Некоторые типы памяти производства Samsung Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Компоненты и технологии, № 4'2002

Некоторые типы памяти производства Samsung

Наш век — век информационных технологий. Информацию получают, обрабатывают, передают. Информацию сохраняют. Сохраняют на века, на годы, на несколько дней и даже на доли микросекунд. Не последнюю роль в этом процессе играют микросхемы памяти.

Антон Веселов

[email protected]

Как всем известно, память бывает разная — статическая и динамическая, синхронная и асинхронная, оперативная (RAM) и постоянная (ROM), а также Flash. Производством микросхем памяти занимаются много фирм, кто-то делает оперативную память, кто-то ROM и Flash. Однако есть фирмы, производящие сразу почти все виды таких микросхем. Лидирующее место среди них занимает Samsung Electronics.

Samsung Electronics — это транснациональная компания с заводами в Корее и США. Ее продукция — не только память. Это еще и микроконтроллеры, процессоры Alpha, ARM-контроллеры, контроллеры LCD. Из всего спектра производимых фирмой микросхем памяти (рис. 1) в этой статье мы рассмотрим только некоторые.

Статическая память

Сейчас Samsung стала лидером по производству статической оперативной памяти (SRAM). Этот вид памяти находит все большее применение в различных устройствах обработки информации.

Статическая память бывает синхронная и асинхронная. Асинхронная, в свою очередь, бывает быстрая (Fast SRAM) и малого энергопотребления (Low Power SRAM). Память с малым энергопотреблением применяется в портативных устройствах и устройствах с батарейным питанием, для которых очень важно уменьшить потребляемую мощность. Последние разработки Samsung в этой области — это микросхемы серии K6F. Так, микросхема K6F1616R6A при объеме 16 Мбит потребляет 3 мА

Компоненты и технологии, № 4'2002

при чтении и записи и менее 1 мкА — в режиме хранения, а напряжение питания всего 1,65-2,2 В. Эта микросхема наверняка найдет свое применение в новых перспективных разработках. Сейчас же в основном применяются устройства с напряжением 5 или 3,3 В. Samsung предлагает широкий выбор микросхем в этих диапазонах (см. табл. 1). Для 5 В микросхем (серия K6T) со скоростью доступа 55 или 70 нс ток потребления при обращении к ней составляет около 55 мА, а в режиме хранения — 10 мкА. Для микросхем на 3,3 В эти показатели еще ниже — 30 мА и 5 мкА.

Параллельно с уменьшением потребляемой мощности Samsung уменьшает и другой параметр — размер корпуса. Постепенно прекращается производство микросхем в корпусе DIP. В нем еще выпускают 5-вольтовое медленное статическое ОЗУ емкостью 128 К *

8 и 512 К * 8, но остальные микросхемы выпускаются в корпусах. SOP, TSOP1 и TSOP2, а также в различных BGA-корпусах. Эти корпуса занимают на плате гораздо меньше места и предназначены для поверхностного монтажа.

Для быстрой памяти главный критерий — скорость доступа. Среди микросхем фирмы Samsung — это серия K6R, наиболее популярная память со временем доступа 15 нс. Но это уже не предел. В массовом производстве имеются микросхемы, для которых этот параметр составляет 10 и даже 8 нс (см. табл. 2).

Энергонезависимая память

Очень часто требуется сохранять данные и после выключения питания. Этим требованиям удовлетворяют два типа микросхем памяти — EPROM и Flash. Причем Flash гораздо удобнее, так как не требует специальных программаторов для записи и стирания. Samsung производит два различных типа микросхем Flash-памяти. Они называются NOR-Flash и NAND-Flash согласно организации ячейки памяти (рис. 2). Эти типы памяти также отличаются друг от друга способом и скоростью доступа, записи и стирания, удельной стоимостью одного бита информации и областями применения. Рассмотрим эти типы памяти.

Таблица 1. Статическая асинхронная память Samsung с малым энергопотреблением

NAND-Flash — память для больших объемов данных

Очень часто в современных приложениях приходится записывать и обрабатывать довольно большие объемы данных. Эту информацию надо также и хранить при отключенном питании. Для этой цели не подойдет оперативная память — она хранит данные только при включенном питании; не подойдет и EEP-ROM — малый объем и совершенно не подходящий способ записи. Остается Flash, а именно NAND-Flash.

