Флеш-память (Flash memory)

Флеш-памятью (англ. Flash-Memory) называют разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти (ПППЗУ). Считывать из такой памяти можно неограниченное число раз в пределах срока хранения данных, который составляет от 10 до 100 лет. А вот количество циклов записи в такую память ограничено: около миллиона циклов.

В настоящее время распространение получил тип флеш-памяти, выдерживающий около 100 тысяч циклов перезаписи, что намного больше, чем аналогичный показатель дискет или CD-RW.

В отличие от жёстких дисков, флеш-память не содержит никакой механики, что делает её более надёжной и компактной.

Благодаря небольшим размерам, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в качестве накопителя информации в портативных цифровых устройствах: фотоаппаратах, видеокамерах, мобильных телефонах, MP3-плеерах, диктофонах, КПК, а также смартфонах и коммуникаторах. Также её используют для хранения встроенного программного обеспечения в самых различных устройствах: принтерах, сканерах, маршрутизаторах, модемax, мини-АТС, контроллерах.

В последнее время очень широко распространились USB флеш-накопители (другие называния: «флешка», USB-драйв, USB-диск). Эти накопители практически полностью вытеснили с рынка сменных накопителей дискеты и компакт-диски. Первую флешку под торговой маркой «JetFlash» выпустила тайваньская компания Transcend в 2002 году.

На момент окончания 2008 года главным недостатком, который не позволяет устройствам, в которых в качестве основного устройства для хранения данных является флеш-память, вытеснить с рынка жёсткие диски, является более высокое соотношение цена/объём. У флеш-памяти оно превышает аналогичный параметр жестких дисков в 2-3 раза. Именно по этой причине объёмы флеш-накопителей не настолько велики, хотя работы в этом направлении не прекращаются. Со временем технологический процесс становится дешевле, усиливается конкуренция. Уже есть официальные заявления о выпуске SSD-накопителей имеющих объём более 256 ГБ. А компания OCZ анонсировала в ноябре 2009 года SSD-накопитель ёмкостью имеющий ёмкость 1 ТБ и 1,5 млн циклов перезаписи.

Второй существенный недостаток устройств на базе флеш-памяти, как это ни парадоксально — меньшая, по сравнению с жёсткими дисками, скорость. Несмотря на громкие заявления производителей, что скорость этих устройств выше скорости жёстких дисков, в действительности она ощутимо ниже. Конечно, SSD-накопителю не нужно подобно винчестеру тратить время на разгон, позиционирование головок и прочую механическую работу, но время, затрачиваемое на сам процесс чтения, а тем более записи, ячеек памяти современных SSD-накопителей, больше. В результате, суммарная производительность таких накопителей существенно ниже. Для полноты картины нужно отметить, что самые новые модели SSD-накопителей и скорости чтения/записи вплотную приблизились к жестким дискам, но такие модели ещё слишком дороги.

Стирание флеш-памяти

Флеш-память хранит информацию в так называемых ячейках (англ. cell), которые представляют собой массив транзисторов с плавающим затвором. В традиционных устройствах используются одноуровневые ячейки (англ. single-levelcell, SLC), каждая из которых может хранить всего один бит. В некоторых новых устройствах используются многоуровневые ячейки (англ. multi-levelcell, MLC), которые способны хранить более одного бита информации. Для этого на плавающем затворе транзистора используется разный уровень электрического заряда.

NOR

В основе такого типа флеш-памяти лежит логический элемент ИЛИ-НЕ (англ. NOR). Именно этот логический элемент был выбран по причине того, что в транзисторах с плавающим затвором единица кодируется низким напряжением на затворе.

Транзистор имеет два затвора: управляющий и плавающий. Второй из них полностью изолирован и способен удерживать заряд до 10 лет. Так же в ячейке имеются сток и исток. Воздействуя на управляющий затвор, напряжение создаёт электрическое поле, в результате чего возникает туннельный эффект. Часть электронов попадает на плавающий затвор, туннелируя сквозь слой изолятора. Заряд, возникающий на плавающем затворе, меняет проводимость канала сток-исток и его «ширину», что используется при чтении.

