Nand per nuovi requisiti di memoria

MEMORIE –

I nuovi sviluppi della flash Nand possono aiutare i progettisti a soddisfare le richieste sempre più complesse di codifica e memorizzazione dei dati nei moderni apparati elettronici.

Che si tratti di lettori multimediali, telefoni cellulari, decoder, terminali mobili per l’accesso a Internet o sistemi di controllo industriale, oggi vi è una necessità crescente di memorizzare e trasmettere programmi e dati in maniera affidabile. E, grazie a migliori velocità di trasmissione, maggiori capacità di memorizzazione e minori costi per bit, la Flash Nand sta diventando lo standard de-facto per la memorizzazione di dati e programmi in una vasta gamma di applicazioni. Rispetto ad altre tecnologie di memorizzazione, come i lettori di hard disk miniaturizzati, offre intrinseci vantaggi in termini di affidabilità a lungo termine e resistenza agli urti e alle vibrazioni (quest'ultima caratteristica è particolarmente importante, ad esempio, in dispositivi portatili o in apparecchiature industriali). Sin dall'inizio, il bassissimo costo al bit e le piccole dimensioni dei chip hanno reso la Flash Nand la memoria preferita nelle applicazioni ad alta densità, mentre la Flash Nor viene tipicamente utilizzata per memorizzare programmi. Da qualche anno a questa parte, tuttavia, gli sviluppi nella tecnologia Flash Nand l'hanno resa una valida alternativa nella memorizzazione sia di programmi che di dati, in una più vasta gamma di applicazioni. In particolare, laddove il progetto richiede più elevate velocità di programmazione e di cancellazione e un funzionamento ad alta efficienza e a bassa potenza, la Nand è particolarmente interessante.

Nand Slc e Mlc
La memoria Flash Nand è disponibile in entrambe le architetture Slc (Single-Level Cell) e Mlc (Multi-Level Cell). Nella Nand Slc (celle monolivello) una cella di memoria può memorizzare un solo bit di informazione mentre nella Flash Nand Mlc (celle multilivello) ogni cella può memorizzare due o più bit, a seconda della tecnologia utilizzata. Pertanto, la Nand Mlc offre una maggiore densità di memorizzazione, mantenendo invariate le dimensioni del die di silicio. D'altro canto, anche se la Nand Slc offre densità basse, fornisce però migliori prestazioni in termini di velocità di lettura e di scrittura. Inoltre, poiché il circuito Slc memorizza un solo bit per cella, la probabilità di errore si riduce, ossia le memorie Slc richiedono una complessità inferiore negli algoritmi di correzione degli errori. Da ciò deriva che la tecnologia Flash Nand di tipo Slc e quella di tipo Mlc supportano due tipi di applicazioni molto differenti. La prima tecnologia è particolarmente adatta nelle applicazioni a bassa densità e meno sensibili ai costi, con prestazioni e affidabilità che durino nel tempo, mentre la seconda va bene per sistemi di elevate prestazioni che richiedono un più basso costo per bit. La gamma di memorie Flash Nand di Toshiba, basata sulla tecnologia a semiconduttore da 43 nm, comprende fondamentalmente dispositivi a ‘piccoli blocchi’, dispositivi a ‘grandi blocchi a media capacità’ e dispositivi a ‘grandi blocchi ad alta capacità’ in grado di offrire capacità di memorizzazione da 512 Mbit a 64 Gbit. Le memorie con densità inferiori sono l'ideale per memorizzare programmi di boot e programmi di sistema in apparecchiature come decoder, televisori digitali e contatori elettronici. I dispositivi a maggiore densità sono invece più adatti in applicazioni come le datacard industriali o prodotti informatici come i netbook e i notebook. L'attuale gamma di memorie Mlc di Toshiba, che utilizza la più recente tecnologia di processo a 32 nm, comprende soluzioni a contenitore singolo che combinano una memoria Flash Nand ad alta densità, un controller e una valida tecnologia di interfacciamento. Integrando la memoria e il controller in un unico dispositivo, si riduce al minimo la necessità di utilizzare driver per sistemi host o funzioni esterne come la gestione di settori danneggiati, la correzione degli errori con sistema Ecc, la conversione di indirizzi logici-fisici e il livellamento dell'usura. Ciò semplifica il progetto e riduce il time-to-market.

