Флеш-память

Пути развития Blu-ray

В настоящее время Blu-ray в качестве носителя пользовательских данных не получил широкого распространения. Причина в цене производителей приводов. Между тем очевидно, что за Blu-ray-дисками – будущее: практически с момента их появления множество компаний ведут разработки в области увеличения емкости и развития этого формата. И эти усилия приносят свои плоды. Так, например, компания TDK продемонстрировала прототип диска емкостью 100 Гб, который читался на приводе с модернизированной оптикой. Еще в 2006 году эта компания сумела создать экспериментальный шестислойный Blu-ray-диск, который вмещает 200 Гб информации.

Максимальный объем портативного HDD, так же, как и его физические размеры, напрямую зависит от типа винчестера, используемого в нем. Это может быть 3.5, 2.5 или 1.8 дюймовый жесткий диск.
Внешние жесткие диски чаще всего применяются для резервного копирования данных.

В основе любого типа флэш-памяти лежат массивы, состоящие из транзисторов с плавающими затворами. Такие затворы способны сохранять электроны, что и нужно вдля сохранения информации. Массивы эти называют ячейками. Память подразделяется на одноуровневую (одна ячейка — один бит) и многоуровневую, когда в одной ячейке могут быть записаны несколько битов.

Принцип работы полупроводниковой технологии флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области (кармане) полупроводниковой структуры.

Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала.

Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком полевого транзистора большого потенциала.

Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора что и регистрируется цепями чтения.

Из особенностей флэш-памяти стоит вспомнить и то, что она способна запоминать информацию на срок до 10 лет без подключения к источникам питания. Что же касается энергопотребления, то оно разнится при чтении и записи - при записи потребление энергии возрастает в несколько раз, в то время, как при чтении оно минимально.

ячеек), проверку и восстановление данных при чтении, заботы о разном размере блоков стирания и записи, заботы о периодическом рефреше записанных блоков (есть и такое требование), равномерное распределение нагрузки на сектора при записи.

Внешний вид флеш-памяти приведен на рис. 8.2.

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам NAND память активно вытесняет из обращения носители других типов. Сначала исчезли дискеты и дисководы гибких магнитных дисков^[7], ушли в небытие накопители на магнитной ленте. Магнитные носители практически полностью вытеснены из мобильных и медиа- применений. Сейчас флеш-память активно теснит винчестеры в ноутбуках^[8] и уменьшает долю записываемых оптических дисков

Однако задача равномерного распределения износа не является обязательной, что зачастую приводит к экономии в дешевых изделиях. Такие флеш-карты памяти и USB брелки быстро выйдут из строя при частой записи. Если вам нужно часто записывать на флешку — старайтесь брать дорогие изделия с SLC памятью и качественными контроллерами, а также старайтесь минимизировать запись в корневую директорию.

На дорогие контроллеры NAND также может возлагаться задача «ускорения» микросхем флеш-памяти путем распределения данных одного файла по нескольким микросхемам. Время записи и чтения файла при этом сильно уменьшается.

Зачастую флеш-память подключается в устройстве напрямую, без контроллера. В этом случае задачи контроллера должен выполнять программный драйвер NAND в операционной системе. Чтобы не выполнять лишнюю работу по равномерному распределению записи по страницам стараются эксплуатировать такие носители со специально придуманными файловыми системами

Существует два основных применения флеш-памяти: как мобильный носитель информации и как хранилище программного обеспечения («прошивки») цифровых устройств. Зачастую эти два применения совмещаются в одном устройстве.

Флеш-память позволяет обновлять прошивку устройств в процессе эксплуатации.

Применение NOR флеши — устройства энергонезависимой памяти относительно небольшого объема требующие быстрого доступа по случайным адресам и с гарантией отсутствия сбойных элементов.

• Встраиваемая память программ однокристальных микроконтроллеров. Типовые объемы — от 1 кБайта до 1 МБайта.

Флэш-память, выдерживает около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW.

Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низком энергопотреблении флеш-память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах — цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, принтерах, сканерах), различных контроллерах.

Так же в последнее время широкое распространение получили USB флеш брелоки («флешка», USB-драйв, USB-диск), практически вытеснившие дискеты и CD.

Основным недостатком, не позволяющим устройствам на базе флеш-памяти вытеснить с рынка жёсткие диски, является высокое соотношение цена/объём.

Ещё один недостаток устройств на базе флеш-памяти по сравнению с жёсткими дисками - меньшая скорость. Несмотря на то, что производители SSD накопителей заверяют, что скорость этих устройств выше скорости винчестеров, в реальности она оказывается ощутимо ниже. Конечно, SSD накопитель не тратит подобно винчестеру время на разгон, позиционирование головок и т. п. Но время чтения, а тем более записи, ячеек флеш-памяти, используемой в современных SSD накопителях, больше. Что и приводит к значительному снижению общей производительности. Справедливости ради следует отметить, что последние модели SSD накопителей и по этому параметру уже вплотную приблизились к винчестерам. Однако, эти модели пока слишком дороги.

Запись и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи для формирования высоких напряжений, тогда как при чтении затраты энергии относительно малы.

