Что такое флеш-память? Принцип работы и устройство флеш-памяти. Как работает FLASH-память

Флеш память

История

Флеш-память была открыта Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в Toshiba в 1984 году. Имя «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Шойи Ариизуми (Shoji Ariizumi), потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку на IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния. Intel увидела большой потенциал в изобретении и в 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR типа.

Характеристики

Скорость некоторых устройств с флеш-памятью может доходить до 100 Мб/с. В основном флеш-карты имеют большой разброс скоростей и обычно маркируются в скоростях стандартного CD-привода (150 Кб/с). Так указанная скорость в 100x означает 100 × 150 Кб/с = 15 000 Кб/с= 14.65 Мб/с.

В основном объём чипа флеш-памяти измеряется от килобайт до нескольких гигабайт.

В основном объём чипа флеш-памяти измеряется от килобайт до нескольких гигабайт.

В 2005 году Toshiba и SanDisk представили NAND чипы объёмом 1 Гб, выполненных по технологии многоуровневых ячеек, где один транзистор может хранить несколько бит, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе.

Компания Samsung в сентябре 2006 года представила 8 Гб чип, выполненный по 40-нм технологическому процессу. В конце 2007 года Samsung сообщила о создании первого в мире MLC (multi-level cell) чипа флеш-памяти типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу. Ёмкость чипа также составляет 8 Гб. Ожидается, что в массовое производство чипы памяти поступят в 2009 году.

Для увеличения объёма в устройствах часто применяется массив из нескольких чипов. В основном на середину 2007 года USB устройства и карты памяти имеют объём от 512 Мб до 15 Гб. Самый большой объём USB устройств составляет 128 Гб.

NAND тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference. У него была больше скорость записи и меньше площадь чипа.

Стандартизацией чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0, выпущенная в 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается крупнейшими производителями NAND чипов: Intel, Micron Technology и Sony .

Принцип работы

максимальные возможные объёмы данных для кристаллов, использующих однобитные (SLC) или двухбитные (MLC)

Элементарной ячейка хранения данных флэш-памяти представляет из себя транзистор с плавающим затвором. Особенность такого транзистора в том, что он умеет удерживать электроны (заряд). Вот на его основе и разработаны основные типы флэш-памяти NAND и NOR. Конкуренции между ними нет, потому что каждый из типов обладает своим преимуществом и недостатком. Кстати, на их основе строят гибридные версии такие как DiNOR и superAND. Во флэш-памяти производители используют два типа ячеек памяти MLC и SLC . .

• Флэш-память с MLC (Multi-level cell - многоуровневые ячейки памяти)ячейки более емкие и дешевые, но они с большим временем доступа и меньшим количеством циклов записи/стирания (около 10000).
• Флэш-память, которая содержит в себе SLC (Single-level cell - одноуровневые ячейки памяти) ячейки имеет максимальное количество циклов записи/стирания(100000) и обладают меньшим временем доступа. Изменение заряда (запись/стирание) выполняется приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.

Принцип работы флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области ("карман") полупроводниковой структуры. Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения. Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек.

NOR и NAND

Компоновка шести ячеек NOR flash

Структура одного столбца NAND flash с 8 ячейками

Флеш память различается методом соединения ячеек в массив.

Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов - ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке.

Конструкция NAND - трёхмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется. Также в каждой линии установлено два МОП-транзистора. Управляющий транзистор разрядной линии (англ. bit line select transistor), расположенный между столбцом ячеек и разрядной линией. И управляющий транзистор заземления, расположенный перед землёй (англ. ground select transistor).

Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика. Наоборот, NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу к большой группе ячеек. Соответственно, различается область применения: NOR используется как непосредственная память программ микропроцессоров и для хранения небольших вспомогательных данных.

Названия NOR и NAND произошли от ассоциации схемы включения ячеек в массив со схемотехникой микросхем КМОП-логики.

NAND чаще всего применяется для USB флеш накопителей, карт памяти, SSD. NOR в свою очередь во встраиваемых системах.

Существовали и другие варианты объединения ячеек в массив, но они не прижились.

NOR

NOR Флеш память

Архитектура NOR получила название благодаря логической операции ИЛИ - НЕ (в переводе с английского NOR). Принцип логической операции NOR заключается в том, что она над несколькими операндами (данные, аргумент операции...) дает единичное значение, когда все операнды равны нулю, и нулевое значение во всех остальных операциях. В нашем случае под операндами подразумевается значение ячеек памяти, а значит в данной архитектуре единичное значение на битовой линии будет наблюдается только в том случае, когда значение всех ячеек, которые подключены к битовой линии, будут равны нулю (все транзисторы закрыты). В этой архитектуре хорошо организован произвольный доступ к памяти, но процесс записи и стирания данных выполняется относительно медленно. В процессе записи и стирания применяется метод инжекции горячих электронов. Ко всему прочему микросхема флеш-памяти с архитектурой NOR и размер ее ячейки получается большим, поэтому эта память плохо масштабируется.Флеш-память с архитектурой NOR как правило используют в устройствах для хранения программного кода. Это могут быть телефоны, КПК, BIOS системных плат... Применение NOR-флеши, устройства энергонезависимой памяти относительно небольшого объёма, требующие быстрого доступа по случайным адресам и с гарантией отсутствия сбойных элементов:

• Встраиваемая память программ однокристальных микроконтроллеров. Типовые объёмы - от 1 кбайта до 1 Мбайта.
• Стандартные микросхемы ПЗУ произвольного доступа для работы вместе с микропроцессором.
• Специализированные микросхемы начальной загрузки компьютеров (POST и BIOS), процессоров ЦОС и программируемой логики. Типовые объёмы - единицы и десятки мегабайт.
• Микросхемы хранения среднего размера данных, например, DataFlash. Обычно снабжаются интерфейсом SPI и упаковываются в миниатюрные корпуса. Типовые объёмы - от сотен кбайт до технологического максимума.

