Устройства флэш-памяти

(Редактору. Текст этого раздела с небольшими добавлениями взят из этой же главы - текст находился перед разделом Дисковые массивы RAID).

Флэш-диски (Flash Disks) — весьма популярный и очень перспективный класс энергонезависимых запоминающих устройств. Флэш-диски (твердотельные диски) являются модификацией HDD и представляют собой устройства для долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи. Стирание и запись данных осуществляется так же, как у HDD — блоками (иногда называемыми по аналогии с магнитными дисками секторами, но более правильно было бы их именовать кластерами).

У флэш-дисков отсутствуют какие либо подвижные части, да и форма у них совсем не круглая — чаще всего они представляют собой прямоугольные картриджи.

Для хранения информации в них используются специализированные микросхемы памяти с металлизацией (металл-нитридные), выполненные по технологии Flash, изобретенной в начале 80-х годов в фирме Intel. Дисками их называют условно, поскольку флэш-диски полностью эмулируют функциональные возможности HDD. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, затем байты данных передаются в последовательном порядке с использованием стробирующего сигнала. Стирание содержимого всего блока выполняется одномоментно отдельным сигналом (отсюда, вероятно, и название памяти flash — вспышка); тотальное стирание было специально организовано разработчиками, поскольку первоначально флэш-память применялась в военных приборах, и при обнаружении попыток несанкционированного доступа к ним необходимо было сразу уничтожать все данные — система автоматически генерировала внутренний сигнал стирания).

По существу, флэш-диски — это «полупостоянные» запоминающие устройства, стирание, считывание и запись информации в которых выполняется электрическими сигналами ( в отличие от прочих ПЗУ, в которых эти действия производятся лучом лазера или чисто механически — «перепрошивкой»). Количество циклов перезаписи информации в одну и ту же ячейку у флэш-памяти ограничено, но оно обычно превышает 1 миллион — эта величина иногда указывается в паспорте микросхемы. В современных устройствах имеются программные или аппаратные средства формирования виртуальных блоков, обеспечивающие запись информации поочередно в разные области флэш-памяти так, чтобы число циклов стирания и записи было равномерно распределено по всем блокам диска. Это существенно увеличивает срок службы флэш-памяти: ее работоспособность сохраняется сотни лет.

Флэш-память может создаваться на базе логических схем NAND (НЕ-И, штрих Шеффера) и NOR (НЕ-ИЛИ, стрелка Пирса).

Емкость современных флэш-дисков, изготовленных на основе многоуровневых ячеек (MultyLevel Cell, MLC) на базе логических схем NAND, достигает нескольких гигабайтов (до 8 Гб в 2005 году) при крайне миниатюрных их размерах.

Флэш-диски обладают высочайшей надежностью — среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures — MTBF) у них составляет, как правило, более миллиона часов; они устойчивы к механическим ускорениям и вибрациям, работают в широком диапазоне температур (от –40 до +85^о С).

Во время выполнения операций чтения-записи флэш-диски обычно потребляют не более 200 мВт электроэнергии и, естественно, не шумят.

Скорость считывания информации составляет несколько мегабайтов в секунду, скорость записи несколько ниже (эти значения зависят от типа флэш-памяти и ее интерфейса).

Линейку чипов (ИС) многоцелевой флэш-памяти на базе Super Flash (SF) представила компания Silicon Storage Technology. Эти чипы могут использоваться в КПК, в Bluetooth-устройствах и в оборудовании для беспроводных сетей. Четырехмегабитовые чипы имеют время доступа 90 нс, время стирания сектора — 36 мкс, стирание всей ИС занимает 140 мкс. Потребление тока в активном режиме — 5 мА, в режиме ожидания — 1 мкА при напряжении 1,95 В. Чипы выпускаются в разных исполнениях — в 48-контактных корпусах: TFBGA (6 × 8 × 1 мм), WFBGA (4 × 6 × 0,63 мм), XFLGA (4 × 6 × 0,47 мм).

Конструктивно флэш-диски могут быть выполнены в виде микросхемы. Например, флэш-диск Disk on Chip 2000 фирмы M-Systems представляет собой DIP-микросхему с 32 контактами (современные ROM BIOS выполняются также на основе флэш-памяти в виде обычной микросхемы). Микросхемы Disk on Chip емкостью до 128 Мбайт используются в ПК.

Сейчас выпускаются чипы Disk on Chip третьего поколения. Так, корпорации M-Systems и Toshiba в 2002 году анонсировали флэш-накопитель Mobile Disk on Chip G3, изготовленный в виде многоуровневой ячейки по технологии NAND. Емкость построенного по нормам 0,13 мкм чипа равна 64 Мбайт. Поддерживается прямой доступ к памяти (DMA) и режим Multy Burst, обеспечивающий скорость чтения 80 Мбайт/c. Имеются встроенные алгоритмы коррекции ошибок. Toshiba и SanDisk начнут выпуск 90-нм флэш-памяти типа NAND (256–512 Гбайт) в 2004 году — ее разработка закончена. Ныне самую большую емкость имеет чип 2 Гбит, 130 нм.

