38. Устройства флэш-памяти

Флэш-диски (Flash Disks) — весьма популярный и очень перспективный класс энергонезависимых запоминающих устройств. Флэш-диски (твердотельные диски) представляют собой устройства для долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи. Стирание и запись данных осуществляется так же, как у HDD — блоками (иногда называемыми по аналогии с магнитными дисками секторами, но более правильно было бы их именовать кластерами). У флэш-дисков отсутствуют какие либо подвижные части, да и форма у них совсем не круглая — чаще всего они представляют собой прямоугольные карты. Для хранения информации в них используются микросхемы памяти с металлизацией (металл-нитридные), выполненные по технологии Flash, изобретенной в начале 80-х годов в фирме Intel. Дисками их называют условно, поскольку флэш-диски полностью эмулируют функциональные возможности HDD. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, затем байты данных передаются в последовательном порядке с использованием стробирующего сигнала. Стирание содержимого всего блока выполняется одномоментно отдельным сигналом (отсюда, вероятно, и название памяти flash — вспышка); тотальное стирание было специально организовано разработчиками, поскольку первоначально флэш-память применялась в военных приборах, и при обнаружении попыток несанкционированного доступа к ним необходимо было сразу уничтожать все данные — система автоматически генерировала внутренний сигнал стирания).

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

Флэш-память может создаваться на базе логических схем NAND (НЕ-И, штрих Шеффера) и NOR (НЕ-ИЛИ, стрелка Пирса). Флэш-память на базе логических схем NOR позволяет организовать произвольный доступ к данным, и на ее основе могут создаваться оперативные запоминающие устройства. В последнее время выпускаются микросхемы флэш-памяти, в которых одна ячейка хранит два или более бит, MLC (multilevel cel)l - многоуровневые ячейки. В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памяти, ячейка способна различать более двух величин зарядов, помещённых на "плавающий" затвор. Преимущества MLC микросхем более низкая удельная стоимость хранения, большая емкость, но при этом снижается надёжность хранения, необходимо встраивание более сложных механизмов коррекции ошибок, более низкое быстродействие микросхемы. После появления MLC, однобайтные ячейки классифицируются как одноуровневые ячейки - Single Level Cell (SLC). Емкость флэш-дисков на основе MLC и е логических схем NAND достигает нескольких сотен гигабайтов при крайне миниатюрных их размерах.

Флэш-диски обладают высочайшей надежностью — среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures — MTBF) у них составляет, как правило, более миллиона часов; они устойчивы к механическим ускорениям и вибрациям, работают в широком диапазоне температур (от –40 до +85о С). Во время выполнения операций чтения-записи флэш-диски обычно потребляют не более 200 мВт электроэнергии и, естественно, не шумят. Флэш-диски в настоящее время выпускаются многими фирмами, с различными интерфейсами и в разных конструктивных исполнениях. Они могут быть не только внешними дисками ПК, но и устанавливаться внутри системного блока. Флэш-карты, выполненные в виде печатных плат, могут позиционироваться для непосредственной установки в разъемы системной платы компьютера. Они способны работать с системными и локальными интерфейсами ПК (USB, PCI и др.). Значительно чаще флэш-память используется в качестве альтернативных HDD твердотельных дисков. В этом случае востребованы периферийные интерфейсы ATA (IDE), Serial ATA, USB, IEEE 1394 и др. Широкое применение флэш-диски нашли в цифровых фото- и видеокамерах. Флэш-память (в том числе и флэш-диски) создается на основе флэш-карт. Конструктивных вариантов исполнения.Форматов флэш-карт существует довольно много.

Твердотельные накопители на базе флэш-памяти

Твердотельные накопители на базе флэш-памяти или SSD-диски (Solid State Drive) могут в будущем вытеснить традиционные жесткие диски. В 2006 году уже анонсированы SSD емкостью более 100 Гб, в 2007 г. компания STEC (ранее известная как SimpleTech) выпустила SSD емкости 256 и 512 Гб (в 2007 году НЖМД преодолели барьер в 1 терабайт ).

SSD-накопители серии отличаются малым временем отклика и высокой надежностью. Время доступа к данным для жестких дисков измеряется миллисекундами, то флэш-память дает возможность снизить этот показатель до микросекунд. В операциях с произвольным доступом к данным производительность SSD по сравнению с HDD (15000 rpm) вырастает в 200 раз.Разновидность использование SSD – создание гибридных дисков, совмещающих флэш-память и НЖМД в стандартном корпусе. Технологии Microsoft уже рассчитаны на такие накопители: размещение загружаемой части операционной системы во флэш-разделе позволит быстрее запускать Windows.

В будущем флэш-память скорее всего станет основной технологией долговременного хранения, а SSD вытеснят НЖМД из сектора мобильных цифровых устройств. На выставке Computex 2007 года практически все ведущие изготовители флэш-памяти представили SSD, а производители портативных компьютеров (Dell, Samsung, Fujitsu, Sony) представили модели с SSD-накопителями.

