Флэш-память. Прошлое, настоящее и будущее

В основе любой flash-памяти лежит кристалл кремния, на котором сформированы не совсем обычные полевые транзисторы. У такого транзистора есть два изолиро­ванных затвора: управляющий (control) и плавающий (floating). Последний спо­собен удерживать электроны, то есть заряд. В ячейке, как и у любого полевого транзистора, есть сток и исток (рис. 4.1). В процессе записи на управляющий затвор подается положительное напряжение и часть электронов, движущихся от стока к истоку, отклоняется к плавающему затвору. Некоторые из электронов преодоле­вают слой изолятора и проникают (диффундируют) в плавающий затвор. В нем они могут оставаться в течение многих лет.

Концентрация электронов в области плавающего затвора определяет одно из двух устойчивых состояний транзистора - ячейки памяти. В первом, исходном, состоя­нии количество электронов на плавающем затворе мало, а пороговое напряжение открытия транзистора относительно невысоко (логическая единица). Когда на плавающий затвор занесено достаточное количество электронов, транзистор ока­зывается во втором устойчивом состоянии. Напряжение открытия его резко уве­личивается, что соответствует логическому нулю. При считывании измеряется

Рис. 4.1. Ячейка flash-памяти

пороговое напряжение, которое нужно подать на сток для открытия транзистора. Для удаления информации на управляющий затвор кратковременно подается от­рицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора диффундируют об­ратно на исток. Транзистор вновь переходит в состояние логической единицы и остается в нем, пока не будет произведена очередная запись. Примечательно, что во flash-памяти один транзистор хранит один бит информации - он и является ячейкой. Весь процесс «запоминания» основан на диффузии электронов в полу­проводнике. Отсюда следуют два не очень оптимистичных вывода.

Время хранения заряда очень велико и измеряется годами, но все же ограниче­но. Законы термодинамики и диффузии гласят, что концентрация электронов в разных областях рано или поздно выровняется.

По той же причине ограничено количество циклов записи-перезаписи: от ста тысяч до нескольких миллионов. Со временем неизбежно происходит деграда­ция самого материала и р-п-переходов. Например, карты Kingston Compact Flash рассчитаны на 300 ООО циклов перезаписи. Transcend Compact Flash - на

1 ООО ООО, а flash-диск Transcend 32 Gb USB – всего на 100 ООО.

Существуют две архитектуры flash-памяти. Они отличаются способом обращения к ячейкам и, соответственно, организацией внутренних проводников.

Память NOR (ИЛИ-НЕ) позволяет обращаться к ячейкам по одной. К каждой ячейке подходит отдельный проводник. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (каждое слово содержит

2 байта). Такая архитектура накладывает серьезные ограничения на максималь­ный объем памяти на единице площади кристалла. Память NOR сегодня используется лишь в микросхемах BIOS и других ПЗУ малой емкости, например в сотовых телефонах.

В памяти архитектуры NAND (И-НЕ) каждая ячейка оказывается на пересече­нии «линии бит» и «линии слов». Ячейки группируются в небольшие блоки по аналогии с кластером жесткого диска. И считывание, и запись осуществляются лишь целыми блоками или строками. Все современные съемные носители по­строены на памяти NAND.

Крупнейшими производителями NAND-чипов являются компании Intel, Micron Technology, Sony и Samsung. Ассортимент выпускаемых чипов довольно велик, а обновление его происходит несколько раз в год.

Контроллеры

Для управления чтением и записью служит контроллер памяти. В настоящее вре­мя контроллер всегда выполняется в виде отдельного элемента (это либо микро­схема одного из стандартных форм-факторов, либо бескорпусный чип, встраиваемый в карту памяти), хотя ведутся работы по интеграции контроллера непосредственно в кристалл flash-памяти.

Контроллеры разрабатываются и выпускаются под совершенно определенные микросхемы flash-памяти. Способ адресации ячеек конструктивно заложен в кон­троллере. Данные при записи в микросхему flash-памяти располагаются опреде­ленным способом, меняющимся от модели к модели. Производители эти тонкости держат в секрете и, по всей видимости, раскрывать не планируют. Очевидно, мик­ропрограмм контроллеров создается значительно больше, чем самих моделей кон­троллеров. Микропрограмма контроллера (прошивка) и таблица трансляции ад­ресов (транслятор) записываются в служебную область flash-памяти. Именно эту область контроллер начинает считывать сразу после подачи на него питания. Кро­ме собственно адресации ячеек, контроллер выполняет ряд других функций: функ­ции контроля bad-секторов, коррекции ошибок (ЕСС - error check and correct) и равномерности износа ячеек (wear leveling).

Технологической нормой при изготовлении микросхем памяти считается наличие в них в среднем до 2 % нерабочих ячеек. Со временем их количество может увели­чиваться, поэтому, как и в винчестерах, во flash-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется дефектный сектор, контроллер в процессе форматиро­вания или записи подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области. Коррекция осуществляется контроллером, но реа­лизуется на уровне файловой системы конкретного носителя.

Из-за ограниченного ресурса ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/ записи для каждой) в контроллер заложена функция учета равномерности износа. Чтобы запись информации осуществлялась равномерно, свободное пространство условно разбивается на участки, и для каждого из них учитывается количество операций записи. Статистика циклов заносится в скрытую служебную область памяти, и за этими сведениями контроллер периодически обращается к ней. На ад­ресацию это не влияет.

Конструкция flash-диска USB

Несмотря на разнообразие корпусов, все flash-диски USB устроены одинаково. Если половинки корпуса соединены защелками, они обычно легко разъединяются. Водонепроницаемые или ультрамодные корпусы приходится вскрывать разру­шающими методами, например разрезать.

На плате внутри flash-диска USB (рис. 4.2) обязательно присутствуют две микро­схемы: чип памяти и контроллер. На обеих нанесена заводская маркировка. Иногда плата несет два чипа flash-памяти, которые работают в паре. Обвязка микросхем состоит из нескольких резисторов и диодов, стабилизатора питания и кварцевого резонатора. В последнее время стабилизатор все чаще встраивается непосред­ственно в контроллер и количество навесных элементов сокращается до минимума. Кроме того, на плате могут находиться светодиодный индикатор и миниатюрный переключатель для защиты от записи.

Рис. 4.2. Устройство flash-диска

Разъем USB припаян непосредственно к плате. Места пайки контактов во многих моделях являются довольно уязвимыми, поскольку на них приходится механиче­ская нагрузка при подключении и отключении устройства.

Виды и конструкция карт памяти

Многие компании время от времени предлагали пользователям разные конструк­ции карт памяти. За редкими исключениями все они несовместимы между собой по количеству и расположению контактов и электрическим характеристикам, Flash-карты бывают двух типов: с параллельным (parallel) и последовательным (serial) интерфейсом.

В табл. 4.1 перечислены 12 основных типов карт памяти, которые встречаются в настоящее время. Внутри каждого типа существуют свои дополнительные раз­новидности, с учетом которых можно говорить о существовании почти 40 видов карт.

Таблица 4.1. Типы карт памяти

Тип карты памяти	Габаритные размеры (мм)	Максимальная конструктивная	Интерфейс
CompactFlash (CF)			Параллельный 50 контактов
			Последовательный 9 контактов
MultiMedia Card (ММС)			Последовательный 7 контактов
			Последовательный 7 контактов
Highspeed ММС			Последовательный 13 контактов
			Последовательный 10 контактов
Memory Stick PRO			Последовательный 10 контактов
Memory Stick Duo			Последовательный 10 контактов
SmartMedia (SSFDC)			Параллельный 22 контакта
			Параллельный 22 контакта
			Последовательный 8 контактов

Карты ММС могут работать в двух режимах: ММС (MultiMedia Card) и SPI (Serial Peripheral Interface). Режим SPI является частью протокола ММС и используется идя коммуникации с каналом SPI в микроконтроллерах компании Motorola и не­которых других производителей.

В слот для карты SD (Secure Digital) можно вставить карту ММС (MultiMedia Card), но не наоборот. В контроллер карты SD заложено аппаратное шифрование данных, а сама память снабжена специальной областью, в которой хранится ключ шифрования. Сделано это для того, чтобы препятствовать нелегальному копиро­ванию музыкальных записей, для хранения и продажи которых и задумывался такой носитель. На карте сделан переключатель защиты от записи (write protection switch).

Карты CompactFlash (CF) легко можно вставить в разъем PCMCIA Туре II. Несмотря на то что у PCMCIA 68 контактов, а у CF - только 50, конструкция карт CompactFlash обеспечивает полную совместимость и обладает всеми функциональ­ными возможностями формата PCMCIA-AT А.

Все карты памяти Memory Stick (стандарт корпорации Sony) относительно совмес­тимы между собой. Стандартом теоретически предусмотрен объем карты памяти до 2 Тбайт, хотя в реальности емкость достигает единиц гигабайт.

Карты SmartMedia практически вышли из употребления, их можно встретить только в очень старых цифровых камерах. Примечательно, что это был единственный стан­дарт, в котором контроллер находился не внутри карты, а в устройстве считывания.

Конструкция карт памяти неразборная - это непригодное для ремонта устройство. Бескорпусные микросхемы вместе с выводами залиты в компаунд и все вместе спрессованы в пластиковую оболочку. Добраться до кристалла можно лишь путем вскрытия устройства, но при этом почти неизбежно повреждение проводников.

Устройства считывания

Для считывания flash-диска USB достаточно обычного порта USB: компьютер видит подобные устройства как стандартный съемный диск благодаря их контрол­леру. Контроллеры всех карт памяти обращены к компьютеру последовательными или параллельными интерфейсами - контактами на карте. Для каждого из этих интерфейсов нужен соответствующий переходник - дополнительный контроллер, согласующий данный интерфейс со стандартным портом USB.

Кард-ридер - устройство, состоящее из одного или нескольких подобных контрол­леров, преобразователя питания и разъемов для разных карт памяти (рис. 4.3). Питание осуществляется от источника +5 В через кабель USB.

