Флеш-пам’ять (flash memory)  – різновид твердотілої напівпровідникової енергонезалежної пам’яті, яку можна перезаписувати. Існує два основних  технологічних типи флеш-пам’яті, які називаються NOR (НЕ  АБО) та NAND (НЕ І).

Японський інженер Фудзіо Мусіока з компанії Toshiba винайшов  флеш-пам’ять на початку 1980 років, та презентував свій винахід у 1984 році. У 1988 році фірма Intel  представила перші комерційні зразки флеш-пам’яті NOR типу.  Флеш-пам’ять NAND типу випустила компанія Toshiba у 1989 р.

Принцип роботи флеш-пам’яті

Флеш-пам’ять зберігає інформацію в масиві «комірок», кожна з яких традиційно зберігає по одному (або більше) біту інформації. Кожна комірка являє собою транзистор з двома ізольованими затворами: керуючим і “плаваючим”. Важлива особливість останнього – здатність утримувати електрони, тобто заряд. Крім того, в комірці є електроди, які називаються “стік” і “джерело”. При програмуванні між ними, за рахунок впливу позитивного поля на керуючому затворі, створюється канал – потік електронів. Деякі з електронів завдяки наявності більшої енергії долають шар ізолятора і потрапляють на плаваючий затвор. На ньому вони можуть зберігатися протягом декількох років.  Певний діапазон кількості електронів (заряду) на плаваючому затворі відповідає логічній одиниці, а все, що більше його, – нулю. При читанні ці стани розпізнаються шляхом вимірювання граничної напруги транзистора.

Для стирання інформації на керуючий затвор подається висока негативна напруга, і електрони з плаваючого затвора переходять на джерело. У технологіях різних виробників цей принцип роботи може відрізнятися за способом подачі струму і читання даних з комірки.

Типи флеш-пам’яті

• Флеш-пам’ять NOR працює подібно до пам’яті DRAM та забезпечує високу швидкість довільного доступу та можливість звертатися до комірок по одній.  До кожної комірки підведений окремий провідник. Така архітектура накладає обмеження на максимальний об’єм пам’яті на одиниці площі. Найчастіше, пам’ять NOR використовується  в мікросхемаїх BIOS та інших ПЗП, де дані випадковим чином читаються та записуються .
• В пам’яті NAND комірки групуються в невеликі блоки і читання та запис можливо тільки цілими блоками. Звертатися до комірок  в довільному  режимі такий тип пам’яті не вміє, але на відміну від NOR, NAND пам’ять має більшу щільність запису,  меншу вартість,  та високу швидкість читання та запису послідовних даних. Всі сучасні  файлоорієнтовані флеш-накопичувачі використовують NAND пам’ять.

В даний час NOR і NAND-архітектури існують паралельно та  ніяк не конкурують один з одним, оскільки мають різну область застосування. NOR використовється для простого зберігання даних малого об’єму, NAND – для зберігання даних великого розміру.

Види комірок NAND-пам’яті 

• SLC – Single Level Cell – комірка з одним рівнем. Має високу продуктивність, низьке енергоспоживання та найбільшу швидкість запису та циклів перезапису. Вартість такого виду пам’яті дуже висока, тому зазвичай використовується в серверах високого рівня.
• MLC – Multi Level Cell – комірка з декількома рівнями. Має меншу вартість, порівняно з SLC, але має і меншу витривалість та кількість циклів перезапису. Має найкраще співвідношення ціна/швидкість роботи.  eMLC – Enterprise Multi Level Cell – комірка, аналогічна за структурою MLC, але має збільшений ресурс циклів перезапису.
• TLC – Three Level Cell – комірка з трьома рівнями. Має більшу щільність, але меншу витривалість, повільнішу швидкість читання і запису та меншу кількість циклів перезапису порівняно з SLC та MLC.  Таким чином, для зберігання великих обсягів інформації, які не будуть часто перезаписуватися, краще обрати TLC-накопичувачі, а для повсякденної роботи, встановлення операційної ситеми і програм – накопичувачі MLC типу.

Всі описані типи комірок відносяться до планарного типу, тобто 2D. Їх недоліком є те, що для збільшення щільності необхідно зменшувати техпроцес. Для подолання цих обмежень були розроблені 3D комірки пам’яті. Такі комірки являють собою циліндр. і дозволяють розмістити більшу кількість комірок пам’яті в одному шарі мікросхеми. Такі комірки називаються 3D V-NAND і 3D TLC. По ємності і надійності вони відповідають коміркам TLC.