Архитектура микросхем NAND-Flash оптимизирована для хранения больших объемов данных (рис. 2). Для большей плотности ячейки последовательно соединены между собой без контактных площадок между ними. Такая архитектура обеспечивает не только высокую плотность, но и высокую способность

Наименование Организация Vcc(V) Гдоступа(нс) Темп. диапазон Ток чтения/ записи (мА) Ток в режиме хранения (мкА) Корпус

K6TO8O8C1D 32Kx8 4.5~5.5 55, 7O C, I 6O 5 28SOP, 28TSOP1

K6T1OO8C2E 128Kx8 4.5~5.5 55, 7O C, I 5O 1O 32DIP,32SOP, 32TSOP1

K6T4OO8C1C 512Kx8 4.5~5.5 55, 7O C, I 55 3O 32DIP,32SOP, 32TSOP2

K6T4O16C3C 256Kx16 4.5~5.5 55, 7O C, I 9O 5O 44 TSOP2

K6T8OO8C2M 1O24Kx8 4.5~5.5 55, 7O C, I 9O 8O 44 TSOP2

K6T8O16C3M 512Kx16 4.5~5.5 55, 7O C, I 9O 8O 44 TSOP2

K6T1OO8U2E 128Kx8 2.7~3.3 70,1OO C, I 3O 1O 32SOP, 32TSOP1

K6T1OO8V2E 128Kx8 3.O~3.6 70,1OO C, I 3O 1O 32SOP, 32TSOP1

K6T4OO8U1C 512Kx8 2.7~3.3 1OO C, I 3O 2O 32 SOP, 32 TSOP2

K6T4O16U3C 256Kx16 2.7~3.3 55, 7O, 85, 1OO C, I 45 15, 2O 44 TSOP2

K6T4OO8V1C 512Kx8 3.O~3.6 7O, 85 C, I 3O 2O 32SOP , 32TSOP2

K6T4O16V3C 256Kx16 3.O~3.6 55, 7O, 85, 1OO C, I 45 15, 2O 44 TSOP2

K6F1O16U4B 64Kx16 2.7~3.3 55, 7O I 4 O.5 48-FBGA

K6F1O16V4B 64Kx16 3.O~3.6 55, 7O I 4 O.5 48-FBGA

K6F1O16S4B 64Kx16 2.3~2.7 7O, 85 I 3 O.5 48-FBGA

K6F2O16U4E 128Kx16 2.7~3.3 55, 7O I 2 O.5 48-TBGA

K6F4O16R4E 256Kx16 1.65~2.2O 7O, 85 I 2 O.5 48-TBGA

K6F4O16R6E 256Kx16 1.65~2.2O 7O, 85 I 2 O.5 48-TBGA

K6F4O16U4E 256Kx16 2.7~3.3 55, 7O I 3 1 48-TBGA

K6F4O16U6E 256Kx16 2.7~3.3 55, 7O I 3 1 48-TBGA

K6F4OO8U2E 512Kx8 2.7~3.3 55, 7O I 2 1 48(36)-TBGA

K6F8O16R6A 512Kx16 1.65~2.2 7O, 85 I 3 1 48-TBGA

K6F8O16S6A 512Kx16 2.3~2.7 7O, 85 I 3 1 48-TBGA

K6F8O16U3A 512Kx16 2.7~3.3 55, 7O I 4 O.5 44-TSOP2

K6F8O16U6A 512Kx16 2.7~3.3 55, 7O I 4 1 48-TBGA

K6F1616R6A 1Mx16 1.65~2.2 7O, 85 I 3 1 48-TBGA

K6F1616R6M 1Mx16 1.65~2.2 7O, 85 I 3 1 48-TBGA

K6F1616U6M 1Mx16 2.7~3.3 55, 7O I 4 2 48-TBGA

K6F161ÓU6A 1Mx16 2.7~3.3 55, 7O I 3 1 48-TBGA

Таблица 2. Быстрая статическая асинхронная память Samsung

Наименование Организация Vcc(V) (доступа (нс) Темп. диапазон Ток чтения/ записи (мА) Ток в режиме хранения (мкА) Корпус

