Флеш-пам'ять. Твердотільний накопичувач. Типи флеш-пам'яті. Карта пам'яті

Флеш-пам`ять являє собою тип довговічної пам`яті для комп`ютерів, у якої вміст можна перепрограмувати або видалити електричним методом. У порівнянні з Electrically Erasable Programmable Read Only Memory дії над нею можна виконувати в блоках, які знаходяться в різних місцях. Флеш-пам`ять коштує набагато менше, ніж EEPROM, тому вона і стала домінуючою технологією. Особливо в ситуаціях, коли необхідно стійке і тривале збереження даних. Її застосування допускається в найрізноманітніших випадках: у цифрових аудіоплеєрів, фото- і відеокамерах, мобільних телефонах і смартфонах, де існують спеціальні андроїд-додатки на карту пам`яті. Крім того, використовується вона і в USB-флешках, традиційно застосовуваних для збереження інформації та її передачі між комп`ютерами. Вона отримала певну популярність в світі геймерів, де її часто задіюють в промах для зберігання даних з прогресу гри.

Загальний опис

Флеш-пам`ять являє собою такий тип, який здатний зберігати інформацію на своїй платі тривалий час, не використовуючи харчування. На додаток можна відзначити найвищу швидкість доступу до даних, а також кращий опір до кінетичного шоку в порівнянні з вінчестерами. Саме завдяки таким характеристикам вона стала настольно популярною для приладів, що живляться від батарейок і акумуляторів. Ще одна незаперечна перевага полягає в тому, що коли флеш-пам`ять стиснута в суцільну карту, її практично неможливо зруйнувати якимись стандартними фізичними способами, тому вона витримує киплячу воду і високий тиск.

Низькорівневий доступ до даних

Спосіб доступу до даних, що знаходяться у флеш-пам`яті, сильно відрізняється від того, що застосовується для звичайних видів. Низькорівневий доступ здійснюється за допомогою драйвера. Звичайна RAM відразу ж відповідає на заклики читання інформації та її записи, повертаючи результати таких операцій, а пристрій флеш-пам`яті таке, що буде потрібно час на роздуми.

Будову та принцип роботи

На даний момент поширена флеш-пам`ять, яка створена на однотранзісторний елементах, що мають «плаваючий» затвор. Завдяки цьому вдається забезпечити більшу щільність зберігання даних в порівнянні з динамічною ОЗУ, для якої потрібно пара транзисторів і конденсаторний елемент. На даний момент ринок рясніє різноманітними технологіями побудови базових елементів для такого типу носіїв, які розроблені провідними виробниками. Відрізняє їх кількість шарів, методи запису і стирання інформації, а також організація структури, яка зазвичай вказується в назві.

На поточний момент існує пара типів мікросхем, які поширені найбільше: NOR і NAND. В обох підключення запам`ятовуючих транзисторів проводиться до розрядним шинам - паралельно і послідовно відповідно. У першого типу розміри осередків досить великі, і є можливість для швидкого довільного доступу, що дозволяє виконувати програми прямо з пам`яті. Другий характеризується меншими розмірами осередків, а також швидким послідовним доступом, що набагато зручніше при необхідності побудови пристроїв блочного типу, де буде зберігатися інформація великого обсягу.

У більшості портативних пристроїв твердотільний накопичувач використовує тип пам`яті NOR. Проте зараз все популярнішими стають пристосування з інтерфейсом USB. У них застосовується пам`ять типу NAND. Поступово вона витісняє першу.

Головна проблема - недовговічність

Перші зразки флешок серійного виробництва не радували користувачів великими швидкостями. Однак тепер швидкість запису та зчитування інформації знаходиться на такому рівні, що можна переглядати повноформатний фільм або запускати на комп`ютері операційну систему. Ряд виробників вже продемонстрував машини, де вінчестер замінений флеш-пам`яттю. Але у цієї технології є досить істотний недолік, який стає перешкодою для заміни даними носієм існуючих магнітних дисків. Через особливості пристрою флеш-пам`яті вона дозволяє виробляти стирання і запис інформації обмежене число циклів, яке є досяжним навіть для малих і портативних пристроїв, не кажучи про те, як часто це робиться на комп`ютерах. Якщо використовувати цей тип носія як твердотільний накопичувач на ПК, то дуже швидко настане критична ситуація.

Пов`язано це з тим, що такий накопичувач побудований на властивості польових транзисторів зберігати в «плаваючому» затворі електричний заряд, відсутність або наявність якого в транзисторі розглядається в якості логічної одиниці або нуля в двійковій системі числення. Запис і стирання даних в NAND-пам`яті проводяться за допомогою тунелювати електронів методом Фаулера-Нордхейма за участю діелектрика. Для цього не потрібна висока напруга, що дозволяє робити осередку мінімальних розмірів. Але саме цей процес призводить до фізичного зносу осередків, так як електричний струм в такому випадку змушує електрони проникати в затвор, долаючи діелектричний бар`єр. Однак гарантований термін зберігання подібної пам`яті становить десять років. Знос мікросхеми відбувається не через читання інформації, а через операцій по її стирання і запису, оскільки читання не вимагає зміни структури осередків, а тільки пропускає електричний струм.