Рис. 4.3. Кард-ридер

Чаще всего встречаются «комбайны», рассчитанные на несколько типов карт: от 6 до 40. Слотов в кард-ридере гораздо меньше, так как каждое гнездо использу­ется для нескольких типов карт, близких по размерам и расположению контактов. По своим характеристикам разные модели практически равноценны, а различа­ются, главным образом, количеством поддерживаемых типов карт и конструк­цией.

Логическая организация

Прежде чем перейти к файловым системам flash-накопителей, нужно вспомнить об архитектуре NAND. В этой часто используемой памяти и чтение, и запись, и уда­ление информации происходят лишь блоками.

На жестких и гибких дисках величина блока составляет 512 байтов, не считая 59 служебных байтов, которые видны только контроллеру винчестера. Все файло­вые системы создавались именно с учетом этих значений. Проблема в том, что во flash-памяти величина блока стирания, за редким исключением, не совпадает с величиной стандартного дискового сектора в 512 байтов и обычно составляет 4,8 и даже 64 Кбайт. С другой стороны, для обеспечения совместимости блок чте­ния/записи должен совпадать с величиной дискового сектора.

Для этого блок стирания разбивается на несколько блоков чтения/записи с разме­ром 512 байтов. На практике блок чуть больше: кроме 512 байтов для данных, в нем еще есть «хвост» (Tail) длиной 16 байтов для служебной информации о самом блоке. Физически расположение и количество блоков чтения/записи ничем не ограничены. Единственное ограничение - блок чтения/записи не должен пересе­кать границу блока стирания, так как он не может принадлежать двум разным блокам стирания.

Блоки чтения/записи делятся на три типа: действительные, недействительные и дефектные. Блоки, которые содержат записанные данные и принадлежат какому-либо файлу, являются действительными. Использованные блоки с устаревшей информацией считаются недействительными и подлежат очистке. Категорию де­фектных составляют блоки, не поддающиеся записи и стиранию.

Еще одна особенность flash-памяти состоит в том, что запись информации возмож­на только на предварительно очищенное от предыдущей информации пространст­во. Когда необходимо записать информацию, микропрограмма контроллера долж­на решить, какие недействительные блоки нужно перед этим стереть. В большей части микропрограмм вопрос удаления недействительных блоков решается про­стейшим способом: как только определенная часть емкости flash-диска оказывает­ся заполнена информацией, автоматически запускается механизм очистки недей­ствительных блоков.

Для увеличения срока службы памяти используется технология управления изно­сом (wear-leveling control), которая продлевает жизненный цикл кристалла памя­ти за счет равномерного распределения циклов записи/стирания блоков памяти. Побочный эффект - выход из строя одного блока памяти - не сказывается на работе остальных блоков памяти того же кристалла. Неподвижные блоки принад­лежат файлам, которые долго или вообще никогда не изменялись и не перемеща­лись. Наличие неподвижных блоков данных приводит к тому, что оставшаяся часть ячеек подвергается усиленному износу и быстрее расходует свой ресурс. Микро­программа учитывает такие блоки и по мере необходимости перемещает их содер­жимое в другие ячейки.

Файловые системы flash-дисков и карт памяти, на первый взгляд, хорошо знакомы пользователям по жестким и гибким дискам. Это FAT16, реже FAT32: именно так предлагает отформатировать диск операционная система Windows. Стандартными средствами Windows ХР и Windows 7 диск можно отформатировать и в систему NTFS! Для этого нужно предварительно зайти в Диспетчер устройств и в окне свойств подключенного flash-диска на вкладке Политика выбрать значение Оптимизация для быстрого выполнения. Специальные программы от производителей, например HP USB Disk Storage Format Tool, позволяют форматировать flash-диски в NTFS и без таких усилий.

Однако внешнее сходство файловых систем твердотельных накопителей и обыч­ных винчестеров обманчиво. Файловая система flash-памяти (Flash File System, FFS) лишь эмулирует обычный дисковый накопитель и состоит из блоков управ­ления и блока инициализации. На самом деле об истинном расположении и адре­сации блоков памяти знает только контроллер flash-диска или карты памяти.

Это очень существенно при разных способах восстановления содержимого микро­схемы flash-памяти. При считывании микросхемы памяти через ее «родной» кон­троллер в файле образа оказывается последовательность блоков в порядке их но­меров или смещений. В начале находятся заголовок и таблица файловой системы. Если же считывание производится на программаторе, в начальных блоках дампа расположена служебная информация, а блоки с данными перемешаны почти бес­порядочно. При этом служебная информация вряд ли будет полезна, поскольку она всецело зависит от модели контроллера и его прошивки - правильную после­довательность блоков приходится составлять с большим трудом.

Некоторые фотоаппараты работают только с файловой системой RAW Способ записи фотографий на носитель с такой файловой системой, а также особенности форматирования самой карты зависят от модели аппарата и даже прошивки той или иной модели. Этот формат не стандартизирован и имеет много разновидностей. Обычно данные с таких карт могут восстановить лишь сервисные программы от изготовителя фотокамеры, а в качестве кард-ридера желательно использовать сам фотоаппарат.

Рис. 4.4. Окно форматирования flash-диска в Windows Vista SPl

Нововведением является файловая система exFAT (Extended FAT - расширенная FAT). Поддержка этой специально разработанной для flash-дисков файловой системы впервые появилась в Windows Embedded СЕ 6.0. С exFAT работают Windows Vista Service Pack 1 и Windows 7 (рис. 4.4).

Назначение новой файловой системы - постепен­ная замена FAT и FAT32 на flash-накопителях. В ней заложены некоторые черты, которые ранее были присущи только файловой системе NTFS:

Преодолено ограничение в размере файла в 4 Гбайт: теоретически лимит составляет 2^ байтов (16 эксабайтов);

Улучшено распределение свободного места за счет введения битовой карты свободного мес­та, что уменьшает фрагментацию диска;

Снят лимит на количество файлов в одной директории;

Введена поддержка списка прав доступа.

Насколько скоро эта файловая система станет нормой для flash-накопителей, по­кажет время. Видимо, это произойдет не раньше, чем на операционную систему Windows 7 перейдет подавляющее большинство пользователей.

Физика ,

Электроника для начинающих

Предисловие

Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям ( , , , ). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.

Теоретическая часть

Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…

Какая память бывает?

На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.

Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах .

Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?

Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память ( тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.

Схематическое представление транзистора с плавающим затвором.

Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано . Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.

NB: «практически» - ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.

Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:

Устройство ячейки RAM.

Опять-таки на ixbt есть неплохая , посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.

Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да , но всё-таки…

Часть практическая

Flash

Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:

Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти.

Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы ). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.

Корпус кварцевого генератора

Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:

Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита

А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:

Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий

Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.

После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:

«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)

Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый» < 2 диаметров человеческого волоса, так что всё в мире относительно:

СЭМ-изображения контактов, питающих чип памяти

Если говорить о самой памяти, то тут нас тоже ждёт успех. Удалось отснять отдельные блоки, границы которых выделены стрелочками. Глядя на изображение с максимальным увеличением, постарайтесь напрячь взгляд, этот контраст реально трудно различим, но он есть на изображении (для наглядности я отметил отдельную ячейку линиями):

Ячейки памяти 1. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки

Мне самому сначала это показалось как артефакт изображения, но обработав все фото дома, я понял, что это либо вытянутые по вертикальной оси управляющие затворы при SLC-ячейке, либо это несколько ячеек, собранных в MLC. Хоть я и упомянул MLC выше, но всё-таки это вопрос. Для справки, «толщина» ячейки (т.е. расстояние между двумя светлыми точками на нижнем изображении) около 60 нм.

Чтобы не лукавить – вот аналогичные фото с другой половинки флешки. Полностью аналогичная картина:

Ячейки памяти 2. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки

Конечно, сам чип – это не просто набор таких ячеек памяти, внутри него есть ещё какие-то структуры, принадлежность которых мне определить не удалось:

Другие структуры внутри чипов NAND памяти
 

DRAM

Всю плату SO-DIMM от Samsung я, конечно же, не стал распиливать, лишь с помощью строительного фена «отсоединил» один из модулей памяти. Стоит отметить, что тут пригодился один из советов, предложенных ещё после первой публикации – распилить под углом. Поэтому, для детального погружения в увиденное необходимо учитывать этот факт, тем более что распил под 45 градусов позволил ещё получить как бы «томографические» срезы конденсатора.

Однако по традиции начнём с контактов. Приятно было увидеть, как выглядит «скол» BGA и что собой представляет сама пайка:

«Скол» BGA-пайки

А вот и второй раз пора кричать: «Язь!», так как удалось увидеть отдельные твердотельные конденсаторы – концентрические круги на изображении, отмеченные стрелочками. Именно они хранят наши данные во время работы компьютера в виде заряда на своих обкладках. Судя по фотографиям размеры такого конденсатора составляют около 300 нм в ширину и около 100 нм в толщину.

Из-за того, что чип разрезан под углом, одни конденсаторы рассечены аккуратно по середине, у других же срезаны только «бока»:

DRAM память во всей красе

Если кто-то сомневается в том, что эти структуры и есть конденсаторы, то можно посмотреть более «профессиональное» фото (правда без масштабной метки).

Единственный момент, который меня смутил, что конденсаторы расположены в 2 ряда (левое нижнее фото), т.е. получается, что на 1 ячейку приходится 2 бита информации. Как уже было сказано выше, информация по мультибитовой записи имеется, но насколько эта технология применима и используется в современной промышленности – остаётся для меня под вопросом.

Конечно, кроме самих ячеек памяти внутри модуля есть ещё и какие-то вспомогательные структуры, о предназначении которых я могу только догадываться:

Другие структуры внутри чипа DRAM-памяти

Послесловие

Помимо тех ссылок, что раскиданы по тексту, на мой взгляд, довольно интересен данный обзор (пусть и от 1997 года), сам сайт (и фотогалерея, и chip-art, и патенты, и много-много всего) и данная контора , которая фактически занимается реверс-инжинирингом.