Максимальное значение объёмов микросхем NOR - до 256 Мбайт.

NAND

NAND Флеш память

Данный тип памяти был разработан компанией Toshiba. Эти микросхемы благодаря своей архитектуре применяют в маленьких накопителях, которые получили имя NAND (логическая операция И-НЕ). При выполнении операция NAND дает значение нуль только, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех других случаях. Как было написано ранее, нулевое значение это открытое состояние транзистора. В следствии этого в архитектуре NAND подразумевается, что битовая линия имеет нулевое значение в том случае, когда все подключенные к ней транзисторы открыты, и значение один, когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Такую архитектуру можно построить, если подсоединить транзисторы с битовой линией не по одному (так построено в архитектуре NOR) , а последовательными сериями (столбец из последовательно включенных ячеек).

Данная архитектура по сравнению с NOR хорошо масштабируется потому, что разрешает компактно разместить транзисторы на схеме. Кроме этого архитектура NAND производит запись путем туннелирования Фаулера - Нордхейма, а это разрешает реализовать быструю запись нежели в структуре NOR. Чтобы увеличить скорость чтения, в микросхемы NAND встраивают внутренний кэш. Как и кластеры жесткого диска так и ячейки NAND группируются в небольшие блоки. По этой причине при последовательном чтении или записи преимущество в скорости будет у NAND. Но с другой стороны NAND сильно проигрывает в операции с произвольным доступом и не имеет возможности работать на прямую с байтами информации. В ситуации когда нужно изменить всего несколько бит, система вынуждена переписывать весь блок, а это если учитывать ограниченное число циклов записи, ведет к большому износу ячеек памяти.В последнее время ходят слухи о том, что компания Unity Semiconductor разрабатывает флэш-память нового поколения, которая будет построена на технологии CMOx. Предполагается, что новая память придет на смену флеш-памяти типа NAND и преодолеет ее ограничения, которые в памяти NAND обусловлены архитектурой транзисторных структур. К преимуществам CMOx относят более высокую плотность и скорость записи, а также более привлекательную стоимость. В числе областей применения новой памяти значатся SSD и мобильные устройства. Ну, что же правда это или нет покажет время.

Запись

Для записи заряды должны попасть в плавающий затвор, однако он изолирован слоем оксида. Для перенесения зарядов может использоваться эффект туннелирования. Для разряда необходимо подать большой положительный заряд на управляющий затвор: отрицательный заряд с помощью туннельного эффекта покинет плавающий затвор. И наоборот, для заряда плавающего затвора необходимо подать большой отрицательный заряд.

Также запись может быть реализована с помощью инжекции горячих носителей. При протекании тока между истоком и стоком повышенного напряжения электроны могут преодолевать слой оксида и оставаться в плавающем затворе. При этом необходимо, чтобы на управляющем затворе присутствовал положительный заряд, который создавал бы потенциал для инжекции.

В MLC для записи разных значений используются разные напряжения и время подачи.

Каждая запись наносит небольшой ущерб оксидному слою, поэтому число записей ограничено.

Запись в NOR и NAND компоновке состоит из двух стадий: вначале все транзисторы в линии устанавливаются в 1 (отсутствие заряда), затем нужные ячейки устанавливаются в 0.

На первой стадии очистка ячеек происходит с помощью туннельного эффекта: на все управляющие затворы подаётся сильное напряжение. Для установки конкретной ячейки в 0 используется инжекция горячих носителей. На разрядную линию подаётся большое напряжение. Вторым важным условием этого эффекта является наличие положительных зарядов на управляющем затворе. Положительное напряжение подаётся лишь на некоторые транзисторы, на остальные транзисторы подаётся отрицательное напряжение. Таким образом ноль записывается только в интересующие нас ячейки.

• NAND

Первая стадия в NAND аналогична NOR. Для установки нуля в ячейку используется туннельный эффект, в отличие от NOR. На интересующие нас управляющие затворы подаётся большое отрицательное напряжение.

Технологическое масштабирование

Из-за своей высокорегулярной структуры и высокого спроса на большие объёмы техпроцесс при изготовлении флеш-памяти NAND уменьшается более быстро, чем для менее регулярной DRAM -памяти и почти нерегулярной логики (ASIC). Высокая конкуренция между несколькими ведущими производителями лишь ускоряет этот процесс. В варианте закона Мура для логических микросхем удвоение количества транзисторов на единицу площади происходит за три года, тогда как NAND-флеш показывала удвоение за два года. В 2012 году 19 нм техпроцесс был освоен совместным предприятием Toshiba и SanDisk. В ноябре 2012 года Samsung также начала производство по техпроцессу 19 нм (активно используя в маркетинговых материалах фразу «10нм-класс», обозначавшую какой-то процесс из диапазона 10-19 нм).

Уменьшение техпроцесса позволяло быстро наращивать объёмы чипов памяти NAND-флеш. В 2000 году флеш-память по технологии 180 нм имела объём данных в 512 Мбит на кристалл, в 2005 - 2 Гбит при 90 нм. Затем произошёл переход на MLC, и в 2008 чипы имели объём 8 Гбит (65 нм). На 2010 год около 35 %-25 % чипов имели размер 16 Гбит, 55 % - 32 Гбит. В 2012-2014 годах в новых продуктах широко использовались кристаллы объёмом 64 Гбит, и начиналось внедрение 128 Гбит модулей (10 % на начало 2014 года), изготовленных по техпроцессам 24-19 нм.