Многие производители предусматривают на своих системных платах гнезда для установки флэш-чипов. Интерфейс для их подключения аналогичен интерфейсу ПЗУ BIOS.

Флэш-диски в настоящее время выпускаются многими фирмами, с различными интерфейсами и в разных конструктивных исполнениях. Они могут быть не только внешними дисками ПК, но и устанавливаться внутри системного блока. В качестве фиксированной памяти используются флэш-карты, выполненные в виде печатных плат, предназначенных для непосредственной установки в разъемы системной платы компьютера. Они способны работать с системными и локальными интерфейсами ПК (ISA, PCI и др.). Значительно чаще флэш-память используется в качестве альтернативных HDD твердотельных дисков. В этом случае востребованы периферийные интерфейсы ATA (IDE), Serial ATA, USB, IEEE 1394 и др. Широкое применение флэш-диски нашли в цифровых фото- и видеокамерах.

Форматы флэш-карт

Флэш-память (в том числе и флэш-диски) создается на основе флэш-карт. Конструктивных вариантов исполнения

(форматов) флэш-карт существует много.

q ATA Flash, (PC Card ATA). Карты этого формата имеют емкость до 1 Гбайт, габариты 85,6 × 54 × 33 мм, они снабжены 68-контактным разъемом (совместим со стандартным разъемом PCMCIA ноутбука) и АТА-контроллером. Благодаря последнему обеспечивается эмуляция обычного жесткого диска. Имеется несколько типов PC Сard: Type1, Type2, Type3, отличающихся толщиной: 3,3; 5,0 и 10,5 мм соответственно:

§ Type1 обычно используется как фиксированная память;

§ Type2, кроме того, может выполнять функции модема или сетевой карты;

§ Type3 чаще всего эмулирует жесткие диски.

q Compact Flash (CF) имеют две модификации: Compact Flash Type1 (CF1) и Compact Flash Type2 (CF2).

§ Compact Flash Type1, пожалуй, самый распространенный сейчас (на 2002 год) формат. Он разработан в 1994 году фирмой SanDisk и имеет размеры 42,8 × 36,4 × 3,3 мм, вес 10 г, соответствующие спецификации PCMCIA, но его 50-контактный торцевой разъем входит в противоречие с этой спецификацией (при подсоединении к ноутбуку требуется переходник на 68-контактный разъем). Емкость карт CF1 составляет до 512 Мбайт. Скорость чтения карт CF1, выпущенных в 2002 году компанией Netac, составляет 1 Мбайт/c, а скорость записи — 0,9 Мбайт/с.

§ Compact Flash Type2 (CF2) имеют толщину 5 мм, что позволило увеличить их емкость до 4 Гбайт. Скорость чтения-записи — 1,4 Мбайт/c. Упрощенным вариантом CF могут считаться Miniature Card, имеющие почти такие же габаритные размеры (38 × 33 × 3,5 мм), но у них нет внутреннего контроллера для эмуляции HDD (то есть эти карты используются как обычная память).

q Smart Media (SM) — твердотельный диск, предложенный в 1998 году компанией Toshiba. Габариты устройства 45,5 × 37 × 0,76 мм, вес — 2 г. Разъем имеет 22 контакта. Внутреннего контроллера у диска нет. Емкость современных SM не превосходит 128 Мбайт, скорость обмена — 512 Кбайт/c.

q xD-Picture — усовершенствованный вариант SM, размер карты 25 × 20 × 1,7 мм, вес — 2 г (это самые миниатюрные карты памяти на начало 2003 года). Емкость — 256 Мбайт, в ближайшее время ожидаются карты компании Fuji Photo Film емкостью 512 Мбайт, в дальнейшем прогнозируются и до 8 Гбайт. Скорость передачи до 3 Мбайт/c.

q MultiMedia Card (MMC). Была представлена фирмами SanDisk и Siemens в конце 1997 года. Емкость карт до 256 Мбайт, размер 32 ×24 × 1,4 мм, вес — 2 г. Скорость чтения данных до 2 Мбайт/c, записи — до 512 Кбайт/c.