K6R1OO8V1D 128Kx8 3.3 8, 1O, 12 C, I 8O, 65, 55 20, 5 32 SOJ, 32 TSOP2

K6R1OO8C1D 128Kx8 5 1O, 12, 15 C, I 65, 55, 45 20, 5 32 SOJ, 32 TSOP2

K6R1OO4V1D 256Kx4 3.3 8, 1O, 12 C, I 8O, 65, 55 20, 5 32 SOJ

K6R1OO4C1D 256Kx4 5 1O, 12, 15 C, I 65, 55, 45 20, 5 32 SOJ

K6R1O16V1D 64Kx16 3.3 8, 1O, 12 C, I 8O, 65, 55 20, 5 44SOJ,44TSOP2, 48TBGA

K6R1O16C1D 64kx16 5 1O, 12, 15 C, I 65, 55, 45 20, 5 44SOJ, 44TSOP2, 48TBGA

K6R1OO8V1C 128Kx8 3.3 1O, 12, 15 C, I 8O, 75, 73 30, 5(0.5) 32 SOJ, 32 TSOP2

K6R1OO8C1C 128Kx8 5 1O, 12, 15 C, I 8O, 75, 73 30, 5(0.5) 32 SOJ, 32 TSOP2

K6R1OO4V1C 256Kx4 3.3 1O, 12, 15 C, I 75, 7O, 68 30, 5(0.5) 32 SOJ

K6R1OO4C1C 256Kx4 5 1O, 12, 15 C, I 75, 7O, 68 30, 5(0.5) 32 SOJ

K6R1O16V1C 64Kx16 3.3 1O, 12, 15 C, I 1O5, 95, 93 30, 5(0.5) 44SOJ,44TSOP2, 48FPBGA

K6R1O16C1C 64Kx16 5 1O, 12, 15 C, I 1O5, 95, 93 30, 5(0.5) 44SOJ,44TSOP2, 48FPBGA

K6R3O24V1D 128Kx24 3.3 9, 1O, 12 C, I 170,15O, 13O 40, 15 119 PBGA

K6R4O16V1D 256Kx16 3.3 8, 1O, 12, 15 C, L, I, P 11O, 9O, 80,7O 30, 5(0.5) 44SOJ, 44TSOP2, 48TBGA

K6R4O16C1D 256Kx16 5 1O, 12, 15 C, I, P 9O, 80, 70 30, 10 44SOJ, 44TSOP2, 48TBGA

K6R4OO4V1C 1Mx4 3.3 1O, 12, 15 C, I, L, P 150, 140, 130 60, 10(1.2) 32 SOJ

K6R4OO4C1C 1Mx4 5 1O, 12, 15 C, E, I 160, 150, 140 60, 10 32 SOJ

K6R4OO8V1C 512Kx8 3.3 1O, 12, 15 C, I, L, P 155, 145, 135 60, 10(1.2) 36 SOJ, 44 TSOP2

K6R4OO8C1C 512Kx8 5 1O, 12, 15 C, E, I 170, 160, 150 60, 10 36 SOJ, 44 TSOP2

K6R4O16V1C 256Kx16 3.3 1O, 12, 15 C, I, L, P 160, 150, 140 60, 10(1.2) 44SOJ,44TSOP2, 48FBGA

K6R4O16C1C 256Kx16 5 1O, 12, 15 C, E, I 185, 175, 165 60, 10 44SOJ,44TSOP2, 48FBGA

Компоненты и технологии, № 4'2002

Таблица З. NAND-flash память Samsung

Наименование Организация Vcc(V) Темп. диапазон Корпус

K9F4008W0A 512k*8 3.0-5.5V С, I TSOP2-44

K9F6408U0B 8M*8 2.7-3.6 V С, I TSOP2-44

K9F2808U0B 16M*8 2.7V-3.6 V С, I TSOP1-48, TBGA-63

K9F5608U0A 32M*8 2.7V-3.6 V С, I TSOP1-48, WSOP-48

K9F1208U0M 64M*8 2.7V-3.6 V С, I TSOP1-48, WSOP-48

K9K1G08U0M 128M*8 2.7V-3.6 V С, I TSOP1-48

K9K1G08U0M 128M*8 1.65-1.95 V С, I TSOP1-48

K9K1G16Q0M 64M*16 2.7V-3.6 V С, I TSOP1-48

K9K1G16U0M 64M*16 1.65-1.95 V С, I TSOP1-48

K9K2G08U0M 256M*8 2.7V-3.6 V С, I TSOP1-48

K9K2G08U0M 256M*8 1.65-1.95 V С, I TSOP1-48

K9K2G16Q0M 128M*16 2.7V-3.6 V С, I TSOP1-48

K9K2G16U0M 128M*16 1.65-1.95 V С, I TSOP1-48

Наименование

Исполнение

Темп. диапазон

SmartMedia

8Mb

16Mb

32Mb

64Mb

128Mb

K9S6408V0A-SSB0000

K9S2808V0A-SSB0000

K9S5608V0A-SSB0000

K9D1208V0A-SSB0000

K9Q1G08V0A-SSB0000

22 PAD

22 PAD

22 PAD

22 PAD

22 PAD

2.7-3.6V

2.7-3.6V