По мере уменьшения техпроцесса и его приближению к физическим пределам текущих технологий изготовления, в частности, фотолитографии, дальнейшее увеличение плотности данных может быть обеспечено переходом на большее количество бит в ячейке (например, переход с 2-битной MLC на 3-битную TLC), заменой FG-технологии ячеек на CTF технологию или переходом на трёхмерную компоновку ячеек на пластине (3D NAND, V-NAND; однако при этом увеличивается шаг техпроцесса). Например, приблизительно в 2011-2012 годах всеми производителями были внедрены воздушные промежутки между управляющими линиями, позволившие продолжить масштабирование далее 24-26 нм, а Samsung с 2013-2014 года начала массовый выпуск 24- и 32-слойной 3D NAND на базе CTF технологии, в том числе, в варианте с 3-х битными (TLC) ячейками. Проявляющееся с уменьшением техпроцесса уменьшение износостойкости (ресурса стираний), а также увеличение темпа битовых ошибок потребовало применение более сложных механизмов коррекции ошибок и снижения гарантированных объёмов записи и гарантийных сроков. Однако, несмотря на принимаемые меры, вероятно, что возможности дальнейшего масштабирования NAND-памяти будут экономически не оправданы или физически невозможны. Исследуется множество возможных замен технологии флеш-памяти, в частности, FeRAM, MRAM, PMC, PCM, ReRAM и т. п.

3D NAND

Схемотехника NAND оказалась удобна для построения вертикальной компоновки блока ячеек на кристалле. На кристалл послойно напыляют проводящие и изолирующие слои, которые образуют проводники затворов и сами затворы. Затем в этих слоях формируют множество отверстий на всю глубину слоев. На стенки отверстий наносят структуру полевых транзисторов - изоляторы и плавающие затворы. Таким образом формируют столбец кольцеобразных полевых транзисторов с плавающими затворами.

Такая вертикальная структура оказалась очень удачна и обеспечила качественный рывок плотности флеш-памяти. Некоторые компании продвигают технологию под своими торговыми марками, например V-NAND, BiCS. На 2016 год количество слоев топовых изделий достигло 64-х. .

Срок хранения данных

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий, не превышает 10-20 лет, хотя гарантия на носители даётся не более чем на 5 лет. При этом память MLC имеет меньшие сроки, чем SLC.

Специфические внешние условия, например, повышенные температуры или радиационное облучение (гамма-радиация и частицы высоких энергий), могут катастрофически сократить срок хранения данных.

У современных микросхем NAND при чтении возможно повреждение данных на соседних страницах в пределах блока. Осуществление большого числа (сотни тысяч и более) операций чтения без перезаписи может ускорить возникновение ошибки.

По данным Dell, длительность хранения данных на SSD, отключенных от питания, сильно зависит от количества прошедших циклов перезаписи (P/E) и от типа флеш-памяти и в худших случаях может составлять 3-6 месяцев.

Иерархическая структура

Стирание, запись и чтение флеш-памяти всегда происходит относительно крупными блоками разного размера, при этом размер блока стирания всегда больше, чем блок записи, а размер блока записи не меньше, чем размер блока чтения. Собственно это - характерный отличительный признак флеш-памяти по отношению к классической памяти EEPROM .

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

Например, NAND-микросхема 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, размер сектора записи - до сотен байт, страницы чтения - единицы-десятки байт.

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

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.

Предисловие

Теоретическая часть

Какая память бывает?

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)?

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

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

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

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.

Многие эксперты сходятся во мнении, что одной из основных причин небывалого спроса на флэш-память стало развитие рынка мобильных коммуникаций, хотя и не только это. Как известно, флэш-память - это одна из разновидностей энергонезависимой памяти (nonvolatile memory). В основе работы запоминающей ячейки данного типа памяти лежит физический эффект Фаули-Нордхайма (Fowler-Nordheim), связанный с лавинной инжекцией зарядов в полевых транзисторах. Как и в случае EEPROM, содержимое флэш-памяти программируется электрическим способом, однако основное ее преимущество по сравнению с той же EEPROM - высокая скорость доступа и довольно быстрое стирание информации. Считается, что название "флэш" применительно к типу памяти переводится как "вспышка". На самом деле это не совсем так. Одна из версий появления этого термина состоит в том, что впервые в 1989-90 гг. специалисты компании Toshiba употребили слово flash в значении "быстрый, мгновенный" при описании своих новых микросхем.

В настоящее время можно выделить две основные структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR (логическая функция ИЛИ-НЕ) и NAND (логическая функция И-НЕ). Структура NOR состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации (рис. 1). Такая организация ячеек обеспечивает произвольный доступ к данным и побайтную запись информации. В основе структуры NAND лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (по 16 ячеек в одной группе), которые объединяются в страницы, а страницы - в блоки (рис. 2). При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение происходит к блокам или к группам блоков.

Ячейка традиционной флэш-памяти представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и "плавающим". Важная особенность последнего - способность удерживать электроны, т. е. заряд. Кроме того, в ячейке имеются электроды, называемые "сток" и "исток". При программировании между ними, за счет воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов благодаря наличию большей энергии преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтения данных из ячейки.

Различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее, чем в памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг к другу ячеек памяти NAND соединены последовательно, без контактных промежутков, достигается высокая плотность размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. Последовательная организация ячеек обеспечивает высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. Ввиду того, что туннелирование осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у памяти NAND ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет большее число циклов программирования/стирания. А поскольку туннелирование используется как для программирования, так и для стирания, энергопотребление микросхемы памяти оказывается низким. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Стоит также обратить внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а следовательно, снизить себестоимость. Но и 1 бит - далеко не предел. Еще в 1992 г. команда инженеров корпорации Intel начала разработку устройства флэш-памяти, одна ячейка которого хранила бы более одного бита информации. Уже в сентябре 1997 г. была анонсирована микросхема памяти Intel StrataFlash емкостью 64 Мбит, одна ячейка которой могла хранить 2 бита данных. Кроме того, сегодня существуют образцы с 4-битными ячейками. В такой памяти используется технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что их заряд делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация битов. Теоретически прочитать/записать можно и более 4 бит, однако на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении.

