Тенденции развития стандартов флэш-памяти

Рассмотрим тенденции, которые определяют сегодняшнее состояние стандартов карт памяти и связанных с ними мобильных устройств.

Карты памяти появились, как модули расширения для мобильных компьютеров. Фактически, они были компьютерной «деталью» с облегчённой процедурой замены. Впоследствии, карты памяти оказались востребованы в других нишах, где фигурировали уже в качестве самостоятельных классов мобильных устройств.

В настоящее время мобильная электроника вышла на новый уровень – уровень интеграции мобильных устройств и повсеместного внедрения сетевых технологий. При этом, функция модулей расширения приобрела новое качество. Интеграцию различных видов устройств инициализировали сотовые телефоны.

Раньше, собираясь пойти куда-либо, человек задумывался, взять ли ему с собой то или иное устройство, например, плеер или камеру или калькулятор, но появился класс устройств, которые берут с собой всегда – это сотовые телефоны. Сложилась ситуация, при которой множество людей ежедневно носят с собой (в виде мобильного телефона): портативный аккумулятор, жидкокристаллический дисплей, клавиатурный блок и вполне пригодный для большинства мобильных устройств корпус (Рис. 27).

Рис. 27. Слот для карт памяти внутри телефона Nokia 7610.

Если «научить» эти универсальные комплекты не только звонить, но и реализовывать другие функции, по сути, будет реализован карманный мультимедийный сетевой компьютер. Что и реализовано в настоящее время.

Сотовый телефон, как таковой, практически не нуждается в памяти, а необходимый минимум ему обеспечивает флэш, встроенный в сам телефон или на SIM-карту (Рис. 28). Обычный телефон расходует память в основном на такие задачи, как хранение адресной книги и списка звонков/сообщений. В свою очередь SIM-карта задумана как устройство для электронной идентификации, а чип памяти в её составе – это ещё один пример интеграции. В любом случае, речь идёт о совсем незначительных объёмах памяти, при которых нет нужды в отдельных флэш - картах.

Расширение функциональности сотовых телефонов позитивно сказалось на распространении карт памяти. Встроенным в телефон устройствам нужно хранить музыку, фотографии, программы и тому подобные вещи, так что памяти требуется намного больше.

Рис. 28. SIM-карты.

В сотовых телефонах распространённым сочетанием, стал небольшой объём встроенной флэш-памяти с возможностью расширения при помощи флэш-карт (Рис 29).

Рис. 29. Слот MMC в телефоне Nokia 6680.

По сути это вариант, при котором внутренняя память телефона расширялась флэш - картой достаточного пользователю объёма, и вся система использовалась как единое целое. Возникает аналогия с процессорным кэш и модулями оперативной памяти в обычном компьютере.

Современные форм-факторы флэш-карт столь малы, что их легко разместить, даже в самом портативном телефоне (Рис. 30).

Рис. 30. Карты microSD (новое название для TransFlash) – самый «мелкий» из существующих форм-факторов.

Альтернативой карт памяти являются сетевые технологии. Это еще один важный аспект влияния сотовых телефонов на процессы интеграции. Связь по глобальным сетям - основная задача этого класса устройств. Персональные беспроводные сети, также образовались именно вокруг сотовых телефонов. В настоящее время штатной функцией большинства мобильных телефонов является выход в интернет (включая электронную почту).

Однако зачастую использование карт памяти оказывается удобнее использования персональных сетей. Среднему пользователю, как правило, легче вынуть карту из одного устройства и вставить её в другое, чем настроить интерфейс той или иной персональной сети.

В то же время, любое устройство, имеющее слот для карт памяти и внешний интерфейс, можно рассматривать как кард-ридер, так как им можно читать флэш - карты. Конечно, их основные функции другие, но это означает лишь, что мы имеем кард-ридер со встроенным телефоном, камерой, плеером и тому подобными вещами.

При таком подходе имеет довольно большое значение стандартизация интерфейса для подключения подобных устройств. Де факто стандарт определен – это USB.

Поскольку мобильное устройство имеет встроенную или расширяемую флэш - картами память, и в нём поддерживается интерфейс USB, то логично ожидать, что оно в состоянии подключаться к компьютеру в качестве USB-FlashDrive и, таким образом, заменить карты памяти.

