Як працює флеш-пам’ять: технологія, що лежить в основі USB-накопичувачів
У наших кишенях зберігаються петабайти даних. Цифрові фотографії, MP3-файли, документи Word, PDF-файли. Список нескінченний. Однак, внутрішній жорсткий диск ноутбука може не підійти для зберігання цієї інформації. Вам, мабуть, потрібна зовнішня резервна копія. Можливо, вас турбує безпека. Переносні пристрої для зберігання даних на основі флеш-пам’яті — це відповідь.
Електронна пам’ять не є панацеєю. Вона існує у формах, призначених для конкретних завдань. Її можна зустріти в комп’ютерах, цифрових камерах, домашніх ігрових консолях і т. д. Вона працює швидше як жорсткий диск, ніж оперативна пам’ять (RAM). Це пристрій зберігання даних на основі твердотільних технологій. Це означає, що в ньому немає частин, що рухаються. Все працює на електронних засадах. Механічного обертання немає.
Ця технологія застосовується у:
- Чіпі BIOS комп’ютера
- CompactFlash (переважно використовується в цифрових камерах)
- SmartMedia (також для цифрових камер)
- Memory Stick (також працює у цифрових камерах)
- Картах пам’яті PCMCIA типу I та типу II (твердотільні диски у старих ноутбуках)
- Картах пам’яті для ігрових консолей
Ця технологія є чіп EEPROM. Це абревіатура від Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (Електрично стирається програмований постійний запам’ятовуючий пристрій). Вона залежить від сітки зі стовпців та рядків. У кожній точці перетину знаходиться осередок із двома транзисторами.
Ці два транзистори розділені тонким оксидним шаром. Один із них — плаваючий затвор. Другий – керівний затвор. Єдиний шлях від плаваючого затвора до рядка або лінії слова проходить через затвор, що управляє. Якщо шлях збережено, значення комірки дорівнює 1.
Зміна цього значення на нуль вимагає незвичайного процесу, що називається тунельним ефектом Фаулера-Нордгейма.
Флеш-пам’ять: тунелювання та стирання
Туннелювання змінює положення електронів у плаваючому затворі. Заряд, що використовується, зазвичай становить 10–13 вольт. Цей заряд надходить зі стовпця або лінії даних (bit line), потрапляє на плаваючий затвор, а потім стікає на землю.
Цей заряд змушує транзистор з плаваючим затвором поводитися як електронна гармата. Збуджені електрони відштовхуються через тонкий оксидний шар та захоплюються з іншого боку. Вони мають негативний заряд. Ці електрони з негативним зарядом діють як бар’єр між керуючим затвором та плаваючим затвором.
Спеціальний пристрій, званий датчиком комірки, контролює рівень заряду плаваючого затвора. Якщо потік заряду залишається вище порога в 50%, значення значення, що зчитується, дорівнює 1. Коли заряд падає нижче цього порога, значення змінюється на нуль. Усі затвори порожній EEPROM повністю відкриті. Кожен осередок спочатку має значення 1.
Коли прикладається електричне поле, електрони в осередку флеш-пам’яті можуть повернутися до нормального стану («1»). Для цього потрібно заряджання більш високою напругою. Флеш-пам’ять використовує внутрішнє стирання (in-situ erasure) для обробки цього діапазону. У деяких випадках стирається весь чіп, а в інших – заздалегідь певна частина, яка називається блоком. Це видаляє регіон, що цікавить. Потім його можна перезаписати.
Флеш-пам’ять працює набагато швидше, ніж традиційна EEPROM. Дані не видаляються по одному байти. Стирається блок або весь чіп, а потім перезаписується весь розділ.
Подумайте про автомобільне радіо. Ви можете запрограмувати налаштування станцій. Радіо запам’ятовує їх, коли ви вимикаєте двигун. Однак насправді там використовується флеш-пам’ять. Ця відмінність важлива. Флеш-ОЗУ (RAM) потребує живлення для збереження вмісту. Флеш-пам’ять не вимагає зовнішнього джерела живлення для зберігання даних. Навіть коли двигун вимкнено, автомобільне радіо споживає невелику кількість енергії для збереження даних. Ці установки будуть втрачені, якщо акумулятор автомобіля повністю розрядиться.
Тому розуміння різниці між енергозалежною оперативною пам’яттю (RAM) та енергонезалежною флеш-пам’яттю важливе для цілісності даних.
Пам’ять стала кращою!
-
Як працює комп’ютерна пам’ять
-
Як працює пам’ять
-
Як працює віртуальна пам’ять
-
Як працює ПЗП (ROM)
-
Як працює знімне сховище
-
Як працює BIOS
Докладніше
Знімна флеш-карта пам’яті
У флеш-пам’яті є явні фізичні переваги перед магнітними дисками, що обертаються. Вона працює безшумно. У ній немає частин, що рухаються, які можуть зношуватися або видавати звуки. Вона також значно зменшує затримку доступу. Фізичні розміри малі, а вага дуже мала. Вона не займає багато місця, навіть якщо покласти її в кишеню.
То чому б не використовувати флеш-пам’ять для всього?