В число крупнейших производителей флэш-памяти входят корпорации Samsung Electronics, Toshiba, Spansion (AMD-Fujitsu), Intel, STMicroelectronics. Одно из направлений совершенствования их продукции - уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия флэш-памяти. В ближайшие годы производители флэш-памяти типа NAND намерены расширить рынок своих микросхем и начинить ими устройства, в которых сейчас используются жесткие диски или память других типов. В результате в память мобильного телефона можно будет записать несколько часов видео, а срок службы батарей в ноутбуках увеличится вдвое или более. Не исключено, что к концу десятилетия элементы NAND благодаря растущей емкости полностью вытеснят жесткие диски из некоторых моделей мини-ноутбуков.

Эволюция NAND отвечает закону Мура, т. е. каждые два года число транзисторов в микросхеме удваивается. Фактически же технология развивается еще быстрее. Если несколько лет назад элементы NAND изготавливались на устаревших производственных линиях, то теперь производители перевели этот процесс на самое современное оборудование, что ускорило развитие продуктов. Сейчас их емкость удваивается каждый год: например, за 4-Гбит микросхемами NAND 2005 г. последовали микросхемы емкостью 8 и 16 Гбит.

В качестве движущего фактора развития этой технологии выступает стоимость: элементы NAND дешевеют примерно на 35-45% в год. В прошлом году 1 Гбайт флэш-памяти обходился производителям устройств примерно в 45 долл. Эксперты полагают, что в этом году цена упадет до 30, в 2008-м - до 20, а к 2009 г. - до 9 долл. При цене 45 долл. за 1 Гбайт флэш-память оказывается почти в сто раз дороже памяти на жестких дисках, которую производители могут покупать примерно по 65 центов за гигабайт. Поэтому пока, даже при самых выгодных для флэш-технологии условиях сравнения, она неизбежно проигрывает по стоимости. С другой стороны, эта память дает заметный выигрыш в пространстве и потребляемой энергии.

Флэш-память Spansion

Вообще говоря, Spansion (http://www.spansion.com) - это всемирно известная марка FASL LLC, компании, созданной совместно AMD и Fujitsu для разработки и производства флэш-памяти. Сегодня FASL LLC - крупнейший мировой производитель флэш-памяти NOR. Решения Spansion в области флэш-памяти применяются в аппаратуре AMD и Fujitsu во всем мире. Устройства флэш-памяти Spansion (рис. 3) охватывают широкий диапазон плотности и свойств и пользуются спросом в различных областях промышленности: в числе ее потребителей - лидеры рынков беспроводных устройств, сотовой телефонии, автомобилей, сетевого оборудования, телекоммуникаций и потребительской электроники. Существует множество продуктов Spansion Flash, в том числе устройства на основе современной технологии MirrorBit, награжденные призами продукты семейства одновременного чтения/записи (SRW), сверхнизковольтные устройства флэш-памяти с питающим напряжением 1,8 В и устройства с пакетной и страничной организацией памяти. Напомним, что именно специалисты корпорации AMD оказались первыми в разработке микросхем флэш-памяти, которые допускали одновременную запись и чтение информации. Это стало возможным благодаря делению кристалла на два независимых банка памяти. При использовании памяти данного типа можно хранить управляющие коды в одном банке, а данные - в другом. В таком случае не требуется прерывать программу, если нужно выполнить операцию стирания или записи в банке данных.

Технология Spansion MirrorBit (рис. 4) позволяет хранить два бита данных в одной ячейке памяти, что приводит к удвоению физической плотности памяти. Эта технология упрощает производство, что приводит к снижению издержек и повышению окупаемости. Ликвидируются как минимум 10% от общего количества шагов производственного процесса и 40% важнейших шагов производства по сравнению с технологией MLC NOR.

В начале прошлого года была представлена технология MirrorBit второго поколения, оптимизированная для использования в беспроводных решениях с напряжением питания 1,8 В. Она была позиционирована как наилучшее в отрасли решение по соотношению цена/производительность, а также как дающая самый широкий среди всех флэш-технологий NOR набор функциональных возможностей и самые высокие показатели плотности. Заявлено, что эта технология позволяет создавать многофункциональные продукты, которые поддерживают одновременное выполнение операций чтения/записи, высокоскоростной интерфейс пакетного режима, систему безопасности Advanced Sector Protection и крайне низкий уровень энергопотребления.

Первенство технологии MirrorBit по соотношению цена/производительность достигается за счет фундаментальных ее преимуществ перед технологией MLC с плавающим затвором, обеспечивающих увеличенный объем выработки, отличное качество и высокую пропускную способность производственных линий. Объем выработки для высокоплотных микросхем (емкостью от 128 до 512 Мбит) увеличен почти на 30% по сравнению с технологией MLC с плавающим затвором, что значительно улучшает структуру себестоимости автономных и многокристальных продуктов. Уменьшенное на 40% число критических уровней маскирования снижает чувствительность к дефектам в процессе изготовления и повышает качество готового продукта. И наконец, пропускная способность заводских производственных линий выросла на 10% за счет упрощения и рационализации процесса изготовления.

Технология MirrorBit была разработала Spansion специально для клиентов, требующих максимального соотношения цена/производительность по всему спектру приложений флэш-памяти. В результате производители устройств все чаще заменяют микросхемы с плавающим затвором и однобитовыми или многоуровневыми ячейками в мобильных телефонах высшего класса, КПК, цифровых камерах, серверах, телеприставках, принтерах, сетевом и телекоммуникационном оборудовании, игровых системах и навигационных устройствах.

