كيف تعمل ذاكرة الفلاش … الفلاش ميموري

كيف تعمل ذاكرة الفلاش … الفلاش ميموري

تنتشر ذاكرة الفلاش بين معظم مستخدمين الكمبيوتر كوسط لنقل المعلومات والبيانات وتبادل الملفات بين أجهزة الكمبيوتر المختلفة، وقد جاءت ذاكرة الفلاش لتحل محل الوسائط المغناطيسية التي استخدمت في السابق لهذا الغرض مثل القرض المرن، ولربما أصبح استخدام الأقراص المرنة نادر لسعته التخزينية المحدودة وسهولة فقدان المعلومات عليه، في حين إن ذاكرة الفلاش تأتي بعدة أشكال وأحجام وسعات مختلفة مما أصبحت تلازم الشخص في جيبه أو ضمها لسلسلة المفاتيح.  وفي هذه المقالة من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح كيف تعمل هذه الذاكرة الفلاشية وكيف يمكن تخزين كم كبير من المعلومات في حيز صغير.

تعتبر ذاكرة الفلاش من أنواع الذاكرة الالكترونية وأول استخداماتها كان في الكاميرات الرقمية وفي أجهزة الألعاب، وتعتبر ذاكرة الفلاش اقرب في الاستخدام إلى القرص الصلب من ذاكرة الكمبيوتر العشوائية RAM.  وتصنف ذاكرة الفلاش من نوع ذاكرة الحالة الصلبة التي تعني انه لا يوجد فيها أي أجزاء تتحرك حركة ميكانيكية.

ومن الأمثلة المختلفة لذاكرة الفلاش

(1) ذاكرة الكمبيوتر البيوس BIOS chip

(2) ذاكرة الكاميرا الرقمية CompactFlash

(3) ذاكرة الكاميرا الرقمية Memory Stick

(4) ذاكرة أجهزة الجوال SmartMedia

(5) كرت الذاكرة PCMCIA المستخدم في توسيع ذاكرة أجهزة الكمبيوتر المحمول Laptop

(6) ذاكرة أجهزة العاب الفيديو

أساسيات ذاكرة الفلاش

تعتبر  فكرة عمل ذاكرة القراءة ROM أي Read Only Memory الأساس العلمي لفكرة عمل ذاكرة الفلاش والتي تتلخص فكرة عملها على النحو التالي:

ذاكرة الفلاش هي ذاكرة من نوع EEPROM chip وهي اختصار للـ Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory أي شريحة ذاكرة القراءة الكهربية القابلة للبرمجة والمسح أي أنها ذاكرة قراءة ولكن مضاف إليها قابليتها للبرمجة والمسح بطريقة كهربية من تطوير شركة إنتل.  وهي تتكون من مصفوفة بها مجموعة من الأعمدة والصفوف ويتحكم في كل خليه في هذه المصفوفة 2 ترانزيستور.

ولفهم فكرة عمل شريحة الـ EEPROM والتي هي أساس ذاكرة الفلاش سوف نستعين بالشكل التوضيحي أدناه، حيث يمثل الشكل حالتين مختلفتين لتوصيل التيار الكهربي الحالة الأولى هي الحالة صفر وفيها يمر التيار الكهربي في الجزء السفلي من المخطط التوضيحي أما في الشكل الثاني فهو يمثل الحالة واحد والتي يمر فيها التيار الكهربي عبر جزء العلوي من المخطط (أي عبر World Line).

 مخطط يوضح الحالة (0) ويظهر فيها الترانزستور وبينهما طبقة من رقيقة من الأكسيد 

مخطط يوضح الحالة (1) ولاحظ تدفق التيار الكهربي عبر World Line

لنتعمق أكثر في داخل شريحة EEPROM حيث تتكون هذه الشريحة من عدد من الخلايا في شكل مصفوفة متراصة وكل خلية تتكون من عدد 2 ترانزستور (والذي يظهر في الشكل بالمستطيل ذو اللون البنفسجي) وبينهما شريحة رقيقة من الأكسيد Thin Oxide Layer.  الترانزستور الأول يسمى بوابة التدفق floating gate والترانزستور الثاني يسمى بوابة التحكم control gate.

تتصل بوابة التحكم مباشرة بخط نقل المعلومات وهو World Line ولا يمكن لبوابة التدفق من الوصول لخط نقل المعلومات إلا من خلال بوابة التحكم.

فإذا ما كان هناك اتصال من ترانزستور بوابة التدفق عبر طبقة الأكسيد إلى بوابة التحكم إلى ترانزستور بوابة التحكم وأخيرا إلى خط نقل المعلومات تكون قيمة الخلية 1.

أما لتغير حالة الخلية من 1 إلى 0 فهذا يتم عبر عملية المسح من خلال عملية تسمى نفق فاولر نورديم Fowler-Nordheim tunneling، وهي ظاهرة فيزيائية تعرف أيضا باسم Field Emission وتنتقل فيها الالكترونات عبر حاجز للجهد من خلال نفق، وهي ظاهرة مهمة جدا في كل القطع الالكترونية المصنعة من أشباه الموصلات.  وسوف نقوم بتوضيح هذا الأمر بالتفصيل.