Одна з головних проблем, пов’язаних з флеш-пам’яттю – обмеженість кількості циклів перезапису. Наприклад, комірки SLC можуть витримати 100 тис. циклів перезапису, а MLC – 10 тис. Тому в накопичувачах використовуються складні алгоритми, які дозволяють рівномірно використовувати комірки пам’яті. Крім того, передбачена певна кількість запасних комірок, які замінюють ті, що вийшли з ладу.

Основні типи пристроїв флеш-пам’яті:

1. USB-накопичувач – носій інформації, що використовує флеш-пам’ять для збереження даних та підключається до комп’ютера чи іншого пристрою через USB-порт. Існують накопичувачі ємністю 2 ТБ, найбільш популярні  – 16-64 Гб. Швидкість передачі інформації може сягати 500 Мбіт/c. Найпопулярніші виробники USB-накопичувачів – Transcend, Silicon Power, Kingstone, SanDisk, ADATA.

2. Карта пам’яті – компактний носій інформації на основі флеш-пам’яті, який використовується в електронних пристроях: цифрових фото- і відеокамерах, мобільних телефонах, планшетах та ін.

Найпопулярніші стандарти карт пам’яті:

• CompactFlash –  застарілий формат, карти  великого розміру, мають високу швидкість запису даних, максимальна ємність 256 Гб;
• Memory Stick – формат карт, який використовується в пристроях Sony;
• xD – формат, разработанный для пристроїв фірми Olympus та Fujifilm;
• SD Card (Secure Digital Card) – найпопулярніший стандарт карт пам’яті, більшість пристроїв, що працюють з картами, підтримують цей стандарт. Існує в трьох форматах – SD (ємність до 2 Гб), SDHC (від 4 Гб до 32 Гб)  і SDXC (до 2 Тб), які доступні в двох форм-факторах: microSD (використовуються в мобільних телефонах та інших компактних пристроях) та SD (використовуються в фото- та відеокамерах та іншій, відносно габаритній техніці).

Одна з найголовніших характеристик SD карт – швидкість обміну інформацією. Виробники позначають  її у вигляді класу:

• SD Class 2: швидкість запису не менше 2 МБ/с;
• SD Class 4: швидкість запису не менше 4 МБ/с;
• SD Class 6: швидкість запису не менше МБ/с;
• SD Class 10: швидкість запису не менше 10 МБ/с;

Останні версії стандарту можуть бути засновані на високошвидкісній шині передачі даних Ultra High Speed bus. Такі карти позначаються літерою U і цифрами I або II. UHS-I забезпечує швидкіть обміну до 104 МБ/c, UHS-II  – до 312 МБ/c.

Інформацію з карт-пам’яті на інші накопичувачі можна перенести за допомогою спеціального пристрою – кардрідера, який може бути  внутрішнім (вбудованим в ноутбук або комп’ютер), або  зовнішнім (підключатися через USB роз’єм).

3. Твердотілий накопичувач SSD – накопичувач, який використовується в якості заміни жорсткого диску.

Порівняно з HDD мають наступні переваги:

• більша швидкість передачі інформації, недосяжна для HDD;
• низьке енергоспоживання;
• низьке тепловиділення;
• безшумна робота;
• менша вага;
• на відміну від HDD не мають рухомих частин, тому мають високу надійність.

Недоліки:

• висока вартість 1 Гб порівняно з HDD;
• чутливість до стрибків напруги.

Основними характеристиками SSD-накопичувачів є:

• ємність – існуюють накопичувачі на кілька десятків Тб, найбільш популярні – 256 Гб – 1Тб;
• інтерфейс підключення – сучасні SSD накопичувачі підключаються через інтерфейс SATAIII та через PCI Express.
• форм-фактор – існують наступні форм-фактори  накопичувачів SSD:
  • 2,5 ” SATA  – класичний форм-фактор, підключаються через інтерфейс SATA;
  • mSATA – підключаються через інтерфейс SATA та спеціальний слот на материнській платі, вважається застарілим;
  • M.2  – підключаються до спеціального слоту M.2 на материнській платі через інтерфейс PCIe;
  • PCI Express Add-In Card – виконані у вигляді плати, що вставляється в стандартний роз’єм PCIe на материнській платі.
• тип комірок пам’яті – SLC, MLC, TLC та ін.