Процессы чтения и записи на устройства флеш-памяти сильно различаются в энергопотреблении. При записи потребляется достаточно большой ток, а при чтении затраты энергии малы.

Для того чтобы удалить информацию необходимо подать высокое отрицательное напряжение на управляющий затвор. В результате такого воздействия электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

В NOR-архитектуре флэш-памяти к каждому транзистору требуется подвести индивидуальный контакт, что сильно увеличивает размеры схемы. Эта проблема решена в NAND-архитектуре.

NAND

В основе NAND-типа флеш-памяти лежит логический элемент И-НЕ (англ. NAND). Принцип его работы аналогичен предыдущему, а отличается он только размещением ячеек и их контактами. В NAND-архитектуре не требуется подводить к каждой ячейке индивидуальный контакт, а, следовательно, размер и стоимость NAND-чипа можно существенно уменьшить. К тому же в этой архитектуре запись и стирание происходят быстрее. Однако существенным недостатком является невозможность обращения к произвольной ячейке.

Архитектуры NAND и NOR в настоящее время существуют параллельно друг с другом и не конкурируют, поскольку используются в разных областях хранения данных.

История флеш-памяти

Изобретена флеш-память была в Японии в 1984 году, инженером компании Toshiba Фудзио Масуокой. Название «флеш» было предложено коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми. Дело в том, что процесс стирания информации из изобретенной памяти напомнил ему фотовспышку (англ. flash). Масуока в этом же году представил свою разработку на конференции International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния. Компания Intel увидела в изобретении большой потенциал, и в 1988 году ей был выпущен первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

Впервые NAND-тип флеш-памяти был представлен на конференции International Solid-State Circuits Conference в 1989 году компанией Toshiba. Он имел большую скорость записи и меньшую площадь чипа.

На момент окончания 2008 года, лидерами в области производства флеш-памяти являются две компании: Samsung и Toshiba. Первая имеет 31% рынка, а вторая — 19%, если учитывать совместные заводы с Sandisk.

Разработкой стандартов для чипов флеш-памяти NAND-типа занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Действующим стандартом считается спецификация ONFI v.1.0, которая была выпущена 28 декабря 2006 года. Группу ONFI поддерживают конкуренты Samsung и Toshiba в производстве NAND-чипов: Intel, Hynix и Micron Technology.

Характеристики флеш-памяти

В настоящее время существуют модели флеш-памяти, скорость которых может достигать 100 МБ/с. Вообще, флеш-карты имеют довольно большой разброс скоростей, которые принято обозначать в скоростях стандартного CD-привода (150 КБ/с). То есть, если на флеш-памяти указана скорость 100×, это означает 100 × 150 КБ/с = 14,65 МБ/с.

Объёмы флеш-памяти могут составлять от нескольких килобайт до нескольких гигабайт.

Первые NAND-чипы объёмом 1 Гб, выполненные с использованием технологии многоуровневых ячеек, которая позволяет одному транзистору хранить несколько бит (использовался разный уровень электрического заряда на плавающем затворе), были представлены компаниями Toshiba и SanDisk в 2005 году.

Годом позже, компания Samsung представила выполненный по 40-нм технологическому процессу 8-гигабайтный чип.

В конце 2007 года та же Samsung объявила о создании первого чипа флеш-памяти типа NAND с ёмкостью 8 ГБ. Производство чипа проходило с использованием 30-нм технологического процесса. А в декабре 2009 года было объявлено о начале полномасштабного производства подобной флэш-памяти объёмом 4 ГБ (32 Гбит).

Одновременно с этим, в декабре 2009 года, компания Toshiba заявила, что NAND память объемом 64 ГБ уже поставляется некоторым заказчикам и её массовый выпуск начнётся в первом квартале 2010 года.

Чтобы увеличить объём устройств с флеш-памятью, производители часто применяют массив из нескольких чипов. В 2007 году представленные на рынке USB-устройства и карты флеш-памяти имели объём от 512 МБ до 64 ГБ. Самый большой объём, который имело USB-устройство, составлял 4 терабайта.

