Memori flash adalah media penyimpanan memori komputer non-volatil elektronik yang dapat dihapus dan diprogram ulang secara elektrik. Dua jenis utama memori flash, flash NOR dan flash NAND, dinamai berdasarkan gerbang logika NOR dan NAND. Keduanya menggunakan desain sel yang sama, yang terdiri dari MOSFET gerbang mengambang. Keduanya berbeda pada tingkat sirkuit, tergantung pada status garis bit atau garis kata yang ditarik tinggi atau rendah: pada flash NAND, hubungan antara garis bit dan garis kata menyerupai gerbang NAND; pada flash NOR, menyerupai gerbang NOR.
Memori flash, suatu jenis memori gerbang mengambang, diciptakan di Toshiba pada tahun 1980 dan didasarkan pada teknologi EEPROM. Toshiba mulai memasarkan memori flash pada tahun 1987. EPROM harus dihapus sepenuhnya sebelum dapat ditulis ulang. Namun, memori flash NAND dapat dihapus, ditulis, dan dibaca dalam blok (atau halaman), yang umumnya jauh lebih kecil daripada keseluruhan perangkat. Memori flash NOR memungkinkan satu kata mesin untuk ditulis - ke lokasi yang dihapus - atau dibaca secara terpisah. Perangkat memori flash biasanya terdiri dari satu atau beberapa chip memori flash (masing-masing menampung banyak sel memori flash), bersama dengan chip pengontrol memori flash yang terpisah.
Jenis NAND ditemukan terutama pada kartu memori, USB flash drive, solid-state drive (yang diproduksi sejak tahun 2009), ponsel berfitur, ponsel cerdas, dan produk serupa, untuk penyimpanan dan transfer data secara umum. Memori flash NAND atau NOR juga sering digunakan untuk menyimpan data konfigurasi dalam produk digital, tugas yang sebelumnya dimungkinkan oleh EEPROM atau RAM statis bertenaga baterai. Kelemahan utama dari memori flash adalah bahwa memori ini hanya dapat bertahan dalam jumlah siklus penulisan yang relatif kecil dalam blok tertentu.
NOR Flash dikenal dengan kemampuan akses acak langsung, sehingga cocok untuk mengeksekusi kode secara langsung. Arsitekturnya memungkinkan akses byte individual, memfasilitasi kecepatan baca yang lebih cepat dibandingkan dengan Flash NAND. Memori Flash NAND beroperasi dengan arsitektur yang berbeda, mengandalkan pendekatan akses serial. Hal ini membuat NAND cocok untuk penyimpanan data dengan kepadatan tinggi, tetapi kurang efisien untuk tugas akses acak. Flash NAND sering digunakan dalam skenario yang membutuhkan penyimpanan berkapasitas tinggi yang hemat biaya, seperti pada drive USB, kartu memori, dan solid-state drive (SSD).
Pembeda utama terletak pada kasus penggunaan dan struktur internalnya. Flash NOR optimal untuk aplikasi yang membutuhkan akses cepat ke setiap byte, seperti pada sistem yang disematkan untuk eksekusi program. Flash NAND, di sisi lain, bersinar dalam skenario yang menuntut penyimpanan berkapasitas tinggi dan hemat biaya dengan akses data berurutan.
Memori Flash digunakan pada komputer, PDA, pemutar audio digital, kamera digital, ponsel, synthesizer, permainan video, instrumentasi ilmiah, robotika industri, dan elektronik medis. Memori flash memiliki waktu akses baca yang cepat, tetapi tidak secepat RAM atau ROM statis. Pada perangkat portabel, lebih disukai untuk menggunakan memori flash karena ketahanan terhadap guncangan mekanis karena drive mekanis lebih rentan terhadap kerusakan mekanis.
Karena siklus penghapusannya lambat, ukuran blok besar yang digunakan dalam penghapusan memori flash memberikan keuntungan kecepatan yang signifikan dibandingkan EEPROM non-flash saat menulis data dalam jumlah besar. Pada tahun 2019, harga memori flash jauh lebih murah daripada EEPROM yang dapat diprogram byte dan telah menjadi jenis memori yang dominan di mana pun sistem memerlukan penyimpanan solid-state non-volatil dalam jumlah yang signifikan. Namun, EEPROM masih digunakan dalam aplikasi yang hanya membutuhkan penyimpanan dalam jumlah kecil, seperti pada pendeteksi keberadaan serial.