К сожалению, большого количества видео на тему производства Flash и RAM найти не удалось, поэтому довольствоваться придётся лишь сборкой USB-Flash-накопителей:

P.S.: Ещё раз всех с наступающим Новым Годом чёрного водяного дракона!!!
Странно получается: статью про Flash хотел написать одной из первых, но судьба распорядилась иначе. Скрестив пальцы, будем надеяться, что последующие, как минимум 2, статьи (про биообъекты и дисплеи) увидят свет в начале 2012 года. А пока затравка - углеродный скотч:

Углеродный скотч, на котором были закреплены исследуемые образцы. Думаю, что и обычный скотч выглядит похожим образом

Несмотря на прогресс компьютерных технологий еще всего 3-4 года назад много новых компьютеров (а тем более старых) имели в своем составе флоппи-дисковод. Значительное удешевление оптических приводов и компакт-дисков не смогли заменить 3.5-дюймовые дискеты. Неудобно пользоваться оптическими носителями и все тут. Если считывание данных с них еще особого дискомфорта не вызывает, то вот запись и удаление уже требовали какого-то времени. Да и надежность дисков хоть и многократно выше чем у дискет, все равно через какое-то время, особенно после активного использования, начинает падать. Как всегда в самый неподходящий момент привод от старости (своей или диска) "взбрыкнет" и скажет, что диска на горизонте не заметно.

Вот и продержались дискеты так долго. Носить на них какую-нибудь мелочь вроде документов, либо исходных кодов программ еще вполне можно. Но сейчас и для этого типа данных порой не хватает 1.38 Мбайт свободного места.

Решение проблемы замаячило довольно давно. Имя ему флэш-память. Изобретена она была еще в 80-х годах прошлого века, но до реально массовых продуктов добралась к концу 90-х. И причем первое время у нас она была доступна в качестве карт-памяти, а затем в виде MP3-плееров, которые сегодня уже сменили аббревиатуру MP3 на более гордый и обобщающий эпитет "цифровой".

Далее последовало появление USB-флэш накопителей. Процесс их проникновения был по началу не самым быстрым. Начался он с появления решений на 16-64 Мбайт. Сейчас это мизер, но лет 8 назад по сравнению с дискетой это было ого-го как хорошо. А плюс к этому добавлялось удобство работы, высокая скорость чтения/записи и, конечно же, высокая цена. Тогда такие флэшки стояли дороже пишущего оптического привода, которые сами оценивались в сумму порядка $100.

Тем не менее, удобство флэшек оказало решающее влияние на выбор потребителя. В итоге в 2005 году начался настоящий бум. Стоимость флэш-памяти многократно упала, а вместе с ней выросла емкость накопителей. В итоге сегодня за каких-нибудь 2000-2500 рублей можно купить флэшку на 32 Гбайта, тогда как год назад такая стоила чуть ли не вдвое дороже.

Прогресс в области флэш-памяти оказался успешным на столько, что она сегодня уже начинает конкурировать с жесткими дисками. Пока что только в области скорости чтения/записи и времени доступа, а также в энергетических показателях и прочности, но победу по емкости в ближайшие годы также исключать нельзя. Единственное достоинство HDD – это цена. Один "жесткий" гигабайт стоит куда меньше. Но и это лишь вопрос времени.

Итак, флэш-память - это одна из наиболее перспективных компьютерных технологий для хранения данных. Но откуда она такая взялась и каковые ее возможные ограничения и недостатки? Как раз на эти все вопросы и призвана ответить эта статья.

Прошлое

В то время как японские грузчики разгружали одну из первых партий компьютеров Apple, привезенных в холодильниках из-за изображенного яблока на коробках, один японский ученый по имени Фуджио Масуоки трудился в стенах исследовательской лаборатории Toshiba над новым типом памяти. Название ей придумали не сразу, но перспективы изобретения ученому были видны с самого начала.

Впрочем, с названием определились довольно быстро. Коллега Фуджио, господин Шоджи Ариизуми, предложил назвать новую память "flash". Один из переводов этого слова обозначает вспышку фотоаппарата (да и в принципе любую другую вспышку света). На такую мысль Шоджи навел способ стирания данных.

Представлена новая технология была в 1984 году в Сан-Франциско на мероприятии под названием International Electron Devices Meeting (международная встреча производителей электронных устройств), проведенным институтом IEEE. Заметили ее сразу, причем довольно крупные компании. К примеру Intel выпустила свой первый коммерческий NOR-чип уже в 1988 году.

Пять лет спустя, в 1989 году, Toshiba на аналогичном мероприятии представила технологию NAND-флэш памяти. Сегодня именно этот тип применяется в подавляющем большинстве устройств. Почему именно - расскажем в следующем разделе.

NOR и NAND

NOR-память была представлена несколько раньше поскольку она чуть проще в производстве, да и ее транзисторы по своему строению напоминают обычный MOSFET-транзистор (канальный полевой униполярный МОП-транзистор). Разница заключается лишь в том, что в NOR-памяти транзистор в дополнение к контролирующему затвору имеет второй, "плавающий", затвор. Последний при помощи специального изолирующего слоя может удерживать электроны в течение многих лет, держа транзистор не разряженным.

Вообще свое название NOR-память получила из-за работы как NOR-затвор (NOR – логическая операция НЕ-ИЛИ; принимает значение "истина" только когда на оба входа подается "ложь"). Так что пустая ячейка NOR-памяти заполнена логическим значением "1". Кстати, тоже самое касается и NAND-памяти. И, как не сложно догадаться, она свое название получила из-за схожего принципа работы с NAND-затвором (NAND – логическая операция НЕ-И; принимает значение "ложь" только когда на оба входа подается "истина").

Во что выливается на практике эти самые "НЕ-И" и "НЕ-ИЛИ"? В то, что чип NOR-памяти можно очистить только целиком. Хотя в более современных инкарнациях данной технологии чип разбит на несколько блоков, занимающих обычно 64, 128 или 256 Кбайт. Зато этот тип памяти имеет внешнюю шину адресов, что позволяет побайтное чтение и программирование (запись). Это позволяет не только максимально точно получать доступ к данным напрямую, но и исполнять их прямо "на месте", не выгружая всю информацию в оперативную память. Эта возможность называется XIP (eXecute In Place – выполнение на месте).

Стоит также рассказать о сравнительно новой функции NOR-памяти под названием BBM (Bad Block Management - управление бэд-блоками). Со временем часть ячеек может придти в негодность (точнее станет недоступна их запись) и контроллер чипа, заметив это, переназначит адрес таких ячеек на другой, пока еще рабочий блок. Чем-то подобным занимаются и жесткие диски, о чем мы писали в статье " ".

Таким образом NOR-память хорошо подходит для тех случаев, когда требуется максимальная точность считывания данных и довольно редкое их изменение. Догадываетесь к чему мы клоним? Правильно - к прошивкам различных устройств, в частности BIOS системных плат, видеокарт и т.д. Именно там сейчас NOR-флэш и применяется чаще всего.

Что касается NAND, то с ней ситуация чуть "позаковыристей". Чтение данных может осуществляться только постранично, а запись - поблочно. Один блок состоит из нескольких страниц, а одна страница обычно имеет размер 512, 2048 или 4096 байт. Число страниц в блоке как правило варьируется от 32 до 128. Так что ни о каком исполнение "на месте" речи не идет. Еще одно ограничение NAND-памяти - это то, что запись в блок может осуществляться только последовательно.

В итоге подобная точность (хотя правильнее будет сказать "не точность") порой приводит к ошибкам, особенно если приходится иметь дело с MLC-памятью (об этом типе чуть ниже). Для их коррекции применяется механизм ECC. Он может исправить от 1 до 22 бит в каждых 2048 битах данных. Если исправление невозможно, то механизм определяет наличие ошибки во время записи или стирания данных и блок помечается как "плохой".

Кстати, для предотвращения образования бэд-блоков во флэш-памяти существует специальный метод под названием "wear levelling" (дословно "уровень износа"). Работает он довольно просто. Поскольку "живучесть" блока флэш-памяти зависит от количества операций стирания и записи, а для разных блоков это количество разное, контроллер устройства подсчитывает число этих операций для блоков, стараясь со временем проводить запись на те, что использовались меньше. То есть на те, которые меньше "изношены".

Ну а что касается области применения NAND-памяти, то благодаря возможности более плотного размещения транзисторов, а заодно более дешевого их изготовления, она как раз и используется во всех картах флэш-памяти и USB-флэшках, а также SSD.

Ну и немного об SLC (Single-Level Cell - одноуровневая ячейка) и MLC (Multi-Level Cell - многоуровневая ячейка) ячейках. Изначально был доступен только первый тип. Он предполагает, что в одной ячейке может храниться только два состояния, то есть один бит данных. Чипы MLC были придуманы позже. Их возможности чуть шире - в зависимости от напряжения контроллер может считать с них более двух значений (как правило четыре), что позволяет хранить в одной ячейке от 2 и более бит.

Достоинства MLC на лицо - при том же физическом размере в одну ячейку помещается вдвое больше данных. Недостатки, впрочем, не менее существенны. Прежде всего это скорость считывания - она естественно ниже, чем у SLC. Ведь требуется создание более точного напряжения, а после этого необходимо правильно расшифровать полученную информацию. И тут же возникает второй недостаток - неизбежные ошибки при считывании и записи данных. Нет, данные не повреждаются, но это сказывается на скорости работы.

Довольно существенный недостаток флэш-памяти - это ограниченное число циклов записи и стирания данных. В этом отношении она пока что не очень хорошо может соперничать с жесткими дисками, но в целом ситуация с каждым годом улучшается. Вот данные по времени службы разных типов флэш-памяти:

• SLC NAND – до 100 тысяч циклов;
• MLC NAND – до 10 тысяч циклов;
• SLC NOR – от 100 до 1000 тысяч циклов;
• MLC NOR – до 100 тысяч циклов.

Вот вам и еще один недостаток MLC-памяти - она менее долговечна. Ну а NOR-флэш вообще вне конкуренции. Правда, от этого мало толку обычному обывателю - все равно его флэшка вероятнее всего построена на основе NAND-флэш, да еще и на MLC-чипах. Впрочем, технологии не стоят на месте и уже в массы постепенно идет NAND-флэш с миллионым циклом записи и стирания данных. Так что со временем эти параметры станут для нас мало существенными.

