5.4. Флэш – память

Флэш-память - особый вид энергонезависимой, перезаписываемой полупроводниковой памяти. Эта память является энергонезависимой, т.к. не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи), перезаписываемой, то есть допускающей изменение (перезапись) хранимых в ней данных и полупроводниковой (твердотельной), то есть не содержащей механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов. Типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.

Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш - память хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM, но в отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают.

Не смотря на такие отличительные способности Flash-памяти, замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков).

Отметим основные преимущества Flash-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM. Flash-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других механических носителях информации, большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей. Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в таких портативных устройствах, как: цифровые фото- и видео камеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны, и т.п.

Изобретателем флэш-памяти считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш.

Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства

Архитектура NOR

Поскольку память с такой организацией считается первой представительницей семейства Flash, с неё и начнем. Логический элемент, давший название (NOR - Not OR), в булевой математике обозначает отрицание «ИЛИ».

С помощью неё осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток».

При программировании между ними, вследствие 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 нём 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 путём 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 чтению данных из ячейки. Важно отметить, 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, и снизить себестоимость.

Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память Strata Flash, каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-и битными ячейками. В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит.

Из недостатков у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путём уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

Архитектура NAND

NAND - Not AND – этот логический элемент в булевой математике обозначает отрицание «И». Отличается такая память от предыдущей разве что логической схемой.

Устройство и принцип работы ячеек у неё такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие - архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. В случае с памятью такая организация несколько лучше, т.к. площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют ещё и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных.

NAND - флэш применяется в качестве хранителя больших объёмов информации и для её переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти.

NOR - флэша, то есть чипы с такой организацией, используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров и т.п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе).

Удачный пример такого использования – это проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надёжности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объём NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

Безусловно, флэш - память - это перспективная технология. Они давно уже перешли из разряда экзотических устройств в разряд дешёвых компьютерных аксессуаров. Скорость чтения/записи флэш - памяти постепенно, но уверенно возрастает, а их ёмкость увеличивается просто гигантскими темпами.

Если ещё три года назад главной характеристикой флэш - памяти был её объём, который тогда не превышал 512 Мбайт, то сегодня, когда максимальный объём флэш - памяти достиг отметки в 16 Гбайт, немаловажной характеристикой стала скорость чтения/записи.

Наиболее важными характеристиками флэш-памяти являются ёмкость и производительность. Немаловажен также и дизайн. В этой области производители флэш - памяти пошли двумя путями.

Первое направление - это арт-дизайн, когда флэш - память выполняются в виде украшений. Существуют специальные серии флэш-памяти типа «украшения» для женщин и для мужчин. Конечно, в такой флэш - памяти ёмкость и производительность являются уже вторичными параметрами.

Точно так же, как дорогие швейцарские часы нужны отнюдь не для того, чтобы определять по ним время, флэш-память используются отнюдь не в качестве носителя информации. Они предназначены для людей, помешанных на компьютерах, которые хотят, чтобы каждая мелочь их гардероба была так или иначе связана с компьютером. Собственно, это уже абсолютно новая категория товаров, которую можно было бы охарактеризовать как гламурный хай-тек.

Другое направление в дизайне USB флэш-накопителей - это создание защищённых, устойчивых к экстремальным условиям эксплуатации флэш - памяти. Такая флэш-память выпускаются в особо прочных корпусах из металла или резины и не боятся, что их уронят в воду или с большой высоты, случайно наступят на них и т.п.

Рассмотрим в качестве примеров некоторые типы флэш-памяти.

A-Data PD17 1GB

Флэш - память A-Data PD17 ёмкостью 1 Гбайт относится к серии Nobility. Эта флэш - память ближе к категории украшения. Она миниатюрна и весит всего 5 г. Выполнена эта модель в пластиковом корпусе, а контактная USB-площадка словно язык выдвигается из ее корпуса. Дизайн корпуса флэш - памяти предполагает, что она будет использоваться в качестве брелока для ключей. Отметим, что в ней нет светодиодного индикатора, по которому можно судить об инициализации флэш - память и процессе чтения/записи данных.

 A-Data RB19 2GB

Флэш - память A-Data RB19 ёмкостью 2 Гбайт относится к серии Sport и позиционируется как водозащитная и ударостойкая. Её корпус и колпачок, закрывающий USB-разъём, выполнены из резины толщиной 3,5 мм. Вес флэш - памяти составляет 19 г. На корпусе флэш-памяти есть светодиодный индикатор, мигающий в процессе её работы.

 Corsair Flash Voyager GT 4GB

Флэш - память Corsair Flash Voyager GT ёмкостью 4 Гбайт относится к категории защищённой флэш-памяти. Её корпус выполнен из резины толщиной 2,5 мм (чуть меньше, чем у A-Data RB19). На сайте производителя (www.corsair.com) можно прочитать, что эта флэш - память не боится воды и сохраняет работоспособность, даже если её прокипятить. Кроме того, её можно замораживать, бросать на пол и т.п.

