مقایسه حافظه SLC و MLC: تحلیل حافظه های فلش

فلش مموری‌های دارای پیل تک سطحی (SLC) و انواع دارای پیل چند سطحی (MLC) از نظر طراحی شبیه به یکدیگر هستند. ابزارهای فلش MLC قیمت کمتری دارند و تراکم ذخیره‌سازی‌شان بیشتر است. ابزارهای فلش SLC سرعت رایت بالاتری دارند و اطمینان‌پذیری‌شان بیشتر است و حتی در دماهای بالاتر از محدوده عملیاتی فلش‌های MLC نیز کار می‌کنند.
جدول زیر خلاصه‌ای از مزایا و معایب فلش‌های SLC و MLC را نشان می‌دهد.
 

 
به موجب همین ویژگی‌ها فلش‌ها، فلش‌های SLC بهترین انتخاب برای استفاده در سیستم‌های امبد (توکار) هستند در حالی که فلش‌های MLC به خاطر قیمت پایین‌ و ظرفیت بالای ذخیره‌سازی‌شان بهترین گزینه برای استفاده در ابزارهای موبایل به شمار می‌روند.
زمانی که دو محصول مشابه داشته باشیم، مشتری محصولی را خریداری می‌کند که قیمت پایین‌تری دارد. در شکل زیر دو چیپ حافظه فلش داریم که از لحاظ ظاهری کاملا شبیه به یکدیگر هستند. اگر قیمت چیپ یک حدود 30 دلار و قیمت چیپ 2 برابر با 10 دلار باشد، چرا یک مشتری باید چیپ شماره یک را خریداری کند؟ البته جواب این سوال را نمی‌توان در ظاهر آنها جستجو کرد چراکه این چیپ‌ها در حقیقت شبیه به هم نیستند. چیپی که در سمت چپ قرار دارد از نوع تک سطحی (SLC) است در حالی که دیگری از نوع چند سطحی می ‌باشد.
برای انتخاب بهترین فلش مموری، بهترین روش آن است که مصارف آن را ارزیابی کنیم. برای مثال تولیدکنندگانی که در نظر دارند قطعات حافظه را در دستگاه‌های بارکدخوان سیار نصب کنند احتمالا بخاطر عملکرد و دوام حافظه‌های فلش SLC این نوع را انتخاب خواهند کرد. از طرف دیگر شرکتی که ابزارهای پخش مدیای سیار می‌سازد به فلش‌های ارزان قیمت MLC نیاز خواهد داشت. در این مقاله در نظر داریم که تفاوت میان این دو را مورد بررسی قرار دهیم.

فلش مموری چیست؟
پیش از توضیح تفاوت میان حافظه‌های SLC و MLC بهتر است درک درستی نسبت به پیل حافظه فلش داشته باشیم. هر پیل شامل یک ترانزیستور، با یک دریچه یا گیت شناور است که می‌تواند الکترونها را در خود ذخیره کند. شکل 2 معماری پیل‌های SLC را نشان می‌دهد.   اختلاف بالای ولتاژ میان منبع (Source) و کشنده (Drain) که با علامت‌های Vd و Vs مشخص می‌شوند نوعی میدان الکتریکی وسیع را میان آن دو ایجاد می‌کند. این میدان الکتریکی مواد پلی سیلیکونی (Poly-Si) را که پیشتر از نوع غیر رسانا بوده‌اند به کانال رسانا تبدیل می‌کند و این مسأله به الکترون‌ها امکان می‌دهد که میان منبع و مقصد جریان پیدا کنند.
میدان الکتریکی‌ای که به واسطه ولتاژ بالا (Vg) به وجود آمده بود برای ارسال الکترون‌ها از کانال به درگاه شناور مورد استفاده قرار می‌گیرد. همزمان با نزدیک‌تر شدن الکترون به مقصد جنبش آن نیز بیشتر می‌شود و در نتیجه انرژی آن نیز افزایش می‌یابد. اما میزان انرژی برای وارد کردن الکترون به درگاه شناور کافی نیست. الکترون‌هایی که در نزدیکی مقصد، انرژی بالاتری دارند گاهی اوقات می‌توانند به داخل اتم‌های سیلیکون نفوذ کنند.
تعداد الکترون‌های موجود روی درگاه شناور ولتاژ کلی پیل‌های Vt را تغییر می‌دهد. همین اثر نیز برای مشخص نمودن وضعیت پیل مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فلش‌های مجهز به پیل تک سطحی (SLC)
همانگونه که از نام این نوع فلش‌ها پیداست، انواع SLC در هر پیل تنها یک بیت را ذخیره می‌کنند که در واقع یک سطح ولتاژ به شمار می‌رود. مقدار بیت نیز با نمادهای 0 یا 1 تفسیر می‌شود.

 
چون تنها دو وضعیت وجود دارد، این نوع پیل حافظه تنها می‌تواند مقدار یک بیت را داشته باشد. همانگونه که در جدول 2 مشاهده می‌کنید، هر بیت می‌تواند یا مقدار 0 (برنامه ریزی شده) یا 1 (پاک شده) را به خود اختصاص دهد.