Природно, виробники пам`яті ведуть активні роботи в напрямку збільшення терміну служби твердотільних накопичувачів даного типу: вони спрямовані до забезпечення рівномірності процесів запису / стирання по осередках масиву, щоб одні не зношувалися більше за інших. Для рівномірного розподілу навантаження переважно використовуються програмні шляху. Приміром, для усунення подібного явища застосовується технологія «вирівнювання зносу». При цьому дані, часто піддаються змінам, переміщуються в адресний простір флеш-пам`яті, тому запис здійснюється за різними фізичним адресами. Кожен контролер оснащується власним алгоритмом вирівнювання, тому досить важко порівнювати ефективність тих чи інших моделей, так як не розголошуються подробиці реалізації. Оскільки з кожним роком обсяги флешок стають все більше, необхідно застосовувати все більш ефективні алгоритми роботи, що дозволяють гарантувати стабільність функціонування пристроїв.

Усунення проблем

Одним із дуже ефективних шляхів боротьби з зазначеним явищем стало резервування певного обсягу пам`яті, за рахунок якого забезпечується рівномірність навантаження і корекція помилок допомогою спеціальних алгоритмів логічної переадресації для підміни фізичних блоків, що виникають при інтенсивній роботі з флешкою. А для запобігання втрати інформації осередки, що вийшли з ладу, блокуються або замінюються на резервні. Таке програмне розподіл блоків дає можливість забезпечення рівномірності навантаження, збільшивши кількість циклів в 3-5 разів, однак і цього мало.

Карта пам`яті та інші види подібних накопичувачів характеризуються тим, що в їх службову область заноситься таблиця з файловою системою. Вона запобігає збої читання інформації на логічному рівні, наприклад, при некоректному відключенні або при раптовому припиненні подачі електричної енергії. А так як при використанні змінних пристроїв системою не передбачено кешування, то часта перезапис надає саме згубний вплив на таблицю розміщення файлів і зміст каталогів. І навіть спеціальні програми для карт пам`яті не здатні допомогти в даній ситуації. Наприклад, при одноразовому зверненні користувач переписав тисячі файлів. І, здавалося б, тільки по одному разу застосував для запису блоки, де вони розміщені. Але службові області переписувалися при кожному з оновлень будь-якого файлу, тобто таблиці розміщення пройшли цю процедуру тисячу разів. Із зазначеної причини в першу чергу вийдуть з ладу блоки, займані саме цими даними. Технологія «вирівнювання зносу» працює і з такими блоками, але ефективність її дуже обмежена. І тут не важливо, який ви використовуєте комп`ютер, флешка вийде з ладу рівно тоді, коли це передбачено творцем.

Варто відзначити, що збільшення ємності мікросхем подібних пристроїв призвело лише до того, що загальна кількість циклів запису скоротилося, так як осередки стають все менше, тому потрібно все менше і напруги для розсіювання оксидних перегородок, які ізолюють «плаваючий затвор». І тут ситуація складається так, що зі збільшенням ємності використовуваних пристосувань проблема їх надійності стала посилюватися все сильніше, а class карти пам`яті тепер залежить від багатьох факторів. Надійність роботи подібного рішення визначається його технічними особливостями, а також ситуацією на ринку, що склалася на даний момент. Через жорсткої конкуренції виробники змушені знижувати собівартість продукції будь-яким шляхом. У тому числі і завдяки спрощенню конструкції, використанню комплектуючих з більш дешевого набору, послаблення контролю за виготовленням і іншими способами. Наприклад, карта пам`яті "Самсунг" буде коштувати дорожче менш відомих аналогів, але її надійність викликає набагато менше питань. Але й тут складно говорити про повну відсутність проблем, а вже від пристроїв зовсім невідомих виробників складно очікувати чогось більшого.

Перспективи розвитку

При наявності очевидних переваг є цілий ряд недоліків, якими характеризується SD-карта пам`яті, що перешкоджають подальшому розширенню її області застосування. Саме тому ведуться постійні пошуки альтернативних рішень в даній області. Звичайно, в першу чергу намагаються удосконалювати вже існуючі типи флеш-пам`яті, що не приведе до якихось принципових змін у наявному процесі виробництва. Тому не варто сумніватися тільки в одному: фірми, зайняті виготовленням цих видів накопичувачів, будуть намагатися використовувати весь свій потенціал, перед тим як перейти на інший тип, продовжуючи удосконалювати традиційну технологію. Наприклад, карта пам`яті Sony випускається на даний момент в широкому діапазоні обсягів, тому передбачається, що вона і буде продовжувати активно розпродаватися.

Однак на сьогоднішній день на порозі промислової реалізації знаходиться цілий комплекс технологій альтернативного зберігання даних, частину з яких можна впровадити відразу ж при настанні сприятливої ринкової ситуації.

