闪存如何工作

作者:Jeff Tyson
三星电子的一名员工展示了一张32GB NAND存储卡和芯片。查看更多计算机内存图片
Chung Sung-Jun/Getty Images

我们存储和传输计算机上的各种文件——数码照片、音乐文件、文字处理文档、PDF以及无数其他形式的媒体。但有时,您计算机的硬盘并不是您希望信息所在的地方。无论您是想为系统外保存的文件制作备份副本,还是担心您的安全,使用一种称为闪存的电子内存的便携式存储设备都可能是正确的解决方案。

电子内存有多种形式,用于多种目的。闪存用于计算机、数码相机和家用电子游戏机中,以便捷快速地存储信息。它的用途更像硬盘,而非RAM。事实上,闪存被称为固态存储设备,这意味着它没有移动部件——一切都是电子而非机械的。

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以下是闪存的一些示例

  • 您计算机的BIOS芯片
  • CompactFlash(最常见于数码相机)
  • SmartMedia(最常见于数码相机)
  • 记忆棒(最常见于数码相机)
  • PCMCIA Type I 和 Type II 存储卡(用作笔记本电脑中的固态磁盘)
  • 电子游戏机的存储卡

闪存是一种EEPROM芯片,其全称是电可擦可编程只读存储器(Electronically Erasable Programmable Read Only Memory)。它有一个由行和列组成的网格,每个交叉点处有一个带有两个晶体管的单元(见下图)。

这两个晶体管被一层薄氧化层隔开。其中一个晶体管被称为浮栅,另一个是控制栅。浮栅与行(或字线)的唯一连接是通过控制栅。只要这个连接存在,单元的值就是1。要将值更改为0,需要一个称为福勒-诺德海姆隧穿(Fowler-Nordheim tunneling)的特殊过程。

在本文中,我们将了解闪存的工作原理,并探讨它的一些形式以及使用它的设备类型。接下来,我们将详细讨论隧穿。

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闪存:隧穿与擦除

隧穿用于改变浮中电子的位置。一个电荷(通常为10到13伏特)被施加到浮栅上。该电荷来自列(或位线),进入浮栅并流向地。

这个电荷使得浮栅晶体管像一个电子枪。受激电子被推穿并捕获在薄氧化层的另一侧,使其带负电荷。这些带负电荷的电子在控制栅和浮栅之间形成一道屏障。一个称为单元传感器的特殊设备监测通过浮栅的电荷水平。如果通过栅的电流高于50%的阈值,其值为1。当通过的电荷低于50%的阈值时,其值变为0。一个空白的EEPROM所有栅都完全打开,使每个单元的值为1。

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闪存芯片单元中的电子可以通过施加电场(更高电压的电荷)恢复正常(“1”)。闪存使用电路内布线将电场施加到整个芯片或预定部分(称为)。这会擦除芯片的目标区域,然后可以重新写入。闪存比传统EEPROM快得多,因为它不是一次擦除一个字节,而是擦除一个块或整个芯片,然后重新写入。

您可能认为您的车载收音机具有闪存,因为您可以设置预设,并且收音机能记住它们。但它实际上使用的是闪存RAM。区别在于闪存RAM需要一定的电源来维持其内容,而闪存则无需任何外部电源即可保持其数据。即使您已关闭电源,车载收音机仍在消耗微小电流以保存闪存RAM中的数据。这就是为什么如果您的汽车电池没电或电线断开,收音机就会失去其预设。

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可移动闪存卡

SmartMedia卡

使用闪存而非硬盘有几个原因

  • 它没有移动部件,因此无噪音。
  • 它允许更快的访问。
  • 它尺寸更小,重量更轻。

那么为什么我们不把闪存用于所有地方呢?因为硬盘每兆字节的成本要低得多,而且容量也大得多。

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固态软盘卡(SSFDC),更广为人知的是SmartMedia,最初由东芝开发。SmartMedia卡容量从2 MB到128 MB不等。卡本身非常小,大约45毫米长,37毫米宽,厚度不足1毫米。

如下图所示,SmartMedia卡极其简单。一个平面电极通过键合线连接到闪存芯片。闪存芯片、平面电极和键合线使用一种称为包覆薄型封装(OMTP)的技术嵌入在树脂中。这使得所有组件无需焊接即可集成到单个封装中。