Paket memori flash dapat menggunakan die stacking dengan vias silikon tembus dan beberapa lusin lapisan sel NAND TLC 3D (per die) secara bersamaan untuk mencapai kapasitas hingga 1 tebibyte per paket dengan menggunakan 16 die yang ditumpuk dan pengontrol flash terintegrasi sebagai die terpisah di dalam paket.
Sejarah
Latar Belakang
Asal mula memori flash dapat ditelusuri kembali ke pengembangan MOSFET gerbang mengambang (FGMOS), yang juga dikenal sebagai transistor gerbang mengambang. MOSFET (transistor efek medan semikonduktor oksida-logam) yang asli, juga dikenal sebagai transistor MOS, ditemukan oleh insinyur Mesir, Mohamed M. Atalla dan insinyur Korea, Dawon Kahng, di Bell Labs pada tahun 1959. Kahng kemudian mengembangkan variasi, MOSFET gerbang mengambang, dengan insinyur Taiwan-Amerika Simon Min Sze di Bell Labs pada tahun 1967. Mereka mengusulkan agar dapat digunakan sebagai sel memori gerbang mengambang untuk menyimpan suatu bentuk memori hanya-baca yang dapat diprogram (PROM) yang tidak mudah menguap dan dapat diprogram ulang.
Jenis awal memori gerbang mengambang termasuk EPROM (PROM yang dapat dihapus) dan EEPROM (PROM yang dapat dihapus secara elektrik) pada tahun 1970-an. Namun, memori gerbang mengambang awal mengharuskan para insinyur untuk membuat sel memori untuk setiap bit data, yang terbukti tidak praktis, lambat, dan mahal, sehingga membatasi memori gerbang mengambang untuk aplikasi khusus pada tahun 1970-an, seperti peralatan militer dan ponsel eksperimental paling awal.
Penemuan dan komersialisasi
Fujio Masuoka, ketika bekerja untuk Toshiba, mengusulkan jenis memori gerbang mengambang baru yang memungkinkan seluruh bagian memori dihapus dengan cepat dan mudah, dengan menerapkan tegangan ke satu kabel yang terhubung ke sekelompok sel. Hal ini menyebabkan penemuan memori flash oleh Masuoka di Toshiba pada tahun 1980. Menurut Toshiba, nama "flash" diusulkan oleh rekan Masuoka, Shōji Ariizumi, karena proses penghapusan isi memori mengingatkannya pada lampu kilat kamera. Masuoka dan rekannya mempresentasikan penemuan NOR flash pada tahun 1984, dan kemudian NAND flash pada Pertemuan Perangkat Elektron Internasional (IEDM) IEEE 1987 yang diadakan di San Francisco.
Toshiba meluncurkan memori flash NAND secara komersial pada tahun 1987. Intel Corporation memperkenalkan chip flash tipe NOR komersial pertama pada tahun 1988. Flash berbasis NOR memiliki waktu hapus dan tulis yang lama, tetapi menyediakan alamat lengkap dan bus data, sehingga memungkinkan akses acak ke lokasi memori mana pun. Hal ini menjadikannya sebagai pengganti yang sesuai untuk chip memori hanya-baca (ROM) yang lebih tua, yang digunakan untuk menyimpan kode program yang jarang perlu diperbarui, seperti BIOS komputer atau firmware dekoder. Daya tahannya mungkin hanya 100 siklus penghapusan untuk memori flash dalam chip, hingga 10.000 atau 100.000 siklus penghapusan, hingga 1.000.000 siklus penghapusan. Flash berbasis NOR adalah dasar dari media lepasan berbasis flash awal; CompactFlash pada awalnya didasarkan pada flash ini, meskipun kemudian kartu-kartu tersebut beralih ke flash NAND yang lebih murah.