مقادیر 0 یا 1 نیز از طریق ولتاژ آستانه (Vt) پیل مشخص می‌شوند. ولتاژ آستانه از طریق میزان شارژ وارد شده به درگاه شناور پیل فلش قابل تغییر می‌باشد. انتقال شارژ روی درگاه شناور ولتاژ آستانه پیل را افزایش می‌دهد. زمانی ولتاژ آستانه به اندازه کافی (مثلا در حدود 4.0V ) بالا باشد پیل به عنوان برنامه‌ریزی شده تلقی می‌شود و هیچگونه شارژ یا ولتاژ آستانه کمتر از این میزان نمی‌تواند باعث شود که پیل تحت عنوان پاک شده تلقی گردد.
انواع فلش‌های SLC برای مصارف صنعتی و تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آنها سرعت و دوام بالای فلش فاکتوری تعیین کننده محسوب می‌شود. از جمله مصارف این فلش‌ها می‌توان به کارت‌های CF یا SSDهای صنعتی اشاره نمود.

فلش‌های مجهز به پیل‌های چند سطحی (MLC)
همانگونه که نام آن نشان می‌دهد، فلش‌های MLC مقادیر متعددی را نشان می‌دهند. این مقادیر می‌تواند در چهار وضعیت مشخص به شرح روبرو تعریف شود: 00، 01، 10، یا 11 باشد.

 
این چهار وضعیت دو بیت اطلاعات را در خود دارند. همانگونه که در جدول 3 می‌بینید مقدار آن دو بیت می‌تواند بین حالات کاملا برنامه‌ریزی شده تا کاملا پاک شده متغیر باشد. همانگونه که در شکل 2 مشاهده می‌کنید توانایی یک پیل فلش در ذخیره‌سازی شارژ علت عملرد فناوری MLC است. چون داده‌های موجود میان هر یک از سطوح کاهش پیدا کرده است حساسیت میان آن سطوح نیز بالا می‌رود. بنابراین برای دستکاری حجم دقیقی از شارژ ذخیره شده در درگاه شناور، به برنامه نویسی کنترل شده سخت‌تری نیاز خواهد بود. برای آنکه یک پیل فلش تحت عنوان فناوری MLC خوانده شود پیل آن باید دو مشخصه را داشته باشد:
1.      جابجایی دقیق شارژ
2.      تشخیص دقیق شارژ
بنابراین فلش‌های MLC عملکردی شبیه به انواع SLC دارند. ولتاژ آستانه (Vt) برای تغییر وضعیت فلش مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک بار دیگر میزان شارژ موجود در درگاه شناور چیزی است که ولتاژ آستانه را مشخص می‌کند.
همانگونه که در شکل 4 مشاهده می‌کنید، در فناوری MLC فعلی از دو بیت یا 4 سطح استفاده می‌شود. با این حال امکان آنکه تعداد بیت بیشری را در خود نگه دارند نیز وجود دارد. برای آنکه بدانید برای بیت‌های موردنظرتان چه تعداد وضعیت وجود دارد می‌توانید از معادله شماره 1 استفاده نمایید.

معادله 1:                                          وضعیت= 2 به توان N
 
N تعداد بیت‌های مورد نظر در هر پیل را نشان می‌دهد. برای مثال، برای آنکه یک پیل سه بیت را در خود داشته باشدبه 8 وضعیت به شرح روبرو نیاز خواهید داشت: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111
فلش‌های MLC بیشتر در مواردی که اطمینان پذیری دراز مدت مد نظر کاربر نباشد مثلا فلش مموری USB، پلیرهای پرتابل، و کارت‌های حافظه CF مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مقایسه SLC و MLC
اکنون که تفاوت میان دو نوع حافظه فلش برای شما مشخص شده است بگذارید تا برای روشن تر شدن بهتر موضوع مشخصاتشان را با یکدیگر مقایسه نماییم.

 
 
بگذارید مشخصات ذکر شده در جدول را با یکدیگر مقایسه کنیم. شما می‌توانید با ثابت نگه داشتن حجم ویفر، تراکم فلش‌های MLC را با استفاده از فناوری شارژ گذاری (charge placement technology) به حدود دو برابر برسانید. بنابراین MLC تراکم بالاتری دارد.
سرعت خواندن این دو نوع فلش هم قابل مقایسه است. شما می‌توانید با خواندن سطح پیل فلش و از طریق نوعی مقایسه‌گر ولتاژ، ولتاژ آستانه این دو را با یکدیگر مقایسه نمایید. بنابراین تغییر معماری تشخیص این امر را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد. به طور کلی سرعت خواندن حافظه‌های فلش از طریق کنترلر آنها مشخص می‌شود.
دوام یا مقاومت حافظه‌های SLC در حدود 10 برابر بیشتر از انواع MLC برآورد شده است. این دوام در اثر افت کیفیت سیلیکون به کار رفته در فلش پایین می‌آید. این مسأله از جمله مهم‌ترین دلایلی است که حافظه‌های فلش SLC از نوع صنعتی تلقی می‌شوند و انواع MLC از نوع مصرفی.
دمای بالاتر نشت بیشتر انرژی از پیل‌ها را به دنبال دارد. این مسأله در کنار حساسیت بالایی که برای تفکیک دادن سطوح مورد نیاز است منجر خواهد شد که حسگرها سطح نادرست را بخوانند. در نتیجه دمای عملکرد حافظه‌های MLC تنها در محدوده صنعتی می‌گردد. درز انرژی در فلش‌های SLC چندان هم بالا نیست و به همین دلیل می‌تواند در محدوده دمای صنعتی عمل کند.