Che cos’è la memoria flash?
Foto: Una tipica chiavetta USB e il chip di memoria flash che si trova all’interno se la si smonta (il grande rettangolo nero sulla destra).
I transistor ordinari sono interruttori elettronici che si accendono o si spengono grazie all’elettricità e questa è sia la loro forza che la loro debolezza. È una forza, perché significa che un computer può immagazzinare informazioni semplicemente bypassando i modelli di elettricità attraverso i suoi circuiti di memoria. Ma è anche una debolezza, perché non appena la corrente viene spenta, tutti i transistor ritornano al loro stato originale e il computer perde tutte le informazioni che ha memorizzato. È come un gigantesco attacco di amnesia elettronica!
Foto: iPod Apple, passato e presente. Quello bianco a sinistra è un iPod classico vecchio stile con una memoria da 20GB. Il nuovo modello nero sulla destra ha una memoria flash da 32GB, che lo rende più leggero, più sottile, più robusto (meno probabile che muoia se lo fai cadere), e meno affamato di energia.
La memoria che “dimentica” quando si spegne è chiamata Random Access Memory (RAM). C’è un altro tipo di memoria chiamata Read-Only Memory (ROM) che non soffre di questo problema. I chip ROM sono pre-memorizzati all’interno delle informazioni quando sono fabbricati, così non “dimenticano” ciò che sanno quando si accende e si spegne la corrente. Tuttavia, le informazioni che immagazzinano sono lì in modo permanente: non possono più essere scritte. In pratica, un computer usa un misto di diversi tipi di memoria per diversi scopi. Le cose che ha bisogno di ricordare per tutto il tempo, come cosa fare quando si accende per la prima volta, sono memorizzate nei chip ROM. Quando stai lavorando sul tuo computer e ha bisogno di memoria temporanea per elaborare le cose, usa i chip RAM; non importa se queste informazioni vengono perse in seguito. Le informazioni che vuoi che un computer ricordi indefinitamente sono memorizzate sul suo disco rigido. Ci vuole più tempo per leggere e scrivere informazioni da un disco rigido che dai chip di memoria, quindi i dischi rigidi non sono generalmente usati come memoria temporanea. Nei gadget come le fotocamere digitali e i piccoli lettori MP3, la memoria flash è usata al posto del disco rigido. Ha alcune cose in comune con la RAM e la ROM. Come la ROM, ricorda le informazioni quando la corrente è spenta; come la RAM, può essere cancellata e riscritta più e più volte.
Come funziona la memoria flash – una spiegazione semplice
Foto: Gira la scheda di memoria flash di una fotocamera digitale e puoi vedere i contatti elettrici che permettono alla fotocamera di collegarsi al chip di memoria all’interno della custodia protettiva di plastica.
Flash funziona utilizzando un tipo completamente diverso di transistor che rimane acceso (o spento) anche quando la corrente è spenta.Un transistor normale ha tre connessioni (fili che lo controllano) chiamate source, drain egate. Pensate a un transistor come a un tubo attraverso il quale l’elettricità può scorrere come se fosse acqua. Un’estremità del tubo (dove scorre l’acqua) è chiamata thesource – pensate a questo come a un rubinetto. L’altra estremità del tubo è chiamata lo scarico, dove l’acqua defluisce e scorre via. Tra la sorgente e lo scarico, bloccando il tubo, c’è un cancello. Quando il gate è chiuso, il tubo è chiuso, nessuna elettricità può fluire e il transistor è spento. In questo stato, il transistor immagazzina azero. Quando il cancello è aperto, l’elettricità scorre, il transistor è acceso e memorizza un uno. Ma quando la corrente viene spenta, anche il transistor si spegne. Quando riaccendete la corrente, il transistor è ancora spento, e siccome non potete sapere se era acceso o spento prima che la corrente fosse tolta, potete capire perché diciamo che “dimentica” ogni informazione memorizzata.
