Memória flash

A memória flash conserva os dados sem alimentação. É programada eletricamente e apagada por grupos de células.

O que é

A flash é uma memória eletrónica não volátil: a informação permanece quando se desliga a alimentação. Pertence à família das memórias apagáveis eletricamente, as EEPROM. A EEPROM convencional permite modificar pequenas unidades separadamente. A flash reduz a área por célula ao organizar o apagamento de grupos inteiros. Ler, programar e apagar são operações distintas, com efeitos diferentes sobre o conteúdo guardado.

A célula é o elemento que retém a informação. Um chip reúne muitas células e circuitos de seleção e leitura. Um cartão de memória, uma pen USB ou um SSD acrescentam uma interface e circuitos de controlo. O comportamento de um ficheiro depende desse conjunto.

Como funciona

A porta flutuante retém carga sem ligação condutora ao exterior.

Numa célula planar de porta flutuante, uma região condutora fica rodeada de isolante entre o canal de silício e a porta de controlo. A programação pode injetar na porta flutuante eletrões acelerados no canal. O apagamento pode retirá-los por efeito de túnel através de uma fina camada de óxido sob um campo elétrico intenso. A carga retida modifica a tensão necessária para tornar o transístor condutor. Na leitura, o circuito aplica condições controladas e distingue os estados pela corrente obtida. Nenhuma peça mecânica se move nestas operações.

NOR e NAND descrevem as ligações entre células. Na NOR, formam ramos paralelos para uma linha de bits. Esta organização adapta-se à leitura de endereços individuais e, em memórias adequadas, à execução direta de código. Na NAND, as células ligam-se em cadeias em série. O acesso por páginas e uma disposição mais densa favorecem o armazenamento de dados. Os nomes vêm de portas lógicas, mas a matriz também realiza seleção, armazenamento e leitura.

As células multinível distinguem mais estados de carga para codificar vários bits. A programação e o apagamento solicitam os isolantes, pelo que a retenção e a resistência aos ciclos têm limites. Os controladores podem corrigir erros e distribuir as escritas. Conservar informação sem corrente não assegura um arquivo perpétuo; os limites dependem do componente e das condições de utilização.

Como fazer

O fabrico utiliza processos do circuito integrado: padrões sobre silício, camadas isolantes e condutoras, ligações, ensaios e encapsulamento. Numa variante de fabrico NMOS planar, o corpo de silício é dopado com boro e as regiões de fonte e dreno com fósforo. Os processos industriais empregam produtos reativos e equipamento especializado. Mantenha os chips fechados, sem os decapar nem aquecer. A atividade seguinte realiza-se apenas em papel.

Todas as casas do modelo pertencem ao mesmo bloco de apagamento.

Desenhe um bloco com duas palavras de quatro bits, inicialmente 1111 e 1111. Neste modelo binário, programar só permite mudar um 1 para 0; apagar repõe todo o bloco a 1. Escreva 1010 na primeira palavra e 0011 na segunda.

Tente substituir a primeira palavra por 1110. Seria preciso repor um 0 a 1, o que a programação por si só não permite. Copie as duas palavras para uma folha de trabalho, altere a primeira, apague as oito casas em conjunto e volte a escrever 1110 e 0011. A cópia permite conservar a segunda palavra; sem ela, o apagamento destruí-la-ia.

História e evolução

As memórias de carga armazenada precedem a flash. Kahng e Sze publicaram os seus trabalhos sobre a porta flutuante em 1967. A Intel comercializou a EPROM de Frohman em 1971: programava-se eletricamente e apagava-se com luz ultravioleta. As EEPROM trouxeram depois o apagamento elétrico com uma seleção mais fina das células. Em 1979, Horiuchi e Katto descreveram o FCAT, outro dispositivo de porta flutuante que se podia programar e apagar eletricamente.

Em 1980, Kupec e os seus colegas descreveram uma EEPROM com três camadas de polissilício e um transístor por bit. O pedido de patente de Masuoka e Iizuka para uma célula com porta de apagamento reivindica prioridades japonesas de 20 de dezembro de 1980; apresentado nos Estados Unidos em 1981, deu origem à patente US4531203 em 1985. Harari incluiu depois a célula de Kupec entre os antecedentes da flash e descreveu a de Masuoka e Iizuka como um melhoramento.

Masuoka e a sua equipa na Toshiba procuravam uma célula mais compacta. No IEDM de 1984, descreveu a sua célula NOR flash. A investigação e a apresentação precederam o fabrico comercial em grande escala. Outras equipas, incluindo as da Intel, desenvolveram estruturas NOR industrializáveis.

A Toshiba anunciou a NAND em 1987. Segundo o testemunho de Masuoka publicado pelo IEEE, os ensaios desse ano verificaram a programação, a leitura e o apagamento; o protótipo NAND de 4 Mbit foi desenvolvido em 1988 e apresentado no ISSCC de 1989. A Kioxia, sucessora dessa atividade, situa em 1991 a comercialização de uma NAND de 4 Mbit. Os cartões de memória e os SSD formaram depois sistemas completos em redor das células. O funcionamento multinível e as estruturas tridimensionais prolongaram esta evolução.