Flash NAND telah mengurangi waktu hapus dan tulis, dan membutuhkan area chip yang lebih sedikit per sel, sehingga memungkinkan densitas penyimpanan yang lebih besar dan biaya per bit yang lebih rendah daripada flash NOR. Namun, antarmuka I/O flash NAND tidak menyediakan bus alamat eksternal akses acak. Sebaliknya, data harus dibaca berdasarkan blok, dengan ukuran blok yang umumnya ratusan hingga ribuan bit. Hal ini membuat flash NAND tidak cocok sebagai pengganti ROM program, karena sebagian besar mikroprosesor dan mikrokontroler memerlukan akses acak tingkat byte. Dalam hal ini, flash NAND mirip dengan perangkat penyimpanan data sekunder lainnya, seperti hard disk dan media optik, sehingga sangat cocok untuk digunakan dalam perangkat penyimpanan massal, seperti kartu memori dan solid-state drive (SSD). Sebagai contoh, SSD menyimpan data menggunakan beberapa chip memori flash NAND.
Format kartu memori yang dapat dilepas-pasang berbasis NAND yang pertama adalah SmartMedia, yang dirilis pada tahun 1995. Banyak format lain yang menyusul, termasuk MultiMediaCard, Secure Digital, Memory Stick, dan xD-Picture Card.
Perkembangan selanjutnya
Format kartu memori generasi baru, termasuk RS-MMC, miniSD dan microSD, memiliki faktor bentuk yang sangat kecil. Contohnya, kartu microSD memiliki luas area lebih dari 1,5 cm2, dengan ketebalan kurang dari 1 mm.
Flash NAND telah mencapai tingkat densitas memori yang signifikan sebagai hasil dari beberapa teknologi utama yang dikomersialkan pada akhir tahun 2000-an hingga awal tahun 2010.
Flash NOR merupakan jenis memori Flash yang paling umum dijual hingga tahun 2005, ketika flash NAND mengambil alih penjualan flash NOR.
Teknologi multi-level cell (MLC) menyimpan lebih dari satu bit dalam setiap sel memori. NEC mendemonstrasikan teknologi multi-level cell (MLC) pada tahun 1998, dengan chip memori flash 80 Mb yang menyimpan 2 bit per sel. STMicroelectronics juga mendemonstrasikan MLC pada tahun 2000, dengan chip memori flash NOR 64 MB. Pada tahun 2009, Toshiba dan SanDisk memperkenalkan chip flash NAND dengan teknologi QLC yang menyimpan 4 bit per sel dan memiliki kapasitas 64 Gbit. Samsung Electronics memperkenalkan teknologi triple-level cell (TLC) yang menyimpan 3-bit per sel, dan mulai memproduksi massal chip NAND dengan teknologi TLC pada tahun 2010.
Lampu kilat perangkap pengisian daya
Teknologi charge trap flash (CTF) menggantikan gerbang mengambang polisilikon, yang diapit di antara oksida gerbang pemblokiran di atas dan oksida terowongan di bawahnya, dengan lapisan silikon nitrida yang mengisolasi secara elektrik; lapisan silikon nitrida memerangkap elektron. Secara teori, CTF tidak terlalu rentan terhadap kebocoran elektron, sehingga memberikan retensi data yang lebih baik.
Karena CTF menggantikan polisilikon dengan nitrida yang mengisolasi secara elektrik, CTF memungkinkan sel yang lebih kecil dan daya tahan yang lebih tinggi (degradasi atau keausan yang lebih rendah). Namun, elektron dapat terperangkap dan terakumulasi dalam nitrida, yang menyebabkan degradasi. Kebocoran diperburuk pada suhu tinggi karena elektron menjadi lebih tereksitasi dengan meningkatnya suhu. Namun, teknologi CTF masih menggunakan oksida terowongan dan lapisan pemblokiran yang merupakan titik lemah dari teknologi ini, karena masih dapat rusak dengan cara biasa (oksida terowongan dapat terdegradasi karena medan listrik yang sangat tinggi dan lapisan pemblokiran karena Injeksi Lubang Panas Anoda (AHHI).
Degradasi atau keausan oksida merupakan alasan mengapa memori flash memiliki daya tahan yang terbatas, dan retensi data menurun (potensi kehilangan data meningkat) dengan meningkatnya degradasi, karena oksida kehilangan karakteristik insulasi listrik saat terdegradasi. Oksida harus mengisolasi elektron agar tidak bocor yang akan menyebabkan kehilangan data.
