Казалось бы, что общего между мобильным телефоном, GPS навигатором, цифровым фотоаппаратом и современным диктофоном. Первая мысль, которая приходит — это то, что это цифровые устройства, которые появились на рынке в 90-х годах прошлого столетия. Но это только на первый взгляд, если же копнуть глубже, то все эти устройства имеют одну общую черту — для хранения данных они используют Flash (флэш) память. Flash память, как новое устройство хранения данных, получила стремительное развитие, начиная с 1984 года. В этой статье мы попытаемся осветить историю создания и развития Flash памяти.

Flash память – особый вид твердотельной энергонезависимой, перезаписываемой памяти. «Генетически» Flash память происходит от двух электронных устройств, соединенных в одном: памяти с произвольной выборкой (Random access memory) и постоянного запоминающего устройства (Read only memory). Поскольку Flash память относится к твердотельной памяти, то историю ее развития следует рассматривать с момента начала разработки устройств твердотельной памяти.

Развитие твердотельной памяти началось в 60-х годах прошлого столетия. Первыми кто предложил или, вернее, проложил путь к созданию твердотельной памяти, были инженеры из компании Fairchild. А еще правильнее - ее основатели, так называемая «вероломная восьмерка» — группа молодых специалистов, которые в сентябре 1957 года уволились из компании Shockley Semiconductor Laboratory и создали собственную компанию Fairchaild.

Справка. Shockley Semiconductor Laboratory — американское предприятие, созданное в 1955 году, с целью разработки и производства первых кремниевых полупроводниковых электронных компонентов в долине Silicon Valley, расположенной недалеко от Стэндфордского университета, которая вскоре получила название Кремниевая (Силиконовая) долина. Основателем и руководителем этой компании был Уильям Брэдфорд Шокли, американский физик английского происхождения. 

Уильям Шокли является одним из создателей первого биполярного транзистора, который был представлен широкой общественности в 1947 году группой физиков: Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином, в то время работающими в компании «Bell Labs». За свое изобретение, в последствии, в 1956 году они были удостоены Нобелевской премии по физике «За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». 

Копия первого экземпляра биполярного транзистора хранится в компании «Bell Labs» (рис. 1).

Рис 1. Копия первого экземпляра биполярного транзистора.

Компания Fairchaild продолжила традиции Shockley Semiconductor Laboratory и сосредоточила свои усилия на создании микроминиатюрных электронных компонентов, основанных на полупроводниковых технологиях.

Первыми руководителямии этой компании были: Джулиус Блэнк, Юджин Кляйнер, Джей Ласт, Гордон Мур, Роберт Нойс, Виктор Гринич, Жан Эрни, Шелдон Робертс. На рисунке – фотографии 2 запечатлены молодые и энергичные создатели Fairchaild.

Рис 2. Отцы-основатели компании Fairchaild

В сентябре 1960 года в Америке была опубликована статья о компании Fairchaild, в которой определялась ее стратегия: «Основной концепцией деятельности компании является стремление к уменьшению геометрических размеров интегральных микросхем, путем их объединения, что при современном развитии полупроводниковых технологии невозможно. Однако, уменьшению занимаемого пространства подлежат и другие части компьютера, особенно системная память». 

С этого события можно отсчитывать начало старта в развитии твердотельной памяти, которая сейчас применяется повсеместно во всех цифровых устройствах. 

Первая твердотельная память была энергозависимая, то есть такой, которая требует постоянного присутствия электропитания для хранения в ней записанной информации. Стратегия Fairchaild как раз и положила начало к созданию энергонезависимой памяти. 

В соответствии со своей стратегией компания Fairchaild не только стала одной из основных компаний «силиконовой долины» 60-х годов, но и хорошей школой для будущих инженеров и руководителей других ставших известными в последствии компаний: так, например, Гордон Мур и Роберт Нойс — основали корпорацию INTEL; а Шелдон Робертс, Джей Ласт и Жан Эрни – компанию ALMECO, которая производила интегральную электронику: Виктор Гринич стал преподавателем в Стенфордском университете и университете Беркли, а также автором первой книги о технологиях производства интегральных микросхем «Introduction to Integrated Circuits» (Вступление в интегральную электронику); Юджин Кляйнер являлся одним из инвесторов компании Hewlett-Packard, а Джулиус Блэнк — соучредителем компании по производству электронных компонентов XiCor.