عملية النفق والمسح في ذاكرة الفلاش تعتبر عملية النفق الوسيلة المستخدمة لتغير الإلكترونات مكانها في بوابة التدفق. حيث يطبق فرق جهد قدره 12 فولت على طرفي بوابة التدفق، يعمل على تزويد ترانزستور بوابة التدفق بسيل من الالكترونات التي تتراكم على طبقة الأكسيد وتشكل حاجز بين بوابة التدفق وبوابة التحكم، ولكن باستخدام مجس لكل خلية cell sensor يراقب مقدار الشحنة التي عبرت، فإذا كان مقدار التدفق اكبر من 50% تسجل الخلية القيمة 1 ولكن عندما تنخفض القيمة عن 50% تسجل الخلية القيمة 0.  وعندما تكون EEPROM فارغة تسجل القيمة 1 لكل الخلايا.

الالكترونات في خلايا ذاكرة الفلاش

يمكن أن تعاد إلى وضعها الطبيعي (الحالة 1) بتطبيق مجال كهربي، ويتم تطبيق هذا المجال الكهربي إما على كل ذاكرة الفلاش أو على مجموعة حددة من الخلايا تسمى blocks وهذا يعتمد على طريقة تصميم الذاكرة نفسها، فيعمل المجال الكهربي على حذف البيانات المخزنة على تلك الخلايا من ذاكرة الفلاش.

ملاحظة:

قد تعتقد عزيزي القارئ أن جهاز الراديو في سيارتك يستخدم ذاكرة فلاش، لأنك تستطيع برمجة القنوات وسوف يقوم الراديو بالاحتفاظ بهذه القنوات مخزنة.  ولكن في حقيقة الأمر أن تخزين القنوات يتم من خلال ذاكرة الوصول العشوائية الفلاشية Flash RAM وليس ذاكرة الفلاش المبنية على EEPROM حيث أن ذاكرة Flash RAM تحتاج إلى وجود الكهرباء لاحتفاظ بالبيانات مخزنة عليها.  ولذلك تجد أن برمجة الراديو تختفي إذا تم فصل بطارية السيارة.

بطاقات ذاكرة الفلاش وأنواعها

ذاكرة الفلاش موجودة منذ الأجيال الأولى للكمبيوتر وتعتبر شريحة البيوس BIOS ذاكرة فلاشية وعليها يتم حفظ معلومات عن الكمبيوتر والتي تكتب بواسطة الشركة المصنعة للجهاز ولا يمكن مسح هذه البيانات أو الكتابة عليها وتعتبر هذه الذاكرة الفلاشية من النوع المثبت على اللوحة الأم للكمبيوتر Mother Board.  ولكن في أيامنا هذه نجد الكثير أنواع الذاكرة الصلبة القابلة للنقل من مكان إلى أخر وتوصيلها في أجهزة الكمبيوتر من خلال وصلات خاصة أو من خلال مدخل الـ USB.  ومن هذه الأنواع

(1) البطاقة الذكية SmartMedia

(2) البطاقة الفلاشية المدمجة CompactFlash

وسوف نقوم بشرح فكرة مبسطة عن هذين النوعين حيث أن كل الأنواع الأخرى لا تختلف عنهما. 

ملاحظة:

تتميز ذاكرة الفلاش عن القرص الصلب بالعديد من المزايا مثل خفة وزنها وصغر حجمها، وعدم وجود أي حركة ميكانيكية، وتعمل بدون أن يصدر عنها أي صوت. وبالرغم من كل هذه المزايا إلا انه لا يمكن استبدال القرص الصلب بذاكرة فلاش لأنها مرتفعة الثمن إذا ما قورنت تكلفة الميجابيت على القرص الصلب بالذاكرة الفلاشية.

(1) البطاقة الذكية SmartMedia

تم تطوير البطاقات الذكية بواسطة شركة توشيبا لتحل محل الأقراص المرنة وكان اسمها Solid-state floppy-disk card وتختصر بـ SSFDC أي البطاقة الصلبة للقرص المرن ولكن تم استبداله بالاسم SmartMedai كاسم تجاري لسهولة تسويقه. 

بطاقة ذاكرة فلاش ذكية   SmartMedai

ويمكن أن نحصل على بطاقات ذاكرة ذكية بسعة تخزينية تبدأ بـ 2MB وحتى 512MB.  وأبعاد البطاقة هو 45mmx37mm وسمكها 1mm.

(2) البطاقة الفلاشية المدمجة CompactFlash

أنتجت البطاقة الفلاشية المدمجة في العام 1994 بواسطة شركة Sandisk وتختلف عن البطاقة الذكية في احتوائها على شريحة تحكم controller chip وكذلك سماكة البطاقة المدمجة اكبر من البطاقة الذكية، حيث يبلغ سمكها 3.3mm وفي بعض الأنواع تصل إلى 5.5mm في حين إن أبعادها 43mmx36mm.  وتصل السعة التخزينية في البطاقة المدمجة إلى 6GB.

بطاقة ذاكرة فلاش مدمجة  CompactFlash

 من المتوقع أن تتطور ذاكرة الفلاش من ناحية القدرة التخزينية والسرعة حيث أطلقت شركة سامسونج في نهاية عام 2006 نوع جديد من الذاكرة باسم PRAM أي Phase-change Random Access Memory.  وهذا النوع يجمع بين خصائص ذاكرة الوصول العشوائي RAM المعروفة وذاكرة الفلاش وسوف تطرح باسم Perfect RAM الذاكرة المثالية ويتوقع أن تصل سرعته إلى ما يقارب 30 مرة سرعة ذاكرة الفلاش الحالية وعمره الافتراضي سوف يزيد بأكثر من 10 مرات أيضا.  وهذا النوع الجديد سوف يطرح في الأسواق في 2010.

http://en.wikipedia.org/wiki/EEPROM

http://www.intel.com/design/flash/articles/what.htm