Un transistor flash è diverso perché ha un secondo gate sopra il primo. Quando il cancello si apre, un po’ di energia elettrica risale il primo cancello e rimane lì, tra il primo cancello e il secondo, registrando un numero uno.Anche se l’alimentazione viene spenta, l’elettricità è ancora lì tra i due cancelli. Questo è il modo in cui il transistor memorizza le sue informazioni sia che l’alimentazione sia accesa o spenta. L’informazione può essere cancellata facendo sì che l'”elettricità intrappolata” scenda di nuovo verso il basso.
Come funziona la memoria flash – una spiegazione più complessa
Questa è una spiegazione molto glissata e altamente semplificata di qualcosa che è estremamente complesso. Se volete maggiori dettagli, è utile che leggiate prima il nostro articolo sui transistor, specialmente la parte in basso sui MOSFET e poi continuate a leggere.
I transistor nella memoria flash sono come i MOSFET solo che hanno due porte in cima invece di una. Questo è l’aspetto di un transistor flash all’interno. Potete vedere che è un sandwich n-p-n con due gate in cima, uno chiamato gate di controllo e uno chiamato floating gate. I due gate sono separati da strati di ossido attraverso i quali la corrente non può normalmente passare:
In questo stato, il transistor è spento e sta effettivamente memorizzando uno zero. Sia la regione della sorgente che quella del drenaggio sono ricche di elettroni (perché sono fatte di silicio di tipo n), ma gli elettroni non possono fluire dalla sorgente al drenaggio a causa del materiale carente di elettroni di tipo p tra di loro. Ma se applichiamo una tensione positiva ai due contatti del transistor, chiamati bitline e wordline, gli elettroni vengono tirati di corsa dalla sorgente al drenaggio. Alcuni riescono anche a passare attraverso lo strato di ossido per un processo chiamato tunnelling e rimangono bloccati sul gate flottante:
La presenza di elettroni sul gate flottante è il modo in cui un transistor flash memorizza un uno. Gli elettroni rimarranno lì indefinitamente, anche quando le tensioni positive vengono rimosse e se il circuito è alimentato o meno. Gli elettroni possono essere liberati mettendo una tensione negativa sulla linea della parola, che respinge gli elettroni nel modo in cui sono venuti, liberando il gate fluttuante e facendo sì che il transistor memorizzi di nuovo uno zero.
Non è un processo facile da capire, ma è così che la memoria flash fa la sua magia!
Quanto dura la memoria flash?
La memoria flash alla fine si consuma perché i suoi floating gate impiegano più tempo per funzionare dopo essere stati usati un certo numero di volte. È ampiamente citato che la memoria flash si degrada dopo essere stata scritta e riscritta circa “10.000 volte”, ma questo è fuorviante. Secondo un brevetto flash del 1990 di Steven Wells di Intel, “anche se la commutazione comincia a richiedere più tempo dopo circa diecimila operazioni di commutazione, sono necessarie circa centomila operazioni di commutazione prima che il tempo di commutazione esteso abbia qualche effetto sul funzionamento del sistema. “Che siano 10.000 o 100.000, di solito va bene per una chiavetta USB o la scheda di memoria SD di una fotocamera digitale che si usa una volta alla settimana, ma meno soddisfacente per la memoria principale di un computer, un cellulare o altri gadget che vengono usati quotidianamente per anni. Un modo pratico per aggirare il limite è che il sistema operativo assicuri che diversi bit della memoria flash siano usati ogni volta che le informazioni vengono cancellate e memorizzate (tecnicamente, questo si chiama wear-leveling), così nessun bit viene cancellato troppo spesso. In pratica, i computer moderni potrebbero semplicemente ignorare e “aggirare” le parti difettose di un chip di memoria flash, proprio come possono ignorare i settori difettosi su un disco rigido, quindi il limite di vita pratica reale delle unità flash è molto più alto: da qualche parte tra 10.000 e 1 milione di cicli. Sono stati dimostrati dispositivi flash all’avanguardia che sopravvivono per 100 milioni di cicli o più.
Chi ha inventato la memoria flash?
