6.3. Основные архитектуры flash-ssd

Наиболее известны и распространены две архитектуры flash-памяти: NOR и NAND.

Архитектура NOR (рис. 6.9) сходна по структуре со схемой ИЛИ-НЕ (NOR по-русски обозначает ИЛИ-НЕ), поскольку такая архитектура обеспечивает доступ к каждому байту информации, хранящемуся в памяти (потому и ИЛИ), а логическая «единица» здесь соответствует «низкому» уровню (вопреки общепринятому «высокому») на выходе элемента памяти (потому и НЕ). Но отсюда вытекает и основной недостаток архитектуры NOR: к каждому управляющему затвору необходимо подвести отдельный проводник, поэтому размеры кристалла увеличиваются.

Кроме того, к недостаткам можно отнести относительно медленную запись и стирание.

Достоинствами архитектуры NOR являются: быстрый произвольный доступ как при записи, так и при чтении; параллельный интерфейс; возможность побайтной записи.

Исходя из имеющегося сочетания достоинств и недостатков, можно заключить, что память с архитектурой NOR выгоднее всего использовать там, где важна скорость считывания, а не записи. Например, для хранения программного обеспечения в компьютерах (PC BIOS), мобильных телефонах, цифровых фотоаппаратах, медиаплейерах и пр.

Архитектура NAND (рис. 6.10) сходна по структуре со схемой И‑НЕ (NAND в русской терминологии соответствует И-НЕ). Здесь доступ возможен не к отдельному байту, а только к некоторому массиву данных - поэтому «И». Логической «единице» в этом случае также соответствует «низкий» уровень - поэтому «НЕ». Управление группами ячеек с помощью одного проводника обеспечивает некоторую экономию места на кристалле, поэтому кристалл можно сделать меньше (или на том же кристалле разместить больше ячеек). Кроме того, запись и стирание NAND-ячеек занимают меньше времени в сравнении с NOR-ячейками. Используется последовательный интерфейс.

Преимущество архитектуры NAND в сравнении с NOR - относительно быстрая запись и стирание.

Недостатками являются достаточно большое время произвольного доступа и невозможность побайтной записи [115].

Представляет собой наиболее подходящий тип памяти для приложений, ориентированных на блочный обмен: МР3 плееров, цифровых фотокамер и в качестве замены жесткого диска.

Архитектуры NAND и NOR существуют независимо друг от друга и не конкурируют, поскольку области применения у них разные.

6.4. Преимущества и недостатки ssd-накопителей в сравнении с жесткими дисками

6.4.1. Преимущества

Самым главным преимуществом SSD-накопителей в сравнении не только с HDD, но и со всеми прочими накопителями, использующими перемещающиеся носители (диски и ленты), является отсутствие у них движущихся частей. Следствиями этого обстоятельства являются полное отсутствие шума во время работы, высокая стойкость к механическим ударам и тряске, малые размеры и вес, низкая потребляемая мощность, а также широкий диапазон рабочих температур.

Важным преимуществом SSD перед прочими накопителями является практически мгновенный (микросекунды) доступ к любому записанному файлу вне зависимости от его расположения в массиве данных и фрагментации, поскольку для этого не нужно тратить время на разгон носителя и позиционирование считывающей головки. Если SSD-накопитель используется в компьютере вместо жесткого диска, то время загрузки системы при включении составляет всего около 1 с.

Неоднозначен вопрос скорости считывания данных и их записи. Производители SSD-накопителей, предназначенных для использования в компьютерных системах вместо жесткого диска, указывают скорость считывания до 285 Мб/с, а скорость записи - до 275 Мб/с, что говорит о явном преимуществе SSD в сравнении с HDD. Однако здесь все не так просто, особенно в отношении записи. Во-первых, в отличие от оптических и магнитных носителей, где запись новой информации осуществляется без стирания старой, SSD-накопители требуют, как минимум, двух операций: вначале нужно стереть старую информацию, т.е. удалить избыточные электроны с плавающих затворов транзисторов ячеек памяти, и только после этого записать новую информацию. Во-вторых, каждая из операций - стирание и запись - является довольно продолжительной. В случае изменения информации добавляется еще и операция предварительного считывания: прежде чем что-то менять, информацию нужно считать в буфер, потом в буфере изменить требуемое, потом стереть старую информацию и только потом записать все заново. Но последнее относится, в основном, к SSD-накопителям с архитектурой NAND, где запись производится только блоками (4 кб), а стирание - страницами (512 кб).

Реальная скорость считывания данных из одной микросхемы flash-памяти составляет всего 20-25 Мб/с, в то время как многие массовые модели винчестеров шагнули уже за 100 Мб/с. Со скоростью записи дела обстоят еще хуже: для микросхем с одноуровневыми ячейками (SLC) она составляет 15-20 Мб/с, для микросхем с многоуровневыми ячейками (MLC) - всего 5-10 Мб/с.

Выход из ситуации состоит в том, что для увеличения скоростных характеристик SSD-накопителей используют распараллеливание операций чтения, стирания и записи. И действительно, для получения достаточно большой информационной емкости накопителя в любом случае приходится использовать не одну микросхему памяти, а несколько. Кроме того, в корпусе накопителя всегда есть контроллер, который управляет процессами записи и считывания данных и выполняет операции по их кодированию/декодированию с целью защиты от возможных ошибок. Поэтому, обеспечив его функцией распределения входного потока данных по N параллельным каналам записи в N разных микросхем, можно в N раз увеличить как скорость записи, так и скорость считывания.

Структурная схема SSD-накопителя показана на рис. 6.11. Для обеспечения всех выполняемых задач контроллер в своем составе должен иметь буферную память с произвольным доступом (RAM) объемом в несколько мегабайт. Кроме того, в структуре SSD-накопителя обязательно присутствует кодек интерфейса (SATA, USB и пр.).

Следует заметить, что такую архитектуру могут иметь не только SSD-накопители большой емкости, предназначенные для работы в составе компьютеров, но и обычные flash-карты, USB-flash-накопители («флэшки») и другие flash-устройства, поскольку две микросхемы половинной емкости стоят примерно столько же, сколько одна целая, зато производительность изделия можно увеличить почти вдвое.