Відповідь проста. Ціна за мегабайт. Жорсткі диски значно дешевше за обсяг сховища, що надається. За ті ж гроші їхня ємність набагато вища. Флеш-пам’ять пропонує швидкість та надійність. Жорсткі диски перемагають завдяки ефекту масштабу.
Ця економічна реальність визначила епоху портативних технологій. Візьмемо, наприклад, Solid State Floppy (SSFDC). Більшість людей просто називають його SmartMedia. Розроблено Toshiba. Він став стандартом для цифрових фотоапаратів та КПК наприкінці 1990-х та на початку 2000-х років.
Формат SmartMedia
Карти SmartMedia мають менші розміри. 2 МБ 4 МБ До 128 МБ. Це була межа.
Фізичні карти невеликі. Довжина близько 45 мм. Ширина: 37 мм. Товщина не більше 1 мм. На дотик нагадує товстий пластик. Вона легша за звичайну дискету.
Внутрішній пристрій дуже простий. Нема складних друкованих плат. Не потрібний складний драйвер. Є лише один чіп флеш-пам’яті. Плоскі електроди з’єднані з чіпом за допомогою дротяних перемичок. Все залито смолою.
Тут використовується технологія під назвою Overmolded Thin Package (OMTP). Смола може розпорошуватися навколо деталей та електродів. Вона твердне, утворюючи єдиний монолітний блок. Паяння не потрібно. Немає необхідності турбуватися про технологію поверхневого монтажу. Все, що потрібно, це чіп, дроти та пластик.
SmartMedia проста, тому її дешевше виробляти. Але це також означає, що вона тендітна. Якщо пластик тріскається, картка стає несправною.
Саме цей конструктивний вибір пояснює її зникнення. Якщо смола руйнується, з’єднання переривається. І полагодити це неможливо. Жорсткі диски мають функцію корекції помилок. SmartMedia – це просто чіпи та дроти.
Чому простота виявляється недостатньою
Відсутність контрольного чіпа є фатальним недоліком. Сучасні SSD та USB-накопичувачі оснащені драйверами. Вони керують вирівнюванням зносу. Вони обробляють биті блоки. За потреби шифрують ваші дані. SmartMedia цього не робить. Це просто набір сирої пам’яті, випущений ринку.
Саме тому карти SmartMedia ємністю 128 МБ сьогодні рідко використовуються. Вони застаріли. Цей формат було замінено на SD та CompactFlash. Ці формати мають контролери. Вони надійніші. У міру зниження вартості флеш-пам’яті необхідність окремих маленьких, тендітних картах відпала.
Внутрішнє сховище стало стандартом. Телефони поглинають об’єм пам’яті. У камерах використовуються великі карти. Місця для карти товщиною 1 мм більше не передбачено.
Флеш-пам’ять все ще використовується. Однак усередині пристрою. Це не знімна і тендітна пластина зі смоли. Ціна за мегабайт впала настільки, що найдешевший формат більше не потрібен. Потрібна надійність. SmartMedia просто не може її забезпечити.
Сама карта SmartMedia – це не просто пам’ять. Вона виготовлена шляхом приклеювання NAND-модуля до базової плати. Ви просто вставляєте контакти у пристрій, і він отримує від нього живлення та дані. Виріз у кутку точно вказує, яка напруга потрібна. Подивіться на карту контактами вгору. Якщо виріз знаходиться ліворуч, потрібно 5 вольт. Якщо справа – 3,3 вольта.
Як SmartMedia управляє блоками даних
Карти SmartMedia не стирають і не записують усі дані одразу. Вони працюють невеликими порціями. Йдеться про інкременти по 256 або 512 байт. Такий підхід забезпечує швидку та надійну продуктивність. Ви можете контролювати, яка інформація зберігається. Це дуже корисно.
Однак вони тендітні. Менш довговічні, ніж інші варіанти знімного твердотільного накопичувача. Поводьтеся з ними обережно. Зберігайте їх у безпеці. Toshiba практично припинила виробництво нових карт меншого розміру через їхню більшу ємність. xD-Picture Card та Secure Digital Card посіли їхнє місце. У наші дні знайти SmartMedia дуже складно.
Чим відрізняються карти CompactFlash?
Компанія SanDisk представила карти CompactFlash в 1994 році. Вони відрізняються від SmartMedia двома способами:
- Вони товщі.
- Використовують контролер.
Усередині міцного корпусу є невелика друкована плата. На ній встановлений чіп флеш-пам’яті та окремий контролер. Саме тому карта товща, ніж SmartMedia. Її ширина становить 43 мм, а довжина – 36 мм. Існує два типи таких карток.
Тип I Товщина карти складає 3,3 мм. Тип II Товщина карти складає 5,5 мм.
Чому товщина має значення? Вона визначає можливість встановлення пристрою. Карти типу II зазвичай містять жорсткий диск або додатковий контролер пам’яті. Тип I залишається тонким, що робить його придатним для легких камер та старих ноутбуків.
Чому контролер змінив все
Контролер, вбудований у карту CompactFlash, відповідає за керування даними. SmartMedia покладається на хост-пристрій для керування пам’яттю. Це означає наявність серйозних проблем сумісності із старими системами. CompactFlash спрощує це завдання.