"Карточки"

Разобравшись с типами флэш-памяти теперь перейдем к реальным продуктам на ее основе. Само собой описание микросхем BIOS мы опустим, поскольку большинство читателей они интересуют мало. Также как не имеет смысла рассказывать о USB-флэшках. С ними все предельно просто: подключаются через интерфейс USB, установленные внутри чипы целиком и полностью зависят от производителя. Стандартов для этих носителей никаких нет, если не считать необходимость наличия совместимости с USB.

Зато стандарты требуются для флэш-карт, которые сегодня используются в цифровых фотоаппаратах, плеерах, мобильных телефонах и других мобильных устройствах. Карт-ридер для них имеется в большинстве ноутбуков и нетбуков, а еще такой можно встретить в бытовых DVD (или Blu-ray) проигрывателях, либо автомагнитолах.

Для этих устройств существует одна универсальная характеристика - число поддерживаемых карт памяти. Порой на карт-ридерах можно увидеть гордые надписи "20-в-1" или даже "30-в-1", означающие число поддерживаемых форматов. Но что самое удивительное, принципиально разных массовых форматов всего 6. Все остальные - это их модификации. Вот на этих шести стандартах мы и остановимся далее.

CompactFlash

Формат CompactFlash занимает особое место среди всех остальных форматов карт флэш-памяти. Прежде всего потому, что он был самым первым массовым стандартом. Его представила компания SanDisk в 1994 году. И до сих пор он активно применяется в цифровых зеркальных камерах, а также компьютерах-роутерах и других узкоспециализированных устройствах.

Самое интересное, что первые CF-карточки были основаны на NOR-чипах производства Intel. Но потом довольно быстро были переведены на NAND-флэш, что позволило снизить стоимость и повысить емкость.

CompactFlash создавался как формат для внешнего хранения данных. Но поскольку 15 лет назад карт-ридеров не было, да и USB только проектировался, CF-карты были созданы на основе спецификаций интерфейса ATA (IDE). Таким образом такая карточка может быть подключена к обычному IDE-разъему или вставлена в слот PC Card через пассивный адаптер. Именно поэтому CompactFlash очень удобно использовать в роутерах и аналогичных устройствах - скорость и большой объем там не требуются, а вот размеры, ударостойкость и малый нагрев куда более актуальны.

Кроме того не составляет труда сделать переходник для интерфейса USB или FireWire. И, что самое интересное, большинство карт-ридеров используют систему ввода/вывода CompactFlash для обмена данными между компьютером и другими форматами: SD/MMC, Memoty Stick, xD и SmartMedia.

Теперь о различных модификациях стандарта CompactFlash. Изначально такие карточки выпускались в едином "картридже" размером 43х36х3.3 мм. Он применяется и сегодня. Но когда был представлен однодюймовый винчестер IBM Microdrive, то был добавлен второй форм-фактор с размерами 43х36х5.0 мм. Таким образом первый стал называться CF Type I, а второй - CF Type II. После того как выпуск Microdrive (и его аналогов) был остановлен актуальность CF Type II сошла на нет.

Имеется у CompactFlash еще несколько ревизий. Их необходимость возникла по мере роста скоростей чтения/записи, а также объема. Так ревизия 2.0 повысила максимальную скорость до 16 Мбайт/с. Позже появилась ревизия 3.0, увеличившая это значение до 66 Мбайт/с. Ну и самая последняя версия 4.0/4.1 позволяет вести обмен данными на скорости до 133 Мбайт/с. Последнее значение соответствует стандарту UDMA133, который также уже теряет свою актуальность.

На смену четвертой ревизии уже подготавливается... нет, не новая ревизия - новый формат - CFast. Его главное принципиальное отличие - использование интерфейса SerialATA вместо IDE. Само собой это полностью перекрывает обратную совместимость с прежним типом разъема, зато увеличивает максимальную скорость до 300 Мбайт/с и возможность наращивания объема куда больше 137 Гбайт. Заметим, что для обмена данными CFast использует семь контактов, как и обычный SATA-интерфейс. Зато питание подается через 17 контактов, тогда как у SATA-устройств их 15. Так что напрямую подключить CFast-карту к материнской плате не получится, придется использовать переходник. Появится такие карточки должны уже в этом году. В январе на CES 2009 уже были продемонстрированы первые образцы емкостью 32 Гбайта.

Теперь остается рассказать о скорости обмена данными и доступных на сегодняшний день объемах карт CompactFlash. Скорость у CF-карточек (да и у остальных накопителей флэш-памяти, кроме SSD, тоже) измеряется точно так, как и у CD-дисков. То есть 1х соответствует 150 Кбайт/с. На самых быстрых представителях красуются надписи 300х, что соответствует есть 45 Мбайт/с. В принципе не мало, но и до жестких дисков на пару с SSD далеко. Но со временем скорость будет только возрастать.

Ну а что касается объема, то за все время были выпущены карты CompactFlash емкостью от 2 Мбайт до 100 Гбайт. Сегодня наиболее распространены варианты от 1 до 32 Гбайт. Впрочем, в продаже уже доступны версии на 48, 64 и 100 Гбайт, хотя они пока что довольно редки. Пока что формат CompactFlash предлагает самые емкие карты флэш-памяти. Но зато другие могут предложить иные преимущества. О них читаем далее.

SmartMedia

Вторым массовым форматом флэш-карт стал SmartMedia. Он был представлен на год позже CompactFlash - летом 1995 года. Собственно, он и создавался как конкурент CF. Что SmartMedia мог предложить? Прежде всего меньшие размеры. А если быть еще точнее, то только меньшую толщину - всего 0.76 мм; ширина и длина таких карточек была 45х37 мм, тогда как у CompactFlash эти параметры почти такие же - 43х36 мм. Надо отметить, что в плане толщины SM пока еще не превзошел ни один другой формат. Даже сверхкомпактные карты microSD "пожирнее" - 1 мм.

Подобного показателя удалось достигнуть благодаря изъятию чипа-контроллера. Он был перенесен в карт-ридер. Да и внутри самой SM-карты по началу мог размещаться один NAND-чип, по потом, по мере совершенствования технологии, их там стало больше.

Но отсутствие контроллера внутри карточки имеет определенные минусы. Во-первых по мере роста объема и выхода новых моделей носителей приходилось обновлять прошивку карт-ридера. Да и не всегда эта операция была доступна, если карт-ридер был совсем уж старым. Также со временем началась путаница с рабочим напряжением карт SmartMedia. Изначально оно было 5.0 В, а потом 3.3 В. И если карт-ридер не поддерживал одно из них, то с такими картами он работать не мог. Более того, при вставке карточки на 3.3 вольта в 5.0-вольтовый карт-ридер она могла повредиться или сгореть.

Во-вторых для формата SmartMedia невозможно использование метода подсчета уровня износа блоков флэш-памяти (метод wear levelling мы описали в прошлом разделе). А это потенциально угрожает сократить срок службы карты памяти.

Впрочем, все это не помешало довольно долго использовать SmartMedia в качестве основного формата для цифровых камер - в 2001 году его поддерживало до половины таких устройств на рынке, хотя тогда и рынок этот был куда поскромнее сегодняшнего. В других цифровых устройствах вроде плееров, КПК или мобильных телефонов SmartMedia себя на нашел. Да и производители камер стали отказываться от SM. Фотоаппараты становились все меньше и малой толщины этих карточек уже было недостаточно. Ну и второй существенный минус - рост потребности в большей емкости. Карты SmartMedia достигли объема всего 128 Мбайт. Планировались варианты на 256 Мбайт, но их так и не выпустили.

А вообще SmartMedia задумывался как замена для 3.5-дюймовых флоппи-дискет. Для них даже был выпущен специальный адаптер под названием FlashPath. Его представили в мае 1998 года и через год их было продано миллион штук. Разработан он был компанией SmartDisk, которая, кстати, выпускала аналогичные адаптеры и для карт MemoryStick и SD/MMC.

Самое удивительное, что работать FlashPath может с любым флоппи-дисководом, отменным логотипом "HD" (High-Density - высокая плотность). Короче подходит любой, который читает 1.44 Мбайт дискеты. Но есть одно "но". Без него никак не обойтись. А тут их даже два. Первое - для распознания FlashPath-адаптера и карточки внутри него требуется специальный драйвер. И если его под нужную ОС не имеется, то она в пролете. Так что загрузится с такой дискеты уже не получится. Второе "но" - скорость работы. Она не превышает таковую при работе с обычной дискеты. И если 1.44 Мбайт можно было скопировать или записать чуть больше чем за минуту, то на 64 Мбайта уйдет больше часа.

Сегодня формат SmartMedia можно назвать мертвым. Некоторые карт-ридеры все еще поддерживают работу с ним (особенно самые понтовые а-ля "все-в-1"), но эта совместимость просто не актуальна. Хотя, конечно, определенную лепту в развитие флэш-технологий этот стандарт внес.

Формат MMC был представлен третьим по счету в 1997 году. Его разработкой занимались SanDisk и Siemens AG. Аббревиатура MMC расшифровывается как MultiMediaCard, что сразу говорит предназначении стандарта - цифровые мультимедийные устройства. Именно там MMC чаще всего и применяется.

В принципе MMC очень сильно связан с SD, особенно их первые версии. Тем не менее, они разошлись в своем развитии и сегодня второй является наиболее распространенным. Так что о нем мы расскажем в следующем подразделе.

MMC в отличие от CompactFlash и SmartMedia имеет более компактные размеры. В плане длины и ширины: 24х32 мм. Толщина карточек MMC составляет 1.4 мм, что примерно в два раза больше, чем у SM. Но этот параметр не так критичен, чем два других измерения.

За все время существования MMC было представлено целых восемь различных модификаций его карт. Первая (просто MMC) для передачи данных использует однобитный последовательный интерфейс, а ее контроллер работает на частоте до 20 МГц. Это означает максимальную скорость не более 20 Мбит/с (2.5 Мбайт/с или примерно 17х). В принципе довольно скромно по современным меркам, но 12 лет назад этого было достаточно.