2.7-3.6V

2.7-3.6V

2.7-3.6V

0 "C.. +55 "C

0 "C.. +55 "C

0 "C.. +55 "C

0 "C.. +55 "C

0 "C.. +55 "C

Compact Flash

16Mb

32Mb

64Mb

128Mb

256Mb

MC28C0161BY0-(2/3/4/5)AA00

MC56C0321AY0-(2/3/4/5)AA00

MC12C0641MY0-(2/3/4/5)AA00

MC12C1281MY0-(2/3/4/5)AA00

MC12C2561MY0-(2/3/4/5)AA00

CompactFlash™

CompactFlash™

CompactFlash™

CompactFlash™

CompactFlash™

2.7-3.6V

2.7-3.6V

2.7-3.6V

2.7-3.6V

2.7-3.6V

0 "C.. +60 "C

0 "C.. +60 "C

0 "C.. +60 "C

0 0C.. +60 "C

0 0C.. +60 "C

64K Pages (=1,024 Blocks;

1 Block = 64 Pages (128K + 4k)Byte

1 Page = (2K + 64)Bytes 1 Block = (2K + 64)B x 64 Pages = (128K + 4K) Bytes 1 Device = (2K+64)B x 64Pages x 1024 Blocks = 1056 Mbits

2K Bytes

64 Bytes

1/0 0 1/01 1/0 2 1/0 3 1/0 4 1/0 5 1/0 6 1/0 7

1st Cycle Ao A1 A2 A3 A4 As A6 A7

2nd Cycle As As Am A11 *L *L *L *L

3rd Cycle Аі2 A13 A14 A15 Ale A17 A18 A19

4th Cycle A20 A21 A22 A23 Ä24 A25 A26 Ä27

Column Address Column Address Row Address Row Address

Рис. 3. Организация структуры памяти в микросхеме K9F1G08

к модульному наращиванию системы. Эти свойства выводят NAND-Flash в лидеры по объему памяти. И действительно, Samsung массово производит память объемом 1 Гбит (128 М*8), а на подходе уже 2 Гбит, и все это умещается в маленькие TSOP1 или TBGA. Начало выпуска 2 Гбит анонсировано на 2-й квартал 2002 года (характеристики микросхем NAND-Flash фирмы Samsung приведены в табл. 3).

Но за все в этом мире приходится платить, в том числе и за большой объем памяти. Последовательная организация ячеек позволяет наращивать объем, но исключает произвольный доступ к каждой ячейке.

Страницы и блоки

Рассмотрим более подробно, как организована NAND-Flash, на примере 128-мегабайтной микросхемы K9F1G08U0M (рис. 3). В ней может храниться 1 107 296 256 бит (1 Гбит) информации. Весь этот объем разбит на 65 536 страниц (pages), каждая из которых имеет объем 2112 байт. При этом номер страницы называют row address, а номер байта в странице — column address. 64 байта, расположенные по column-адресам с 2048 по 2111 в каждой странице, являются запасными. Массив памяти состоит из 32 ячеек, последовательно соединенных в NAND-структуру. Каждая из таких ячеек находится в разных страницах. Блок (Block) состоит из 64 страниц, организованных двумя NAND-структурами. Всего в микросхеме 33792 NAND-структуры из 32 ячеек. Нужно иметь в виду, что операции чтения и программирования (записи) проводятся постранично, в то время как операции стирания — поблочно. То есть вся микросхема состоит из 1024 блоков, которые можно стирать по отдельности, побайтное стирание невозможно.