Interfacce e contenitori
Gli standard di interfacciamento e di incapsulamento sono elementi chiave quando si parla delle moderne tecnologie di memorizzazione Flash. Per molte applicazioni mobili di largo consumo e applicazioni industriali, ad esempio, la scelta di una Flash Nand Jedec conforme alle specifiche e•MMC può aiutare a semplificare in modo significativo il progetto dell'interfaccia. Lo standard e•MMC specifica i requisiti di integrazione del controller e della memoria in un contenitore Bga nonché le prestazioni dell'interfaccia dati. L'ultima versione dello standard – la 4.4, annunciata l'anno scorso – raddoppia le prestazioni dell'interfaccia di memorizzazione rispetto allo standard precedente, con una velocità massima di trasmissione da 52 MBps a 104 MBps e l'adozione di un'interfaccia a doppia velocità. Come parte di questo nuovo standard vi è un sistema versatile di gestione della partizione e diverse migliorie chiave sulla sicurezza, una migliore gestione della protezione in scrittura, l'introduzione di un blocco di memoria con controllo di accesso di sicurezza e funzioni di cancellazione e di distruzione totale (trim) dei dati per una cancellazione sicura al 100%. La famiglia Toshiba di prodotti Flash Nand Mlc compatibili con lo standard e•MMC offre capacità da 2 GB a 64 GB. Quest'ultimo tipo, che utilizza una tecnologia di processo a 32 nm e integra 16 chip Nand da 32 Gbit (4 GB), è il dispositivo conforme a e•MMC v.4.4 con la capacità di memorizzazione più elevata in assoluto.
Inoltre, come risultato di un accordo di cross-licensing con Samsung, Toshiba è anche in grado di offrire dispositivi di memorizzazione integrati OneNand che combinano un nucleo Nand, Sram, correttori di errori, e circuiti logici in un unico chip con un'interfaccia Nor. Naturalmente, in molte applicazioni, la Flash Nand potrebbe non essere in grado di soddisfare da sola tutti i requisiti di memorizzazione di programmi e dati. Di conseguenza, è possibile che i progettisti debbano realizzare diversi tipi di memorie. Sulla base dello spazio disponibile su scheda, ciò si potrebbe ottenere utilizzando dei singoli chip di memoria in contenitori Tsop, Bga o Lga. Ma quando lo spazio a disposizione è poco, un'alternativa interessante può essere il contenitore multi-chip o Mcp.
Toshiba, ad esempio, offre diverse soluzioni di memorizzazione Mcp. Queste consentono di combinare più tecnologie di memorizzazione – come Flash Nand, e•MMC o mobileLBA – con memorie Sdram a bassa potenza, in un unico dispositivo compatto. Il sistema Mcp è utilizzato principalmente nei telefonini. Questi dispositivi riescono a integrare le tecnologie Flash Slc e Mlc in spazi molto ristretti, combinandole insieme in un unico dispositivo. Infine, per sistemi come palmari e computer portatili, in cui lo spazio disponibile è molto ristretto, è possibile che il progettista opti per una soluzione tipo PoP (Package-on-Package). Si tratta di una tecnica avanzata di incapsulamento multi-chip che consente una significativa riduzione dell'ingombro su scheda, installando un chip di memoria ad alta densità direttamente sopra il processore in modo da dimezzare l'ingombro su scheda. La configurazione PoP di un palmare, ad esempio, può consistere di due dispositivi Bga sovrapposti. Il contenitore inferiore, tipicamente un processore applicativo, contiene un normale array di palline di contatto (bump) sul lato inferiore. Tuttavia, in aggiunta a questo, possiede un array di piazzole sulla superficie superiore, pronte a ricevere un dispositivo di memoria Mcp in contenitore Bga che viene quindi saldato sul lato superiore. Layout PoP standard consentono di effettuare l'instradamento dei segnali tra i due componenti.

Il futuro della Nand
Considerando che sempre più applicazioni sfruttano la maggiore capacità, il basso costo, l'alta efficienza, la maggiore affidabilità e il minor ingombro della memoria Flash Nand, si può senz'altro dire che l'impiego di questa tecnologia è destinato ad aumentare. La progettazione e la realizzazione delle memorie flash diventeranno meno complesse grazie ai progressi delle tecniche di processo a semiconduttore e alle nuove soluzioni di incapsulamento che offrono livelli di integrazione superiori.
Inoltre, questi sviluppi verranno incontro alla maggiore richiesta di capacità per le schede di memoria e i lettori Usb, e favoriranno l'adozione delle unità allo stato solido. La missione di Toshiba è di confermare la propria leadership nella tecnologia Flash Nand, pur continuando a concentrarsi sulla ricerca, sullo sviluppo e sulla fabbricazione dei componenti.

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