OMTP模块被粘合到基卡上,以创建实际的卡片。当卡插入设备时,电力和数据通过电极传输到闪存芯片。一个缺口角指示SmartMedia卡的电力需求。如果将卡片电极朝上查看,缺口在左侧,则卡片需要5伏特。如果缺口在右侧,则需要3.3伏特。

SmartMedia卡以小块(256或512字节的增量)擦除、写入和读取内存。这种方法意味着它们能够提供快速、可靠的性能,同时允许您指定要保留的数据。它们不如其他形式的可移动固态存储坚固,因此在处理和存储时应非常小心。由于出现了更新、更小、存储容量更大的卡片,如xD-Picture卡和Secure Digital卡,东芝已基本停止生产SmartMedia卡,因此现在很难找到。

CompactFlash卡由Sandisk于1994年开发,它们与SmartMedia卡在两个重要方面有所不同

  • 它们更厚。
  • 它们使用控制器芯片。

CompactFlash由一块小型电路板、闪存芯片和专用控制器芯片组成,全部封装在一个比SmartMedia卡更坚固的外壳中。CompactFlash卡宽43毫米,长36毫米,有两种厚度:Type I卡厚3.3毫米,Type II卡厚5.5毫米。

CompactFlash卡

CompactFlash卡支持双电压,可在3.3伏特或5伏特下运行。

卡片厚度的增加使得存储容量比SmartMedia卡更大。CompactFlash的尺寸从8 MB到100GB不等。板载控制器可以提高性能,尤其是在具有较慢处理器的设备中。与SmartMedia卡相比,CompactFlash卡的外壳和控制器芯片增加了其尺寸、重量和复杂性。

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闪存标准

三星电子展示了全球首款30纳米64千兆比特闪存设备。
Kim Jae-Hwan/法新社/Getty Images

SmartMedia和CompactFlash,以及PCMCIA Type I和Type II存储卡,都遵循个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)制定的标准。由于这些标准,在各种设备中使用CompactFlash和SmartMedia产品变得容易。您还可以购买适配器,通过标准的软盘驱动器USB端口或PCMCIA卡槽(某些笔记本电脑中提供)访问这些卡。例如,索尼原始PlayStation和PlayStation 2的游戏与最新主机PlayStation 3兼容,但没有用于旧系统内存卡的插槽。想要在新系统上导入已保存游戏数据的玩家必须购买适配器。索尼的记忆棒在索尼提供的各种产品中都有,现在也出现在其他制造商的产品中。

尽管标准正在蓬勃发展,但仍有许多闪存产品具有完全专有的性质,例如某些电子游戏系统中的存储卡。但很高兴知道,随着电子元件日益可互换并能够相互通信(通过蓝牙等技术),标准化的可移动内存将让您随身携带您的世界。

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2006年9月,三星宣布开发PRAM——相变随机存取存储器(Phase-change Random Access Memory)。这种新型内存结合了RAM的快速处理速度和闪存的非易失性特性,因此有人称其为“完美RAM”。PRAM预计比传统闪存快30倍,寿命长10倍。三星计划在2010年首次将PRAM芯片商业化,容量为512 MB [来源:Numonyx]。它们可能将用于手机和其他移动设备中,甚至可能完全取代闪存。

有关闪存、其他形式的计算机内存以及相关主题的更多信息,请查看下一页的链接。

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常见问题

闪存和RAM一样吗?
不,闪存和RAM不一样。RAM是易失性的,只在通电时存储数据,而闪存是非易失性的,即使在断电时也能存储数据。
闪存是什么意思?
闪存也称为闪存存储。闪存是一种非易失性内存,可以擦除和重新编程。

更多信息

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更多精彩链接

  • Gizmodo UK。“Pretec推出100GB CompactFlash卡:哇!”2008年9月26日。(2008年10月6日) http://uk.gizmodo.com/2008/09/24/pretec_unveils_100gb_compactfl.html
  • Numonyx。“英特尔、意法半导体推出业界首款相变内存原型。”2008年2月6日。(2008年10月10日) http://www.numonyx.com/en-US/About/PressRoom/Releases/Pages/ IntelSTDeliverFirstPCMPrototypes.aspx
  • SuperMediaStore.com。“什么是SmartMedia闪存卡?”(2008年10月6日) http://www.supermediastore.com/smartmediacard-smart-media-flash-card.html
  • Techtree.com。“相变是否会取代闪存?”2006年12月11日。(2008年10月10日) http://www.techtree.com/India/News/Phase_Change_Memory_to_Replace_Flash/ 551-77782-581.html

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