Flash è stata originariamente sviluppata dall’ingegnere elettrico di Toshiba Fujio Masuoka, che ha presentato il brevetto USA 4.531.203 sull’idea con il collega Hisakazu Iizuka nel 1981. Originariamente conosciuta come EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) cancellabile simultaneamente, si guadagnò il soprannome di “flash” perché poteva essere cancellata e riprogrammata istantaneamente, veloce come il flash di una macchina fotografica. A quel tempo, i chip di memoria cancellabili allo stato dell’arte (EPROMS ordinari) richiedevano circa 20 minuti per essere cancellati per il riutilizzo con un fascio di luce ultravioletta, il che significava che avevano bisogno di imballaggi costosi e trasparenti alla luce. Esistevano EPROMS più economiche e cancellabili elettricamente, ma utilizzavano un design più ingombrante e meno efficiente che richiedeva due transistor per memorizzare ogni bit di informazione. La memoria flash ha risolto questi problemi.
Foto: 1) Memoria cancellabile prima del flash: i chip EPROM avevano delle piccole finestre rotonde nella parte superiore attraverso le quali si poteva cancellare il loro contenuto usando un lungo getto di luce UV.Se siete interessati, questo è un 32KB (kilobyte) AMD AM27C256 risalente al 1986, quindi ha circa 1000 volte meno capacità di memorizzazione anche della piccola scheda SD da 32MB (megabyte) nella foto in alto.2) Un primo piano della finestra trasparente ai raggi UV e del chip cablato all’interno della confezione.
Toshiba ha rilasciato i primi chip flash nel 1987, ma la maggior parte di noi non ha incontrato la tecnologia per un altro decennio circa, dopo che le schede di memoria SD sono apparse per la prima volta nel 1999 (sostenute congiuntamente da Toshiba, Matsushita e SanDisk). Le schede SD permisero alle fotocamere digitali di registrare centinaia di foto e le resero molto più utili delle vecchie fotocamere a pellicola, che erano limitate a scattare circa 24-36 foto alla volta. Toshiba lanciò il primo lettore di musica digitale usando una scheda SD l’anno successivo. La Apple ci mise qualche anno in più per recuperare il ritardo e abbracciare completamente la tecnologia flash nel suo lettore di musica digitale, l’iPod. I primi iPod “classici” usavano tutti dischi rigidi, ma l’uscita del piccolo iPod Shuffle nel 2005 ha segnato l’inizio di un graduale cambiamento, e tutti i moderni iPod e iPhone ora usano invece la memoria flash.
Qual è il futuro della memoria flash?
Flash ha rapidamente superato l’archiviazione magnetica nell’ultimo decennio o giù di lì; in tutto, dai supercomputer e computer portatili agli smartphone e iPod, i dischi rigidi hanno sempre più ceduto il passo a veloci e compatti SSD (unità a stato solido) basati su chip flash. Questa tendenza è stata guidata da – e ha contribuito a guidare – un’altra: il passaggio dai computer desktop e dai telefoni fissi ai dispositivi mobili (smartphone e tablet) e ai telefoni cellulari, che hanno bisogno di memorie ultracompatte, ad alta densità ed estremamente affidabili, in grado di sopportare le sollecitazioni di essere gettati in giro nei nostri zaini e valigette. Queste tendenze stanno ora favorendo la tecnologia 3D flash (“stacked”), sviluppata nei primi anni 2000 e lanciata formalmente da Samsung nel 2013, in cui decine di diversi strati di celle di memoria possono essere coltivati sullo stesso wafer di silicio per aumentare la capacità di memorizzazione (proprio come i piani multipli di un grattacielo di uffici ci permettono di stipare più uffici nella stessa area di terreno). Invece di usare porte fluttuanti (come descritto sopra), la flash 3D usa una tecnica alternativa (anche se a volte meno affidabile) chiamata charge-trap, che ci permette di progettare memorie con una capacità molto più alta nella stessa quantità di spazio, ben nella scala dei terabit (Tbit) (1 trilione di bit = 1.000.000.000.000.000 di bit).