Шины данных и адреса мультиплексированы, по этой единой шине передаются адреса, данные и команды. Некоторые команды требуют только один цикл, например команды чтения статуса и команда Reset. Команды записи страницы и стирания блока требуют два цикла. Чтобы адресовать 128 мегабайт памяти, необходимо 28 бит адреса, поэтому для выставления адреса необходимо 4 цикла: 2 цикла column address и 2 цикла row address. То есть для того чтобы начать чтение или запись страницы (рис. 4), необходимо 6 циклов: четыре цикла адреса следуют за командой. Для стирания блока требуется на два цикла меньше (рис. 5), так как выставляется только row адрес. Сравнительная характеристика производительности таких микросхем приведена на рис. 6.

Все NAND-Flash от 8 до 256 Мбайт имеют одни и те же корпуса и одинаковое количество сигнальных ног. Это позволяет производить наращивание объема памяти устройства без переразводки платы.

Полезные функции

NAND-Flash производства Samsung имеет несколько полезных функций, значительно упрощающих работу с ней.

Vcc(V)

Объем

Компоненты и технологии, № 4'2002

Первая — это возможность записи с использованием CASH-регистра объемом 2048+64 байт. Это значительно ускоряет процесс. По окончании записи CASH-регистра данные автоматически сбрасываются в так называемый DATA-регистр, откуда они уже и пишутся непосредственно в ячейки памяти, а в это время в CASH-регистр можно снова записывать информацию. Скорость записи одного байта при этом достигает 50 нс.

Вторая особенность заключается в автоматической установке в режим последовательного чтения первой страницы при включении питания. Никакой подачи команд при этом не требуется.

Третья, и самая важная, особенность заключается в возможности прямой перезаписи данных из одной страницы в другую, так называемое Copy-Back программирование. При этом не надо считывать данные на внешний буфер из одной страницы Flash, а потом записывать обратно в другую страни-

ms

300

200

100

263(ms) 260(ms)

80 80

. 140(ms)

40

- 160 160 88

22.8 19.8

119(ms)

20

88

і/

Erase time Program time Read time

8МЬ 16Mb 32/64Mb 128Mb

Размер страницы 256Byte 256Byte 512Byte 512Byte

Размер блока 4KByte 4KByte 8KByte 16KByte

Чтение страницы 10us 10us 10/7 us 10us

Запись страницы 250us 250us 250/200US 200us

Стирание блока 2ms 2ms 2ms 2ms

Рис. 6. Сравнительные данные для операций с файлами размером 160 КВ

Компоненты и технологии, № 4'2002

FSB

Memory <^> Processor

Таблица S. NOR-flash память Samsung

System

Controller

О

PCI Bus

South Bridge

Host Bus

JL

Master-IDE

Controller

(S3C49F9)

Slave-IDE

Наименование Описание Vcc(V) (доступа (нс) Темп. диапазон Корпус

K8D1616UB(T)M 1M*16/2M*8 2.7-3.6 V 80, 90, 120 C, I 48 TSOP1, 48 TBGA

K8D3216UB(T)M 2M*16/4M*8 2.7-3.6 V 80, 90, 120 C, I 48 TSOP1, 48 TBGA

—► NAND Flash 1 .components

Controller

(S3C49F9)

Таблица 6. MCP (SRAM и FLASH на одном чипе)

Рис. 7. Способ организации «жесткого диска» на основе ЫАЫО-РЬзН в устройствах с операционной системой

Наименование Описание Vcc(V) Темп. диапазон Корпус

K5A3240YTM-T870 32M NOR / 4M SRAM 2.7V-3.3V I TBGA

K5A3280YTM-T870 32M NOR / 8M SRAM 2.7V-3.3V I TBGA

цу. Вся операция происходит внутри самой микросхемы. Это позволяет значительно увеличить производительность Flash-памяти, если вы используете ее в качестве твердотельного диска.

