ما المقصود بالذاكرة الوميضية؟

كلمة "وميض" مرادفة للسرعة.الوميض هو بريق ضوء سريع—يحدث بسرعة ثم ينتهي."البطاقات الوميضية" التقليدية هي وسائل تعليمية عالية السرعة مصممة لتعزيز تقنيات الحفظ. يمكن لـ "فلاش"، أسرع الأبطال الخارقين على الإطلاق، أن يسابق سوبرمان ويتركه خلفه بكل سهولة.

تُستخدم أجهزة الذاكرة الوميضية على نطاق واسع وتخزن البيانات لأغراض محددة للغاية. وهي موجودة بشكل شائع في مجموعة من الأجهزة المحمولة، مثل محركات أقراص USB الوميضية والهواتف الذكية والكاميرات الرقمية وألعاب الفيديو وأجهزة الكمبيوتر اللوحية وبطاقات الذاكرة الوميضية وبطاقات SD.

بالإضافة إلى ذلك، تفترض الذاكرة الوميضية الآن بعض الوظائف نفسها التي كانت محجوزة في السابق لمحركات الأقراص الصلبة للكمبيوتر.على سبيل المثال، عندما يقوم شخص ما بتشغيل جهاز كمبيوتر، يمر هذا الجهاز بتسلسل تمهيد يُعرف باسم نظام الإدخال / الإخراج الأساسي (BIOS).تطلب البرنامج الثابت الذي كان يحتوي على BIOS لأول مرة استخدام شريحة ذاكرة للقراءة فقط (ROM).شهدت الأنظمة اللاحقة تحولاً إلى الذاكرة الوميضية لنظام BIOS بحيث يمكن إعادة كتابة المحتويات دون الحاجة إلى استخراج الشريحة من لوحة النظام.

تخزن الذاكرة الوميضية البيانات في خلايا الذاكرة الوميضية التي تعتمد على ترانزستورات البوابة العائمة. وتتكون خلايا ذاكرة الكمبيوتر في شرائح الذاكرة الوميضية من ترانزستورات التي تعمل كمفاتيح توجيه للتيار الكهربائي الذي يمر عبر خلية الذاكرة الوميضية تلك.

تُرتب شرائح الذاكرة الوميضية في شبكات، مثل مباني المدن تقريبًا.وتُوزع خلايا الذاكرة في صفوف، وتعرف هذه الصفوف بخطوط البت.وعلى غرار مباني المدن، تحتوي هذه الشرائح على تقاطعات وكل تقاطع يحتوي على ترانزستور.وتحتوي كل من هذه الترانزستورات بدورها على بوابتين.

إحداهما بوابة التحكم، وهي موجودة في الطبقة العليا من الترانزستور.وتسمى البوابة الأخرى البوابة العائمة، وسميت بهذا الاسم لأنها تطفو فعليًا بين بوابة التحكم والطبقة العليا من شريحة الترانزستور MOSFET.

بالإضافة إلى ذلك، توجد طبقة رقيقة فاصلة بين بوابة التحكم والبوابة العائمة، ويشار إليها بطبقة الأكسيد، على الرغم من أنها مكونة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2).

تحدد الكمية المعينة من الذاكرة الوميضية ما إذا كان هذا الاستخدام للذاكرة الوميضية يقع ضمن تصنيف منخفض الكثافة أو متوسط الكثافة أو عالي الكثافة.وتعكس التسجيلات الأعلى للكثافة كميات أكبر من الذاكرة الوميضية.

تحقق معظم التقدم الذي حدث في مجال الحوسبة من خلال عملية تراكمية.أولاً جاء تطوير وحدات المعالجة المركزية (CPUs) المبكرة. وبحلول عام 1960، صُنع ترانزستور MOSFET، الذي سيسمح بتصغير حجم صناعة الإلكترونيات على نطاق واسع.