Беспроводные устройства Spansion линии GL с напряжением питания 1,8 В и 3 В применяются для хранения данных и выполнения приложений в мобильных телефонах начального, среднего и высшего классов. Беспроводные устройства линии PL с напряжением питания 3 В также используются в многочисленных мобильных телефонах, начиная от самых простых моделей и заканчивая мощными многофункциональными телефонами с цветными дисплеями высокого разрешения.

Беспроводные устройства Spansion линии WS оптимизированы для мобильных телефонов высшего класса, поддерживающих полифонические мелодии, оснащенных цветными дисплеями и фотокамерами высокого разрешения, а также большим объемом внутренней памяти для хранения мультимедийной информации, видеоклипов и фотографий. В линию WS входят высокопроизводительные микросхемы на 1,8 В с пакетным доступом, поддержкой одновременного чтения и записи и улучшенной защитой секторов. Емкость этих устройств составляет от 64 до 256 Мбит; они могут применяться для хранения данных и выполнения приложений.

В устройствах Spansion линии GL-N большая емкость сочетается с высокой пропускной способностью и безопасностью. Они отлично подходят для нового поколения устройств домашней и автомобильной электроники, средств связи и сетевого оборудования, а также для мобильных устройств. В линии GL-N выпускаются 512-, 256- и 128-Мбит модули, образующие единую платформу интеграции флэш-памяти в самых различных устройствах. Совместимость по ПО, посадочным местам и физическому интерфейсу сокращает затраты на разработку и модернизацию продукции, поскольку для перехода на более емкие модули не нужно менять печатные платы и адаптировать ПО.

Компании Spansion LLC и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC, http://www.tsmc.com) заключили соглашение, позволяющее начать массовое производство микросхем на основе 110-нм технологии Spansion MirrorBit. По условиям соглашения TSMC предоставляет производственные мощности для изготовления продукции Spansion - беспроводных устройств серий GL, PL и WS, а также интегрированных устройств серии GL. TSMC внедряет на своих предприятиях 110-нм производственный процесс Spansion специально для изготовления ее продукции. Первоначально технология Spansion MirrorBit 110 нм применяется на 200-мм кремниевых пластинах.

В начале осени прошлого года Spansion объявила о предоставлении клиентам образцов флэш-памяти формата Package-on-Package (PoP) для миниатюрных и в то же время многофункциональных мобильных телефонов, КПК, цифровых камер и MP3-плееров. Новое решение Spansion формата PoP представляет собой компактный модуль памяти со встроенным контроллером, отличающийся малым количеством контактов, простотой интеграции и высокой производительностью. Эти устройства в первую очередь оценили производители мобильных телефонов, которые смогли расширить набор функций новых моделей без увеличения их массы и размера.

Высота новых устройств PoP Spansion, состоящих из модуля памяти и контроллера в вертикальной компоновке, составляет всего 1,4 мм. Устройства PoP отличаются высокой гибкостью - на совмещение любого модуля памяти с любым контроллером требуется буквально несколько недель. Решения PoP позволяют подобрать идеальное сочетание модуля памяти и контроллера для каждой задачи, а упрощенная процедура тестирования означает дополнительную экономию средств. Spansion придерживается системного подхода при разработке и выпуске флэш-памяти и стандартизации устройств PoP, принимает активное участие в работе ассоциации JEDEC и возглавляет группу JC11.2, отвечающую за рекомендации по разработке устройств PoP. Кроме того, компания прилагает максимум усилий к распространению устройств PoP, а также тесно сотрудничает с производителями наборов микросхем для обеспечения совместимости между ними.

В прошлом году производственные мощности Spansion были рассчитаны на выпуск 8-кристальных интегрированных модулей со 128-контактной основой формата 12х12 мм с шагом в 0,65 мм. За счет малой длины дорожек и низкой электрической емкости шины в устройствах PoP удается обойти ограничения на чистоту сигналов и точность синхронизации, характерную для памяти DDR с рабочей частотой 133 МГц. Архитектура, выбранная Spansion, позволяет обойтись меньшим количеством контактов и отказаться от передачи данных между модулем памяти и контроллером по поверхности печатной платы, что значительно упрощает структуру интегрированного устройства.

В устройствах Spansion PoP также применяется технология MirrorBit. Архитектура ORNAND открывает новые возможности для развития этой технологии. Она разрабатывается специально для беспроводных устройств и вспомогательных процессоров, которым требуются большие объемы данных и контроллеры, оптимизированные под выполнение конкретных задач.

Первые образцы одномодульных гигабитных устройств флэш-памяти для встроенных систем появились уже в октябре прошлого года. Гигабитные модули MirrorBit GL стали первыми устройствами, изготовленными по 90-нм технологии MirrorBit, и на момент выпуска обладали рекордной удельной емкостью среди одномодульных устройств флэш-памяти NOR. Они могут применяться для хранения данных и исполняемого кода в разнообразных встроенных системах, таких, как автомобильные системы навигации, устройства связи, игровые устройства и промышленные роботы.

Гигабитные устройства MirrorBit GL входят в ту же линию продукции, что и единственные в мире 512-Мбит модули флэш-памяти NOR. Перевод технологии MirrorBit на 90-нм производственный процесс и удвоение плотности флэш-памяти NOR позволили Spansion снизить стоимость компонентов, поскольку теперь разработчики встроенных систем могут обойтись одним одномодульным устройством вместо нескольких независимых устройств или дорогих многослойных устройств с несколькими модулями низкой емкости. Благодаря тому, что новинка продолжила существующую линию устройств, клиентам Spansion очень просто переходить на новые модули, это не требует никаких изменений в архитектуре уже разработанных встроенных систем.

