ОБЗОР

В прошедшем 1999 г. был отмечен рекордный рост рынка полупроводниковых устройств. По оценкам специалистов Промышленной ассоциации по полупроводникам SIA (Semiconductor Industrial Association), продажи выросли на 18,9%, достигнув цифры 149 млрд. долл. В этом году SIA предполагает рост еще на 21% и результирующий объем продаж 174 млрд. долл. Если ее ожидания оправдаются, то в 2001-м индустрия переживет новый 20%-ный подъем, а продажи достигнут рекордного уровня в 209 млрд. долл.

Флэш-память типа Intel Dual Plane

Эти же данные показывают, что объемы продаж микросхем флэш-памяти за прошлый год выросли на 83% - до 4,6 млрд. долл. А ведь еще в 1987 г. эта цифра составляла всего 50 млн. долл. Сегодня кристаллы флэш-памяти используются в 90% выпускаемых ПК, в 50% модемов и почти во всех моделях сотовых телефонов.

По имеющимся прогнозам, доходы от продаж микросхем флэш-памяти выйдут на второе место после прибыли от выпуска кристаллов статической памяти SRAM. Эксперты корпорации IC Insights (www.icinsights.com), занимающейся аналитическими исследованиями рынка полупроводниковых элементов, в этом году ожидают существенного всплеска продаж флэш-памяти (почти на 60%), благодаря чему будет достигнута цифра 6,8 млрд. долл. И это в то время, когда рост доходов от реализации микросхем SRAM составит лишь 13%; правда, в денежном выражении это сравнимая сумма: 5,1 млрд. долл.

Подобные результаты объясняются бумом на рынке мобильных устройств и усиливающейся тенденцией интеграции статической памяти непосредственно в заказные кристаллы и микропроцессоры.

Аналитики из компании In-Stat Group считают, что средняя цена (ASP, Average Selling Price) на кристаллы флэш-памяти в течение ближайшего времени будет повышаться. В этом году она составит 3,65 долл., а еще в прошлом была на 50 центов меньше. Количество микросхем, проданных в этом году, по сравнению с 1999-м должно увеличиться с 1,2 млн. до 1,4 млн. штук. Таким образом, общая емкость флэш-памяти превысит 34 млрд. Мбит. Потребность в более высокой емкости памяти ведет не только к увеличению ASP, но и к нехватке микросхем. По некоторым позициям дефицит может достигнуть 30-40%, а по отдельным дойти даже до 60-70%.

В свою очередь один из вице-президентов AMD (www.amd.com), корпорации, известной инновациями в изготовлении и конструировании микросхем флэш-памяти, еще прошлым летом заявил, что рынок энергонезависимой памяти в ближайшие четыре года увеличится в три раза и к 2003 г. составит 9 млрд. долл. Что же касается дефицита микросхем, то по отдельным позициям он вообще может достигнуть 50, а то и 100%.

Конечно, прогнозы остаются прогнозами, но тенденция прослеживается отчетливо.

Причины роста

Все эксперты сходятся в едином мнении, что причиной небывалого спроса на флэш-память стало в первую очередь развитие рынка мобильных телекоммуникаций. По образному выражению одного из них, в настоящее время “хлебом с маслом” для Интернета пока являются “толстые” клиенты (дающие или имеющие свыше 90% прибыли). Однако к 2004 г. ситуация значительно изменится. Более 42% прибыли принесут мобильные Web-телефоны, а по показателю “количество единиц оборудования” подобные устройства займут не менеее 79% рынка.

По мнению Джона Брайана, занимающего пост вице-президента корпорации Atmel (www.atmel.com), ведущего поставщика полупроводниковых изделий, грядущий стремительный рост потребности во флэш-памяти обусловлен четырьмя основными причинами.

Во-первых, широкое распространение получат аудиозаписи в формате MP3. Ожидается, что к 2003 г. их количество возрастет в 72 раза. Если в прошлом году было продано около 1 млн. МР3-плейеров, то через четыре года этот рынок вырастет до 10 млн. шт. Каждое подобное устройство требует примерно 1 Мб флэш-памяти для хранения 1 мин музыки. Если сегодня обычным размером памяти МР3-плейера является 64 Мб, то к 2003 г. он будет составлять до 512 Мб.

Во-вторых, стремительно увеличится рынок сотовой связи (по некоторым оценкам, чуть ли не в 100 раз). В то время, как в 1998 г. во всем мире было продано 160 млн. мобильных телефонов, к 2002-му их продажи должны возрасти до 1 млрд. шт., а промышленность будет ежегодно выпускать до 600 млн. подобных устройств.

Если два года назад в одном аппарате устанавливалось 4 Мб флэш-памяти, то теперь этот объем ежегодно удваивается. Существует прогноз, что в 2002 г. каждый мобильный телефон будет снабжен запоминающим устройством объемом 64 Мб.

В-третьих, использование флэш-памяти в цифровых фотокамерах к 2003 г. возрастет в 130 раз. Брайан прогнозирует появление цифровых аппаратов стоимостью 200-300 долл. с качеством изображения 2 млн. пикселов уже к концу нынешнего года.

В-четвертых, рост выпуска Интернет-приставок будет практически экспоненциальным. Потребность в кристаллах флэш-памяти для этих устройств к 2003 г. увеличится в шесть раз.

Развитие технологии

Элементы флэш-памяти выпускаются практически всеми крупными фирмами - производителями микросхем памяти: Toshiba, NEC, Fujitsu, Samsung Electronics, Philips Semiconductors и т. д. Кроме того, известные корпорации, например AMD (www.amd.com) и Intel (www.intel.com), занятые разработкой микропроцессоров, уделяют этим устройствам самое пристальное внимание в своих научных и производственных программах.