Pada tahun 1991, para peneliti NEC, termasuk N. Kodama, K. Oyama dan Hiroki Shirai menjelaskan jenis memori flash dengan metode perangkap muatan. Pada tahun 1998, Boaz Eitan dari Saifun Semiconductors (kemudian diakuisisi oleh Spansion) mematenkan teknologi memori flash bernama NROM yang memanfaatkan lapisan perangkap muatan untuk menggantikan gerbang mengambang konvensional yang digunakan pada desain memori flash konvensional. Pada tahun 2000, tim riset Advanced Micro Devices (AMD) yang dipimpin oleh Richard M. Fastow, insinyur Mesir Khaled Z. Ahmed, dan insinyur Yordania Sameer Haddad (yang kemudian bergabung dengan Spansion) mendemonstrasikan mekanisme perangkap muatan untuk sel memori flash NOR. CTF kemudian dikomersialkan oleh AMD dan Fujitsu pada tahun 2002. Teknologi 3D V-NAND (NAND vertikal) menumpuk sel memori flash NAND secara vertikal di dalam chip menggunakan teknologi 3D charge trap flash (CTP). Teknologi 3D V-NAND pertama kali diumumkan oleh Toshiba pada tahun 2007, dan perangkat pertama, dengan 24 lapisan, pertama kali dikomersialkan oleh Samsung Electronics pada tahun 2013.
Teknologi sirkuit terpadu 3D
Teknologi sirkuit terpadu 3D (IC 3D) menumpuk chip sirkuit terpadu (IC) secara vertikal ke dalam satu paket chip IC 3D. Toshiba memperkenalkan teknologi IC 3D pada memori flash NAND pada bulan April 2007, saat mereka memulai debutnya pada memori flash NAND yang kompatibel dengan eMMC 16 GB (nomor produk THGAM0G7D8DBAI6, sering disingkat THGAM di situs web konsumen), yang disematkan pada chip memori flash NAND, yang dibuat dengan delapan chip flash NAND 2 GB yang ditumpuk. Pada bulan September 2007, Hynix Semiconductor (sekarang SK Hynix) memperkenalkan teknologi IC 3D 24 lapis, dengan chip memori flash 16 GB yang diproduksi dengan 24 chip flash NAND yang ditumpuk menggunakan proses pengikatan wafer. Toshiba juga menggunakan IC 3D delapan lapis untuk chip flash THGBM 32 GB pada tahun 2008. Pada tahun 2010, Toshiba menggunakan IC 3D 16 lapis untuk chip flash THGBM2 128 GB, yang diproduksi dengan 16 chip 8 GB yang ditumpuk. Pada tahun 2010-an, IC 3D mulai digunakan secara komersial secara luas untuk memori flash NAND di perangkat seluler.
Pada tahun 2016, Micron dan Intel memperkenalkan teknologi yang dikenal sebagai CMOS Di Bawah Array/CMOS Under Array (CUA), Core over Periphery (COP), Periphery Under Cell (PUA), atau Xtacking, di mana sirkuit kontrol untuk memori flash ditempatkan di bawah atau di atas susunan sel memori flash. Hal ini memungkinkan peningkatan jumlah bidang atau bagian yang dimiliki chip memori flash, meningkat dari 2 bidang menjadi 4 bidang, tanpa menambah area yang didedikasikan untuk sirkuit kontrol atau periferal. Hal ini meningkatkan jumlah operasi IO per chip flash atau die, tetapi juga menimbulkan tantangan ketika membangun kapasitor untuk pompa pengisian daya yang digunakan untuk menulis ke memori flash. Beberapa die flash memiliki sebanyak 8 bidang.
Pada bulan Agustus 2017, kartu microSD dengan kapasitas hingga 400 GB (400 miliar byte) tersedia. Pada tahun yang sama, Samsung menggabungkan penumpukan chip IC 3D dengan teknologi 3D V-NAND dan TLC untuk memproduksi chip memori flash 512 GB KLUFG8R1EM dengan delapan chip V-NAND 64-lapis yang ditumpuk. Pada tahun 2019, Samsung memproduksi chip flash 1024 GB, dengan delapan chip V-NAND 96-lapis yang ditumpuk dan dengan teknologi QLC.
Disadur dari:en.wikipedia.org