            • 0
              Спасибо за статью. Познавательно. Многие ссылки попали в избранное и будут прочитаны на досуге :)

              Небольшой вопрос к Вам — каким оборудованием Вы пользовались для снятия микрофотографий?
              • +1
                Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
              • 0
                Пользуясь случаем приведу две классические книги по данной тематике

                Inside NAND Flash Memories
                Memory Systems: Cache, DRAM, Disk
                • 0
                  За ссылки на книги спасибо!
                  Аналогично на GoogleBook с функцией предпросмотра (может кто скриншотами выкачивать будет ;) ):
                  Inside NAND
                  Memory Systems
                • 0
                  Интересно, если FPGA распилить, можно будет понять, какая схема внутри запрограммирована была?
                  • 0
                    Когда-то ПЛИСы программировались один раз путем пережигания перемычек. Теоретически можно было разглядеть под микроскопом, какие из них разрушены.
                    Сейчас конфигурация FPGA хранится в обычной памяти: flash или, чаще, SRAM. Если мы можем считать информацию из этой памяти, то сможем и восстановить конфигурацию ПЛИС. Если нет — то нет.
                    • 0
                      Считается, что можно считать (извиняюсь за каламбур) электрические потенциалы, хранящиеся в конфигурационной памяти ПЛИС, но как я понимаю такой реверс инжениринг очень дорогим будет.
                      • 0
                        Можно, иглой АСМ, например. Но это дорого и крайне долго!
                    • 0
                      Можно не распиливать, а что называется послойно с шагом менее 1 нм посмотреть какие элементы и где находят… Поговаривают, что китайцы чуть ли не целые чипы от AMD и Intel так анализировали и, таким образом, создавали свои инжиниринговые центры
                      • 0
                        Существуют фирмы которые профессионально занимаются реверс инжинирингом микросхем, к примеру: www.chipworks.com/. Говорят что прямо принципиальную схему могут восстановить, круто…
                        • 0
                          Ссылку на них я и привёл, кстати… Да, только их аналитический отчёт стоит от 2000-4000 $, где будут просто картинки и до десятков тыс. $, где будет расположение основных элементов и их функции, но не факт, что на базе такого отчёта можно развернуть производство…
                          • +1
                            Сейчас бессмысленно заниматься таким реинжинирингом, хотя, насколько мне известно, советские клоны западных микросхем получались в том числе и таким способом. За то время пока ты полностью восстановишь схему и подготовишь её к производству она уже устареет.
                            Возможно есть смысл попытаться своровать интересующую тебя маленькую часть схемы, которая у тебя хуже чем у конкурента. Но опять же, время… время.
                            • 0
                              Не «в том числе», а «в основном». К сожалению. И иначе быть не могло.
                    • 0
                      Ещё есть MRAM, постоянная память со скоростью и качествами обычной статической RAM, например Everspin делает MRAM 16 мбит, с выборкой 25 нс, вообщем вещь зачётная. Сейчас они вообще обещают MRAM с хар-ками DDR3
                      • 0
                        Я лично пока много разговоров вокруг да около слышал, а вот чтобы в реально смартфоне её увидеть или в компьюетер — до сих пор не довелось…
                        • 0
                          На данном этапе развития гражданской электроники и не увидите. Цена не оправдывает себя
                          • 0
                            Ну как же?! Вон РосНано инвестирует семилярдными шагами в производство MRAM и кичится, что скоро всех завалит отечественной продукцией: дёшево и сердито!

                            Собственно к чему, было бы что распилить из MRAM — с удовольствием сделал бы!;)
                      • 0
                        А как из 100500 контактов от двумерной матрицы, — на флешке\чипе получается 4-6-16 контактов на выходе?

                        Я понимаю что этим занимается контроллер,
                        но если на пальцах, кто может объяснить?
                        • 0
                          Если у Вас нет предрассудков перед индийским английским, то могу предложить данное видео, например:


                          Кстати, «4-6-16 контактов» — эт Вы загнули, любой чип памяти — десятки контактов (что RAM, что NAND-flash). Если под 4 контактами имеется ввиду USB, то, простите, между ним и самой памятью не хилая такая прослойка из буфера, контролера и т.д.

                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.