Memoria flash

La memoria flash conserva i dati anche senza alimentazione. Si programma elettricamente e si cancella per gruppi di celle.

Che cos’è

La flash è una memoria elettronica non volatile: l’informazione rimane quando si spegne l’alimentazione. Appartiene alla famiglia delle memorie cancellabili elettricamente, le EEPROM. Una EEPROM tradizionale consente di modificare piccole unità separatamente. La flash risparmia area per cella organizzando la cancellazione su gruppi interi. Lettura, programmazione e cancellazione sono operazioni distinte, con effetti diversi sul contenuto memorizzato.

La cella è l’elemento che trattiene l’informazione. Un chip riunisce molte celle con circuiti di selezione e lettura. Una scheda di memoria, una chiavetta USB o un SSD aggiungono un’interfaccia e circuiti di controllo. Il comportamento di un file dipende dall’intero sistema.

Come funziona

Il gate flottante trattiene carica senza un collegamento conduttivo verso l’esterno.

In una cella planare a gate flottante, una regione conduttrice è circondata da isolante tra il canale di silicio e il gate di controllo. La programmazione può iniettare nel gate flottante elettroni accelerati nel canale. La cancellazione può estrarli per effetto tunnel attraverso un sottile strato di ossido sotto un intenso campo elettrico. La carica trattenuta modifica la tensione necessaria a rendere conduttivo il transistor. Durante la lettura, il circuito applica condizioni controllate e distingue gli stati attraverso la corrente risultante. Nessuna parte meccanica si muove.

NOR e NAND descrivono i collegamenti tra le celle. Nella NOR formano rami paralleli verso una linea di bit. Questa organizzazione si presta alla lettura di singoli indirizzi e, con memorie adatte, all’esecuzione diretta di codice. Nella NAND le celle sono collegate in catene in serie. Gli accessi per pagine e una disposizione più densa favoriscono la memorizzazione di dati. I nomi derivano da porte logiche, ma la matrice comprende anche selezione, conservazione e lettura.

Le celle multilivello distinguono più stati di carica per codificare diversi bit. Programmazione e cancellazione sollecitano gli isolanti: sia la ritenzione dei dati sia la resistenza ai cicli hanno limiti. I controller possono correggere errori e distribuire le scritture. La conservazione senza corrente non assicura un archivio perpetuo; i limiti dipendono dal dispositivo e dalle condizioni d’impiego.

Come si fa

La fabbricazione usa i processi del circuito integrato: motivi sul silicio, strati isolanti e conduttori, collegamenti, controlli e incapsulamento. In una variante di fabbricazione NMOS planare, il corpo di silicio è drogato con boro e le regioni di source e drain con fosforo. Gli impianti industriali impiegano prodotti reattivi e attrezzature specializzate. Lasciate chiusi i chip, senza decaparli né riscaldarli. L’attività seguente si svolge soltanto su carta.

Tutte le caselle del modello appartengono allo stesso blocco di cancellazione.

Disegnate un blocco con due parole di quattro bit, inizialmente 1111 e 1111. In questo modello binario, programmare permette solo di cambiare un 1 in uno 0; cancellare riporta tutto il blocco a 1. Scrivete 1010 nella prima parola e 0011 nella seconda.

Provate a sostituire la prima parola con 1110. Occorrerebbe riportare uno 0 a 1, cosa impossibile con la sola programmazione. Copiate entrambe le parole su un foglio di lavoro, modificate la prima, cancellate insieme tutte le otto caselle e riscrivete 1110 e 0011. La copia consente di conservare la seconda parola; senza di essa la cancellazione la distruggerebbe.

Storia ed evoluzione

Le memorie a carica immagazzinata precedono la flash. Kahng e Sze pubblicarono sul gate flottante nel 1967. Intel commercializzò la EPROM di Frohman nel 1971: si programmava elettricamente e si cancellava con luce ultravioletta. Le EEPROM introdussero poi la cancellazione elettrica con una selezione più fine delle celle. Nel 1979 Horiuchi e Katto descrissero FCAT, un altro dispositivo a gate flottante programmabile e cancellabile elettricamente.

Nel 1980 Kupec e colleghi descrissero una EEPROM con tre strati di polisilicio e un solo transistor per bit. La domanda di brevetto di Masuoka e Iizuka per una cella con gate di cancellazione rivendica priorità giapponesi del 20 dicembre 1980; depositata negli Stati Uniti nel 1981, portò al brevetto US4531203 nel 1985. Harari incluse poi la cella di Kupec fra le anteriorità della flash e descrisse quella di Masuoka e Iizuka come un miglioramento.

Masuoka e il gruppo Toshiba cercarono una cella più compatta. All’IEDM del 1984 ne descrisse la struttura NOR flash. La ricerca e la presentazione precedettero la fabbricazione commerciale su larga scala. Altri gruppi, fra cui quelli di Intel, svilupparono strutture NOR adatte alla produzione.

Toshiba annunciò la NAND nel 1987. Secondo la testimonianza di Masuoka pubblicata dall’IEEE, le prove di quell’anno verificarono programmazione, lettura e cancellazione; il prototipo NAND da 4 Mbit fu sviluppato nel 1988 e presentato all’ISSCC nel 1989. Kioxia, erede di quell’attività, colloca nel 1991 la commercializzazione di una NAND da 4 Mbit. Schede di memoria e SSD costruirono poi sistemi completi attorno alle celle. Il funzionamento multilivello e le strutture tridimensionali proseguirono questa evoluzione.