Первая твердотельная энергонезависимая память была разработана в 1969 году инженерами из компании Radiation Inc. Основываясь на разработках диодных матриц, они разработали память типа PROM (Programmable Read Only Memory) – Программируемая, Читаемая Только Память. Этот тип памяти был выполнен в виде двумерной матрицы проводников, на пересечении которых создавалась тонкая перемычка (20-30 мкм) из металла или аморфного кремния. Программирование микросхем заключалось в пропускании через соответствующую перемычку импульса электрического тока большой величины, который заставлял ее расплавиться (разорваться). Вероятность восстановления разорванных перемычек была минимальна. Для большей надежности и исключения возможности восстановления перемычек, микросхема подвергалась термотренировке (дополнительному нагреву в течение длительного времени), а затем проверялась и при необходимости повторно программировалась. Процент микросхем, которые не удавалось правильно запрограммировать по современным меркам, был достаточно большим (для разных микросхем PROM памяти. Коэффициент успешного программирования находился в пределах 0,65-0,9).

Справка. Однократно программируемые пользователем микросхемы памяти с пережигаемыми перемычками представляют собой матрицу с однородным массивом проводящих перемычек, соединяющих строки и столбцы во всех точках их пересечений. Перемычка в микросхеме исполняет роль элемента памяти. Наличием перемычки кодируют логическую «1», а ее отсутствием - логический «0», или наоборот.

Эта память (PROM) вскоре получила широкую популярность у разработчиков компьютеров, как средство для упрощения загрузки, отладки и изменения «прошивок» микрокодов в программах микропроцессоров. Микросхемы PROM памяти производились и в СССР. На рис.3 представлены ППЗУ которые находили наибольшее применение в радиолюбительской практике и цифровой электронике.

Они производились в разных вариантах исполнения и в разных корпусах. Для военной промышленности они производились в керамических корпусах, по технологии применения драгметаллов (золото) (рис.4.). В связи с этим их сейчас очень трудно найти.
Преимуществом микросхем PROM было их быстрое время считывания, которое составляло около 35 нс, а недостатком - невозможность модификации или уничтожения информации, записанной в эту память. Кроме всего эта память имела малый объем хранения данных на чипе.

  

Следующим шагом в развитии энергонезависимой памяти стало случайное открытие, сделанное инженером компании Intel Довом Фрохманом в 1971 году, благодаря которому была создана EPROM память - предшественница Flash. Открытие Фрохмана положило начало новой эры энергонезависимой памяти. 

Из воспоминаний Дова Фрохмана: «Прийдя в Intel в 1969 году, я хотел работать над проектом MNOS, но компания Intel еще только создалась, а в таком случае обычно работать над тем, что тебе нравится — не приходится. 



На тот момент в компании разрабатывались только два продукта по старой технологии. Это были чипы: INTEL 1101 256-бит NMOS RAM и 3101 64-бит биполярная память.



Было предложено два варианта создания этого чипа, первый – объединить четыре 256-битные микросхемы с уже разработанной топологией в одну, то есть сделать гибридную микросхему, или же разработать новый вариант топологии монолитной микросхемы объемом 1 Кб. Руководство компании Intel решило меня и Тома Иннеса, из департамента разработки биполярных устройств, поставить на разработку флип чипов по гибридной технологии. 

На тот момент я ничего не знал о технологии флип чипов. Мы работали два месяца, после чего была создана интегральная микросхема, которая состояла из 4 микросхем памяти NMOS по 256-бит. После всех тестов и исследований новой интегральной микросхемы, мы попали на встречу к руководству. На встрече с руководством Intel нами был задан вопрос: «Хорошо, мы имеем рабочий прототип гибридной микросхемы, но хотелось бы знать, по какому пути мы будем двигаться дальше?» На нашей встрече были Гордон Мур, Энди Гроув, и скорее всего был тоже и Роберт Нойс. 

Мы были очень счастливы и горды; знаете, молодые инженеры своими руками смогли сделать первый «флип» чип. После некоторого обсуждения между Гордоном и Энди, Гордон сказал: «Парни, вы проделали хорошую работу, но мы будем двигаться дальше по пути создания монолитной микросхемы». Поскольку у меня не было других срочных проектов, работу над этим чипом поручили также мне.

Разработка монолитной микросхемы имела свои проблемы. После создания тестового шаблона топологии будущей микросхемы, необходимо было передать его на технологическую линию в производство. Проблема заключалась в том, что на тот момент мы имели только две линии производства: кремниевых МОП-транзисторов и биполярных транзисторов. На нашем оборудовании в то время создавать транзисторы по технологии MNOS практически было невозможно. Девять из десяти микросхем имели дефекты. Через месяц работы я был просто в отчаянии, но продолжал делать работу — создавать эту микросхему. 



Примерно через три месяца после начала моих работ, возникли проблемы с нашей основной продукцией, а именно с 256-битной памятью INTEL 1101 NMOS RAM. Мы не смогли продать партию этой продукции, поскольку рабочие параметры микросхем были нестабильны. Проводя тестирование микросхем при температуре 85 оС и влажности 85 %, рабочие параметры их «плыли» и теряли стабильность. Примерно в это же самое время мне позвонил руководитель: «Ладно, хватит валять дурака с этим MNOS, вот реальная проблема – выяснить, почему чипы INTEL 1101 теряют надежность, и самое главное для нас — найти решение, как это исправить». Конечно же, я сразу же приступил к исполнению этого задания. 