Плохие блоки

«Нет на свете совершенства» — гласит народная мудрость. И NAND-Flash может иметь плохие ячейки (bad blocks). По определению

Samsung, плохие блоки — это блоки, в которых есть сбойные биты, за надежность которых производитель ответственности не несет. Информация о том, что блок является плохим, записана в первом байте из запасной области памяти (column address 2048). Все ячейки памяти микросхем, выходящих с завода, стерты, в них записано FFh. Если по column-адресу 2048 первой и второй страницы блока записано не FFh, значит, этот блок дефектный и пользоваться им не стоит.

Варианты применения

В силу своих функциональных возможностей NAND-Flash используют для хранения больших массивов данных, обработка которых идет последовательно, например для записи видеоинформации, оцифрованного звука или информации о каком-либо процессе (данные измерений от ультразвукового дефектоскопа, расход электроэнергии, температура в печи и прочее).

На основе NAND-Flash можно организовать виртуальный жесткий диск для устройств, работающих под управлением какой-либо операционной системы (рис. 7). По сравнению с обычными устройствами хранения устройство на основе NAND-Flash не имеет движущихся частей, что важно для систем, работающих в тяжелых условиях. Такой «диск» имеет преимущество даже перед DiskOnChip, так как NAND-Flash запаивается на плату по SMD-технологии и не требует панельки для установки. DiskOnChip же может выпасть из «кроватки» от сильной вибрации или перегрузок.

Производители цифровых видеокамер, фотоаппаратов и диктофонов давно уже признали преимущество Flash-носителей информации, однако они используют не микросхемы, а карточки. Samsung выпускает такие карточки в форматах SmartMedia™ и Compact Flash™ (рис. 8, табл. 4).

NOR-Flash

В отличие от NAND, архитектура NOR-Flash памяти позволяет осуществлять быстрый случайный доступ к каждой ячейке. Всем известна Flash-память фирм AMD или ST Microelectronics. Samsung ранее не производил такие микросхемы, но с ноября 2001 года он начал массовое производство Flash-памяти для 8- и 16-разрядных микроконтроллеров. Это микросхемы серии K8D (см. табл. 5). Скорость доступа у этих микросхем достигает 80 нс. Они не требуют дополнительных 12 В для стирания, используя для всех операций одно напряжение питания. Вы можете менять разрядность шины данных (8 или 16 разрядов). Архитектура Flash-памяти Samsung многобанковая. Это позволяет читать один банк, одновременно стирая другой. Микросхемы поддерживают Common Flash Memory Interface, а

Компоненты и технологии, № 4'2002

встроенный контроллер при отсутствии обращений автоматически переключит память в спящий режим, потребление в котором составит всего 0,2 мкА. Samsung гарантирует для таких микросхем 100 000 циклов программирования-стирания и не менее 10 лет хранения данных.

Микросхемы NOR-Flash от Samsung не уступают и даже превосходят по своим параметрам аналогичные микросхемы фирм AMD (AM29LV160D и AM29LV320D) и ST Microelectronics (M29W160D и M29W320D), будучи значительно дешевле продуктов конкурентов. Это естественно, поскольку Samsung вышел на этот сегмент рынка недавно и стремится завоевать его, что возможно только при меньшей цене и лучшем качестве.

Смешанная память

Samsung выпускает и смешанную память.

Его микросхемы MCP (Multi-Chip Package)

имеют в одном чипе и оперативную (SRAM), и Flash-память (как NAND, так и NOR). Характеристики MCP-микросхем c памятью NOR-Flash приведены в табл. 6. Эта память создавалась изначально для сотовых телефонов 3-го поколения, но с успехом применяется и в любых других устройствах, имеющих жесткие ограничения по габаритам и потребляемому току.

Подведем итоги

В этом коротком обзоре не удалось охватить и подробно описать всю продукцию Samsung Electronics, но я надеюсь привлечь внимание наших читателей к этой фирме и ее продукции. Samsung Electronics выходит в лидеры по производству разных видов памяти. Постоянно расширяемый спектр продукции и низкие по сравнению с другими производителями цены не могут не привлечь к себе внимание наших разработчиков.