זיכרון בלתי נדיף

זיכרון בלתי נדיף (nonvolatile memory) הוא אמצעי לאחסון נתונים של מחשב השומר על המידע שנכתב ללא תלות בכוח חשמלי. בשונה מזיכרון נדיף הזקוק לאספקת חשמל באופן מתמיד על מנת שהמידע שעליו לא ימחק.

סוגי הזיכרונות הבלתי נדיפים

על הזיכרון הבלתי נדיף נמנים כמה קבוצות:

דיסק קשיח, דיסק נשלף, תקליטור,- זיכרון לקריאה בלבד –ROM לסוגיו השונים, EPROM וזיכרונות הבזק.

דיסק קשיח (Hard Disk), הוא אמצעי אחסון נתונים מגנטי מכני במחשב. דיסק קשיח יכול להכיל בדרך כלל כמות גדולה של נתונים לעומת זיכרונות אחרים, אך פעולתו איטית. הכונן הקשיח הוא התקן המאפשר אחסנה אמינה של נתונים דיגיטלים בנפח גדול ובזמן גישה קצר יחסית להתקני זיכרון מכניים אחרים. בהשוואה להתקני זיכרון אחרים באותה הקיבולת, הכונן הקשיח זול משמעותית, אולם זמן הגישה לנתונים בכונן ארוך בהשוואה לזיכרון הפנימי (RAM) - דיסק קשיח מכני איטי פי 100,000 מהזיכרון הפנימי.

תקליטור הוא אמצעי לאחסון נתונים הפועל בטכנולוגיה אופטית. תקליטור הוא דיסק פלסטי עגול בקוטר של עד 12 ס"מ עם חור במרכזו, שמצופה בשכבה דקיקה של אלומיניום כדי שיוכל להחזיר את האותות לקרן הלייזר שקוראת אותו. הנתונים מאוחסנים בצורת בורות (pits) ומישורים (lands) לאורך פס דקיק בצורת ספירלה הנמשך מן המרכז ועד לשולי התקליטור. הנתונים מוטבעים (בייצור המוני), או נצרבים (באמצעות צורב ביתי), על גבי התקליטור בשפה בינארית, כלומר 1 ו-0, כאשר הסימון 1 מיוצג על ידי שינוי בין בור ומישור והסימון 0 מיוצג על ידי חוסר שינוי (קידוד NRZI).

זיכרון לקריאה בלבד (מאנגלית: Read-only Memory, בראשי תיבות: ROM) הוא אמצעי לאחסון נתונים, דמוי זיכרון מחשב, המכיל נתונים הנכתבים בו פעם אחת, ונקראים ממנו פעמים רבות. שבבים אלה אינם ניתנים לכתיבה חוזרת (בצורה פשוטה), ומכאן השם קריאה-בלבד. בניגוד ל-RAM, תוכן ה-ROM נשמר גם לאחר ניתוק מקור מתח. הגישה ל-ROM פשוטה יותר ומהירה בהרבה מאשר גישה לאמצעי אחסון מגנטיים ואופטיים כגון דיסק קשיח או תקליטור.

EPROM (מאנגלית: זיכרון לקריאה בלבד הניתן למחיקה ותכנות, erasable programmable read-only memory), הוא זיכרון בלתי נדיף לקריאה בלבד לאחר שתוכנת ולמחיקה באמצעות חשיפה לאור אולטרה סגול. ברוב שבבי ה-EPROM מותקן חלון שקוף המאפשר חשיפת שבב הצורן, לקרינה אולטרה-סגולה לצורך מחיקה.

אחסן נייד (Disk On Key) וגם כרטיסי זיכרון, נמנים עם קבוצת הזיכרון הבלתי נדיף. הזיכרון בהתקנים הנ"ל מבוססים על זיכרונות הבזק ובנויים מתאים אשר המידע המאוחסן בהם נשמר ללא תלות במתח החשמלי.

זיכרון ההבזק (Flash memory) מבוסס על תאים הבנויים מטרנזיסטור MOSFET- בדרך כלל מסוג nMOS הנמצאים במערכים. לכל טרנזיסטור יש כתובת המוגדר ע"פ הטור והשורה. שלושה הפעולות הבסיסיות של התא הן: כתיבה, קריאה ומחיקה. מנגנון הפעולה בין כתיבה ומחיקה בטרנזיסטור של זיכרון הבזק מבוצע על-ידי שינוי מצב של שכבה במבנה השער (Gate) הנקראת "שער צף" Floting Gate (נקראת כך בשל העובדה ששכבה זו אינה מהודקת). השכבה נטענת באלקטרונים ופורקת אותם במצבי הכתיבה והמחיקה ובכך משנה את מצב השכבה גם לאחר ניתוק התא ממתח חשמלי.