Оказалась, что проблема заключалась в используемом диэлектрике, он становился проводящим в условиях повышенной влажности. В технологии производства был допущен ряд ошибок, которые приводили к тому, что в слой диэлектрика в микросхеме попадали  атомы металла.

 

При нормальных условиях тестирования микросхемы, все параметры оставались в норме, но при повышении влажности, диэлектрик получал свойства полупроводника, и влиял на стабильность работы микросхемы. Поняв в чем дело, решение пришло само собой — нужен был жесткий контроль условий осаждения диэлектрика. Через несколько недель мое предложение было внедрено на производстве.

Сложно вспомнить, когда именно, но это было после завершения работ по расследованию проблем с дефектами, связанными с памятью INTEL 1101, мне пришла идея использовать это явление. Суть его заключалась в следующем. Когда я исследовал диэлектрик, мной было замечено, что примеси металла, которые находились в диэлектрике, могли сохранять заряд. Хорошо зная технологию MNOS, я приступил к разработке и исследованию первого транзистора с двойным затвором. Позднее второй затвор получил название — «плавающий затвор», поскольку он был виртуальным. Используя технологию MNOS, путем осаждения нитрида кремния (Si3N4), я создавал область в транзисторе, которая не имела соединения с другими областями (изолированную область) — это и был плавающий затвор. Причем слой оксида между всеми областями получаемого транзистора, имел одинаковую толщину и создавался по одинаковой технологии. Основная цель, которую я преследовал при разработке — это получить устройство, которое будет иметь высокую надежность. Вдруг мы поняли, что можем создать устройство хранения информации. Хотя нитрид кремния (Si3N4) имеет лучшие диэлектрические свойства, по сравнению с оксидом кремния (SiO2), мы выбрали последний. Причиной такого перехода послужило именно то, что на тот момент технология MNOS, которая использовала нитрид кремния, имела проблемы при производстве (те же проблемы, с которыми я столкнулся при работе с монолитной микросхемой памяти). Структурная схема транзистора, предложенная Фрохманом представлена на рис 7. 


Главной нашей целью было ничего не изменять в процессе производства, и решить проблему как разместить электроны на плавающем затворе. Изначально мы отказались от идеи тунелирования электронов в пользу лавинной инжекции (инжекция горячих электронов).



Эта идея пришла нам в ходе работ по надежности, так как процесс тунелирования очень быстро «изнашивал» слой диэлектрика. Именно тогда я стал думать над этим вопросом. Первое, что пришло в голову — это лавинный пробой, но, понятное дело, подвергать чип объемом 2 Кб при записи лавинному пробою — идея не из лучших. Поэтому пришла идея применить канал сток-исток для обеспечения лавинной инжекции электронов и приданию заряда плавающему затвору. Таким образом была решена проблема программирования будущей ячейки памяти и достигнута высокая надежность хранения данных.



Принцип работы устройства был следующим. Для записи информации в ячейки, необходимо было выбрать нужный адрес, и подать высокое напряжение на транзисторы. Это создавало лавинный процесс движения электронов в канале сток-исток. При этом электроны получают достаточно энергии, чтобы пройти изолирующий слой диэлектрика и аккумулироваться на плавающем затворе. Когда напряжение снимается, электроны оказываются запертыми на затворе. Таким образом мы смогли запрограммировать микросхему памяти. 


Следующей проблемой стало стирание информации из ячеек памяти. Первой идеей по стиранию информации из ячеек памяти, которая пришла мне в голову, было использование для этой цели рентгеновских лучей. Все банально просто, вы имеете электроны, которые находятся на плавающем затворе. С помощью рентгеновского излучения вы придаете им энергию и они переходят обратно в подложку, тем самым освобождая плавающий затвор. Эта идея не прижилась, по причинам ее простоты, и одновременно по причине разрушения кремния рентгеновским излучением. Тогда я сказал себе: «Рентгеновское излучение недопустимо применять для процесса стирания, мы должны идти к чему-то, что не разрушает микросхему». Я начал работать над применением ультрафиолетового света для стирания информации. Этот процесс был для меня новым «взрывом мозга». Я имею ввиду, что нам надо было получить некоторое излучение, чтобы передать электронам энергию и достичь эффекта разряда плавающего затвора. Ультрафиолетовое излучение не разрушало кремневую подложку, и процесс стирания происходил достаточно быстро и очень хорошо, но для стирания информации необходимо было иметь в микросхеме кварцевое окно, чтобы пропускать через него ультрафиолетовый свет к ячейкам памяти. 