q Secure Digital Card (SD) улучшенный вариант карт MMC, предложенный в 1999 году компанией Matsushita Electric Industrial Со Ltd (торговая марка Panasonic). Это один из самых перспективных форматов хранения информации во флэш-памяти. Размер карт 32 × 24 × 2,1 мм, вес около 2 г, емкость современных SD варьируется от 32 до 1024 Мбайт, скорость обмена — 6 Мбайт/с. Карта оборудована 9-контактным разъемом, имеется возможность защиты от несанкционированного доступа по паролю и переключатель для защиты от случайной записи или стирания. Флэш-карта от Matsushita (2003 год) имеет емкость 1 Гбайт, скорость обмена 20 Мбайт/с; в 2004 году обещана карта емкостью 2 Гбайт, а в 2005 году — версии карт на 4 Мбайт и далее на 8 и 16 Мбайт. Карты SM, MMC, SD первоначально разрабатывались для использования в цифровых фото- и видеокамерах. Сейчас для них выпускаются дисководы для подключения к компьютерам. Например, компания TDK Marketing представила миниатюрные считыватели серии Media Reader с интерфейсом USB2 для флэш-карт форматов SD, MMC, CF и IBM Microdrive (питание через шину USB).

q Miniature Card (ViniCard) — тип этой флэш-памяти нашел применение в органайзерах и сотовых телефонах. Их емкость всего 64 Мбайт, размеры 33 ×32 × 2,8 мм.

q Memory Stick (появились в 1998 году, емкость до 256 Мбайт, размеры 50 × 21,5 × 2,8 мм) применяются в основном в цифровых и видеокамерах. Но фирма Sony рекламирует их в качестве универсальных устройств памяти и оснащает ими многие свои изделия, в частности, портативные, в том числе и карманные персональные компьютеры. Компания I-O Data представила считыватели карт MSRW с интерфейсом USB2 для флэш-карт формата Memory Stick. Габариты MSRW 56 × 72 ×15,5 мм, вес — 25 г.

Примечания

1. В 2005 году [23] предложена новая технология организации систем энергонезависимой электрически программируемой памяти, обладающей более перспективными возможностями нежели технологии, используемые во флэш-памяти с плавающим затвором. Речь идет о памяти на нанокластерах в диэлектрике ZrO₂ с высокой диэлектрической проницаемостью Е = 25. Замена двуокиси кремния SiO₂, имеющего E = 3,9, используемой во флэш-памяти с плавающим затвором на двуокись циркония увеличивает время хранения до 10 лет (при использовании SiO₂ без плавающего затвора обеспечивается хранение информации примерно в течение 10 секунд) ).

2. Недостатком флэш-памяти с плавающим затвором является невозможность ее дальнейшего масштабирования от Гига до Терабитной емкости. По прогнозам специалистов при разработке терабитных (10¹² бит на элемент) схем памяти элементы памяти с плавающим затвором будут вытеснены памятью на нанокластерах [23] (размер нанокластера позиционирутся в пределах 0,01 – 0,1 мкм). Для памяти на нанокластерах прогнозируются и другие лучшие чем у элементов с плавающим затвором характеристики: большее быстродействие и меньшие амплитуды импульсов записи/стирания информации.

2. НМЛ обеспечивают самую меньшую стоимость хранения информации: примерно $1 за 1 Гбайт, у дисков этот показатель равен $8–10, а у флэш-карт достигает $100.

3.

Вопросы для самопроверки

1. Опишите основные принципы организации файловой системы. Что такое атрибут файла, спецификация файла?

2. Как выполняется в ПК управление файлами?

3. Дайте краткую характеристику системы размещения информации на дисках.

4. Что такое кластер диска и какие факторы следует учитывать при выборе размера кластера?

5. Поясните варианты адресации информации на диске в BIOS и в DOS.

6. Что такое таблица размещения файлов и как выполняется адресация фрагментированных файлов?

7. Дайте краткую характеристику накопителей на жестких магнитных дисках.

8. Назовите и поясните эффективные технологии записи информации на винчестеры.

9. Дайте краткую характеристику дисковых массивов RAID.

10. Дайте краткую характеристику накопителей на гибких магнитных дисках.

11. Дайте краткую характеристику накопителей на оптических дисках CD.

12. Дайте краткую характеристику накопителей на оптических дисках DVD.

13. Поясните технологию хранения информации на многослойных CD.

14. Поясните технологию хранения информации на дисках Blu-ray.

15. Поясните технологию хранения информации на дисках Millipede.

16. Поясните технологию хранения информации на FMD.

17. Дайте краткую характеристику накопителей на магнитооптических дисках.

18. Дайте краткую характеристику накопителей на магнитной ленте.

19. Что такое флэш-память? Назовите ее особенности и достоинства.

20. Почему флэш-память типа NAND обычно называют флэш-дисками ?

21. На основе какой флэш- памяти NAND или NOR можно создавать ОЗУ и почему?

22. Назовите и поясните некоторые форматы флэш-карт.

23. Что такое память на нанокластерах? В чем ее основные достоинства?

[1] Время доступа — средний временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные. Трансфер — скорость передачи данных при последовательном чтении.

[2] В новых носителях Verbatim использовано покрытие Advanced AZO от Mitsubishi Chemical Media (родительской компании Verbatim) — доработанная версия Metal AZO.