זיכרון הבזק

זיכרון הֶבְזֵק (Flash memory) הוא סוג זיכרון בלתי נדיף המאפשר כתיבה, מחיקה, וכתיבה חוזרת.

רקע

זיכרון ההבזק הראשון פותח בשנת 1984 במעבדות חברת טושיבה היפנית והשימוש המסחרי הראשון בטכנולוגיה הוצג על ידי חברת אינטל האמריקאית בשנת 1988.
בשנת 2008 היה המוצר הפופולרי למשתמש הממוצע בעל נפח זיכרון של 32GB - 2GB, אף על פי שבשוק הוצעו גם זיכרונות בנפח של עד 256GB שמחירם עדיין היה יקר.
טכנולוגיות כמו מצלמות דיגיטליות, נגני MP3 ומכשירי דיסק און קי עושות שימוש נרחב בשבבי זיכרון הבזק, בעיקר בשל היתרון שבשמירת המידע ללא מקור חשמל, גודלו הקטן ביחס לנפח, וגם בזכות העמידות הגבוהה יחסית של השבב לטלטלות בניגוד לדיסק קשיח.
זיכרון הבזק הראשון היה מסוג NOR, שזמני הכתיבה והמחיקה שלו ארוכים. למרות זאת, יש לו ממשק כתובת/מידע (זיכרון) מלא, המאפשר גישה אקראית לכל מקום. כמו כן, זיכרון NOR יכול לעבור 10,000 עד 100,000 מחזורי מחיקה במהלך חייו. מאוחר יותר פותח זיכרון ה-NAND, בעל מהירות מחיקה וכתיבה גבוהה יותר, צפיפות גדולה יותר, ומחיר נמוך משל ה-NOR ביחס לנפח. ממשק הפלט/קלט שלו מאפשר רק גישה סדרתית למידע. נתונים אלה הופכים אותו מתאים להתקנים בעלי נפח אחסון גדול. זיכרון הבזק מבוסס NAND הוביל לפיתוחם של מספר פורמטי מדיה נשלפת קטנים יותר, כמו MMC, Secure Digital ו-Memory Stick.

מנגנון פעולת זיכרון הבזק

להבדיל מזיכרון EEPROM, מחיקה וכתיבה לזיכרון הבזק מתבצעת בבלוקים בגדלים של עשרות קילו-בית ולעיתים אף מאות. משמעות הדבר היא שעל מנת לכתוב סיבית בודדת, יש לקרוא את כל הבלוק שמכיל את הסיבית לתוך זיכרון גישה אקראית, לשנות את הסיבית שם, למחוק את תוכן הבלוק כולו בזיכרון ההבזק, ואז לכתוב את הבלוק כולו חזרה לזיכרון ההבזק. בגלל מגבלה זו לא ניתן להשתמש בזיכרון הבזק כתחליף לזיכרון גישה אקראית, אם כי השימוש בזיכרון הבזק כתחליף לזיכרון לקריאה בלבד מקובל מאד.
גם באמצעי אחסון כמו דיסקים הגישה לתוכן מתבצעת בבלוקים, ולכן זיכרון הבזק מתאים מאד כאבן בניין ל"דיסק מצב מוצק" (Solid state drive) שאינם דיסקים כלל, אך מדמים כלפי המחשב התנהגות דמוית דיסק, עם ביצועים טובים יותר בכמה סדרי גודל.
זיכרון ההבזק מבוסס על תאים הבנויים מטרנזיסטור MOSFET - בדרך כלל מסוג nMOS הנמצאים במערכים. לכל טרנזיסטור (תא) יש כתובת המוגדרת על פי הטור והשורה.
שלוש הפעולות הבסיסיות של התא הן: כתיבה, קריאה ומחיקה. מנגנון הפעולה בין כתיבה ומחיקה בטרנזיסטור של זיכרון הבזק מבוצע על ידי שינוי מצב של שכבה במבנה השער (Gate) הנקראת "שער צף" Floating Gate (נקראת כך בשל העובדה ששכבה זו אינה מהודקת). השכבה נטענת באלקטרונים ופורקת אותם במצב המחיקה ובכך משנה את התכונות הפיזיקליות של החומר בשכבה הצפה, שינוי זה לא משתנה עם ניתוק מקור המתח חשמלי דבר המאפשר את הפעולה של הזיכרון הבלתי נדיף. זיכרון ההבזק מאחסן מידע במערך של טרנזיסטורים הנקראים "תאים". ישנם תאי Single Level שבהם ניתן לאחסן סיבית אחת, ותאי Multi Level שבהם ניתן לאחסן כמה סיביות.