Во многих областях это действительно так. Например, для плееров и многих фото и видео камер.

Однако, следует иметь в виду, что для вытеснения карт памяти, соответствующее устройство должно иметь большой массив свободной памяти для записи произвольной информации, по сути ту же встроенную карту памяти.

С беспроводными интерфейсами ситуация также неоднозначна. Передача данных по беспроводным сетям в мобильных системах сопряжена с возможностью сбоев, помех, преград и в этом смысле менее надежна, чем передача «из рук в руки» карты памяти.

Таким образом, в обозримом будущем полный отказ от карт памяти не предвидится.

Ниже дана сводная таблица для основных типов карт.

Таблица 4. Основные характеристики флэш – карт.

Тип носителя	Max емкость	Скорость передачи Мб/сек	Размеры, мм	Плюсы данного носителя	Область применения
SD	4 Гб	до 22,5	32 x 24 x х 2,1	Технология защиты данных	Цифровые кассеты
Compact Flash I,II,III	12 Гб	до 16,6	43 x 36 x х 3,3	Рекордная емкость	Цифровая пленка
MMC	4 Гб	до 40	32 x 24 x х 1,4	Малая толщина	Цифровые кассеты
RS-MMC	1 Гб	до 2,5	24 х 18 х 1,4	Малые размеры	Цифровые кассеты
MMC mobile	512 Мб	до 8	24 х 18 х х 1,4	Малые размеры	SIM-карты
MicroSD (Trans Flash)	512 Мб	до 2	11 х 15 х х 1	Рекордно малые размеры	SIM-карты
Mini SD	1 Гб	до 2	21 х 20 х х 1,8	Малые размеры	SIM-карты
Memory Stick (PRO)	4 Гб	до 20	50 x 21,5 x 2,8	Технология защиты данных MagicGate	Цифровая пленка
Memory Stick Duo	1 Гб	до 20	31 х 20 х х 1,6	Небольшие размеры	Цифровая пленка
Smart Media	256 Мб	~ 3	45,1 х 37 х 0,76	Малая толщина, дешевые	Немеханические диски малого объема
xD Picture	1 Гб	~ 5	25 х 20 х 1,7	Планируется увеличение емкости до 8 Гб	Цифровые кассеты
USB-брелоки	64 Гб	до 48	Зависит от дизайна	Компактность, надежность, удобство пользования	Электронные дискеты, мобильные устройства

Твердотельные накопители

Перейдем к рассмотрению такого форм – фактора, как твердотельные накопители большой емкости на основе флэш-памяти. Твердотельный накопитель (англ. SSD, Solid State Drive, Solid State Disk) — энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей. По всей видимости, в ближайшие годы SSD накопители займут основную долю рынка накопителей, отвоевав её у механических накопителей.

История развития.

В 1978 компания Storage Tek разработала первый твердотельный накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти).

В 1995 компания M-Systems представила первый твердотельный накопитель на flash-памяти.

20.06.2008 Южнокорейской компании Mtron Storage Technology удалось создать SSD накопитель со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с, который она продемонстрировала на выставке в Сеуле. Объём данного накопителя — 128 ГБ. Впуск таких устройств начался в 2009 году.

В настоящее время наиболее заметные компании, которые интенсивно развивают SSD-направление являются Samsung Electronics, SanDisk, Intel, Toshiba.

Основные характеристики.

SSD накопители имеют гораздо более низкую стоимость, чем энергозависимые (3-10 долларов США за Гигабайт), что обусловливает успех на рынке.

В настоящее время, разработаны SSD модели существенно превосходящие по быстродействию механические накопители.

SSD характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.

Преимущества по сравнению с «механикой»:

• более высокая скорость запуска, «Power On – Ready» ~ 1 с;

• отсутствие движущихся частей;

• латентность (временная задержка, величина обратная быстродействию) в режиме чтения 85 мкс; записи 115 мкс;

• производительность, чтение до 250 МБ/с; запись до 170 МБ/с;

• низкая потребляемая мощность, малый размер и вес;

• полное отсутствие шума - нет движущихся частей;

• высокая механическая, магнитная и радиационная стойкость;

• широкий диапазон рабочих температур;

Недостатки твердотельных накопителей:

• более высокая, чем у «механики» цена за 1 гигабайт.