في عام 1967، اقترح باحثان من مختبرات Bell Labs (Dawon Kahng و Simon Min Sze) أنه يمكن إعادة استخدام البوابة العائمة لترانزستور MOSFET كمصدر لذاكرة قراءة فقط (ROM) قابلة لإعادة البرمجة. وبحلول عام 1971، كان Dov Frohman مهندس شركة Intel قد اخترع ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة (EPROM). يمكن التعرف على ذاكرات القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة بسرعة بصريًا لأنها تحتوي كلها على نافذة شفافة في الجزء العلوي من الشريحة.

تضمنت الخطوة التدريجية التالية إنشاء ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح كهربائيًا (EEPROM)، وهي شكل آخر من أشكال البرامج القابلة للمسح كهربائيًا. تم تطوير EEPROMs خلال أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات كتحديث لـ EPROMs.

تختلف ذاكرات القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة وذاكرات القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة إلكترونيًا بشكل ملحوظ في كيفية حدوث محو البيانات في كل منهما.يمكن محو البيانات الموجودة على ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة من خلال وجود الأشعة فوق البنفسجية (UV) بينما يجب محو البيانات الموجودة على ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة إلكترونيًا باستخدام إشارات كهربائية.

بدأت الذاكرة الوميضية كما نعرفها خلال ثمانينيات القرن الماضي بفضل العمل الرائد للدكتور Fujio Masuoka الذي اخترع ذاكرة الفلاش خلال فترة عمله في شركة توشيبا اليابانية العملاقة للتصنيع.

لاحظ أحد زملاء المخترع مدى سرعة محو كل البيانات من شريحة أشباه الموصلات—وكأن هذه العملية تضاهي سرعة وحدة الكاميرا الوميضية. فظهرت الذاكرة الوميضية والآن صار لها اسم.

هناك نوعان أساسيان من تقنية الذاكرة الوميضية، لكل منهما بنيته وخوارزمياته الخاصة. بالإضافة إلى ذلك، يقدم كل وسيط تخزين مزاياه وعيوبه.

حصلت الذاكرة الوميضية NAND على اسمها من مزيج من كلمتي "NOT" و "AND".وهذه إشارة إلى البوابة المنطقية التي تتحكم في الدوائر الداخلية لخلية NAND.

عند برمجة خلية NAND، يصل تيار كهربائي إلى بوابة التحكم وتتدفق الإلكترونات إلى البوابة العائمة، ما يؤدي إلى نشوء شحنة موجبة صافية تقاطع تدفق التيار. تحافظ طبقة الأكسيد على البوابة العائمة معزولة بحيث يُحتفظ بأي إلكترونات على البوابة العائمة مع البيانات المخزنة. وهذا ما يمنح الذاكرة الوميضية القدرة على الاحتفاظ بشحنة كهربائية والاحتفاظ بالبيانات.

يعد مسح خلية NAND سريعًا نظرًا لأنها مصممة لحذف كتل كاملة من البيانات.مرة أخرى، تُطبق شحنة كهربائية على خلية الذاكرة، وهذا يؤدي إلى تصريف الإلكترونات (والبيانات) التي كانت محتجزة داخل البوابة العائمة إلى طبقة عزل سفلية في الشريحة.ويؤدي هذا إلى محو خلية الذاكرة بشكل فعال.

إن إنتاج شرائح الذاكرة الوميضية NAND ليس بالأمر البسيط أو السريع.¹ وتشير التقديرات إلى أن هناك أكثر من 800 عملية تصنيع متميزة، بالإضافة إلى حوالي شهر واحد لإنشاء "شريحة" واحدة من شرائح NAND التي عادةً ما تكون بحجم بيتزا متوسطة الحجم بقطر 12 بوصة. يتم قطع شرائح NAND الفردية—بحجم ظفر الإنسان تقريبًا—من هذه الشرائح ويتم تصنيفها وفقًا لجودة الشريحة وفائدتها الإجمالية.

تقدم شرائح NAND العديد من المزايا.بالنسبة للمبتدئين، لا تحتوي شرائح NAND على أجزاء متحركة، ما يجعلها أكثر قوة وقدرة على التشغيل حتى عند تحمل الصدمات الميكانيكية أو درجات حرارة التشغيل المفرطة أو الضغط العالي.ومن هذه الناحية، نجد أن تشغيل شريحة NAND يقدم الأداء الجيد نفسه الذي تقدمه محركات الأقراص الصلبة (HDD)، والمعروف أنها أكثر عرضة للاهتزاز.