В 2004 году представили форм-фактор RS-MMC. Приставка RS означает Reduced-Size или "уменьшенный размер". Ее габариты следующие: 24х18х1.4 мм. Можно заметить, что почти в два раза уменьшилась высота. В остальном это была точно такая же MMC-карта памяти. Но для ее установки в карт-ридер необходимо использовать механический адаптер.

Довольно краткоживущим оказался формат DV-MMC (DV означает Dual-Voltage – двойное напряжение). Такие карты могли работать на стандартном напряжении 3.3 В и на пониженном 1.8 В. Нужно это для экономии энергии. Тут явно прослеживается ориентация на мобильные устройства. Но DV-MMC карточки быстро свернули в связи с появлением форматов MMC+ (или MMCplus) и MMCmobile.

MMC+ и MMCmobile довольно существенно отличались от оригинальной спецификации MMC и представляли собой ее четвертую версию. Впрочем, это не мешало им сохранить полную обратную совместимость со старыми карт-ридерами и устройствами, но для использования их новых возможностей требовалось обновление прошивки. А возможности эти были следующими. К однобитному интерфейсу обмена данными добавились 4- и 8-битные. Частота контроллера могла быть от 26 до 52 МГц. Все это поднимало максимальную скорость до 416 Мбит/с (52 Мбайт/с). Оба этих формата поддерживали работу с напряжением 1.8 или 3.3 В. По размерам они не отличились от MMC и RS-MMC, соответственно MMCplus и MMCmobile.

Позднее появился самый маленький MMC – MMCmicro. Размеры карточки были 14х12х1.1 мм. В основе этого формата лежал MMC+ с некоторыми ограничениями. В частности из-за отсутствия дополнительных контактов (у MMC их 7, у MMC+ - 13) интерфейс обмена данными не поддерживал 8-битную передачу данных.

Имеется еще такой не совсем обычный формат как miCard. Его представили летом 2007 года с целью создать универсальную карту, которую можно вставлять как в карт-ридер SD/MMC, так и в разъем USB. Первые карточки должны были иметь емкость 8 Гбайт. Максимум же достигает 2048 Гбайт.

Ну и последний - это SecureMMC. Он также основан на спецификации версии 4.х, что использована в MMC+. Его главная возможность - поддержка DRM-защиты. Кстати, именно этим изначально и отличался формат SD от MMC. SecureMMC – это попытка конкуренции с SD. Так что переходим к этому стандарту.

Формат SD (Secure Digital) на сегодняшний день является наиболее популярным. Он и его модификации используются везде: в цифровых плеерах и фотоаппаратах (даже в зеркальных), в КПК и мобильных телефонах. Вероятно причина этого заключается в его постоянной поддержке и развитии со стороны многих компаний.

Представлен же SD был в 1999 году компаниями Matsushita и Toshiba. Полноразмерная карточка Secure Digital по своим габаритам такая же, как и MMC – 32x24x2.1 мм. Большая толщина объясняется наличием блокирующего от записи ключа. Впрочем, спецификация SD позволяет делать карты и без оного (они называются Thin SD), тогда тощина снижается до 1.4 мм.

Изначально выход SD ставил своей целью конкуренцию с MemoryStick (о нем рассказывается ниже), который поддерживал DRM-защиту медиа-файлов. Тогда компании-разработчики ошибочно предположили, что гиганты медиа-индустрии так насядут на онлайн-магазины, что все файлы будут защищены DRM. Вот и решили подсуетиться.

В основу Secure Digital легли спецификации MMC. Именно поэтому карт-ридеры SD запросто работают с MMC. Почему не наоборот? Для оберегания контактов от износа у карт SD они были несколько утоплены в корпус. Поэтому контакты карт-ридера, нацеленного только на работу с MMC, просто не достанут до контактов SD-карты.

В плане разнообразия форматов SD не менее "скромный", чем его предшественник. Прежде всего стоит отметить, что было представлено еще два форм-фактора: miniSD (20х21.5х1.4 мм) и microSD (11x15x1). Последний изначально был создан SanDisk и назывался как T-Flash, а затем как TransFlash. А после его адаптировала в качестве стандарта ассоциация SD Card Association.

Остальные различия касаются емкости карточек. И тут есть определенная путаница. Началась она еще с первого поколения карт, которые достигли объема 2 Гбайта. SD-карта идентифицируется 128-битным ключом. Из них 12 бит используются для обозначения числа кластеров памяти и еще 3 бита для обозначения числа блоков в кластере (4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 или 512 - итого 8 значений, что соответствует трем битам памяти). Ну а стандартный размер блока для первых версий составлял 512 байт. Итого 4096х512х512 дает 1 Гбайт данных. Приплыли.

Когда "сверху" недостаток емкости стал поджимать появилась версия 1.01 спецификации, позволявшая использовать дополнительный бит для дополнительного определения объема блока - он теперь мог быть 1024 или 2048 байт, а максимальная емкость соответственно выросла до 2 и 4 Гбайт. Но вот незадача - старые устройства могли некорректно определять размер новых карт памяти.

В июне 2006 года появилась новая редакция стандарта - SD 2.0. Ему даже новое имя дали - SDHC или Secure Digital High Capacity (Secure Digital высокой емкости). Название говорит само за себя. Основное нововведение SDHC – возможность создания карточек объемом до 2 Тбайт (2048 Гбайт). Минимальная граница в принципе не ограничена, но на практике SDHC-карты имеют объем от 4 Гбайт. Примечательно, что искусственно ограничена максимальная граница - 32 Гбайт. Для более емких карт предлагается использовать стандарт SDXC (о нем ниже), хотя несколько производителей представили SDHC на 64 Гбайта.

Стандарт SD 2.0 использует для определения размера 22 бита данных, но четыре из них зарезервированы для будущего использования. Так что карт-ридеры, изначально не приспособленные для работы с SDHC, не смогут распознать новые карты памяти. Зато новое устройства запросто узнают старые карточки.

Вместе с анонсом формата SDHC появилась идентификация по скоростным классам. Их существует три варианта: SD Class 2, 4 и 6. Цифры эти обозначают минимальную скорость обмена данными для карточки. То есть карта с SD Class 6 обеспечит скорость минимум 6 Мбайт/с. Ну а верхняя граница естественно не ограничена, хотя пока что ситуация с картами SD обстоит примерно так же, как и с CompactFlash – самые быстрые представители достигли скорости 300х или 45 Мбайт/с.

Стоит добавить, что модернизации подверглись и миниатюрные форм-факторы. Про miniSDHC и microSDHC никто не забыл. Правда, попадаются в продаже в основном первые карточки. Сегодня их максимальный объем достиг уже 16 Гбайт, а на подходе 32 Гбайт варианты.

Ну и самая последняя новинка - стандарт . Назвали ли его версией 3.0 или нет, нам так выяснить не удалось. Однако от SDHC он отличается не столь значительно. Прежде всего для него сняли искусственное ограничение на максимальный объем, который теперь может достигать 2 Тбайт. Максимальная скорость обмена данными была повышена до 104 Мбайт/с, а в будущем обещают поднять ее до 300 Мбайт/с. Ну и в качестве основной файловой системы избрали exFAT (о ней рассказано ниже), тогда как SDHC довольствуется в большинстве случаев FAT32. Первые карточки SDXC уже были анонсированы и они имеют емкость 32 или 64 Гбайта. Но продуктов с их поддержкой еще потребуется обождать какое-то время.

Собственно о карточках SD все. Но в рамках этого стандарта выпустили еще несколько интересных вещей. К примеру, спецификацию SDIO (Secure Digital Input Output). Согласно ей используя форм-фактор и интерфейс карт SD можно создавать такие устройства как GPS-ресиверы, контроллеры Wi-Fi и Bluetooth, модемы, FM-тюнеры, Ethernet-адаптеры и др. То есть слот SD в этом случае служит неким аналогом USB.

SanDisk отличилась картами SD Plus, в которые сразу интегрирован USB-коннектор. Довольно интересную разработку представляет собой Eye-Fi. Это карта памяти со встроенным контроллером Wi-Fi. Последний может передавать данные с карточки на любой компьютер. Таким образом нет нужды даже извлекать ее из фотоаппарата или телефона.

Итого на сегодняшний день формат Secure Digital является самым популярным и быстрорастущим. Ему пока что пытается противостоять Sony со своими Memory Stick, но выходит у нее это плохо.

Memory Stick

Компания Sony известна своей нелюбовью к большинству форматов и стандартов, что не были разработаны ею. Оно и понятно - с них лицензионных отчислений не получишь. Так в итоге появились и DVD+R/RW и Blu-ray и карточки Memory Stick. Представленные в октябре 1998 года они до сих пор распространены только среди продукции Sony. Да и их выпуском занимается по большому счету только Sony и немного SanDisk. Итог этого закономерен: сравнительно слабая распространенность и более высокая цена, чем у других флэш-карт аналогичного объема.

За все время существования Memory Stick Sony выпустила целых семь модификаций. Причем, в отличие от MMC, все они в ходу. В итоге возникает закономерная путаница, а заодно производители карт-ридеров могут повысить число распознаваемых стандартов ихними продуктами.

Началось все с просто Memory Stick. Это вытянутая карта памяти размером 50х21.5х2.8 мм. Своей формой она чем-то напоминает пластинку жевательной резинки. Отличалась она, как мы писали выше, поддержкой DRM, которая так и не потребовалась. Емкость варьировалась от 4 до 128 Мбайт.

Со временем этого стало недостаточно, а поскольку обновленного стандарта еще не разработали, был анонсирован формат Memory Stick Select. Это обычная карточка Memory Stick, но внутри нее располагалось два чипа памяти по 128 Мбайт каждый. И между ними можно было переключаться при помощи специального переключателя на самой карте. Не очень удобное решение. Поэтому оно и было временным и промежуточным.

