Ingeniería eléctrica: ¿Por qué las celdas de memoria flash más pequeñas causan crecientes tasas de error en el almacenamiento basado en flash?

Answer 1

Bueno, principalmente por el desgaste. Ahora, no me malinterpreten, se ha hecho un gran progreso en el diseño de la memoria flash. Pero hay límites.

Primero, consideremos qué es una memoria flash. Crea una celda de memoria flash, como muchos otros tipos de memoria, con una gran variedad de transistores. Tomemos un transistor normal de un chip CMOS o NMOS, que será un MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico). Tal transistor se basa en un canal de material semiconductor, básicamente un cable hecho de semiconductor. Además de eso, el fabricante de chips coloca una capa de material de óxido, que es un muy buen aislante. Y además de eso, un contacto de “puerta”. Cuando aplica el voltaje correcto en esa compuerta, el campo eléctrico generado por esa compuerta cambia la conductividad en ese canal semiconductor, haciendo que deje de conducir, convirtiéndola de una resistencia muy pequeña en una resistencia muy grande.

Sin embargo, en una memoria flash, el transistor es un tipo especial, llamado transistor de efecto de campo de puerta flotante … la puerta está “flotando” porque no está directamente conectada a nada más. Encima de esta puerta, hay otro aislante y otra puerta, que será la puerta de control, como en un transistor MOSFET normal.

Si pongo un voltaje grande en esa puerta superior, algunos electrones “atravesarán” la puerta flotante, esa puerta se convierte en una especie de electrón, y simplemente permanecen allí. Durante mucho tiempo, de hecho. Así que hago eso, y cuando regrese y aplique una corriente baja a ese transistor, esos electrones adicionales cambiarán el umbral de voltaje en el punto en que ese transistor cambiará. Así es esencialmente cómo se diferencia entre “0” y “1” en una memoria flash.

Entonces, a tu pregunta. Hemos cubierto cómo puede escribir en una ubicación de memoria: aplique una corriente grande, deje que algunos electrones penetren. Pero un flash también tiene que ser borrado. Para borrarlo, la memoria flash aplica un campo eléctrico a una gran sección del chip, conduciendo los electrones desde la puerta flotante de regreso sobre el aislador a la puerta no flotante. Todo ese disparo de electrones de un lado a otro sobre el aislante de óxido de silicio eventualmente lleva a que la celda de destello se desgaste.

Ok, entonces la primera razón por la que un chip más pequeño podría durar más: chip más pequeño, capa de óxido más delgada. Ahora ciertamente, otros problemas podrían afectar una memoria flash. Si su aislamiento alrededor de la puerta flotante no es perfecto, puede perder electrones, etc. Pero este encogimiento es uno de los problemas.

Otro no es realmente el hecho de que las memorias flash se están reduciendo, sino el hecho de que se están volviendo más sofisticadas. La puerta flotante FET es, después de todo, un dispositivo analógico, no un dispositivo digital. Entonces, en algún momento, los diseñadores de memoria flash se pusieron un poco optimistas y decidieron que podían almacenar “dos bits por celda”. Entonces, lo que eso significa es que vas a almacenar cuatro niveles de carga diferentes en esa puerta flotante, no solo en el uno. Eso requiere más precisión, más electrones disparando a través de la misma barrera con el tiempo, etc. Esto generalmente se llama flash de carga multinivel o MLC. Casi todos los flash baratos en estos días son MLC, es posible que encuentre memoria SLC en unidades flash empresariales costosas.

Entonces, a medida que la puerta se desgasta (y recuerda, se desgasta más rápido), tiene menos margen para la diferencia entre los estados. Por lo tanto, la celda de memoria tiene una vida útil más baja que un SLC hecho en el mismo nodo tecnológico. Y hoy, también hay un flash TLC, con tres bits, ocho niveles, que se almacenan en la misma celda de transistor único.

Answer 2

En general, la fiabilidad (vida útil) de todos los dispositivos semiconductores disminuye monotónicamente a medida que se reduce el tamaño.

La razón intuitiva simple: más pequeño significa menos átomos redundantes para ahogar el daño a un nivel atómico que ocurre naturalmente. Básicamente, los átomos no se quedan donde están, gracias a la mecánica cuántica, el hecho de que todo está a una temperatura por encima del cero absoluto y debido a los límites en el control de fabricación: cuando las cosas están compuestas por muchos, muchos átomos, estos efectos no son tan importantes. problema notable A medida que el número de átomos disminuye a niveles contables, se convierte en un problema.

El modo de falla primaria de los transistores MOS de hoy, NBTI, comienza con un solo átomo movido media docena de angstroms en la red de óxido de la puerta en la dirección incorrecta que produce una debilidad (una “trampa”). Cuando tiene muchos átomos y volumen de óxido de puerta, un solo defecto no es fatal, pero a medida que se reduce, un solo defecto se convierte en una parte importante de la funcionalidad completa del dispositivo.

En la década de 1970, la vida útil de un solo transistor MOS tenía una vida útil estimada de unos 10.000 años. Eso ha disminuido constantemente con el tiempo y ahora las vidas están en docenas de años o incluso menos.

Para Flash, los mecanismos centrales de operación también son altamente destructivos para el óxido de la puerta. Esto provoca activamente los mismos tipos de daños que son simplemente daños pasivos a los transistores MOS en general. Esta es también la razón por la cual la vida útil de la memoria Flash medida como “resistencia” es el recuento estadístico de los ciclos de borrado de escritura hasta el fallo: el número de usos activos está vinculado al daño que define la vida útil del dispositivo.