В то время, когда я пришел к этому, я снова вспомнил, что наша компания была только создана, и представлял себе, как отреагирует производство на мое творение и главное на то, что микросхема должна иметь на корпусе кварцевое окно. Мои предположения недалеко ушли от реакции на такую конструкцию специалистов на производстве. Спасло мой проект только то, что Роберт Нойс был прекрасным руководителем, который всегда шел навстречу инженерам, предлагающим инновации. Моя встреча с ним произошла в кабинете фирмы с видом на горы, и первый вопрос который задал мне Нойс звучал так: «Дов, чем вы озабочены в это прекрасное утро? В чем дело?». На что я показал ему свое устройство и объяснил, как мы можем программировать его, а затем рассказал о методах стирания. Также я показал, что стирание ультрафиолетовым светом — это наш лучший вариант, но производство не возьмется за этот проект, так как для стирания необходимо разместить в корпусе микросхемы кварцевое окно. 

Реакция Нойса, была для меня ошеломляющей: «Так в чем дело? У нас есть соглашение, по которому запрещается размещать кварцевое окно на корпусе микросхемы? Нет?» Этой фразой Нойс открыл новое направление в создании EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) памяти.



Примерно через месяц напряженной работы, были созданы первые тестовые образцы. К сожалению для истории не сохранились не только образцы, но и фотографии этих микросхем, которые были представлены руководству INTEL. Чтобы вы понимали, первая микросхема EPROM памяти имела размеры порядка 6 см2, а вместо кварцевого окна была размещена металлическая трубка, на конце которой было размещалось кварцевое окно с колпачком (для закрытия отверстия от попадания света). На очередной встрече с руководством мы представили эту микросхему. Я показал, как микросхему можно программировать, а затем стирать при помощи ультрафиолетового света. Все присутствующие были под впечатлением, но старались скрыть свои эмоции, и порой мне казалось, что они смотрят на мою работу скептически. Последнее слово было за Гордоном, он помолчал секунд тридцать, а затем к всеобщему удивлению сказал: «Давайте сделаем это!» 

Так появилась первая микросхема EPROM памяти, общим объемом 2048 байт и ей было присвоено наименование Intel 1702. Запись одного бита информации занимала порядка 25 миллисекунд, а перезапись всего объема памяти микросхемы порядка 50 секунд. Впервые мы показали эту микросхему на конференции ISSCC (International Solid-State Circuits Conference — международной конференции разработчиков твердотельной электроники) в 1971 году. Это был «звездный» дебют, как мой, так и моего продукта. Причиной этого стало то, что мы никого не предупредили заранее о том, что мы будем на ней представлять. Такой подход вызвал сразу огромный интерес к нашей разработке и этим позволил сделать хороший маркетинговый ход для развития компании Intel. 


Еще одним нашим маркетинговым ходом была заявка о том, что записанная на микросхему информация может храниться 10 лет. Теперь я могу это рассказать, но на момент производства этих микросхем и до начала 80-х годов у нас не было никаких научных доказательств этого и тем более научных исследований о том, что информация может храниться в памяти EPROM 10 лет. Только в 80-х годах мы убедились, что информация в этих микросхемах может храниться более 10 лет. Этот результат был получен путем анализа рынка продаж нашего продукта. Посудите сами, кто покупал бы ненадежную продукцию. Мы испытывали нашу микросхему в разных ситуациях, помещали ее на крышу под яркий солнечный свет, освещали ее ультрафиолетовым светом, пропускали свет через дифракционные и интерференционные решетки. В то время мы давали гарантию хранения 10 лет, сами не зная, будет ли действительно так долго храниться заряд на плавающем затворе». 

Несмотря на появление новых технологий в производстве твердотельной энергонезависимой памяти, и в частности появления Flash памяти, изобретенной Фудзио Масуока, EPROM память до сих пор находит применение как в промышленных так и в различных бытовых устройствах. 

Микросхемы EPROM памяти сразу же получили стремительное развитие. Их производство было освоено не только в США, но и в других странах. 


В СССР, например, микросхемы EPROM памяти выпускались в Новосибирске, на базе НПП «ВОСТОК». Это предприятие в начале 70-х годов прошлого столетия разрабатывало и производило радиолампы военного назначения и было перестроено на производство твердотельных электронных компонентов, начиная с транзисторов и до больших интегральных микросхем. Первой микросхемой EPROM памяти СССР стала микросхема серии 573 -К573РФ1. Она имела объем 8 Кбит (1024х8) и содержала 17986 интегральных элементов. Характеристики микросхем EPROM памяти, которые выпускались в СССР, представлены в таблице.

