Parte 2 - Como funciona a memória flash

Como funciona a memória flash
Série de cartões SD - Parte 2

O coração de qualquer cartão SD é o chip de memória flash. Portanto, para entender porque a qualidade do cartão SD nem sempre é a mesma, precisamos saber como a memória flash é fabricada e como ela funciona.

Este post faz parte de uma mini-série de três partes sobre cartões SD com algumas informações detalhadas.

Conteúdo

Se você precisar de uma visão geral ou de um lembrete rápido sobre o tópico, este gráfico informativo deve lhe servir bem.

5 Memória Flash
5 Memória Flash

Porque é que o Silicon é usado para criar memória flash

A memória flash e outros micro chips são feitos de silício porque é um semicondutor. Isso significa que ele só está conduzindo eletricidade sob certas condições. Além disso, o silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre.

Silício
Silício

A semicondutividade do silício garante aos fabricantes o controle completo das propriedades elétricas dos materiais à base de silício através da adição de pequenas quantidades de impurezas. Estas são principalmente boro, fósforo, arsênico e antimônio.

Produção de pastilhas de silício

O primeiro passo na produção de memória flash é a criação de um lingote de silício. Existem vários métodos para obter um lingote cilíndrico. Vamos dar uma olhada no método Czochralski comumente usado.

método Czochralski

O químico polaco Jan Czochralski inventou um método para produzir lingotes de silício monocristalino de alta pureza.

método Czochralski
método Czochralski

O silício é fundido num cadinho. Depois disso, um cristal de semente é introduzido no derretimento. Ele é lentamente puxado para cima, enquanto o cadinho e o cristal giram em direções opostas. Isto leva a um lingote cilíndrico de silício muito homogêneo, que também é chamado de boule.

Fatiamento

Uma serra de wafer corta o boule em wafers, que são discos muito finos (cerca de 100-500 μm grosso). As hóstias são polidas física e quimicamente para remover quaisquer defeitos e impurezas até uma escala atómica.

Produção de Caçonetes

Claro que as bolachas ainda não possuem super poderes. Primeiro têm de ser transformadas em moldes. Um molde é apenas um pedaço de silício que contém um Circuito Integrado.

O processo mais utilizado para imprimir o Circuito Integrado na bolacha é fotolitografia.

Este processo é simples de entender mas muito difícil de realizar com qualidade consistente, devido à escala extremamente pequena dos Circuitos Integrados.

Fotolitografia

Dê uma olhada no gráfico abaixo, que mostra a configuração da Fotolitografia.

Fotolitografia
Configuração de Fotolitografia

O wafer é limpo novamente após o envio para remover quaisquer contaminantes provenientes da embalagem. Em seguida, ela é preparada com uma camada microscopicamente fina e perfeitamente uniforme de silício e fotorresistente. Uma abertura constituída por uma fonte de luz e lentes projecta a fotomáscara sobre a bolacha. A maioria das empresas utiliza luz UV de alta energia. Após algumas etapas adicionais, o padrão da fotomáscara é transferido para a camada de silício no topo da pastilha.

Depois disso, a primeira camada deve ser limpa para poder começar com a camada seguinte. A máquina fotolitográfica repete estes passos para cada camada até que a estrutura 3D específica da memória flash esteja terminada.

Nesta fase a bolacha parece um disco com muitas células no topo. Estas células, na sua maioria quadráticas, são os moldes individuais, que neste caso são unidades únicas de memória flash.

Antes que as pastilhas possam ser processadas posteriormente, a qualidade de cada molde precisa ser determinada. O resultado é o chamado mapa das bolachas que indica a qualidade de cada molde na bolacha. Devido à natureza do processo de produção, há uma tendência que no centro tem um melhor desempenho do que os moldes perto da borda.

Os moldes que atingem o padrão de qualidade exigido são os cortados da pastilha e incorporados em dispositivos de memória flash.

Agora você sabe como a memória flash é produzida. É claro que é quase impossível ter sempre resultados perfeitamente consistentes devido à enorme quantidade de parâmetros que influenciam a produção.

Tudo, desde os materiais até às máquinas, tem de ser de qualidade perfeita para maximizar as quantidades de moldes em funcionamento em cada bolacha.

Estrutura da Memória Flash

Uma única célula de memória flash pode armazenar 1 Bit. A célula consiste em uma fonte e um dreno, bem como uma porta flutuante e uma porta de controle, tudo em cima do substrato de silício.

Célula de Memória Flash
Célula de Memória Flash

Existem camadas de óxido entre a porta de controle, a porta flutuante e o substrato de silício. Elas impedem que os elétrons se movimentem livremente, mas os elétrons podem fazer túneis através dessas camadas sob certas circunstâncias.

Dados de Leitura e Escrita

As operações de escrita e leitura são controladas através da aplicação de tensões na célula de memória flash.

Leitura

Para ler o bit armazenado, a fonte é puxada para terra ou 0V e cerca de 3V são aplicados no dreno e na porta de controle. Isto força os electrões a deslocarem-se horizontalmente da fonte para o dreno se a porta flutuante estiver vazia. O fluxo de corrente é interpretado como uma lógica 1.

No entanto, se os electrões estiverem presos na porta flutuante, eles impedem o fluxo de corrente da fonte para o dreno, o que é interpretado como uma lógica 0.

Escrevendo

Para escrever uma lógica 0 para a célula de memória flash, os electrões precisam de estar presos na porta flutuante. Isto é conseguido aplicando 0V à fonte, cerca de 7V ao dreno e uma tensão ainda maior de cerca de 10V à porta de controlo.

Os elétrons são forçados a se mover horizontalmente da fonte para o dreno novamente, mas alguns vão fazer um túnel para o portão flutuante por causa da tensão mais alta. Uma vez removidas as tensões, esses elétrons ficam presos entre as duas camadas de óxido por até 10 anos! Mas, eventualmente, eles vão fazer um túnel para fora da porta flutuante e os dados serão perdidos. Portanto, você deve fazer backups regulares de quaisquer arquivos importantes que residam em unidades flash.

Para remover os electrões da porta flutuante e escrever uma lógica 1 a porta de controlo é puxada para a terra ou 0V e a fonte, o substrato de silicone e o dreno são colocados em cerca de 10V. Assim, os electrões são forçados a sair da porta flutuante.

É claro que cada célula de memória flash tem um número limitado de operações de leitura e escrita até que se desgaste. Assim, a maioria dos sistemas modernos tenta distribuir dados para que nenhuma célula seja usada com mais freqüência do que outras, para garantir a máxima vida útil da memória flash.

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