עיקרון פעולה סיבית בתא של זיכרון הבזק: בתהליך הכתיבה ממתח גבוה ב-שער GATE) ) בשילוב ממתח גבוה ב-SOURCE יביא ליצירת תעלה בטרנזיסטור ולגרימת אלקטרונים חמים בשילוב שדה חשמלי גבוה בשער- .דבר זה יגרום לאלקטרונים לעבור מנהור לתוך השכבה הצפה ולשנות את מצבו האלקטרו-סטטי.

בתהליך הקריאה נייצר מתח סף רגיל בשער (מתח סף הוא המתח הפותח את התעלה בטרנזיסטור) בשלוב מתח רגיל במקור((SOURCE ,התעלה תפתח ותתבצע הולכת מטען בין המקור לשפך- (DRAIN). אם יש הולכה גרועה סימן שיש מטען רב כלוא בשכבת הצפה –כלומר "התא כתוב". אם ההולכה טובה (יש זרם) סימן שאין מטען כלומר התא "מחוק", תהליך זה מהווה סיבית של 1 או 0 לוגיים. תהליך המחיקה מבוצע באותו האופן של הכתיבה רק במימתחים הפוכים לכתיבה כך שהמטענים שעברו מנהור ונכלאו בשכבת השער הצפה יעברו מנהור לכיוון ההפוך, בחזרה למצע ובכך השכבה תחזור למצבה הבסיס.

בתקופת ה- Big Data הביקוש הגובר למידע ולאחסונו דורש זיכרון בעל קיבולת גבוהה ובעל ממדים קטנים, דבר שיצר את המוטיבציה לתכנון ופיתוח זיכרון בעל תאים המכילים יותר מסיבית אחת. בתחילה ניסו להגדיל את גודל התא בטכנולוגיית שער צף, אך נתקלו בקשיים אמינות שכן מתח המחיקה ומתח הכתיבה היו כמעט זהים וגרמו לאיבוד מידע ושגיאות. הודות לטכנולוגיית "הזרקת מוביל חמה" התאפשר לבנות תאים בעלי מספר סיביות בכל תא עם אמינות גבוהה.

  עיקרון פעולה שתי סיביות בתא: מייצרים שינוי בשער הצף של הטרנזיסטור כך שיהיה בנוי משלוש שכבות כעין סנדוויץ הכולל שכבת ניטריד בין שתי שכבות של תחמוצת הצורן .שכבת הניטריד הינה מבודדת מאוד ואינה נותנת למטען הכלוא "לטייל" ולשנות את מיקומו לאורך השער הצף. העיקרון בטכנולוגיה זו היא ההפרדה בין שתי פינות של השכבה הצפה כך שכל פינה תפעל למען קיומה של סיבית אחת. עיקרון נוסף הוא יצירת תהליך בו מקור ושפך מתחלפים בתפקידיהם כך שפעם צד אחד הוא מקור ופעם הוא הופך להיות השפך תלוי בכיוון המימתח והפוך גם בצד הנגדי.

אם מספקים מתח גבוה לשער ובין המקור לשפך- מצד אחד נקבל כליאת מטען באמצעות זרם מנהור לאחת הפינות שבשכבת הניטריד בהתאמה לכיוון הזרם. 
 

ממתח הפוך יגרום ליצירת זרם לצד הנגדי ומטען יכלא בזרם מנהור לצד הנגדי של השכבה הצפה. השכבה המבודדת תגרום למטען להישאר משני צדי התא ללא תזוזה בין הצדדים. באופן זה אפשר לכתוב שתי סיביות בתא אחד. קריאת כל צד בתא תעשה ע"י מתח סף רגיל בשער ובמקור/שפך בהתאמה תלוי איזה צד מעוניינים לקרוא .

כדי לקבוע אם סף הערך "כתוב" או מחוק - נהוג להשוות את המתח המתקבל (אחרי הפיכת הזרם למתח באמצעות נגד) עם מתח ייחוס.

ע"י ההשוואה עם מתח הייחוס אפשר לקבוע את ערך התא (מתחת למתח שנקבע - "כתוב" מעל מתח שנקבע - "מחוק").