עיקרון פעולת סיבית בתא של זיכרון הבזק Single Level

בתהליך הכתיבה הפעלת ממתח גבוה בשער בשילוב ממתח גבוה במקור (Source) יביא ליצירת תעלה בין המקור לשפך (Drain) וליצירת אלקטרונים חמים אשר בשל שדה חשמלי גבוה בין השער לתעלה גורם לאלקטרונים לעבור מנהור לתוך השכבה הצפה ולשנות את מצבה האלקטרו-סטטי של שכבה זו היות שהיא טעונה שלילית בשל האלקטרונים הכלואים בה. המטענים השליליים הכלואים בשכבה הצפה לא מאפשרים לפתוח את התעלה בין המקור לשפך במתח הסף הרגיל המאלץ על שער הטרנזיסטור (מתח סף הוא המתח הפותח את התעלה בטרנזיסטור) דבר שלא מאפשר למתג את הטרנזיסטור במתח זה.
בתהליך הקריאה מפעילים מתח סף בשער בשלוב מתח רגיל במקור, במידה והתעלה תפתח ותתבצע הולכת מטען בין המקור לשפך סימן שאין מטען כלוא בשכבה הצפה, כלומר התא "מחוק", במידה ואין הולכה בין המקור לשפך באילוץ מתח הסף על השער (התעלה סגורה ואין מיתוג) סימן שיש מטען כלוא בשכבת הצפה – כלומר "התא כתוב", תהליך זה מהווה את הסיבית של 1 או 0 לוגיים. תהליך המחיקה מבוצע באותו האופן של הכתיבה רק בממתחים הפוכים לכתיבה כך שהמטענים שעברו מנהור ונכלאו בשכבת השער הצפה יעברו מנהור לכיוון ההפוך, בחזרה למצע ובכך השכבה תחזור למצבה הבסיסי.

עיקרון פעולת זיכרון הבזק Multi Level

בתקופת ה- Big Data הביקוש הגובר למידע ולאחסונו דורש זיכרון בעל קיבולת גבוהה ובעל ממדים קטנים, דבר שיצר את המוטיבציה לתכנון ופיתוח זיכרון Multi Level בעל תאים המכילים יותר מסיבית אחת. בתחילה ניסו להגדיל את גודל התא על ידי שימוש בטכנולוגיה היוצרת מספר רמות של מתחי סף התואמים רמות שונות של טעינת השכבה הצפה אך טכנולוגיה זו נקלה בקשיי אמינות בשל חפיפות חלקיות במתחי הכתיבה והמחיקה של הסיביות דבר שגרם לאיבוד מידע ושגיאות.
הודות לטכנולוגיית "הזרקת מוביל חמה" התאפשר לבנות תאים בעלי מספר סיביות בכל תא עם אמינות גבוהה.
טכנולוגיה נוספת לפעולת שתי סיביות בתא מבוססת על שער צף הבנוי משלוש שכבות כעין "סנדוויץ" הכולל שכבת ניטריד בין שתי שכבות של תחמוצת הצורן. שכבת הניטריד מבודדת מאוד ואינה נותנת למטען הכלוא "לטייל" ולשנות את מיקומו לאורך השער הצף. טכנולוגיה זו מפרידה בין שתי פינות של השכבה הצפה כך שכל פינה תפעל למען קיומה של סיבית אחת, וכן יוצרת תהליך בו מקור ושפך מתחלפים בתפקידיהם כך שפעם צד אחד הוא מקור ופעם הוא הופך להיות השפך תלוי בכיוון הממתח והפוך גם בצד הנגדי. אם מספקים מתח גבוה לשער ובין המקור לשפך- מצד אחד נקבל כליאת מטען באמצעות זרם מנהור לאחת הפינות שבשכבת הניטריד בהתאמה לכיוון הזרם. ממתח הפוך יגרום ליצירת זרם לצד הנגדי ומטען יכלא בזרם מנהור לצד הנגדי של השכבה הצפה. השכבה המבודדת תגרום למטען להישאר משני צדי התא ללא תזוזה בין הצדדים. באופן זה אפשר לכתוב שתי סיביות בתא אחד. קריאת כל צד בתא תעשה על ידי מתח סף רגיל בשער ובמקור/שפך בהתאמה תלוי איזה צד מעוניינים לקרוא. כדי לקבוע אם סף הערך "כתוב" או מחוק - נהוג להשוות את המתח המתקבל (אחרי הפיכת הזרם למתח באמצעות נגד) עם מתח ייחוס. על ידי ההשוואה עם מתח הייחוס אפשר לקבוע את ערך התא (מתחת למתח שנקבע - "כתוב" מעל מתח שנקבע - "מחוק").