С малой емкостью удалось справиться выпустив в 2003 году Memory Stick PRO. Теоретически такая карта памяти может хранить до 32 Гбайт данных, но на практике более 4 Гбайт их не делали. Само собой большинство старых устройств не распознает PRO-версию, но зато новые запросто узнают Memory Stick первого поколения. Еще большую сумятицу вносит подвариант стандарта High Speed Memory Stick PRO. Такими были все Memory Stick PRO емкостью от 1 Гбайта. Понятно, что они могли работать в специальном высокоскоростном режиме. И очень радует, что все они обратно совместимы и с более старыми девайсами, только что скорость падала до обычной.

Со временем стало ясно, что потребуется идти по пути уменьшения карточек, а то "пластинки" Memory Stick далеко не везде удобно использовать. Так появились Memory Stick Duo размером 31х20х1.6 мм - чуть меньше Secure Digital. Но вот незадача, эти карты имели в своей основе первую версию стандарта Memory Stick, а вместе с ним и ограничение на максимальный объем. 128 Мбайт для 2002 года как-то уже совсем не солидно. Так и появился Memory Stick PRO Duo в 2003 году. И именно этот стандарт сегодня развивается более всего - уже существуют карты на 16 Гбайт, на подходе 32 Гбайт варианты, ну а теоретический предел по уверениям Sony составляет 2 Тбайта.

В декабре 2006 года Sony, совместно с SanDisk, анонсировала новую модификацию своих карт флэш-памяти - Memory Stick PRO-HG Duo. Его главное отличие от других вариантов - более высокая скорость работы. В дополнение к 4-битному интерфейсу обмена данными был добавлен 8-битный. Да и поднялась частота контроллера с 40 до 60 МГц. В итоге теоретический скоростной предел увеличился до 480 Мбит/с или 60 Мбайт/с.

Ну и следуя последнему писку моды в феврале 2006 года появился формат карточек Memory Stick Micro (или его еще называют M2), с габаритами 15х12.5х1.2 мм - это чуть больше microSD. Их емкость варьируется от 128 до 16 Гбайт, а теоретически может быть 32 Гбайта. Через переходник карта памяти M2 может быть вставлена в слот для Memory Stick PRO, но если ее объем более 4 Гбайт, то могут возникнуть определенные проблемы с распознанием.

Вот такая вот загогулина. Если разобраться, то в принципе и не сложно: Memory Stick – оригинальный формат не самых компактных размеров, Memory Stick PRO – вариант с большей емкостью и скоростью работы, Memory Stick (PRO) Duo - уменьшенная версия карточек, Memory Stick PRO-HG Duo – ускоренный вариант Memory Stick PRO Duo, Memory Stick Micro (M2) – самые маленькие Memory Stick. Теперь можно перейти к самому последнему стандарту - xD.

xD-Picture Card

Компании Olympus и Fujifilm посчитали, что существовавшие в первые годы этого века форматы флэш-карт не соответствуют ихним представлениям об идеальном хранилище данных для фотоаппаратов. Иначе чем объяснить разработку собственного стандарта xD-Picture Card?

Из названия формата следует, что он создан для хранения изображений. Но Olympus выпускает на его основе цифровые диктофоны, а Fujitsu - MP3-плееры. Впрочем, последних устройств куда меньше, чем фотоаппаратов с поддержкой xD. Однако если сравнить суммарный объем продаж цифровых камер Fujitsu и Olympus, то они никак не превзойдут показатели лидеров рынка - Canon и Nikon. А лидеры преспокойно используют CompactFlash в зеркальных камерах среднего и высшего уровней, а в остальных отлично прижился стандарт Secure Digital. Ну а раз распространение у карточек xD не очень большое, то в своем развитии они отстают от наиболее популярных форматов, а к тому же стоят дороже их. Примерно в 2-3 раза, если брать карты одной емкости.

Очевидно, что главная ориентация разработчиков формата xD (кстати, выпуском карт на его основе занимаются Toshiba и Samsung) заключалась в уменьшении размера карты памяти. Ее габариты следующие - 20х25х1.78 мм. Примерно как две Memory Stick Micro.

Емкость самой первой версии карт xD варьируется от 16 до 512 Мбайт. Представлены они были в июле 2002 года. Однако в феврале 2005 года появилось первое обновление, позволившее довести максимальный объем до 8 Гбайт. Новый стандарт назывался xD Type M. Увеличить объем удалось за счет применения MLC-памяти, которая в то же время оказалась более медленной. xD-карты Type M достигли объема 2 Гбайт. И пока что этот предел не преодолен ни Type M, ни более новыми стандартами.

Чтобы решить проблему скорости в ноябре 2005 года представили xD Type H. Этот формат был основан на памяти SLC, раз его выпуск решили прекратить в 2008 году из-за высокой себестоимости. Зато ему на смену в апреле 2008 года был выпущен Type M+. Карты этого формата примерно в 1.5 раза быстрее Type M.

Обратная совместимость различных версий форматов xD верна только для самых новых устройств - они запросто распознают более старые версии карточек. А вот старые устройства не обязательно узнают новые карты. Тут примерно такая же ситуация, как и у других стандартов.

Что касается скорости, то, как и в плане объема, xD совсем не блещет. Сегодня средняя скорость чтения Type M+ составляет 6.00 Мбайт/с (40х), а записи - 3.75 Мбайт/с (25х).

Итого формат xD-Picture Card в рознице более дорог, чем SD и CF. Карты памяти достаточно компактны, но их емкость уже не соответствует современным требованиям. Тоже самое касается и скорости работы. Для съемки видео с разрешением 640х480 при 30 кадров в секунду Type M+ еще достаточно. Но вот для сегодняшних зеркальных камер, снимающих кадры разрешением 12-24 МП и видео в формате 720p и 1080p этого явно мало. Тут совсем неплохо иметь карточку на 200-300х. Так что особого смысла в продолжении поддержки и развитии xD мы не видим. Не удивимся также, если вдруг его решат прикрыть, а следующее поколение камер переведут на SD и/или CF.

Аббревиатура SSD стала появляться в лентах новостей и названиях статей относительно недавно - пару лет назад. Причина этого в том, что массовой эта технология начала становиться только когда для хранения данных все чаще стала использоваться флэш-память, а упомянутые заголовки (и текст) новостей твердили о скором бурном росте этого рынка, попутно обещая вытеснение HDD. По крайней мере из сегмента ноутбуков и нетбуков.

Но самое интересное, что SSD не обязательно есть накопитель на основе флэш-памяти. SSD или Solid State Drive означает твердотельный накопитель. То есть тут важен скорее принцип, чем тип - для хранения данных используется "твердая" память. Память, которая не вращается, не вертится и не прыгает. Так что SSD вовсе не пару лет, а формально лет пятьдесят. Называлась тогда эта технология иначе, но опять же - тут важен принцип. А принцип сохранился.

Сегодня же актуальны два типа SSD: на основе энергозависимой памяти и на основе энергонезависимой. Первые - это те, что используют в своей основе SRAM или DRAM память. Еще их называют RAM-drive. Периодически такие SSD анонсируются производителями как сверхбыстрые носители данных. Некоторые из них даже позволяют самостоятельно наращивать объем, когда на плате банально установлены разъемы для обычных модулей памяти (DDR, DDR2 или DDR3 в самом современном варианте).

Ну а энергонезависимая память - это конечно же флэш. Создавать SSD на ее основе могли уже давно, но объемы такие накопителей были далеки от возможностей жестких дисков, а себестоимость значительно выше. Да и скорость не блистала. Но сегодня эти недостатки постепенно устраняются.

Первое поколение SSD имело емкость от 16 до 64 Гбайт, а стоили такие "флэшки" сотни и тысячи долларов. Это было примерно два года назад. Сегодня доступны варианты на 64-512 Гбайт при цене $200-1500. До винчестеров далеко, но уже куда лучше. За и на подходе SSD на 1 Тбайт в формате 2.5-дюймового жесткого диска. Напомним, что мобильные HDD пока не превысили объема 500 Гбайт. А настольные только-только добрались до отметки 2 Тбайта. Так что SSD идет вперед прямо-таки семимильными шагами.

Что касается скорости работы, то она также постоянно растет. Первое поколение SSD несколько отставало от мобильных жестких дисков, но современные накопители уже превзошли его. Достаточно вспомнить представленный в прошлом году SSD Intel X25-M, который имеет скорость чтения 250 Мбайт/с, а записи - 70 Мбайт/с. И стоит он не как полет на МКС - порядка $350 при объеме 80 Гбайт.

Конечно, существуют особо скоростные модели от Fusion-IO со скоростью чтения/записи 800/694 Мбайт/с или PhotoFast G-Monster PCIe SSD с 1000/1000 Мбайт/с, но оцениваются они в сумму как небольшой реактивный самолет. Ну и конечно же для обмена данными они используют не SerialATA, а обычный PCI Express x8 - этот стандарт пока еще способен обеспечить требуемую пропускную способность. Кстати, PCI Express x1 активно применяется для подключения SSD в нетбуках. Именно в таком формате выполнены их хранилища данных - в виде небольшой платы PCI-E x1.

Столь высокие скоростные показатели для SSD-накопителей были достигнуты благодаря параллельному считыванию данных сразу с нескольких чипов. К примеру упомянутый выше Intel X25-M работает по принципу RAID-массива уровня 0. То есть один бит пишется на первый чип, второй на второй и так далее. Организовать подобный механизм для обычной USB-флэшки или карты памяти крайне сложно, поскольку в них практически всегда устанавливается только один чип флэш-памяти.

Для увеличения емкости и снижения стоимости в SSD довольно часто используют MLC-память (в том числе и в X25-M). Более дорогие модели оснащаются SLC-чипами. Но если на USB-флэшку или какую-нибудь SD-карточку вы записываете данные сравнительно редко, то на SSD запись ведется непрерывно во время работы. Причем в большинстве случаев вы этого даже не знаете. Современные программы постоянно ведут различные логи; операционная система перемещает в своп-файл малоиспользуемые данные, высвобождая таким образом ОЗУ; даже элементарный доступ к файлу требует записи времени доступа.

Так что по-любому в SSD приходится устанавливать более долговечные чипы. Еще приходится беспокоиться об алгоритмах вычисления уровня износа и перераспределения данных - они должны быть более совершенными, чем у обычных флэшек. SSD-накопители даже имеют дополнительный чип энергозависимой кэш-памяти, как обычный жесткий диск. В кэше находятся данные об адресах блоков и данные об уровне износа. При выключении последние сохраняются на флэш-память.