Файловые системы

Основным недостатком флеш-памяти является ограниченное количество циклов перезаписи. Эта проблема осложняется ещё и тем, что операционные системы часто записывают информацию в одно и то же место. Так же таблица файловой системы обновляется довольно часто, а, следовательно, первые сектора памяти израсходуют предел циклов перезаписи значительно раньше других. Продлить срок работоспособности флеш-памяти позволяет распределение нагрузки.

Чтобы осуществить такое распределение были созданы специальные файловые системы: JFFS2 и YAFFS для GNU/Linux и exFAT для Microsoft Windows.

Некоторые USB флеш-носители и карты памяти (например, SecureDigital и CompactFlash) имеют специальный встроенный контроллер, который обнаруживает и исправляет ошибки, а так же старается равномерно использовать ресурс перезаписи флеш-памяти. На подобных устройствах специальная файловая система уже не требуется, и применяется обычная FAT.

Разные типы флеш-карт

Самым популярным устройством с флеш-памятью стали USB флеш-накопители (англ. USB flashdrive). В большинстве своём они используют NAND-тип флеш-памяти и подключаются к компьютеру по интерфейсу USB mass storage device (USB MSC). Этот интерфейс поддерживается всеми современными операционными системами.

Благодаря таким преимуществам как большая скорость, объём и небольшие размеры, USB флеш-накопители полностью вытеснили дискеты с массового рынка. Например, компания Dell с 2003 года перестала устанавливать на свои компьютеры дисковод для 3,5 дюймовых дискет.

На сегодняшний день ассортимент USB флеш-накопителей чрезвычайно широк. Устройства бывают самых разных форм и цветов. Выпускаются флешки с дополнительными функциями, например, с автоматическим шифрованием записываемых данных.

Разработаны дистрибутивы GNU/Linux и версии некоторых программ, которые могут запускаться и работать прямо с USB носителей. Это удобно людям, которым часто приходится работать на разных компьютерах, но в то же время продолжать пользоваться своими приложениями.

В Windows Vista реализована технология Ready Boost, с помощью которой для увеличения быстродействия системы можно использовать USB флеш-накопитель или же специальную встроенную в компьютер флеш-память.

Такие карты памяти как Secure Digital (SD) и Memory Stick, активно применяющиеся в портативной технике (фотоаппаратах, мобильные телефонах и т.д) так же основаны на флеш-памяти. Вообще, на рынке переносных носителей данных, флеш-память занимает большую часть.

Тип флеш-памяти NOR в основном применяется в BIOS и ROM-памяти таких устройств, как DSL-модемы, маршрутизаторы и т. д. Использование флеш-памяти позволило производителям выпускать новые версии управляющих программ для таких устройств, потому как обновлять прошивку стало очень просто. А такие параметры, как скорость записи и объём для подобных устройств не так важны.

Производители продолжают искать возможность замены жёстких дисков на флеш-память. Такая замена позволит уменьшить время включения компьютера, а отсутствие механических деталей должно увеличить срок службы. Однако пока о реальной замене жестких дисков на флеш-память говорить рано, так как сказываются высокая цена и меньший, чем у жёстких дисков, срок службы из-за ограниченного количества циклов перезаписи.

Типы карт памяти

В современных портативных устройствах используется несколько типов карт памяти:

