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Una memoria flash, o flash memory, è una memoria permanente riscrivibile (EEPROM) organizzata a blocchi, ovvero un circuito semiconduttore sul quale è possibile immagazzinare dati in forma binaria mantenendoli anche in assenza di alimentazione.
Trattandosi di un circuito elettronico, non presenta alcuna parte mobile, ed è per questo motivo piuttosto resistente alle sollecitazioni e agli urti, ed inoltre è estremamente leggero e di piccole dimensioni.
Questo tipo di memoria portatile è particolarmente indicato per la trasportabilità, proprio in virtù del fatto che non richiede alimentazione elettrica per mantenere i dati e che occupa poco spazio; è infatti molto usato nelle fotocamere digitali, nei lettori di musica portatili, nei cellulari, nei pendrive, nei palmari, nei moderni PC portatili e in molti altri dispositivi che richiedono un'elevata portabilità e una buona capacità di memoria per il salvataggio dei dati.
Le informazioni vengono registrate in un array di transistor chiamati celle, ognuna delle quali conserva il valore di un bit. Le nuove flash utilizzano delle celle multilivello che permettono di registrare il valore di più bit attraverso un solo transistor.
Se consideriamo le memorie NOR, le prime ad essere state prodotte, ogni cella è simile ad un MOSFET ma con due gate anziché uno soltanto. Uno è il solito CG (Control Gate) mentre l'altro viene chiamato Floating Gate (FG) che risulta essere completamente isolato da uno strato di ossido. Il floating gate si trova tra il CG e il substrato. Siccome il FG è isolato, ogni elettrone che gli passa sopra viene intrappolato permettendo così di conservare il bit di informazione. Quando gli elettroni si attestano sul FG, essi modificano il campo elettrico proveniente dal CG e ciò influenza la tensione di soglia (Vt) della cella. Durante un'operazione di lettura, applicando una tensione sul CG, la corrente fluisce o meno a seconda della Vt della cella che è controllata dal numero di elettroni presenti sul FG. Questa presenza o assenza di corrente viene tradotta in 0 o 1, riproducendo il valore del bit memorizzato.
L'inserimento e l'estrazione degli elettroni sfruttano l'effetto tunnel, le memorie flash sono a tutti gli effetti i dispositivi quantistici più diffusi in assoluto. Le memorie flash secondo i postulati della fisica classica non dovrebbero funzionare dato che il Floating Gate non è collegato fisicamente a nessuna linea e quindi gli elettroni non dovrebbero scorrere. Grazie all'effetto tunnel invece applicando un adeguata differenza di potenziale alcuni elettroni saltano raggiungendo il Floating Gate e rimanendovi bloccati.
Per espandere la capacità delle memorie sono state sviluppate le celle a multilivello, in queste celle non si controlla soltanto l'assenza o presenza di corrente ma si precisa anche il suo valore che dipende naturalmente dal numero di elettroni intrappolati dal FG, in questo modo si possono memorizzare più bit. Per programmare il valore di una cella si avvia un flusso di elettroni dal source al drain poi una tensione molto elevata viene imposta sul CG che genera un campo elettrico sufficientemente elevato affinché gli elettroni vengano intrappolati nel FG. Questo processo viene chiamato "hot-electron injection". È da qui che prende origine la denominazione di flash, perché il CG non fa nient'altro che "flashare" il FG attraverso una tensione molto elevata.
Per la cancellazione viene applicata una differenza di tensione tra CG e source per far sì che gli elettroni vengano estratti dal FG attraverso un processo chiamato Fowler-Nordheim. Le memorie NOR moderne raggruppano le celle in segmenti chiamati blocchi o settori in maniera che le operazioni di cancellazione avvengano contemporaneamente su tutte le celle appartenenti allo stesso segmento.
Le memorie NOR minimizzano il tempo di accesso per letture random e vengono utilizzate nel caso in cui si debba eseguire del codice direttamente dalla memoria. Sono nate per sostituire le EEPROM e vengono impiegate ad esempio per contenere il firmware di un microcontrollore che viene eseguito direttamente e non viene aggiornato frequentemente. Sono state usate nelle prime Compact Flash soprattutto per conservare il firmware delle fotocamere digitali e dei PDA.
Nel corso degli anni è stata introdotta una nuova tipologia chiamata NAND. È stata concepita per la memorizzazione di grandi quantità di dati in maniera sequenziale, a piccoli blocchi e con un costo contenuto. Il progetto nasce nel 1989 da una collaborazione tra Samsung e Toshiba. Questo tipo di memoria si è diffuso velocemente tant'è che buona parte degli attuali dispositivi flash SM-SmartMedia, SD-Secure Digital, MS-MemoryStick, si basano su di esso.
Le memorie NAND sono ottimizzate per l'aggiornamento rapido dei dati. Si consideri che il settore di cancellazione per le NAND è di 8 Kb contro i 64 Kb delle NOR. Questo significa che in una memoria NOR, anche se dobbiamo aggiornare un solo byte, siamo costretti a cancellare un intero blocco di 64 Kb e riscriverlo per intero con evidenti problemi di prestazioni. Inoltre a parità di capacità risulta meno costoso produrre una NAND rispetto alla NOR.
Le memorie NOR hanno subito un'evoluzione con l'introduzione delle DINOR (Divided Bit-Line NOR) che permettono la cancellazione di più settori contemporaneamente, migliori prestazioni e consumo energetico attraverso dei meccanismi di tunnel injection e tunnel release per le operazioni di lettura e scrittura.