Тип микросхемы	Информационный объем	Организация, слов х разрядов	Время выборки адреса, мс
К573РФ1	1К	1Кх8	450
К573РФ2	16К	2Кх8	450
К573РФ3	64К	4Кх16	450
К573РФ4	64К	8Кх8	500
К573РФ5	16К	2Кх8	450
К573РФ6	64К	8Кх8	500
К573РФ23/24	16К	2Кх8	450
К573РФ31/32	32К	2Кх16	450

Эти микросхемы широко применялись в первых микрокомпьютерах и персональных компьютерах производства СССР. Так, к примеру микросхему серии К573 можно увидеть на плате одного из первых аматорских персональных компьютеров Радио-86РК.


Для программирования микросхем памяти EPROM применялись специальные устройства — программаторы. 



Программаторы EPROM памяти  подразделялись на автономные и универсальные. 

Независимо от использованного типа программатора для записи информации в ПЗУ, программирование сводится к подаче на выводы микросхем последовательности логических сигналов и программирующих импульсов. Цикл записи ячейки памяти обычно состоит выбора адреса ячейки и подготовки микросхемы к программированию, затем следует процесс занесения информации в выбранную ячейку и восстановление рабочего состояния ПЗУ. За циклом записи информации часто следует проверка ее корректности, в зависимости от результатов которой, принимается решения о дальнейших действиях.
Выпускаемые промышленностью программаторы, предназначенные для автономного применения, позволяли программировать микросхемы PROM и EPROM в пошаговом и автоматическом режимах, с контролем записи и предварительным редактированием заносимой в микросхему информации. Отличительной особенностью их являлось применение клавиатуры или коммутационной панели для набора программного кода. На рис. 11  Показан один из таких автономных программаторов.


Отдельным классом автономных программаторов являлись микропроцессорные лаборатории. Они применялись как для обучения специалистов программированию микроконтроллеров, так и для отладки программного кода и  записи информации в микросхемы ПЗУ. Большенство таких программаторов строилось на основе микропроцессорных наборов  КР580ИК. Устройство позволяло производить работу с PROM и EPROM микросхемами памяти.  Поэтому большинство специалистов с целью экономии денег использовали EPROM память только для отладки программного кода устройства. Причиной такого подхода была высокая цена и недоступность микросхем  EPROM  памяти. На рис. 12 приведена одна из таких микропроцессорных лабораторий.


Для программирования различных микросхем ПЗУ в промышленных масштабах, необходим специальный универсальный программатор, позволяющий заносить информацию как минимум во все популярные типы БИС. Такой програматор должен обладать функциональной избыточностью, (для работы с новыми типами ПЗУ) и иметь широкие сервисные возможности — копирования, редактирования и распечатки содержимого в различных форматах, сравнения и преобразования программных кодов. 
Этим требованиям мог удовлетворить только программатор со «встроенным интеллектом», который по набору устройств ввода-вывода и выполняемым функциям сравним только с микро ЭВМ. Здесь нет  противоречий — универсальные программаторы практически всегда являются периферийным устройством для ЭВМ. ЭВМ в этом случае обеспечивает для пользователя хорошую программную поддержку, предоставляя свои ресурсы программатору.   

В 80-90-х годах прошлого столетия для радиолюбителя покупка промышленного программатора была невозможна. Поэтому большинство радиолюбителей собирали программаторы собственными силами. Очень часто описание схем универсальных программаторов становилось достоянием общественности, благодаря журналу «Радио». На рис. 13 приведена  конструкция одного из таких радиолюбительских универсальных  программаторов.
  

Стирание данных с EPROM памяти производилось при помощи различных ультрафиолетовых лампам. Промышленностью выпускались специализированные устройства для стирания информации из ячеек памяти EPROM. На рис. 14 показано одно из таких устройств.


Чаще всего радиолюбители (с целью экономии денег) сами собирали такие устройства с ультрафиолетовыми излучением. Для этой цели использовались элементы из конструкции ламп уличного освещения или же медицинские лампы ультрафиолетового излучения.

В середине 80-х годов прошлого столетия был сделан новый шаг в развитии твердотельной энергонезависимой памяти. Разработанная технология хранения информации на этом твердотельном носителе применяется по сей день и называется Flash (флэш) память. Flash память была разработана инженером компании TOSHIBA Фудзио Масуокой в конце 70-х — начале 80-х годов прошлого столетия. В настоящее время не существует однозначности в истории создания Flash памяти. Разные источники эту историю трактуют по-разному. Поэтому мы попытались связаться лично с доктором Фудзио Масуока и спросить у него, как он придумал и разработал Flash память. Несмотря на свою занятость работой и болезнь, Фудзио Масуока ответил нам и поделился своими воспоминаниями о том времени.

Доктор Фудзио Масуока – ученый, изобретатель Flash памяти

Из рассказа Фудзио Масуока: «Я уроженец города Такасаки – одного из гигантов электротехнической продукции в Японии. После второй мировой войны Японии необходимы были специалисты, чтобы практически заново отстроить страну. Так и я выбрал нужное стране направление — инженер-электротехник и в 1966 году стал бакалавром, затем в 1968 году магистром, а к 1971 году уже получил степень доктора наук в университете Тхоку. 