Стирание, запись и чтение флеш-памяти всегда происходит относительно крупными блоками разного размера, при этом размер блока стирания всегда больше блока записи а размер блока записи не меньше чем размер блока чтения

Как следствие все микросхемы флеш-памяти имеют ярко выраженную иерархическую структуру. Память разбивается на блоки, блоки состоят из секторов, сектора из страниц. В зависимости от назначения конкретной микросхемы глубина иерархии и размер элементов может меняться.

Например микросхема NAND может иметь размер стираемого блока в сотни кБайт, размер страницы записи и чтения 4 кБайт. Для NOR микросхем размер стираемого блока варьируется от единиц до сотен кБайт, сектор записи — от единиц до сотен байт, страница чтения — единицы-десятки байт.

Скорость стирания варьируется от единиц до сотен миллисекунд в зависимости от размера стираемого блока. Скорость записи — десятки..сотни микросекунд. Типовая скорость чтения для микросхем NOR нормируется в десятки наносекунд. Для микросхем NAND скорость чтения десятки микросекунд.

Стремление достичь предельных значений емкости для NAND устройств привело к «стандартизации брака» — праву выпускать и продавать микросхемы с некоторым процентом бракованных ячеек и без гарантии непоявления новых в процессе эксплуатации. Чтобы минимизировать потери данных каждая страница памяти снабжается небольшим дополнительным блоком в котором записывается контрольная сумма, информация для восстановления одиночных битовых ошибок, информация о сбойных элементах на этой странице и количеству записей на эту страницу.

Сложность алгоритмов чтения и допустимость бракованных ячеек вынудило разработчиков оснастить микросхемы NAND памяти специфическим командным интерфейсом. Это означает что нужно сначала подать специальную команду переноса указанной страницы памяти в специальный буфер внутри микросхемы, дождаться окончания этой операции, считать буфер, проверить целостность данных (и при необходимости попытаться восстановить их).

Слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи в одной странице. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что стандартные файловые системы часто записывают данные в одно и то же место. Часто обновляется корневая таблица файловой системы, так что первые секторы памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволит существенно продлить срок работы памяти. Подробнее про задачу равномерного распределения износа см. Wearleveling (англ.)русск..

· Для упрощения применения микросхем флеш-памяти NAND типа они используются совместно со специальными микросхемами — контроллерами NAND. Эти контроллеры должны выполнять всю черновую работу по обслуживанию NAND памяти: преобразование интерфейсов и протоколов, виртуализацию адресации (с целью обхода сбойных Стандартные микросхемы ПЗУ произвольного доступа для работы вместе с микропроцессором.

• Специализированные микросхемы начальной загрузки компьютеров (POST и BIOS), процессоров ЦОС и программируемой логики. Типовые объемы — единицы..десяткиМБайт.
• Микросхемы хранения среднего размера данных, например DataFlash. Обычно снабжаются интерфейсом SPI и упаковываются в миниатюрные корпуса. Типовые объемы — от сотен кБайт до технологического максимума.

Флеш-карты разных типов (спичка для сравнения масштабов)

Там где требуются рекордные объемы памяти — NAND флеш вне конкуренции.

В первую очередь это всевозможные мобильные носители данных и устройства требующие для работы больших объемов хранения. В основном это USB брелоки и карты памяти всех типов, а также мобильные медиаплееры.

Флеш память NAND типа позволила миниатюризировать и удешевить вычислительные платформы на базе стандартных операционных систем с развитым программным обеспечением. Их стали встраивать во множество бытовых приборов: сотовые телефоны и телевизоры, сетевые маршрутизаторы и точки доступа, медиаплееры и игровые приставки, фоторамки и навигаторы.

Высокая скорость чтения делает NAND память привлекательной для кэширования винчестеров. При этом часто используемые данные операционная система хранит на относительно небольшом твердотельном устройстве, а данные общего назначения записывает на дисковый накопитель большого объема^[6].

В декабре 2009 года, Toshiba заявила, что 64 Гб NAND память уже поставляется заказчикам, а массовый выпуск начался в первом квартале 2010 года.

В 2010 годуToshiba объявила о выпуске первого в истории 128 Гб чипа, состоящего из 16 модулей по 8 Гб. Одновременно с ним в массовую продажу выходят и чипы в 64 Гб.^[15][16]

Для увеличения объёма в устройствах часто применяется массив из нескольких чипов. К 2007 году USB устройства и карты памяти имели объём от 512 Мб до 64 Гб. Самый большой объём USB-устройств составлял 4 терабайта.

В 2010 году Intel и Micron сообщили об успешном совместном освоении выпуска 3-битной (TLC) флеш-памяти типа NAND с использованием норм 25-нм техпроцесса ^[2].

В апреле 2011 года Intel и Micron объявили о разработке MLC NAND флэш-чипа емкостью 8 Гбайт (64 Гбит), произведенного по технологии 20 нм.

Массовое производство данного чипа начнется во второй половине 2011 года. Конечных продуктов на базе новых 20-нм флэш-чипов не стоит ожидать до 2012 годаВ2011 компания Transcend совместно с институтом ITRI представили USB-накопитель с флеш-памятью ёмкостью 2 Тб и подключением по стандарту USB 3.0.