Полупроводниковые носители

Идея использовать полупроводники для долговременного хранения данных ле­жит на поверхности. Вопрос лишь в том, какую память взять? Энергозависимая па­мять (RAM) быстра, производство ее прекрасно отлажено — с нее-то все и начина­лось. Достаточно сделать контроллер, который бы связал микросхемы RAM, обыч­но используемые в качестве оперативной памяти, со стандартным дисковым интерфейсом, например SCSI.

К сожалению, чипы оперативной памяти хранят информацию, лишь пока полу­чают питание. Несмотря на это, еще в 1982 году компания Cray начала устанавли­вать в свои суперкомпьютеры твердотельные накопители на RAM-памяти. По ем­кости они были сравнимы с самыми передовыми винчестерами той эпохи и на по­рядок превосходили их по быстродействию. Однако простым пользователям подобный вариант не подходит — память нам нужна энергонезависимая.

Эффект вспышки

Создатели нового типа полупроводниковых приборов сравнили принцип его действия со вспышкой (Flash). Короткий импульс изменяет состояние полупровод­ника, и это состояние сохраняется, как фотоснимок, даже в отсутствие электропи­тания.

Флеш-память — кристалл кремния, в котором сформированы не совсем обыч­ные полевые транзисторы. Они и служат ячейками памяти (рис. 1.6). Как у любых полевых транзисторов, у них есть сток и исток. Однако у флеш-транзистора сразу два изолированных затвора: управляющий (control) и плавающий (floating). Пла­вающий затвор способен накапливать и удерживать электроны.

Рис. 1.6. Ячейка флеш-памяти

При записи на управляющий затвор подается положительное напряжение и часть электронов, движущихся от стока к истоку, притягивается к плавающему за­твору. Некоторые электроны преодолевают слой изолятора и «пропитывают» пла­вающий затвор. Там они могут оставаться в течение многих лет.

Концентрация электронов в области плавающего затвора определяет одно из двух устойчивых состояний ячейки памяти. В первом, исходном, состоянии коли­чество электронов на плавающем затворе мало. Электроны могут беспрепятственно перетекать от истока к стоку — транзистор постоянно открыт (логическая едини­ца). Если же плавающий затвор «нашпигован» достаточным количеством электро­нов, транзистор оказывается во втором устойчивом состоянии. Отрицательный за­ряд на плавающем затворе постоянно мешает движению электронов от истока к стоку — транзистор практически закрыт. Напряжение открытия его резко увеличи­вается, что соответствует логическому нулю. Пороговое напряжение, которое нуж­но подать на сток для открытия транзистора, измеряется при каждом опросе ячеек.

Для стирания информации на управляющий затвор ненадолго подается отрица­тельное напряжение, и электроны с плавающего затвора «выдавливаются» через изолятор на исток. Транзистор опять переходит в состояние логической единицы и остается в нем, пока не будет произведена очередная запись.

Последнее слово техники — так называемая многоуровневая ячейка (MLC, Multi-Level Cell). В таких транзисторах проводимость может принимать не одно из двух (0 или 1), а одно из нескольких промежуточных значений. Тем самым одна ячейка способна хранить больше одного бита информации. Ценой усложнения логики удалось увеличить плотность хранения данных в 2, 4 и более раз. С 2009 года такая память уже применяется в наиболее емких накопи­телях.

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

□ В архитектуре NOR (ИЛИ-НЕ) к каждой ячейке подходит отдельный проводник, и они опрашиваются и записываются поодиночке. Это позволяет работать с от­дельными байтами или словами (2 байта), однако накладывает серьезные огра­ничения на максимальный объем памяти на единице площади кристалла. Сего­дня память NOR применяется в ППЗУ малой емкости, например, в сотовых те­лефонах или микросхемах BIOS.

□ В памяти архитектуры NAND (И-НЕ) каждая ячейка находится на пересечении «линии битов» и «линии слов». Ячейки сгруппированы по блокам, а считывание и запись производятся лишь целыми блоками или строками. Современные съем­ные носители строятся, как правило, на памяти NAND.

Флеш-память — отнюдь не новое изобретение. Первые микросхемы на ее осно­ве появились в далеком 1984 году. Однако дороговизна, низкое быстродействие и малая емкость чипов долго не позволяли создать сколько-нибудь конкурентоспо­собные накопители на их основе. Применение ограничивалось лишь микросхемами BIOS на материнских платах и в других устройствах.

Лишь в середине 1990-х годов технологический скачок позволил начать разра­ботку карт флеш-памяти для мобильных устройств, а затем и дисков с интерфейсом USB для ПК. К 2000 году они перестали быть экзотикой и вошли в широкий оби­ход. Флеш-карты обосновались в камерах, плеерах и сотовых телефонах. При этом во многих гаджетах присутствует и встроенная флеш-память — при подключении камеры или телефона к ПК она обычно представляется съемным USB-диском.

Флеш-диски USB быстро пришли на смену дискетам. Компания Dell прекратила ставить флоппи-дисководы в выпускаемые ей компьютеры уже в 2003 году.

Карта памяти — один или несколько кристаллов флеш-памяти и контроллер, за­ключенные в миниатюрный плоский корпус. Как правило, бескорпусные микро­схемы вместе с проводниками и контактами заливаются в компаунд. Такая конст­рукция разборке и ремонту не подлежит.

Флеш-диски USB отличаются от карт памяти только интерфейсом и конструк­цией. Компоненты собираются на печатной плате, а контроллер всегда выполняется в виде отдельной микросхемы одного из стандартных форм-факторов.

Изготовление флеш-памяти остается достаточно высокотехнологичным процес­сом.

Контроллеры разрабатываются и выпускаются под определенные микросхемы флеш-памяти. Марок контроллеров очень много: выпуск флеш-дисков и компонен­тов для их сборки освоили сотни небольших компаний по всему Китаю. Начальная схема адресации ячеек заложена в контроллере конструктивно.

В служебной области флеш-памяти записаны микропрограмма контроллера (прошивка) и таблица трансляции адресов (транслятор). Сразу после подачи пита­ния контроллер начинает считывать эту область. Кроме собственно адресации яче­ек, контроллер выполняет ряд других функций: коррекцию ошибок (ECC, error check and correct), контроль сбойных секторов и равномерности износа ячеек (wear leveling).

Алгоритм, по которому данные при записи распределяются по ячейкам флеш- памяти, заложен в микропрограмму контроллера. Производители флеш-дисков, от известных до самых мелких, эти тонкости держат в секрете. Микропрограмм кон­троллеров создается гораздо больше, чем самих моделей контроллеров. При вос­становлении информации знание марки контроллера и версии микропрограммы может пригодиться.

Выяснить марку контроллера можно двумя способами. Если разобрать флеш- диск, то под лупой обычно удается прочитать заводскую маркировку на чипах. Другой способ — получить информацию из микропрограммы (прошивки). Напри­мер, диспетчер устройств Windows сообщает аппаратный идентификатор устройст­ва (свойство ИД оборудования на вкладке Сведения диалогового окна свойств устройства). Воспользовавшись поиском в Интернете, по этому идентификатору можно достаточно точно определить конкретную модель флеш-диска и его внут­реннего контроллера.