В то время большой интерес для меня представляли разработки полупроводников, особенно планарная технология MOS. 

Справка. MOS (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида кремния SiO2. 

Справка. LSI (Large Scale Integration) — большая степень интеграции (на микросхеме), условное обозначение количества применяемых p-n переходов в интегральной схеме (от 100 до 9999)

Справка. SAMOS (stacked-gate avalanche injection MOS) — технология производства ячейки памяти на основе МОП структуры полевого транзистора. Особенностью данной технологии является наличие нескольких затворов, которые находятся на разных расстояниях от канала. Поэтому  в литературе данную технологию еще называют МОП транзистор с многоуровневыми затворами.

 

Рис. 15 Топология ячейки памяти, предложенной Масуока

Был ряд причин в настороженности у производителей полупроводниковой памяти к технологии, предложенной Фудзио Масуока. Во-первых, заявленное им время хранения информации в ячейке и надежность этого устройства. Во-вторых,  простота изготовления такой ячейки памяти. В-третьих, созданная им ячейка памяти имела более низкие показатели в энергопотреблении, что в свою очередь несомненно создавало конкуренцию другим технологиям хранения данных предлагаемым в то временя.    

Используя свои наработки в  технологии SAMOS, Фудзио Масуока создал ячейку памяти, для которой не было необходимости размещать дополнительный транзистор выборки, что позволяло увеличить объем хранимой информации на чипе при тех же размерах кристалла.  Введение в ячейку памяти дополнительного затвора (затвора стирания), позволило увеличить количество циклов перезаписи ячейки памяти до 10000 раз! (для сравнения, количество циклов перезаписи EPROM памяти — не более 500). Схематическое изображение ячейки памяти, предложений Фудзио Масуока представлено на рис. 16. 

 

Рис. 16 Разрезы ячейки памяти 

Справка. При создании ячейки, топология и разрезы которой представлены на Рис. 15 и Рис. 16, использовано ряд новых конструктивных усовершенствований. В этой конструкции применен n–канальный МДП–транзистор с коротким (3,5 мкм) каналом и с поликремниевым управляющим затвором, расположенным над плавающим затвором. В зоне истока находится третий затвор — затвор стирания. Управляющий затвор своею поверхностью перекрывает плавающий затвор и область канала.
Толщина межзатворного и подзатворного диэлектриков (окисид кремния) имеет величину от 0,07, до 0,12 мкм, а толщина тунельного оксида в области стирания составляет 0,03…0,05 мкм. Эта конструкция не требует введения в схему ячейки памяти дополнительных транзисторов выборки, что уменьшает площадь. Программирование ячейки осуществляется одновременным подключением напряжения к стоку и управляющему затвору при заземленном истоке. В канале возникают горячие электроны, которые инжектируются в плавающий затвор (ПЗ) и изменяют пороговое напряжение МДП–транзистора. Пороговое напряжение незапрограммированной ячейки равно приблизительно 1 В. В процессе программирования оно повышается до 8 В. При этом хранение логического "0" соответствует состоянию транзистора с незаряженным плавающем затвором (ненасыщенный режим транзистора). ¬Считывание осуществляется сравнением напряжений двух состояний при помощи подачи считывающего импульса  напряжением  5 В, прикладываемого к управляющему электроду.
Электрическое стирание информации, т.е. разряд плавающего затвора, производится над областью истока. Для этого импульс стирания амплитудой приблизительно +35 В прикладывается к истоку, при этом управляющий затвор заземляется, а сток остается свободным. За счет емкостной связи в туннельном диэлектрике создается сильное электрическое поле, под действием которого осуществляется туннелирование электронов с плавающего затвора в исток.

Справка. Архитектура NOR — организация ячеек Flash памяти, при которой возможно осуществить быстрый произвольный доступ к отдельной ячейке памяти. Для инициализации ячейки памяти, необходимо подать напряжение на управляющий затвор. Поэтому все управляющие затворы должны быть подсоединены к линии управления, называемой Word Line (от англ. «Линией Слов») . Анализ содержимого ячейки памяти производится по уровню сигнала на стоке транзистора. Поэтому стоки транзисторов подключаются к линии, называемой Bit Line (от англ. «Линия Бит») .