Гигабитные модули Spansion MirrorBit относятся к семейству Spansion GL, в которое входят модули емкостью от 16 до 512 Мбит. Выпуском гигабитного устройства компания Spansion расширила ассортимент своей продукции от емкости в 1 Мбит до 1 Гбит. Вся новая продукция совместима с модулями предыдущих поколений (вплоть до 2 Мбит) на уровне программного интерфейса, аппаратного интерфейса и посадочных мест, что позволяет устанавливать их в старые платы. Гигабитные модули MirrorBit GL на уровне аппаратного интерфейса и посадочного места совместимы со всеми устройствами MirrorBit GL-M (230-нм техпроцесс), MirrorBit GL-A (200-нм) и MirrorBit GL-N (110-нм), а также с более старыми устройствами Fujitsu и AMD LV вплоть до тех, что производились по процессу 320 нм. Физическое исполнение модулей отвечает требованиям стандартов JEDEC. Рабочее напряжение гигабитных модулей MirrorBit GL составляет 3 В, скорость произвольного доступа при чтении - 110 нс, скорость последовательного доступа при чтении - 25 нс, емкость страничного буфера - 8 слов.

Гигабитные модули MirrorBit GL позволяют либо выполнять код непосредственно с флэш-памяти, либо копировать его с высокой скоростью в оперативную память. Они основаны на архитектуре NOR, которая гарантирует отсутствие плохих секторов, устраняет необходимость в проверке четности ECC и поддерживает стандартный параллельный интерфейс. Эти модули позволяют значительно упростить структуру и снизить стоимость встроенных систем. Для приложений, предъявляющих особые требования к защите, немаловажно, что в мегабитных модулях MirrorBit GL поддерживается технология улучшенной защиты секторов ASP (Advanced Sector Protection). Технология ASP позволяет разработчикам надежно защитить программные алгоритмы и параметры 64-разрядным ключом. Защита может устанавливаться индивидуально для каждого сектора с кодом или данными. Помимо этого, модулям можно присваивать электронные серийные номера (ESN). Номера ESN удобны для удаленной идентификации устройств, управления уровнем обслуживания и ведения журнала доступа для последующей тарификации. Эти средства защиты помогают обезопасить устройства от вредоносного кода и вирусов, а также от несанкционированного доступа.

Флэш-память Samsung

Занимая лидирующие позиции на рынке флэш-памяти NAND с 2002 г., Samsung Electronics (http://www.samsung.com) продолжает наращивать инвестиции в данное направление. Основная цель этих капиталовложений - ежегодное двукратное увеличение емкости носителей информации, что позволит и в дальнейшем сохранять лидирующие позиции и стимулировать рынок в направлении увеличения объемов памяти и предложения более приемлемых цен на продукты. В корпорации ожидают, что в дальнейшем флэш-память типа NAND будет применяться не только в цифровых фотокамерах, MP3-плеерах и 3G-телефонах, но и в других мобильных продуктах и цифровой потребительской электронике. Это обусловлено тем, что флэш-память данного типа признается наиболее надежным носителем для хранения данных повышенной емкости и отвечает самым широким потребительским запросам. Технология OneNAND объединяет в одной микросхеме ячейки флэш-памяти NAND, высокоскоростной SRAM-буфер и логический интерфейс, причем это единственный тип NAND-памяти, разработанный для сопряжения с флэш-памятью типа NOR. Вдобавок такая конструкция минимизирует потери хранящихся данных при отключении питания.

Кристаллы флэш-памяти нового типа, отличающиеся высокими показателями скорости чтения при расширенных возможностях хранения данных, Samsung Electronics выпустила еще в ноябре 2004 г. Гигабитная микросхема OneNAND Flash, производимая по 90-нм технологии, сочетала в себе свойства основных архитектур флэш-памяти - NAND и NOR. От памяти NOR новый тип унаследовал высокую скорость чтения и записи данных. Кроме того, OneNAND позволяет хранить и быстро копировать в оперативную память исполняемый код, что характерно для микросхем NAND. Напомним, что сходный принцип положен в основу кристаллов ORNAND, разработанных компанией Spansion. Samsung Electronics ориентировала кристаллы OneNAND на смартфоны, снабженные встроенными фотокамерами и способные исполнять приложения.

Весной прошлого года корпорация объявила о создании модуля флэш-памяти OneNAND объемом 4 Гбит, предназначенного для мультимедийных телефонов. Помимо высокой емкости, он отличается ультракомпактными размерами, высокой производительностью и низким энергопотреблением. Новый кристалл OneNAND имеет напряжение питания 1,8 В, и его энергопотребление по сравнению c памятью других типов, работающей при напряжении 3,3 В, почти вдвое ниже. Размеры нового чипа - 11х13х1,4 мм - существенно меньше, чем у конкурирующих устройств мобильной памяти той же емкости. Эти микросхемы отличаются высокой скоростью чтения - 108 Мбайт/с, что в четыре раза выше, чем у обычной NAND-памяти, а также скоростью записи - 10 Мбайт/с, что в 60 раз превосходит скорость записи флэш-памяти типа NOR. Для примера: на 4-Гбит модуле можно хранить 250 снимков, полученных с помощью 5-Мпиксел камеры сотового телефона, или более 120 музыкальных файлов.

С технической точки зрения 4-Гбит память OneNAND представляла собой четыре кристалла памяти OneNAND объемом 1 Гбит каждый, собранные в четырехслойном пакете (Quad Die Package). Кристаллы производились с использованием 90-нм техпроцесса, запущенного еще в ноябре 2004 г. Примерно в то же время южнокорейская корпорация сообщила о начале эксплуатации новой линии по производству микросхем флэш-памяти NAND. Мощности Line 14, запущенной на месяц раньше запланированного срока, предназначались для изготовления 4-Гбит модулей по нормам 70-нм технологии, а также 2-Гбит модулей по 90-нм техпроцессу.