Напомним, что флэш-память была разработана еще в 1988 г. Наряду с такими типами запоминающих устройств, как EEPROM, PROM и ROM, флэш-память является одной из разновидностей энергонезависимой памяти (nonvolatile memory). В основе работы запоминающей ячейки этого типа лежит физический эффект Фаули - Нордхайма (Fowler - Nordheim), связанный с лавинной инжекцией зарядов в полевых транзисторах. Как и у EEPROM, содержимое флэш-памяти программируется электрическим способом, однако основное ее преимущество по сравнению с той же EEPROM состоит в высокой скорости доступа и довольно быстром стирании информации.

В настоящее время выпускаются две основные разновидности микросхем флэш-памяти, различающиеся по внутренней логической организации. К преимуществам кристаллов с организацией NOR (логическая функция ИЛИ - НЕ) можно отнести быстрый произвольный доступ к ячейке, высокую скорость перезаписи и побайтное программирование с произвольным изменением адреса. К недостаткам - большой размер базового элемента и, как следствие, низкую емкость устройств. Обычно NOR-микросхемы имеют емкость от 512 Кбит до 64 Мбит. Подобные устройства чаще всего используют для хранения управляющих кодов (команд).

Среди основных достоинств кристаллов флэш-памяти с организацией NAND (логическая функция И - НЕ) назовем высокую скорость программирования и небольшой размер базового элемента. К сожалению, они не позволяют выполнять программирование с произвольным изменением адреса, а произвольный доступ к ячейкам выполняется довольно медленно. Емкость подобных микросхем составляет в настоящее время от 4 до 512 Мб. Их можно считать идеальным средством хранения больших файлов и неплохим выбором при конструировании устройств, эмулирующих дисковые накопители.

Обычно основой запоминающей ячейки флэш-памяти является один транзистор. Напомним, что в статической памяти SRAM для этой цели можно использовать два, четыре и даже шесть транзисторов, в динамической памяти DRAM - транзистор и конденсатор, а в EEPROM - два транзистора. Благодаря минимальному количеству транзисторов удается достичь небольших размеров базовой ячейки. Стоит отметить, что ее размеры за прошедшие 10 лет уменьшились почти в 18 раз. Например, проектные нормы при производстве микросхем флэш-памяти Fujitsu ужесточились с 0,33 мкм в 1997 г. до 0,23 мкм в 1999-м.

В 1992 г. команда инженеров корпорации Intel начала разработку устройства флэш-памяти, одна ячейка которого хранила бы более одного бита информации. Уже в сентябре 1997-го была анонсирована микросхема памяти Intel StrataFlash емкостью 64 Мб, одна ячейка которой могла хранить 2 бита данных.

А вот специалисты корпорации AMD оказались первыми в разработке микросхем флэш-памяти, допускающих одновременную запись и чтение информации. Это стало возможным благодаря делению кристалла на два независимых банка памяти, что позволяет управляющие коды хранить в одном банке, а данные - в другом. В таком случае не требуется прерывать программу, если необходимо выполнить операцию стирания или записи в банке данных.

По уровню питания обычно различают микросхемы, работающие от напряжения 5; 3; 2,7 и 1,8 В. Чем ниже напряжение питания, тем меньше, в общем случае, потребляемая мощность, что особенно важно для мобильных устройств. Кроме того, в микросхемах можно использовать схемотехнические решения, реализующие пакетные (burst) и страничные (page) режимы обмена данными.

В сентябре прошлого года корпорация Intel сообщила о выпуске новых микросхем флэш-памяти (Dual Plane), основными преимуществами которых были двухбанковая организация, пакетный и страничный режим обмена и напряжение питания 1,8 В.

О штурме гигабайтного барьера емкости микросхем флэш-памяти официально объявили уже несколько компаний. Отметим, что подобный кристалл может хранить до 560 фотографических снимков с разрешением SXGA (1280х1024 пиксела) или 32 мелодии CD-качества.

В течение ближайших месяцев корпорация Samsung Electronics (www.samsungelectronics.com) планирует выпустить 1 Гб кристалл флэш-памяти с логической организацией NAND, выполненный с соблюдением проектных норм 0,15 мкм. Над проектом трудятся около 100 инженеров, а на научно-исследовательские разработки в этой области выделено 20 млн. долл.

Корпорации SanDisk (www.sandisk.com) и Toshiba (www.toshiba.com) намерены организовать совместное предприятие, в задачи которого входит выпуск 1 Гб микросхем флэш-памяти и переход на проектные нормы 0,16 и 0,13 мкм при производстве кристаллов с ячейкой, хранящей более одного бита информации.

Корпорация Intel пока основную ставку делает на переход к проектным нормам 0,18 мкм. Поскольку технологические процессы производства микропроцессоров и микросхем флэш-памяти на 90% идентичны, ее специалисты в успехе не сомневаются. Благодаря такому переходу они даже надеются на некоторое снижение цен на данную продукцию.

За первые два месяца нынешнего года сложились два интересных альянса. В январе корпорация AMD объявила о трехлетнем соглашении на поставку флэш-памяти собственного производства на сумму 400 млн. долл. подразделению сотовых телефонов Samsung Electronics.

А буквально месяц спустя корпорация Ericsson (www.ericsson.com) подписала договор с Intel, который предусматривает не только закупку микросхем, но и разработку нового поколения флэш-памяти для будущих сотовых телефонов и мобильных беспроводных устройств для доступа в Интернет. Сделка оценивается суммой 1,5 млрд. долл. По сообщению Wall Street Journal, под это соглашение корпорация Intel собирается даже приобрести один из заводов в Колорадо-Спрингс у компании Rockwell International и переоборудовать его для производства кристаллов флэш-памяти.