В любом случае пока что технология SSD-накопителей на основе флэша продолжает бурно развиваться. Она предлагает несколько неоспоримых преимуществ перед HDD:

• значительно меньшее время доступа к данным;
• постоянная скорость чтения данных;
• нулевой уровень шума;
• меньшее энергопотребление.

На текущий момент остается довести число циклов перезаписи до такого количества, чтобы об этом можно было совсем не беспокоится. Емкость будет расти и без того. Не исключено, что в ближайшие 2-3 года она догонит и даже обгонит жесткие диски. Ну а цена падает сама собой, если технология перспективна, активно продвигается и уровень продаж постоянно растет. Не знаем, сможет ли SSD вытеснить HDD на рынке настольных компьютеров, но на мобильные они уже замахиваются.

Будущее

Собственно мы подошли к концу. Вывод из вышесказанного можно сделать следующий: флэш-память в будущем будет все больше распространяться и совершенствоваться. Пока не ясно, сможет ли она заменить жесткие диски, но задатки к этому у нее имеются. Но тут есть еще одна загвоздка - файловая система.

Современные файловые системы оптимизированы для использования вместе с жесткими дисками. А ведь HDD - это вовсе не SSD по своей структуре. Прежде всего доступ к данным на винчестере осуществляется при помощи LBA-адресации. Блок такого адреса позволяет вычислить на какой пластине, на какой дорожке и в каком секторе расположена запрашиваемая информация. Но вот незадача - у флэш нет пластин, дорожек и секторов. Но есть блоки, поделенные на страницы. Сегодня эта проблема решается трансляцией адресов из одного формата в другой, но куда удобнее было бы, если б все это происходило напрямую.

Еще одна особенность флэш-памяти - запись может осуществляться только в предварительно очищенные блоки. А эта операция занимает определенное время. Вот и неплохо бы очищать неиспользуемые совсем блоки во время простоя.

Современные дисковые файловые системы оптимизированы для минимизации времени доступа к данным - они стараются, чтобы их поиск происходил максимально быстро по диску. Но для флэш-памяти это просто неактуально - доступ ко всем блокам осуществляется одинаково быстро. Ну и не помешает поддержка вычисления уровня износа флэш-чипов со стороны файловой системы.

Так что дело ближайшего будущего - это выпуск новых файловых систем, оптимизированных для работы с флэш-памятью. Такие впрочем уже существуют, но современные ОС плохо их поддерживают. Примечательно, что одной из первых стала FFS2 от Microsoft, которую та выпустила еще в начале 90-х годов.

ОС Linux не отстает от прогресса. Для нее были созданы файловые системы JFFS, JFFS2, YAFFS, LogFS, UBIFS. Отличилась и Sun, разработав ZFS, которая недавно . Она оптимизирована не только для жестких дисков, но и для флэш-накопителей. Причем как для использования их в качестве основного хранилища, так и как кэша.

Тем не менее, сегодня самой популярной файловой системой для флэшек (не считая SSD) остается FAT и FAT32. Это просто удобнее всего. Они поддерживаются всеми операционными системами, не требуют драйверов. Но и их уже недостаточно для работы. К примеру ограничение на максимальный размер файла (4 Гбайта) уже становится неприемлемым.

Впрочем, у Microsoft есть замена - exFAT, ранее известная как FAT64. Как мы уже писали, она выбрана в качестве основной ФС для карт SDXC. Помимо оптимизации под флэш-память она поддерживает файлы размером до 16 экзабайт (16.7 миллионов терабайт), а в одну папку можно записать более 65536 файлов.

Поддерживается exFAT сегодня операционными системами Windows Mobile версии 6.0 и выше, Windows XP SP2 и выше, Windows Vista SP1, Windows Server 2008 и Windows 7 со сборки 6801. Заметим, что в Windows Vista флэш-накопитель на основе exFAT не способен использоваться как кэш в функции ReadyBoost. Соответствующая поддержка появится в Windows 7. Ну а что касается других ОС, то для Linux доступен бесплатный модуль ядра, позволяющий использовать exFAT только для чтения.

Так что наиболее перспективной ОС для флэш-приводов сегодня выглядит ZFS и exFAT. Но обе распространены весьма слабо, хотя у последней есть больше шансов стать популярной. Ее уже выбрали в качестве основной для карт SD последнего поколения и все наиболее популярные версии Windows ее "знают".

В остальном будем ждать дальнейшего наращивания емкости флэшек и снижения их стоимости. Технология эта очень хороша, поэтому мы желаем ей только успеха.

Что такое флеш-память? | Флеш-память (на англ. Flash Memory ) или флеш-накопитель - вид твердотельной полупроводниковой энергонезависимой и перезаписываемой памяти.

Данный вид памяти может быть прочитан большое количество раз в пределах срока хранения информации, обычно от 10 до 100 лет. Но производить запись в память можно лишь ограниченное число раз (обычно в районе миллиона циклов). В основном в мире распространена флеш память, выдерживающая около ста тысяч циклов перезаписи и это гораздо больше, чем способна выдержать обычная дискета или диск CD-RW.
В отличие от накопителей на жестких дисках (HDD), флеш-память не содержит подвижных механических частей, и поэтому считается более надёжным и компактным видом носителя информации.
Так, благодаря своей компактности, относительной дешевизне и очень низкому энергопотреблению, флеш-накопители широко применяется в цифровом портативном оборудовании – в видео- и фотокамерах, в диктофонах, в MP3-плеерах, в КПК, в мобильных телефонах, смартфонах и коммуникаторах. Более того, данный вид памяти применяется для хранения встроенного ПО в различном оборудовании (модемы, мини-АТС, сканеры, принтеры, маршрутизаторы).
В последнее время широкое распространение получили флеш-накопители с USB входом (обычно говорят «флешка», USB-диск), вытеснившие дискеты и CD-диски.
В наше время основным недостатком устройств на базе флеш-накопителей, является очень высокое соотношение цена-объём, намного превышающий в сравнении с жесткими дисками в 2–5 раз. Поэтому объёмы флеш-дисков не очень велики, но в этих направлениях ведутся работы. Удешевляя технологический процесс и под действием конкуренции, уже многие фирмы заявили о выпуске SSD-дисков объёмом 512 ГБ и более. Например, в феврале 2011 года компания OCZ Technology предложила PCI-Express SSD-накопитель ёмкостью 1,2 ТБ, и позоляющий производить 10 млн. циклов на запись.
Современные SSD-накопители разрабатываются на базе многоканальных контроллеров, обеспечивающих параллельное чтение или запись сразу из нескольких микропроцессоров флеш-памяти. В следствие этого уровень производительности увеличился во столько раз, что ограничивающим фактором стала пропускная способность интерфейса SATA II.

КАК РАБОТАЕТ ФЛЕШ-ПАМЯТЬ

Флеш-накопитель сохраняет данные в массиве состоящий из транзисторов с плавающим затвором, называемые ячейками (на англ. cell). В обычных устройствах с одноуровневыми ячейками (на англ. single-level cell), любая из них может "запомнить" только один бит данных. Но некоторые более новые чипы с многоуровневыми ячейками (на англ. multi-level cell или triple-level cell) могут "запомнить" больше одного бита. В последнем случае на плавающем затворе транзистора может используется разный электрический заряд.

NOR ФЛЕШ-ПАМЯТЬ (NOR FLASH MEMORY)

В основе данного типа флеш-памяти лежит алгоритм ИЛИ-НЕ (на англ. NOR), так как в транзисторе с плавающим затвором слишком малое напряжение на затворе обозначает единицу.
Данный тип транзистора состоит из двух затворов: плавающего и управляющего. Первый затвор полностью изолирован и имеет возможность удерживать электроны до десяти лет. Ячейка также состоит из стока и истока. При подаче напряжения на управляющий затвор образуется электрическое поле и возникает так называемый туннельный эффект. Большая часть электронов переносится (туннелирует) через слой изолятора и проникает на плавающий затвор. Заряд на плавающем затворе транзистора изменяет «ширину» сток-исток и проводимость канала, что используется при чтении.
Запись и чтение ячеек очень сильно различаются в энергопотреблении: так, флеш-накопители потребляют больше тока при записи, чем при чтении (потребляется очень мало энергии).
Для удаления (стирания) данных на управляющий затвор подаётся достаточно высокое отрицательное напряжение, что приводит к обратному эффекту (электроны с плавающего затвора с помощью туннельного эффекта переходят на исток).
В NOR-архитектуре существует необходимость подводить к каждому транзистору контакт, что сильно увеличивает размеры процессора. Эта проблема решается с помощью новой NAND-архитектуры.

NAND ФЛЕШ-ПАМЯТЬ (NAND FLASH MEMORY)

В основе NAND-архитектуры лежит И-НЕ алгоритм (на англ. NAND). Принцип работы аналогичен NOR-типу, и отличается только расположением ячеек и их контактов. Уже нет необходимости подводить контакт к каждой ячейке памяти, так что стоимость и размер NAND-процессора значительно меньше. За счет этой архитектуры, запись и стирание происходят заметно быстрее. Однако эта технология не позволяет обращаться к произвольной области или ячейке, как в NOR.
Для достижения максимальной плотности и емкости, флеш-накопитель, изготовленный по технологии NAND, использует элементы с минимальными размерами. Поэтому, в отличие от NOR-накопителя допускается наличие сбойных ячеек (которые блокируются и не должны быть использованы в дальнейшем), что заметно усложняет работу с такой флеш-памятью. Более того, сегменты памяти в NAND снабжаются функцией CRC для проверки их целостности.
В настоящее время NOR и NAND-архитектуры существуют параллельно и никак не конкурируют друг с другом, поскольку у них разная область применения. NOR используется для простого хранения данных малого объема, NAND - для хранения данных большого размера.