В качестве примера рассмотрим разработку мирового лидера схемотехники фирмы INTEL (Рис. 31).

Рис. 31. 1,8 дюймовая серия X18-M и 2,5 дюймовая серия X 25 - M.

Это твердотельные накопители с интерфейсом Serial ATA X18-M и X25-M. Они предназначены для массового использования в настольных и мобильных ПК, используют многоуровневые (Multi - Level Cell) микросхемы флэш-памяти NAND-типа, имеют емкости 80 Гб, 160 Гб соответственно.

Параметры этих твердотельных накопителей представлены в Таблице.

На Рис.32 представлена расшифровка маркировки накопителей Х18-М и Х25-М:

В накопителях используется распараллеленный 10-канальный интерфейс флэш-памяти NAND и технология NCQ - Native Command Queuing (естественная очередность команд).

Эта технология маршрутизации команд существенно увеличивает производительность и является неотъемлемой частью стандарта Serial ATA II. Рассмотрим суть технологии.

NCQ – это расширенный протокол команд Serial ATA, который позволяет нескольким различным приложениям обращаться с запросами ввода-вывода в одно и то же время. Накопители с поддержкой NCQ используют специальный буфер, внутри которого команды, стоящие в очереди, могут динамически перестраиваться в соответствии с текущей загрузкой. Имеется механизм, который позволяет сортировать команды, в то время как накопитель работает с данными другой команды.

При использовании механизма NCQ контроллер анализирует запросы и оптимизирует очередность их выполнения таким образом, чтобы увеличить скорость передачи данных и минимизировать время поиска без вмешательства процессора.

Также реализована технология выравнивания износа ячеек.

Это повышает надежность и продлевает срок службы.

На Рис. 33 показан внешний вид накопителя без защитного кожуха. На крышке приведены технические характеристики.

На Рис. 34 показан накопитель без крышки.

Рис. 33. SSD-накопитель Intel.

Рис. 34. 80 Гб SATA SSD-накопитель Intel без крышки.

В плату впаяно десять (пять с одной стороны платы, пять с противоположенной) одинаковых чипов производства Intel – это чипы 50-нм флэш-памяти NAND-типа, с тактовой рабочей частотой 166 МГц. Единственный чип производства Samsung – это чип DRAM, своеобразная "оперативная память" SSD-накопителя.

Отдельно следует отметить, что существуют и применяются (там, где нет жесткой экономии средств, либо из за важности решаемых задач, либо из за невозможности других технических решений) терабайтные хранилища данных, представляющие собой стойки в которых установлены твердотельные накопители с возможностью наращивания их числа, управляемые специальными серверами.

Перспективы развития технологий флэш – памяти.

Из всех ранее рассмотренных материалов следует, что флэш — перспективная технология. В то же время, несмотря на высокие темпы роста объемов производства устройств флэш - памяти, и их очевидных достоинствах, относительно высокие цены позволяют конкурировать с ними механическим устройствам. Тем не менее, можно утверждать, что фактор цены, лишь вопрос времени.

В связи с этим, рассмотрим некоторые тенденции развития флэш - памяти.

Интегрированные решения.

Одноплатные ЭВМ типа Gumstix (см. лекцию 3) лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме. На смену им идут системы «on-chip (single-chip)» представляющие собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM, специальным ПО.

Далее приведем такой пример (рис. 35). ЭВМ на одном кристалле Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности.

Рис. 35. Структура ЭВМ на одном кристалле.

На рисунке, в виде слоев показаны основные узлы ЭВМ. Основные обозначения:

• Intel X Scale processor – процессор.

• Intel Strata Flash Memory – флэш-память.

• Film Spacer – видеоадаптер.

• Substrate – подложка.

• Molding – основной массив (заливка) микросхемы.

• Die Attach Film – матрица подсоединения шины видеоданных.

• Die Attach –матрица подсоединения внешней шины.

Другие конфигурации класса «все-в-одном» представлены компаниями Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной микросхеме (в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM (System Dynamic Random Access Memory)).

Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении.

Например, чип от Samsung, объединяющий в себе ARM (Asynchronous Respons Mode – Режим асинхронного ответа) - процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с операционными системами: Windows CE, Linux и имеет поддержку USB. На его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.