Infine, Hitachi ha introdotto una quarta tipologia di memoria chiamata AND che sembra sintetizzare i migliori aspetti delle NAND e delle NOR con alte velocità di cancellazione, basso consumo, blocchi di lettura e scrittura ridotti.
È importante sottolineare una limitazione delle memorie flash secondo cui la cancellazione dei dati avviene per blocchi completi e non per singolo byte. Nel momento in cui un byte viene programmato non può essere cancellato se non dopo la cancellazione dell'intero blocco.
In pratica le flash offrono un accesso random in lettura e scrittura ma non nelle operazioni di modifica e cancellazione. È questa una delle ragioni per la quale, al momento, non è possibile sostituire le RAM dei PC con queste tipologie che permetterebbero di non perdere le informazioni nel caso in cui ci sia un'interruzione improvvisa dell'alimentazione (blackout).
Altre due ragioni sono che l'accesso sia in lettura che in scrittura alle memorie FLASH richiede molto più tempo rispetto ad una RAM attuale, e che comunque il numero di scritture che una memoria FLASH può supportare non è illimitato seppur molto alto (oltre 10^5 cicli di scrittura).
Storia delle memorie flash [modifica]
Intel fu la prima società a produrre una memorie Flash e a introdurle nel mercato come componenti singoli. Nel 1988 il gruppo ha lanciato un chip Flash a 256 Kbit delle dimensioni di una scatola per scarpe, dimostrando poi i vantaggi della memoria embedded usando un vecchio registratore di voce, che poteva riempire una borsa per documenti. L'invenzione di Intel prese il nome di NOR Flash. Sviluppata con tecnologie EPROM ed EEPROM, ed equipaggiata con un'interfaccia SRAM, NOR Flash aveva velocità di scrittura e lettura che sarebbero considerate lentissime se paragonate agli standard attuali, e poteva gestire solo un piccolo quantitativo di cicli di scrittura (circa 100.000). Questo tipo di memoria è impiegata principalmente in quei campi che richiedono il salvataggio permanente di dati raramente soggetti a modifiche; per esempio, i sistemi operativi delle fotocamere digitali o dei telefoni cellulari.
Diversamente dalle tecnologie precedenti, la tecnologia Flash ha reso possibile il salvataggio o la cancellazione di dati in un unico step, introducendo quindi un incredibile guadagno in velocità. Persino oggi la natura non volatile di queste memorie è da considerarsi uno dei più grandi vantaggi: i dati sono preservati persino quando manca l'alimentazione elettrica. Il secondo tipo di memoria Flash è la NAND Flash, inventata nel 1989 da Toshiba, si è subito presentata come l'alternativa più veloce ed economica alle memorie NOR Flash. In confronto a NOR, la tecnologia NAND aumentava di dieci volte il numero dei cicli di scrittura aumentando di conseguenza la velocità dei processi. Inoltre, le celle di memoria delle flash NAND erano grandi solo la metà delle celle delle memorie NOR. Questo rappresentò innanzitutto un grande vantaggio in termini economici: le ridotte dimensioni delle celle permettevano l'utilizzo di maggiori capacità di immagazzinamento nello stesso spazio di una NOR, quindi minor costo per l'acquirente e un margine superiore per il costruttore.
Secondo il produttore di Flash M-System, NAND cancella i dati in meno di quattro millisecondi, mentre NOR necessita di almeno cinque secondi per la stessa operazione. Il motivo di questo grande incremento di velocità, è la maggiore dimensione dei blocchi nelle memorie NOR - da 64 a 128 KByte. D'altra parte, NAND deve accedere a blocchi tra gli 8 e i 32 KByte. Grazie a queste migliori prestazioni, NAND viene solitamente utilizzata nelle schede di memoria CompactFlash, SmartMedia, SD, MMC, xD, PC cards, memory stick USB e come principale Storage di Portatili moderni (Maggio 2006 da Samsung, Samsung Q1 e Samsung Q30).
Ambiti di impiego delle memorie flash [modifica]
Attualmente esistono vari standard di memory card:
Tutti questi diversi dispositivi hanno come unico scopo quello di conservare, anche in assenza di alimentazione, delle informazioni in formato digitale. Ognuna di esse ha delle caratteristiche ben specifiche in termini di dimensioni e funzionalità. I produttori hanno tentato di realizzare dei dispositivi che siano di dimensioni ridotte, facili da utilizzare, e sufficientemente robusti.
Solid State Disk [modifica]
I Solid State Disk sono un prodotto da tempo già presente sul mercato, inizialmente dedicato ad applicazioni particolarmente critiche di tipo militare ed industriale. Oggi questa tipologia di Memorie si propone invece come sostituto per hard disk di Portatili o altri dispositivi Mobile. Le prestazioni rispetto un hard disk tradizionale sono superiori: maggiore velocità nella lettura e scrittura dei dati, maggiore affidabilità, altissima resistenza agli shock meccanici, bassissimi consumi. Per contro il costo è molto più alto, anche se le previsioni di mercato ne annunciano una forte diffusione man mano che la tecnologia flash sarà più matura e i costi di produzione si abbasseranno.
I dischi allo stato solido non consentirebbero, come i tradizionali supporti magnetici, un numero illimitato di scritture; tuttavia all'interno dei dispositivi di archiviazione sono inseriti, a livello hardware, degli speciali algoritmi che evitano la località dell'accesso alle celle di memoria prolungando notevolmente la vita del dispositivo.
Le memorie flash sono oggi utilizzate in ambito informatico per contenere il BIOS.
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