ИСТОРИЯ ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

Впервые флеш-память была изобретена в 1984 году инженером Фудзио Масуокой (Fujio Masuoka) работающего в то время в компании Toshiba. Название «flash» было придумано его коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми (Shoji Ariizumi), так как процесс стирания данных из памяти напомнил ему фотовспышку (на англ. flash). Фудзио представил свою разработку на Международном семинаре по электронным устройствам (International Electron Devices Meeting), в Сан-Франциско, в Калифорнии. Компанию Intel заинтересовало данное изобретение и через четыре года в 1988 году она выпустила первый коммерческий флеш-процессор NOR-типа.
NAND-архитектура флеш-памяти была анонсирована спустя год компанией Toshiba в 1989 году на Международной конференции построения твердотельных схем (International Solid-State Circuits Conference). У NAND-чипа была больше скорость записи и меньше площадь схемы.
В конце 2010 года, лидерами по производству флеш-накопителей являются Samsung (32% рынка) и Toshiba (17% рынка).
Стандартизацией процессоров флеш-памяти NAND-архитектуры занимается группа ONFI (NAND Flash Interface Working Group). Настоящим стандартом считается спецификация ONFI 1.0, выпущенная 28 декабря 2006 года. Стандартизацию ONFI при производстве NAND-процессоров поддерживают такие компании, как Samsung, Toshiba, Intel, Hynix и др.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

В настоящее время объём флеш-накопителей измеряется от килобайт до сотен гигабайт.

В 2005 году две компании Toshiba и SanDisk представили NAND-процессоры общим объёмом 1 Гб, использующие технологию многоуровневых ячеек (транзистор может хранить несколько бит данных, используя различный электрический заряд на плавающем затворе).

В сентябре 2006 года компания Samsung представила 4-гигабайтный чип, изготовленный по 40-нм технологическому процессу.

В конце 2007 года Samsung известила о создании первого в мире NAND-чипа, использующего технологию многоуровневых ячеек, выполненного уже по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью накопителя 8 Гб.

В декабре 2009 года, компания Toshiba заявила, что 64 Гб NAND-чип уже поставляется заказчикам и массовый выпуск начался в первом квартале 2010 года.

16 июня 2010 года Toshiba представила первый в истории 128 Гб процессор, состоящий из шестнадцати модулей по 8 Гб.
Для повышения объёма флеш-памяти, в устройствах часто применяется комплексный массив, состоящий из нескольких процессоров.

В апреле 2011 года компании Intel и Micron представили MLC NAND флэш-чип емкостью 8 Гбайт, произведенного по 20-нм технологическому процессу. Самый первый 20-нм NAND процессор имеет площадь 118 мм, что на 35-40% меньше, чем у доступных в настоящее время 25-нм чипов на 8 Гбайт. Серийное производство данного чипа начнется в конце 2011 года.

ВИДЫ И ТИПЫ КАРТ ПАМЯТИ И ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

CF (на англ. Compact Flash ): один из старейших стандартов типов памяти. Первая CF флеш-карта была произведена корпорацией SanDisk еще в 1994 году. Данный формат памяти очень распространён и в наше время. Чаще всего он применяется в профессиональном видео- и фото-оборудовании, так как ввиду своих больших размеров (43х36х3,3 мм) слот для Compact Flash физически проблематично установить в мобильные телефоны или MP3-плееры. Кроме того, ни одна карта не может похвастаться такими скоростями, объемами и надежностью. Максимальный объём Compact Flash уже достиг размера в 128 Гбайт, а скорость копирования данных увеличена до 120 Мбайт/с.

MMC (на англ. Multimedia Card ): карта в формате MMC имеет небольшой размер - 24х32х1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

RS-MMC (на англ. Reduced Size Multimedia Card ): карта памяти, которая вдвое меньше по длине стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24х18х1,4 мм, а вес - порядка 6 гр., все остальные характеристики и параметры не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер.

DV-RS-MMC (на англ. Dual Voltage Reduced Size Multimedia Card ): карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24х18х1,4 мм.

MMCmicro : миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14х12х1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать специальный переходник.

SD Card (на англ. Secure Digital Card ): поддерживается фирмами SanDisk, Panasonic и Toshiba. Стандарт SD является дальнейшим развитием стандарта MMC. По размерам и характеристикам карты SD очень похожи на MMC, только чуть толще (32х24х2,1 мм). Основное отличие от MMC - технология защиты авторских прав: карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи. Несмотря на родство стандартов, карты SD нельзя использовать в устройствах со слотом MMC.

SDHC (на англ. SD High Capacity , SD высокой ёмкости ): Старые карты SD (SD 1.0, SD 1.1) и новые SDHC (SD 2.0) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 4 Гб для SD и 32 Гб для SDHC. Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SD, то есть SD-карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SD карта SDHC не будет читаться вовсе. Оба варианта могут быть представлены в любом из трёх форматов физических размеров (стандартный, mini и micro).

miniSD (на англ. Mini Secure Digital Card ): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5х20х1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер.

microSD (на англ. Micro Secure Digital Card ): в 2011 году являются самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11х15х1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD. Максимальный объём карты microSDHC, выпущенной SanDisk в 2010 году, равен 32 Гб.

Memory Stick Duo : данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией Sony. Корпус достаточно прочный. На данный момент - это самая дорогая память из всех представленных. Memory Stick Duo был разработан на базе широко распространённого стандарта Memory Stick от той же Sony, отличается малыми размерами (20х31х1,6 мм).

Memory Stick Micro (M2) : данный формат является конкурентом формата microSD (по размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.

xD-Picture Card : карта используются в цифровых фотоаппаратах фирм Olympus, Fujifilm и некоторых других.

Стала незаменимой в мобильных устройствах (КПК, планшетах, смартфонах, плеерах). На основе флэш-памяти разработаны USB-флэш-накопители и карты памяти для электронных устройств (SD, MMC, miniSD и т.д.).

Определение 1

Флеш-память (Flash Memory) – твердотельная полупроводниковая энергонезависимая и перезаписываемая память.

Считывать информацию из флэш-памяти можно большое число раз в пределах срока работы накопителя (от $10$ лет), но количество процессов записи ограничено (около $100 \ 000$ циклов перезаписи).

Флэш-память считается более надежным видом носителя информации, т.к. не содержит подвижных механических частей (как, например, в жестком диске).

Преимущества флэш-памяти:

• высокая скорость доступа к данным;
• низкое энергопотребление;
• устойчивость к вибрациям;
• удобство подключения к ПК;
• компактные размеры;
• дешевизна.

Недостатки флэш-памяти:

• ограниченное число циклов записи;
• чувствительность к электростатическому разряду.

История флэш-памяти

Впервые флэш-память была изобретена в $1984$ г.

Название «flash» походит от английского «вспышка», т.к. процесс стирания данных напоминал фотовспышку.

В $1988$ г. был выпущен первый коммерческий флэш-процессор NOR-типа. В следующем году была разработана NAND-архитектура флэш-памяти, которая отличалась большей скорость ю записи и меньшей площадью схемы.

Принцип работы

Элементарная ячейка хранения данных представляет из себя транзистор с плавающим затвором, который может удерживать электроны (заряд) является элементарной ячейкой хранения данных в флэш-памяти. На основе транзистора разработаны основные типы флэш-памяти NAND и NOR. Принцип работы основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («кармане») полупроводниковой структуры.

Рисунок 1. Архитектура NOR-памяти

Рисунок 2. Архитектура NAND-памяти

Производители флэш-памяти используют $2$ типа ячеек памяти:

• MLC (Multi-Level Cell – многоуровневые ячейки памяти) – более емкие ячейки и более дешевые, но характеризуются большим временем доступа и небольшим числом циклов записи/стирания (около $10 \ 000$);
• SLC (Single-Level Cell – одноуровневые ячейки памяти) – ячейки с меньшим временем доступа и максимальным числом циклов записи/стирания ($100 \ 000$).

Рисунок 3. Основные элементы USB-флэш-накопителя: $1$ – USB-коннектор, $2$ – контроллер, $3$ – PCB-плата, $4$ – модуль NAND-памяти, $5$ – кварцевый генератор, $6$ – LED-индикатор, $7$ – переключатель защиты от записи, $8$ – место для дополнительной микросхемы памяти.

Применение

Существует два основных способа применения флэш-памяти:

• в качестве мобильного носителя информации;
• в качестве хранилища программного обеспечения цифровых устройств.

Часто оба способа совмещают в одном устройстве.

Применение NOR-памяти, которая имеет относительно небольшой объём, заключается в обеспечении быстрого доступа по случайным адресам и гарантии отсутствия сбойных элементов (стандартные микросхемы ПЗУ для работы с микропроцессором, микросхемы начальной загрузки компьютеров (POST и BIOS), микросхемы хранения среднего размера данных, например, DataFlash). Типовые объёмы – от $100$ Кб до $256$ Мб. NAND-память применяется в мобильных устройствах и носителях данных, которые требуют использования больших объёмов хранения. В основном, это USB-брелоки и карты памяти всех типов, а также мобильные устройства (телефоны, фотоаппараты, плееры). NAND-память встраивают в бытовые приборы: сотовые телефоны и телевизоры, сетевые маршрутизаторы, точки доступа, игровые приставки, фоторамки и навигаторы.

Рисунок 4. Флэш-карты разных типов

Виды и типы карт памяти и флэш-накопителей

Замечание 1

CF (Compact Flash) – старейший стандарт типов памяти. Обладает высокой надежность, достаточно большой объем ($128$ Гб и больше) и высокую скорость передачи данных ($120$ Мб/с). Из-за больших размеров применяется в профессиональном видео- и фотооборудовании.

MMC (Multimedia Card) обладает небольшим размером, высокой совместимостью с различными устройствами и содержит контроллер памяти. SD Card (Secure Digital Card) – результат развития стандарта MMC. Карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи. Максимальная емкость до $4$ Гб. SDHC (SD High Capacity) имеет максимальную емкость $32$ Гб.

Существуют также карты miniSD и microSD.

Замечание 2

Основными производителями NAND-флэш-памяти являются фирмы Micron/Intel, SK Hynix, Toshiba/SanDisk, Samsung. Основные производители контроллеров флэш-памяти NAND – Marvell, LSI-SandForce и производители памяти NAND.