• CF (Compact Flash). Эти карты являются старейшим стандартом флеш-памяти. Первую CF карту произвела корпорация SanDisk в 1994 году. Сегодня данных формат памяти получил очень большое распространение. Чаще всего он применяется в качестве носителя данных в профессиональном фото и видео оборудовании. А в более компактных устройствах, таких как мобильные телефоны или MP3-плееры, его не применяют, в первую очередь, из-за размеров (43×36×3,3 мм). Ни одни другой тип карт памяти не может сравниться с CF по скорости, объему и надежности. В 2008 году была выпущена карта CF объёмом 100 ГБ и скоростью передачи данных до 66 МБ/с.
• MMC (MultimediaCard). Карты MMC имеют небольшой размер: 24×32×1,4 мм. Этот тип карт памяти был разработан компаниями SanDisk и Siemens. MMC включает в себя контроллер памяти и имеет высокую совместимость с самыми разными устройствами. В большинстве случаев работу с картами MMC можно проводить с использованием слота SD.
• RS-MMC (Reduced Size Multimedia Card). Эта карта памяти отличается от своей предшественницы в первую очередь размером. Она вдвое короче: 24×18×1,4 мм, а вес — около 6 г. Все остальные характеристики ничем не отличаются от обычной MMC. Чтобы обеспечить совместимость со стандартом MMC, этой карте требуется адаптер.
• DV-RS-MMC (Dual Voltage Reduced Size Multimedia Card). Ещё одна модификация карты MMC. В этот раз с двойным питанием (1,8 и 3,3 В). Карта отличаются пониженным энергопотреблением, что важно при использовании в портативных устройствах, например, в мобильных телефонах. Размеры этой карты не отличаются от размеров RS-MMC и составляют 24×18×1,4 мм.
• MMCmicro. Это миниатюрная модификация MMC, которая используется в мобильных устройствах. Её размеры составляют 14×12×1,1 мм. Чтобы обеспечить со стандартным слотом MMC, нужно использовать переходник.
• SD Card (Secure Digital Card). Этот тип карт памяти поддерживается фирмами SanDisk, Panasonic и Toshiba и является развитием стандарта MMC. По своим размерам и характеристикам карты SD очень похожи на MMC, только немного толще (32×24×2,1 мм). Основным отличием является технология защиты: в карте имеется криптозащита от несанкционированного копирования, повышена защита информации от случайного удаления или разрушения, а так же присутствует механический переключатель защиты от записи. Несмотря на то, что этот стандарт фактически является наследником MMC, карты SD невозможно использовать в MMC-устройствах.
• SDHC (SD High Capacity или SD высокой ёмкости). Карты памяти SD (SD 1.0, SD 1.1) и их прямое продолжение SDHC (SD 2.0), а так же устройства для их чтения, отличаются ограничениями на максимальную ёмкость носителя. Для SD оно составляет 4 ГБ, для SDHC — 32 ГБ. Устройства чтения SDHC имеют обратную совместимость с SD. Это значит, что SD-карту возможно прочитать в устройстве чтения SDHC, а вот в устройстве чтения SD, карту SDHC прочитать невозможно. Оба типа карт существуют в любом из трёх стандартных на сегодня физических размеров: стандартный, mini и micro.
• miniSD (Mini Secure Digital Card). От стандартных SD-карт этот стандарт отличается только меньшими размерами 21,5×20×1,4 мм. Для использования карт miniSD в устройствах с обычным SD-слотом, приходится использовать адаптер.
• microSD (Micro Secure Digital Card). Данные карты памяти имеют один из самых маленький размеров среди всех съёмных устройства флеш-памяти (11×15×1 мм). Используются они, в первую очередь, в портативных устройствах: мобильных телефонах, коммуникаторах, и т. п. С их помощью можно существенно расширить память устройства, что никак не скажется на его размерах. Для переключателя защиты от записи на самой карте места не нашлось, и его разместили на адаптере microSD-SD.
• Memory Stick Duo. Этот стандарт карт памяти разработан и поддерживается компанией Sony. Корпус его достаточно прочный. На сегодняшний день — это самая дорогая карта памяти из всех представленных. Memory Stick Duo был разработан на основе широко распространённого стандарта Memory Stick от той же Sony и отличается небольшими размерами (20×31×1,6 мм).
• Memory Stick Micro (M2). М2 — это основной конкурент формата microSD на рынке карт памяти малого размера. При своих размерах он сохраняет все преимущества карт памяти Sony.
• xD-Picture Card. Эти карты памяти используются в цифровых фотоаппаратах фирм Olympus, Fujifilm и некоторых других.

Полезные ссылки

• Если вам необходимо восстановить данные с флешки или карты памяти, то рекомендуем вам ознакомиться с информацией на странице Восстановление данных с Flash накопителя.
• Если вы не нашли нужную для вас информацию, вернитесь на главную страницу или воспользуйтесь картой сайта для поиска необходимой статьи.