من ناحية أخرى، فإن استخدام NAND له أيضًا عيوب. ومن أبرز هذه العيوب أن وسيط التخزين هذا ليس مفتوحًا بحيث يسمح بعدد لا نهائي من عمليات إعادة الكتابة على الذاكرة. لا يمكن إعادة كتابة شرائح NAND إلا لعدد معين من المرات، ما يحد من فائدتها المتواصلة.

وعلاوة على ذلك، تخضع الذاكرة الوميضية NAND لنفس القيود التي تخضع لها الأنظمة أو الأجهزة الأخرى، أي أن المؤسسات تفيض بالبيانات وكان على خلايا ذاكرة NAND مواكبة ذلك من خلال هندسة أشكال جديدة من خلايا الذاكرة.بدأ الأمر بذاكرة الخلية أحادية المستوى (SLC) وتخزين بت واحد لكل خلية ومستويين من الشحنات، وقد تطور هذا مع مرور الوقت، ما أدى إلى صنع خلايا متعددة المستويات (MLCs) وخلايا ثلاثية المستويات (TLCs) وحتى خلايا رباعية المستويات (QLC).

على غرار نظيرتها NAND، فإن اسم الذاكرة الوميضية NOR هو مزيج من كلمتين: "NOT" و "OR"——في إشارة إلى نوع البوابة المنطقية التي تتحكم في الدوائر الداخلية لخلية NOR.

في الذاكرة الوميضية NOR، تتصل خلايا الذاكرة بالتوازي مع خطوط البت.وهذا يسمح بقراءتها وبرمجتها بشكل فردي.ويتصل أحد طرفي كل خلية ذاكرة بالأرض، والطرف الآخر متصل بخط بت.

تتمثل المزايا الرئيسية لبوابات NOR في سرعة القراءة والعدد الكبير من عمليات إعادة الكتابة الممكنة وقدرتها على استيعاب بيانات الوصول العشوائي.وهذا يجعل بوابات NOR مثالية للاستخدام في أنظمة إشارات المرور البلدية والأتمتة الصناعية وأنظمة الإنذار وتصميم الدوائر الرقمية والأجهزة الإلكترونية.الميزة الرئيسية الأخرى لذاكرة NOR هي حقيقة أن أجهزة NOR يمكنها التعامل مع كل من تخزين البيانات وتنفيذ الرموز بجهاز واحد عند استخدام ذاكرة NOR.

فيما يتعلق بعيوبها، تستخدم الذاكرة الوميضية NOR حجم خلية أكبر. وينتج عن ذلك سرعات كتابة ومسح أبطأ من الذاكرة الوميضية NAND،

تابع القراءة لمعرفة المزيد من الاختلافات بين نوعي الذاكرة الوميضية.

يتمثل أحد الاختلافات الرئيسية في التصميم بين تقنية ذاكرة NAND وتقنية ذاكرة NOR في طريقة توزيع خلايا الذاكرة داخل أشباه الموصلات. في شرائح NAND، تُرتب هذه الخلايا عموديًا. أما في شرائح NOR، تُرتب خلايا الذاكرة أفقيًا. وهذا الاختلاف في التصميم يجعل أنظمة الذاكرة هذه تعمل بشكل مختلف، بمعدلات سرعة وأداء مختلفة.

عادةً ما تُظهر تقنيات NAND أوقات انتقال تتراوح بين 80 ميكروثانية و 120 ميكروثانية، بينما يُعتبر عمومًا أن معدلات أوقات الانتقال لذاكرة NOR تتراوح بين 160 نانوثانية و 210 نانوثانية—مما يدل على أن الذاكرة الوميضية NOR تتميز بأوقات انتقال أقل.