Ferroelectric RAM (FRAM)

Технологія ферроелектріческого принципу зберігання інформації (Ferroelectric RAM, FRAM) пропонується з метою нарощування потенціалу незалежної пам`яті. Прийнято вважати, що механізм роботи наявних технологій, що полягає в перезапису даних в процесі зчитування при всіх видозмінах базових компонентів, призводить до певного стримування швидкісного потенціалу пристроїв. А FRAM - це пам`ять, що характеризується простотою, високою надійністю і швидкістю в експлуатації. Ці властивості зараз характерні для DRAM - енергонезалежної оперативної пам`яті, що існує на даний момент. Але тут додасться ще й можливість тривалого зберігання даних, якої характеризується SD карта пам`яті. Серед достоїнств подібної технології можна виділити стійкість до різних видів проникаючих випромінювань, що може виявитися затребуваним в спеціальних приладах, які використовуються для роботи в умовах підвищеної радіоактивності або в дослідженнях космосу. Механізм зберігання інформації тут реалізується за рахунок застосування сегнетоелектричного ефекту. Він має на увазі, що матеріал здатний зберігати поляризацію в умовах відсутності зовнішнього електричного поля. Кожна комірка пам`яті FRAM формується за рахунок розміщення надтонкою плівки з сегнетоелектричного матеріалу у вигляді кристалів між парою плоских металевих електродів, які формують конденсатор. Дані в цьому випадку зберігаються всередині кристалічної структури. А це запобігає ефект витоку заряду, який стає причиною втрати інформації. Дані в FRAM-пам`яті зберігаються навіть при відключенні напруги живлення.

Magnetic RAM (MRAM)

Ще одним типом пам`яті, який на сьогоднішній день вважається досить перспективним, є MRAM. Він характеризується досить високими швидкісними показниками і енергонезалежністю. Елементарною клітинкою в даному випадку служить тонка магнітна плівка, розміщена на кремнієвій підкладці. MRAM являє собою статичну пам`ять. Вона не потребує періодичної перезапису, а інформація не буде втрачена при виключенні живлення. На даний момент більшість фахівців сходиться на думці, що цей тип пам`яті можна назвати технологією наступного покоління, так як існуючий прототип демонструє досить високі швидкісні показники. Ще однією перевагою подібного рішення є невисока вартість чіпів. Флеш-пам`ять виготовляється у відповідності зі спеціалізованим КМОП-процесом. А мікросхеми MRAM можуть проводитися за стандартним технологічному процесу. Причому матеріалами можуть послужити ті, що використовуються в звичайних магнітних носіях. Виробляти великі партії подібних мікросхем набагато дешевше, ніж всіх інших. Важлива властивість MRAM-пам`яті полягає в можливості миттєвого включення. А це особливо цінно для мобільних пристроїв. Адже в цьому типі значення комірки визначається магнітним зарядом, а не електричним, як у традиційній флеш-пам`яті.

Ovonic Unified Memory (OUM)

Ще один тип пам`яті, над яким активно працюють багато компаній, - це твердотільний накопичувач на базі аморфних напівпровідників. У його основу закладена технологія фазового переходу, яка аналогічна принципом запису на звичайні диски. Тут фазовий стан речовини в електричному полі змінюється з кристалічного на аморфне. І ця зміна зберігається і при відсутності напруги. Від традиційних оптичних дисків такі пристрої відрізняються тим, що нагрівання відбувається за рахунок дії електричного струму, а не лазера. Зчитування в даному випадку здійснюється за рахунок різниці в відбивної здатності речовини в різних станах, що сприймається датчиком дисковода. Теоретично подібне рішення має велику щільність зберігання даних і максимальною надійністю, а також підвищеною швидкодією. Високий тут показник максимального числа циклів перезапису, для чого використовується комп`ютер, флешка в цьому випадку відстає на кілька порядків.

Chalcogenide RAM (CRAM) і Phase Change Memory (PRAM)

Ця технологія теж базується на основі фазових переходів, коли в одній фазі речовина, що використовується в носії, виступає в якості непровідного аморфного матеріалу, а в другій служить кристалічним провідником. Перехід пам`ятною осередки з одного стану в інший здійснюється за рахунок електричних полів і нагрівання. Такі чіпи характеризуються стійкістю до іонізуючого випромінювання.

Information-Multilayered Imprinted CArd (Info-MICA)

Робота пристроїв, побудованих на базі такої технології, здійснюється за принципом тонкопленочной голографії. Інформація записується так: спочатку формується двовимірний образ, переданий в голограму за технологією CGH. Зчитування даних відбувається за рахунок фіксації променя лазера на краю одного з записуваних шарів, службовців оптичними хвилеводами. Світло поширюється вздовж осі, яка розміщена паралельно площині шару, формуючи на виході зображення, відповідне інформації, записаної раніше. Початкові дані можуть бути отримані в будь-який момент завдяки алгоритму зворотного кодування.

Цей тип пам`яті вигідно відрізняється від напівпровідникової за рахунок того, що забезпечує високу щільність запису, мале енергоспоживання, а також низьку вартість носія, екологічну безпеку і захищеність від несанкціонованого використання. Але перезапису інформації така карта пам`яті не допускає, тому може служити тільки в якості довготривалого сховища, заміни паперового носія якої альтернативи оптичним дискам для поширення мультимедійного контенту.