Организация ячеек памяти NOR

В тот период со мной очень часто связывались из компании INTEL, из этих разговоров я узнал, что после получения от нас тестовых чипов, компания привлекла 300 инженеров к исследованиям и разработке Flash памяти, а к концу 1985 года уже 500 инженеров из Intel работали над Flash памятью. К сравнению, в 1984 году у меня было только 9 инженеров, которые работали над технологией Flash неполный рабочий день. Сейчас говорят, что это INTEL вывела Flash память на коммерческий рынок, но это совершенно не так. Первой компанией была TOSHIBA. В 1985 году мы разработали Flash память объемом 256 Кбайт по заказу автомобильной компании из США. Компания INTEL представила свой чип только к началу 1988 года. Как раз в 1985 году я начал думать над проблемой решения вопросов  хранения больших объемов информации в Flash памяти и ее  быстродействии. Причем, если с быстродействием процесса чтения еще можно было мириться, то быстродействие записи нужно было поднять в разы. Представьте себе, что на программирование микросхемы Flash памяти объемом 256 Кбайт, уходило порядка 25 секунд. Решение было очевидным, нужно программировать микросхему не побитно, а пакетами – побайтно!»

Авт. К началу 90-х годов прошлого столетия, потребовались новые устройства для хранения данных. Основными требованиями  ним были: высокая скорость записи данных и большой объем хранимой информации. Причиной этому послужило начало массового применения микроконтроллеров в системах реального времени, где была необходимость как в записи, так и в считывании данных.  

В 1987 году доктор Фудзио Масуока, который на то время уже занимал должность руководителя департамента исследований сверхбольших интегральных микросхем при научном центре компании TOSHIBA, представил новый тип чипа для хранения данных —NAND Flash, объемом 256 Кбайт. В этой новой технологии хранения информации ячейки памяти были соединены в гирлянды, а программирование производилось не побитно, а побайтно. В отличие от Flash памяти с архитектурой NOR, в данной Flash памяти разработчики отказались от произвольного доступа к ячейке памяти, чтобы обеспечить лучшие характеристики показателя чтения/запись и создать высокую плотность хранения данных. Такой подход позволил разработчикам создать дешевый вариант твердотельной памяти, который мог найти применение в задачах, где необходимо хранить большие объемы данных. 
Архитектура массивов Flash памяти приведена на рис.17. 
 

 


Используя новый в то время технологический процесс, доктору Фудзио Масуока удалось добиться невероятно малых (1мкм) размеров ячейки памяти. Так, площадь одной ячейки NAND памяти занимала всего  44% от площади EPROM ячейки памяти, и 85% от площади первой ячейки NOR FLASH памяти. 

Механизм функционирования одного транзистора NAND памяти был аналогичен работе транзисторов памяти первых микросхем Flash памяти с архитектурой NOR. Тем не менее, микросхема памяти с архитектурой NAND имела собственную логическую организацию, которая не имеет аналогов в других видах твердотельной памяти.

Логическая организация хранения данных в микросхеме NAND Flash памяти, организованная следующим образом (рис. 19). Весь массив памяти делится на блоки и страницы.
 


Блок – это наименьший  стираемый объем информации из массива памяти. Как правило, в одной микросхеме памяти присутствуют минимум два блока. Каждый блок состоит из страниц.

Страница является наименьшей адресуемой единицей для чтения/записи информации. Каждая страница состоит из основной и дополнительной области данных (рис. 20). 

 

 В современных микросхемах NAND Flash памяти объем основной области данных в странице варьируется от 4 до 8 Кб, дополнительная область в странице используется для хранения ECC и системных данных и составляет порядка сотни байт на каждые 4 Кб основных данных. 

Процесс программирования и чтения ячеек памяти значительно более сложный, чем у памяти с архитектурой NOR. Имея такую сложную внутреннюю организацию, память с архитектурой NAND не может использовать микропроцессорную шину  для непосредственного обмена микропроцессора с памятью.

Когда выполняется операция с массивом памяти, на микропроцессорную шину передается адрес, по которому определяется блок и страница, с которыми будет выполняться обмен данными. Адрес представлен адресом строки и адресом колонки. Адрес строки определяет адресуемую страницу в блоке, а адрес колонки используется для идентификации байта внутри страницы. 

После этого, страница целиком перемещается в буфер — регистр данных, где и производиться операции с информацией.

Структура типичной микросхемы NAND Flash памяти показана на рис. 21.
 
Для выполнения операций с массивом ячеек, микросхема NAND Flash памяти использует дополнительные управляющие элементы. Поэтому массивы NAND памяти должны быть скомпонованные в микросхеме с четко определенными параметрами, все дополнительные схемы и массив ячеек памяти рассчитываются и формируются на ранней стадии проектирования микросхемы. На рис. 22 показан пример компоновки микросхемы. В горизонтальном направлении размещается линия слов (строки), а вертикальном линия бит (колонки). Декодер строк находится по центру, между кристаллами (это устройство предназначено для декодирования адреса и выбора страницы в блоке). Все линии бит подключены к усилителям сигнала и декодеру колонки. (задача усилителя — преобразование считанного напряжения состояния ячейки в цифровое значение). Область периферийных устройств содержит регистр данных, и логические схемы управления работой микросхемы. Области контактов предназначены для подключения выводов микросхемы NAND Flash к контактам будущей микросхемы памяти.
 