По утверждениям представителей Samsung, размер ячейки микросхем памяти, произведенных по 70-нм технологии, составляет всего 0,025 мм2. При этом скорость последовательной записи примерно на 50% выше аналогичного показателя для микросхем емкостью 2 Гбит, изготовленных по 90-нм техпроцессу. Таким образом, теоретически новые 4-Гбит кристаллы флэш-памяти NAND могут использоваться для записи видео высокого разрешения в режиме реального времени. Новая линия на начальном этапе позволяла выпускать порядка 4 тыс. пластин в месяц, а к концу прошлого года ежемесячный объем производства составлял 15 тыс. пластин. Согласно данным Gartner Dataquest, доля 4-Гбит микросхем NAND к концу года составила около 30% от общего объема рынка NAND-памяти, оцениваемого в 8 млрд долл. Примечательно, что Samsung ежегодно удваивает емкость NAND-кристаллов начиная с 1999 г.

ПО XSR (eXtended Sector Remapper), разработанное в Samsung Electronics, оптимизирует производительность устройств флэш-памяти OneNAND для телефонов 3G, карманных компьютеров, переносных игровых систем и цифровых камер. Разработано пять различных программ, каждая из которых приспособлена к своей операционной среде, три из них созданы на базе Samsung XSR. PocketStore II оптимизирует использование OneNAND в мобильной среде Microsoft, Unistore используется на платформе Symbian, а TFS4 (Transactional File System 4) разработана для ОС реального времени (Real Time Operating Systems). Кроме того, Samsung предлагает программу RFS (Robust File System) для ОС Linux, а также версию TFS-4-Light для МР3-плееров. За счет использования Samsung XSR скорость чтения данных достигает 30 Мбайт/с, а скорость записи - 9 Мбайт/с. Это ПО упрощает процесс разработки высокопроизводительных, недорогих и экономичных портативных мультимедиа-систем.

Летом прошлого года Samsung Electronics завершила разработку первого твердотельного жесткого диска (Solid State Disk, SSD), созданного на основе флэш-памяти типа NAND, для применения в персональных и мобильных ПК (рис. 5). Как известно, твердотельные диски на базе флэш-памяти NAND - это носители информации, характеризующиеся низким энергопотреблением и малой массой и предназначенные для ноутбуков, субноутбуков и планшетных ПК (Tablet PC). Используя собственные микросхемы флэш-памяти NAND емкостью 8 Гбит - максимальной плотности из выпускаемых на тот момент полупроводниковой промышленностью в мире, Samsung Electronics получила возможность создавать твердотельные жесткие диски емкостью до 16 Гбайт (для сравнения: наиболее распространенная емкость шпиндельных жестких дисков в ноутбуках равна 40 Гбайт).

Энергопотребление SSD составляет менее 5% от показателей традиционных жестких дисков, что увеличивает более чем на 10% время автономной работы портативных ПК. Необходимо также отметить, что SSD на базе флэш-памяти NAND примерно вдвое легче обычных жестких дисков. Производительность SSD превосходит аналогичные показатели шпиндельных жестких дисков сопоставимого размера более чем на 150%. Скорость чтения с такого диска составляет 57 Мбайт/с, а скорость записи на него - 32 Мбайт/с.

В связи с отсутствием движущихся элементов твердотельные жесткие диски Samsung характеризуются минимальным уровнем шума и тепловыделения. Более того, SSD обеспечивают сверхвысокую надежность хранения данных и отлично зарекомендовали себя в условиях экстремальных температур и влажности, что позволяет применять такие диски в промышленности и военной технике.

Для совместимости твердотельные жесткие диски исполнены в корпусах, внешне напоминающих обычные жесткие диски. Samsung выпустила полную линейку твердотельных дисков: SSD формата 2,5 дюйма имели 16 кристаллов флэш-памяти NAND емкостью 4 Гбит или 8 Гбит и обеспечивали дисковое пространство 8 Гбайт или 16 Гбайт соответственно. 1,8-дюйм диски также были выпущены в двух модификациях - на 4 и 8 Гбайт. Твердотельные жесткие диски открыли новые ниши в индустрии хранения данных, особенно для мобильных устройств, не требующих высокой емкости.

Кристаллы NAND флэш-памяти емкостью 4 Гбит Samsung Electronics впервые анонсировала в сентябре 2003 г. Следуя принятой модели роста емкости модулей памяти (двукратное увеличение емкости каждые 12 месяцев), представленной доктором Чанг Гю Хвангом, президентом и исполнительным директором Samsung Electronics Semiconductor, последовательно выпускались пять поколений флэш-памяти NAND: 256 Мбит в 1999 г., 512 Мбит в 2000-м, 1 Гбит в 2001-м, 2 Гбит в 2002-м, 4 Гбит в 2003-м, 8 Гбит в 2004-м и 16 Гбит в 2005 г. Использование 70-нм технологического процесса при производстве 4-Гбит микросхем флэш-памяти типа NAND позволяет корпорации производить самые маленькие по размеру ячейки памяти - площадью 0,025 мкм2. Своим успешным развитием 70-нм технологический процесс обязан применению литографического оборудования, которое использует коротковолновые источники света на основе фторида аргона (ArF), позволяющие добиться необходимой точности размещения элементов на кристалле.

Микросхемы, произведенные по 70-нм технологии, демонстрируют высокие скоростные характеристики: скорость записи у них составляет 16 Мбайт/с, на 50% лучше, чем у современных 2-Гбит микросхем, выполненных по 90-нм технологии, что позволяет применять данный тип памяти для записи в реальном времени видеосигнала высокой четкости. Samsung Electronics также анонсировала выпуск первой 300-мм кремниевой пластины на новой технологической линии N14 на месяц раньше запланированного срока. Линия предназначена для выпуска 4-Гбит (70-нм технология) и 2-Гбит (90-нм) кристаллов флэш-памяти типа NAND. В конце 2005 г. корпорация опробовала технологический процесс при нормах 50 нм для производства 16-Гбит кристаллов NAND флэш-памяти; массовый выпуск этих модулей намечен на вторую половину текущего года.