 Corsair Survivor GT 8GB

Флэш - память Corsair Survivor GT ёмкостью 8 Гбайт – очень необычный продукт. Действительно это флэш - память для экстремальных условий эксплуатации! Её корпус выполнен в форме тубуса из авиационного алюминиевого сплава. Колпачок, защищающий USB-разъём, навинчивается по резьбе на этот тубус. Из технической документации можно узнать, что данная модель является не просто водозащитной, но и выдерживает погружение на глубину до 200 м.

 Imation Clip Flash Drive 1GB

Флэш - память Imation Clip Flash Drive ёмкостью 1 Гбайт представляет собой миниатюрную «флэшку» в пластиковом корпусе. Её особенность состоит в том, что вместо применения традиционного колпачка, закрывающего USB-разъём, флэш - память вставляется в массивный резиновый чехол. Именно этот чехол предотвращает попадание жидкости внутрь флэш - памяти, а также делает её ударостойкой. Однако если вынуть флэш - память из чехла, то она окажется очень даже уязвимой. К флэш - памяти Imation Clip Flash Drive прилагается карабин, что позволяет прицепить её на пояс или к сумке.

 Kingmax Super Stick 256 МВ

Флэш - память Kingmax Super Stick ёмкостью 256 Мбайт вполне можно отнести к категории украшения. Её особенность в миниатюрности. Она выполнена в виде прямоугольной полоски размером 34x12 мм и толщиной всего 2 мм. Вместо традиционного USB-разъёма имеется лишь контактная площадка. Флэш - память Kingmax Super Stick абсолютно герметична,  попадание жидкости внутрь исключено. В то же время следует иметь в виду, что контактная площадка ничем не защищена. Эта флэш - память практически ничего не весит, что является наилучшей гарантией её ударостойкости.

 Kingston DataTraveler 1GB

Данная флэш - память ёмкостью 1 Гбайт выглядит весьма внушительно, представляя собой этакий мужской вариант «флэшки». Её корпус выполнен из титана. Она позиционируется как водостойкая, так что с защитой у неё все в порядке. В комплекте с ней поставляется ПО, позволяющее производить шифрование данных по алгоритму AES с длиной ключа 256 бит.

 OCZ Rally2 2GB

Флэш - память OCZ Rally2 ёмкостью 2 Гбайт выполнена в стильном алюминиевом корпусе чёрного цвета. Её дизайн традиционен, то есть OCZ Rally2 имеет классическую форму прямоугольного параллелепипеда с колпачком, закрывающим USB-разъём.

 PNY micro Attache 1GB

Флэш - память PNY micro Attache ёмкостью 1 Гбайт - это ещё одна флэш-память категории украшения. По своей форме и размерам она практически не отличается от флэш - памяти Kingmax Super Stick, лишь короче её по длине на 3 мм.

 Pretec i-Disk Bulletproof 512MB

Флэш - память Pretec i-Disk Bulletproof ёмкостью 512 Мбайт имеет очень интересный дизайн. Она выполнена в форме кистеня (гиря на цепочке). Её корпус сделан из стали, а колпачок, закрывающий USB-разъём, навинчивается по резьбе на корпус. Флэш - память довольно увесистая, что ещё больше убеждает в её хорошей защищённости.

 Super Talent DG 1GB

Флэш - память Super Talent DG ёмкостью 1 Гбайт имеет классическую форму прямоугольного параллелепипеда размером 67,8x17,2x7,7 мм. Её корпус и колпачок, закрывающий USB-разъём, выполнены из пластика.

 Super Talent DH 1GB

Флэш - память Super Talent DH ёмкостью 1 Гбайт практически ничем не отличается от Super Talent DG, только при детальном рассмотрении можно заметить, что её корпус выполнен не из пластика, а из алюминия. Однако колпачок, закрывающий USB-разъём, изготовлен из пластика.

 Digilife leather 1GB

Флэш - память Digilife leather ёмкостью 1 Гбайт. Это стильная флэш-память для мужчин. Её корпус представляет собой металлический каркас с кожаными вставками, что смотрится весьма эффектно.

Самая последняя разработка компания pureSilicon – это первый в мире 2,5-дюймовый твердотельный диск на основе флеш- памяти, вмещающих до одного терабайта информации.

Накопители новой серии получили название Nitro SSD. Плотность хранения данных у представленных дисков составляет 15,4 Гб на кубический сантиметр, что, как отмечается, втрое выше аналогичного показателя для любого другого диска SSD.

Заявленная скорость чтения информации составляет 240 Мб/с, скорость записи - 215 Мб/с. Энергопотребление в активном режиме равно 4,8 Вт, в режиме простоя - 0,1 Вт. Соединение с компьютером осуществляется посредством интерфейса Serial ATA II; среднее время наработки на отказ достигает двух миллионов часов. Размеры накопителей Nitro SSD составляют 100,2x69,9x9,5 мм.