Управление микросхемой NAND Flash памяти осуществляется специализированным драйвером. Специализированный драйвер и микросхема памяти взаимодействуют между собой, с использованием собственного логического протокола обмена. Протокол обмена между контролером и микросхемой использует собственные коды команд с соответствующими  комбинациями служебных сигналов управления микросхемой. Команды современных микросхем NAND памяти можно разделить на следующие группы:

• Команды получения статуса. Эти команды предназначены для получения основной информации о микросхеме (идентификатора микросхемы, объема памяти);
• Команды стирания, предназначенные для стирания одного или нескольких блоков хранимой информации;
• Команды записи, использующиеся для записи данных в массив памяти;
• Команды чтения, предназначенные для чтения данных из массива памяти;
• Команды внутреннего переноса данных, которые применяются для выполнения служебных операций с Flash накопителем.

   
Как правило, производители используют следующие унифицированные служебные сигналы для управления микросхемой NAND Flash памяти:
 

• CE#: Chip Enable – сигнал, который определяет в каком режиме находится микросхема.
• R/B#: сигнал Ready/Busy. Выходной сигнал, который определяет текущий статус микросхемы (занята/готова).
• RE#: сигнал разрешения чтения. Входящий сигнал, который используется для разрешения чтения из микросхемы.
• CLE: Разрешение передачи команд. Этим сигналом определяется что именно находится на линии входа микросхемы (код команды или данные).
• ALE:  Разрешение передачи адреса. Этот сигнал определяет, что по входной линии передается адрес.
• WE#: Разрешение записи. Сигнал разрешает запись в микросхему.
• WР#: Защита от записи. Сигнал отключает массив ячеек памяти  от возможности программирования или стирания данных.
• DQ<7:0>: мультиплексированная шина входных/выходных сигналов микросхемы.  

 

В 1989 году первый коммерческий чип памяти NAND объемом 256 Кбайт был выпущен компанией TOSHIBA. 

Идеи доктора Фудзио Масуока не были должным образом оценены и признаны руководством компании TOSHIBA. 

Продолжает свой рассказ доктор Фудзио Масуока:  «В то время я уже получил много предложений на продолжение работы в США, но я отклонял их, потому что хотел продолжать трудиться в Японии. Примерно в 1990 году, руководство компании TOSHIBA напрямую заявило, что больше не нуждается в моих услугах и предложило мне уйти с занимаемой должности. Я всячески этому сопротивлялся и не поддавался на угрозы, прекрасно понимая, что уход с моей должности означает потерять возможность продолжать исследования и разработку новых образцов Flash памяти. В 1993 году я заболел, мне поставили диагноз рак, и я был вынужден покинуть работу в TOSHIBA в начале 1994 года.»

Авт. В период с марта 2004 по сентябрь 2005 года доктор Фудзио Масуока подал три заявления в суд на компанию TOSHIBA, и потребовал заплатить ему около 1.1 миллиарда долларов компенсации, обосновывая это тем, что компания TOSHIBA заработала не менее 20 миллиардов долларов на продаже продуктов, связанных с использованием его авторского права, как разработчика Flash памяти. В итоге судебных разбирательств, компания TOSHIBA выплатила ему около 1 млн. долларов компенсации.

Технологии NOR и NAND применяются в разных устройствах, и в ближайшее время вряд ли будут заменены. Микросхемы с архитектурой NOR применяют в микропроцессорных устройствах для хранения кода программ, где критичным является время доступа к чтению сохраненных данных. Микросхемы с архитектурой NAND, в свою очередь, находит применение в устройствах, где необходимо хранить большие объемы данных, и стали основой для создания носителей информации. 

Заключение

Как показывает история, пионерами новых технологий являются как правило обычные люди, которым дают возможность самореализоваться в условиях сложного и порой непредсказуемого производства. Дальнейшая судьба их складывалась по разному. Так, Дов Фрохман до 2001 года был руководителем подразделения INTEL в Израиле, в настоящее время продолжает консультировать разработчиков в сфере полупроводников. 

Доктор Фудзио Масуока, несмотря на свою болезнь, продолжает работать над совершенствованием Flash памяти. Его новая идея - трехмерный тип ячейки памяти, которая несомненно позволит в свое время сделать новый шаг в истории эволюции Flash памяти. 
Об истории создания первых энергонезависимых микросхем памяти в СССР мы рассказать ничего не можем. Причиной этому являются  принятые в свое время меры повышенной секретности на предприятиях-изготовителях и в конструкторских бюро. Возможно, что в будущем, информация о разработчиках  и ученых из бывшего СССР станет достоянием общественности.