غالبًا ما يُقدر العمر الافتراضي النموذجي للذاكرة الوميضية NAND بما يتراوح بين ثلاث وخمس سنوات.وفي تناقض شديد، يمكن أن تتراوح التقديرات حول العمر الافتراضي للذاكرة الوميضية NOR بين 20 عامًا إلى 100 عام (أو أكثر).

هناك مجال آخر للاختلاف بين تقنيتي NAND و NOR يتضمن كمية الكهرباء التي تتطلبها كل منهما. ومع ذلك، فإن استهلاك الطاقة المستخدم من كل منهما يتضمن تنازلات.على سبيل المثال، تستخدم NAND طاقة أقل في أثناء إجراءات بدء التشغيل ولكنها تستخدم طاقة أكبر عندما تكون في وضع الاستعداد. وهذا يختلف تمامًا مع NOR التي تستهلك تيارًا كهربائيًا أكبر عند تشغيلها لأول مرة، ولكنها تستهلك طاقة أقل في وضع الاستعداد.

إن كمية الطاقة التي يستهلكها كل منهما في أثناء "العمل" الذي يؤديه كل منهما متقاربة تقريبًا، على الرغم من أن هذا القياس يخضع لمعدل الذاكرة التي يستخدمها كل منهما، وهذا يعتمد على الأنشطة التي تؤديها كل تقنية. تتخصص NOR في القراءة السريعة للبيانات وتستهلك طاقة أقل عند فعل ذلك. وعند كتابة البيانات ومسحها، تستهلك NAND طاقة أقل من NOR.

تجدر الإشارة هنا إلى أنه لا يمكن للذاكرة الوميضية NAND أو الذاكرة الوميضية NOR الاقتراب من سرعات المعالجة التي تحققها أشكال الذاكرة الأخرى بشكل روتيني. وغالبًا ما يُعتقد أن ذاكرة التخزين المؤقت هي أسرع ذاكرة على الإطلاق، بحكم موقعها بين ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ووحدة المعالجة المركزية (CPU) الخاصة بالكمبيوتر.

علاوة على ذلك، لا توجد إجابة قاطعة لما إذا كانت ذاكرة NAND أسرع من NOR، أو العكس.فالأمر يعتمد على الاستخدام المباشر الذي يشاركون فيه.إذا كانت المقارنة تعتمد على القراءات السريعة، فإن NOR أسرع.أما إذا كانت المقارنة تعتمد على تنفيذ المهام وإدارة البيانات، فإن NAND أسرع.

لا تستطيع NAND أو NOR مجاراة ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM)، وهي شكل فريد من ذاكرة الوصول العشوائي التي تحقق سرعات عالية الأداء تصل إلى 100 مرة أسرع من NAND وتوفر تخزين ملفات مؤقتًا في أثناء تشغيل التطبيقات أو البرامج. (ومع ذلك، تجدر الإشارة أيضًا إلى أن ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية هي شكل متقلب من الذاكرة، ما يعني أن فائدتها الأكبر هي في مساعدة المعالجة التي تحدث في الوقت الحالي، حيث إنه بمجرد إيقاف تشغيل الطاقة الداعمة لها أو فقدانها، تفقد ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية أي بيانات كانت تعمل بها).

في فارق رئيسي آخر، توفر الذاكرة الوميضية NAND سعة تخزين أكبر بكثير من ذاكرة NOR التي تتوفر عادةً بزيادات في الذاكرة تتراوح بين 64 ميغابايت و2 غيغابايت، بينما تتراوح سعة تخزين ذاكرة NAND من 1 غيغابايت إلى 16 غيغابايت—ما يجعل سعة التخزين القصوى لذاكرة NAND أكبر 8 مرات من سعة ذاكرة NOR القصوى.

هناك اختلافات رئيسية أخرى بين NAND و NOR، بناءً على الأغراض التي تُستخدم فيها كل منهما. غالبًا ما يُقترح أن NAND أكثر ملاءمة لإجراء عمليات "متعمقة" مثل عمليات إعادة الكتابة ومسح كتل البيانات، بينما تتفوق NOR في عمليات البحث السريع عن البيانات الأقل تعقيدًا.