В 2005 году предложена новая технология организации систем энергонезависимой электрически программируемой памяти, обладающей более перспективными возможностями, нежели технологии, используемые во флэш-памяти с плавающим затвором. Речь идет о памяти на нанокластерах в диэлектрике ZrO2 с высокой диэлектрической проницаемостью Е = 25. Замена двуокиси кремния SiO2, имеющего E = 3,9, используемой во флэш-памяти с плавающим затвором на двуокись циркония увеличивает время хранения до 10 лет (при использовании SiO2 без плавающего затвора обеспечивается хранение информации примерно в течение 10 секунд). Недостатком флэш-памяти с плавающим затвором является невозможность ее дальнейшего масштабирования от Гига до Терабитной емкости. По прогнозам специалистов при разработке терабитных (1012 бит на элемент) схем памяти элементы памяти с плавающим затвором будут вытеснены памятью на нанокластерах [23] (размер нанокластера позиционирутся в пределах 0,01 — 0,1 мкм). Для памяти на нанокластерах прогнозируются и другие лучшие чем у элементов с плавающим затвором характеристики: большее быстродействие и меньшие амплитуды импульсов записи/стирания информации.

39. Иерархия памяти — термин, используемый в вычислительной технике при проектировании и программировании ЭВМ (компьютеров). Означает, что различные виды памяти образуют иерархию, на различных уровнях которой расположены памяти с отличающимися временем доступа, сложностью, стоимостью и объемом. Возможность построения иерархии памяти вызвана тем, что большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещен в более быструю, но дорогую и поэтому небольшую, память (см. en:locality of reference). Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса. Под памятью в данном случае подразумевается устройство хранения данных (запоминающее устройство) в Вычислительной технике или компьютерная память.

При проектировании высокопроизводительных компьютеров и систем необходимо решить множество компромиссов, например, размеры и технологии для каждого уровня иерархии. Можно рассматривать набор различных памятей (m1,m2,…,mn), находящихся в иерархии, то есть каждый mi уровень является как бы подчиненным для mi-1 уровня иерархии. Для уменьшения времени ожидания на более высоких уровнях, низшие уровни могут подготавливать данные укрупненными частями с буферизацией и, по наполнению буфера, сигнализировать верхнему уровню о возможности получения данных.

Часто выделяют 4 основных (укрупненных) уровня иерархии:[1]

Внутренняя память процессора (регистры, организованные в регистровый файл и кэш процессора).

ОЗУ системы (RAM) и вспомогательных карт памяти.

Накопители с «горячим» доступом (On-line mass storage) — или вторичная компьютерная память. Жесткие диски и твердотельные накопители, не требующие длительных (секунды и больше) действий для начала получения данных

Накопители, требующие переключения носителей (Off-line bulk storage) — или третичная память. Сюда относятся магнитные ленты, ленточные и дисковые библиотеки, требующие длительной перемотки либо механического (или ручного) переключения носителей информации.

[править]Иерархия памяти в современных ПК

В большинстве современных ПК рассматривается следующая иерархия памяти:

Регистры процессора, организованные в регистровый файл — наиболее быстрый доступ (порядка 1 такта), но размером лишь в несколько сотен или, редко, тысяч байт.

Кэш процессора 1го уровня (L1) — время доступа порядка нескольких тактов, размером в десятки килобайт

Кэш процессора 2го уровня (L2) — большее время доступа (от 2 до 10 раз медленнее L1), около полумегабайта или более

Кэш процессора 3го уровня (L3) — время доступа около сотни тактов, размером в несколько мегабайт (в массовых процессорах используется с недавнего времени)

ОЗУ системы — время доступа от сотен до, возможно, тысячи тактов, но огромные размеры в несколько гигабайт, вплоть до десятков. Время доступа к ОЗУ может варьироваться для разных его частей в случае комплексов класса NUMA (с неоднородным доступом в память)

Дисковое хранилище — многие миллионы тактов, если данные не были закэшированны или забуферизованны заранее, размеры до нескольких терабайт

Третичная память — задержки до нескольких секунд или минут, но практически неограниченные объемы (ленточные библиотеки).

Большинство программистов обычно предполагает, что память делится на два уровня, оперативную память и дисковые накопители, хотя в ассемблерных языках и ассемблерно-совместимых (типа C) существует возможность непосредственной работы с регистрами. Получение преимуществ от иерархии памяти требует совместных действий от программиста, аппаратуры и компиляторов (а также базовая поддержка в операционной системе):

Программисты отвечают за организацию передачи данных между дисками и памятью (ОЗУ), используя для этого файловый ввод-вывод; Современные ОС также реализуют это как подкачку страниц.

Аппаратное обеспечение отвечает за организацию передачи данных между памятью и кэшами.

Оптимизирующие компиляторы отвечают за генерацию кода, при исполнении которого аппаратура эффективно использует регистры и кэш процессора.

Многие программисты не учитывают многоуровневость памяти при программировании. Этот подход работает пока приложение не столкнется с падением производительности из-за нехватки производительности подсистемы памяти (memory wall). При исправлении кода (Рефакторинг) необходимо учесть наличие и особенность работы верхних уровней иерархии памяти для достижения наивысшей производительности.