Флэш-память Intel

Флэш-память NOR, разработанная корпорацией Intel в 1988 г., представляла собой энергонезависимую перезаписываемую микросхему памяти, нашедшую широкое применение в мобильных телефонах. В 2003 г. Intel представила новую технологию флэш-памяти, полное название которой звучало как StrataFlash Wireless Memory System. Она позволяла уменьшить объем модулей памяти, используемых в КПК и сотовых телефонах, а также снизить энергопотребление и стоимость флэш-памяти в упомянутых устройствах. В технологии StrataFlash были использованы элементы двух разных типов флэш-памяти: NAND и NOR. Как известно, технология NAND предназначается для хранения данных на внешних флэш-картах, а NOR подходит для хранения небольших программ для мобильных устройств. Доступ к флэш-памяти NOR осуществляется без проверки ошибок, поскольку в этом нет необходимости. Флэш-память NAND не имеет такой надежности, как NOR-память, но она дешевле в производстве, а, кроме того, чтение и запись данных в память NAND происходит намного быстрее, чем в NOR. Это быстродействие дополнительно увеличивается за счет использования в комплекте с этой памятью модулей ОЗУ. В StrataFlash инженеры Intel объединили два типа флэш-памяти, оптимизировав ее и для хранения данных, и для записи программ. Первый модуль памяти StrataFlash состоял из нескольких кристаллов, часть из которых была модулями ОЗУ, а другая представляла собой непосредственно флэш-память.

В начале прошлого года были представлены первые образцы продукции Sibley, предназначенной для рынка мобильных телефонов. Отметим, что, согласно прогнозам iSuppli, годовой объем продаж 3G-телефонов к 2008 г. достигнет 240 млн штук при ежегодном росте в 87%. Sibley - это кодовое наименование первого многоуровневого (Multi-Level Cell, MLC) модуля флэш-памяти NOR, который производится по 90-нм производственной технологии Intel. Семейство Sibley призвано обеспечивать высокую скорость считывания с кодированием "ожидания нуля" на частоте 108 МГц. Кроме того, скорость записи у такой памяти достигает 500 Кбайт/с, что важно для сохранения мультимедийных изображений в современных мобильных телефонах. Новое семейство продукции позволяет увеличить плотность флэш-памяти NOR благодаря использованию единого модуля емкостью 512 Мбайт. Обеспечивается поддержка различных интерфейсов памяти, что дает производителям мобильных телефонов большой уровень гибкости при проектировании.

Четвертое поколение флэш-памяти Intel с многоуровневыми ячейками (рис. 6) нацелено на ОЕМ-компании, работающие в области интегрированных решений, которым требуется высокая производительность и компактность устройств флэш-памяти. Это сочетание необходимо для самых разных платформ - от цифровых камер и бытовой электроники до сетевых маршрутизаторов, коммутаторов и КПК.

Осенью прошлого года Intel объявила о начале массовых поставок первых модулей MLC флэш-памяти NOR, производимых по 90-нм технологии. Новые модули Intel StrataFlash Cellular Memory (M18) обладают более высокой производительностью, более компактны и потребляют меньше энергии, чем предыдущие модули, производимые по 130-нм технологии, что полнее удовлетворяет потребности разработчиков мобильных телефонов, оснащенных камерами и цветными экранами, поддерживающих Интернет-браузеры, воспроизведение видео и т. д.

Модули M18 отличаются очень высокой скоростью чтения, благодаря чему могут использовать шину, работающую с той же частотой, что и наборы микросхем для мобильных телефонов следующего поколения (до 133 МГц). Это ускоряет выполнение пользовательских приложений, поскольку взаимодействие набора микросхем и памяти происходит быстрее, чем в модулях, выпускаемых по 130-нм технологии. Благодаря скорости записи, достигающей 0,5 Мбайт/с, модули M18 поддерживают трехмегапиксельные камеры и воспроизведение видео в формате MPEG4. OEM-производителям эти модули выгодны тем, что их программирование в заводских условиях выполняется в три раза быстрее, чем модулей, производимых по 130-нм технологии, что способствует снижению производственных расходов. На программирование модулей M18 и стирание записанных в них данных расходуется соответственно в три и два раза меньше энергии по сравнению с модулями предыдущего поколения, к тому же они поддерживают новый режим работы Deep Power Down, который дополнительно продлевает срок работы устройства без перезарядки аккумулятора. Кроме того, модули M18 отличаются повышенной плотностью монтажа: Intel предлагает микросхемы памяти объемом 256 и 512 Мбит, а также стандартные стековые решения объемом до 1 Гбит. Стандартные стеки Intel объединяют технологии NOR и RAM и поддержку нескольких архитектур шин, позволяя OEM-производителям быстрее разрабатывать новые устройства.

Чтобы помочь разработчикам ускорить интеграцию новых карманных устройств, корпорация Intel бесплатно предоставляет им ПО Intel Flash Data Integrator (Intel FDI) следующего поколения. ПО Intel FDI v7.1 обеспечивает открытую архитектуру, облегчающую интеграцию файловой системы флэш-памяти с ОС реального времени, и три новые функции, расширяющие возможности разработчиков: это Mountable USB, поддержка нескольких томов и поддержка буферов RAM.

Отметим также, что Intel первой в индустрии наладила выпуск многоуровневых микросхем флэш-памяти класса NOR емкостью 1 Гбит для мобильных устройств, используя передовую 65-нм производственную технологию.