Ця зміна підвищує продуктивність. Крім того, згодом можна збільшувати ємність. Користувачі можуть зберігати більше фотографій, не турбуючись про обчислювальну потужність пристрою.
Де ці застарілі стандарти застосовуються сьогодні?
Вони не зустрічаються у нових продуктах. Однак вони домінують на ринку вживаної техніки. Колекціонери хочуть їх мати. Ретро геймери шукають їх. Архіваріуси шукають старі цифрові камери.
Якщо ви все ще маєте картку SmartMedia, перевірте виріз. Переконайтеся, що напруга пристрою відповідає. Не згинайте її. Не викидайте її. Внутрішній чіп відкритий.
Карти CompactFlash легко знайти. Багато адаптерів перетворять їх на слоти SD. З невеликим доопрацюванням ви можете використовувати їх на сучасних пристроях.
Перехід від SmartMedia до CompactFlash це не просто питання розміру. Це питання контролю. Контролери дають виробникам більше гнучкості. Це також підвищує вартість виробництва карт. SmartMedia все ще дешева. Саме тому вона пішла із ринку.
Проте логіка зберігається. Менше – не завжди краще. У деяких випадках може знадобитися додатковий фізичний розмір. Іноді ви хочете простоти без частин, що рухаються.
Що ви нудьгуєте більше? Маленьку SmartMedia чи більшу CompactFlash? Відповідь може залежати від камери.
Переваги CompactFlash
CompactFlash не переймається споживанням енергії. Вона може працювати з логічними рівнями 3,3 і 5 В. Ця гнучкість подвійної напруги полегшує інтеграцію зі старими пристроями. Вам не потрібно турбуватися про те, чи є материнська плата вашого пристрою новим чи старим стандартом. Карта працює чудово.
Більше, ніж SmartMedia
Розмір тут має значення. Карти CompactFlash товщі, ніж SmartMedia. Це додатковий простір – це не просто пластик. Це дозволяє використовувати більше чіпів NAND-пам’яті. Таким чином ви отримуєте велику ємність зберігання. У той час як SmartMedia швидко досягла своїх меж, CompactFlash значно розширилася. Ви можете знайти карти з ємністю від 8 МБ до 100 ГБ.
Відмінності в контролерах
Тут технології стають цікавими. CompactFlash містить внутрішній драйвер. SmartMedia не така. Цей маленький чіп виконує основну роботу. Займається налагодженням. Керує вирівнюванням зношування. Перетворює команди.
Це найбільш важливо для пристроїв із повільними процесорами. Контролер бере на себе частину навантаження основного процесора. Камери та сканери не потребують потужних процесорів для швидкого запису даних. Карта взаємодіє із хостом, але контролер обробляє складні деталі.
Компроміси через складність
Контролери додають складності. Вони збільшують розміри. Додають вагу. Порівняйте це із простою природою SmartMedia. Остання – це просто пам’ять планшета. Немає частин, що рухаються. Немає додаткового кремнію. CompactFlash більше. Ситуація ще більше ускладнюється. Але разом із цією складністю приходять продуктивність та ємність. Ви платите за обсяг та вагу. Ви можете зрозуміти це практично.
Ландшафт знімних носіїв визначається боротьбою між відкритими стандартами та закритими екосистемами. Якщо подивитися на обладнання, що використовувалося в ранніх цифрових камерах та мобільних пристроях, можна побачити вплив PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Управління слотами стандартів PCMCIA Type I та Type II, а також такими стандартами, як CompactFlash та SmartMedia, базується на цих конкретних правилах. Результат? Рівні умови, за яких ви не прив’язані до однієї екосистеми для базових потреб у зберіганні даних.
Ця інтероперабельність стає переломним моментом. Ви можете вставити картку CompactFlash у камеру, вийняти її та вставити у звичайний слот PCMCIA на ноутбуці або адаптер, підключений до порту USB. Деякі адаптери також можуть читати ці картки через дисковод для дискет. Це може здатися застарілим, але це розумний вибір для користувачів старих машин.
“Знімна пам’ять, що знімається, відкриває вам весь світ.”
Але будьмо чесні: стандарти не завжди перемагають. Memory Stick від Sony — чудовий приклад формату, що виник у унікальній закритій екосистемі. Він тісно інтегрований в екосистему Sony, але зрештою проникне і в пристрої сторонніх виробників. Карти пам’яті для ігрових консолей ще більш ізольовані. Вони, як правило, є повністю унікальними. Візьміть для прикладу оригінальний PlayStation і PlayStation 2. Вони використовують специфічну картку пам’яті для збереження прогресу у грі. Коли вийшла PlayStation 3, вона забезпечила зворотну сумісність для самих ігор, але прибрала апаратний слот для старих карт пам’яті.
Бажаєте передати збережені дані? Ви не можете вставити карту безпосередньо. Вам потрібно придбати спеціальний адаптер. Це незручність, але вона також підкреслює, чому загальні стандарти такі цінні. Без них кожен пристрій стає ізольованим островом. У міру того, як компоненти стають взаємозаміннішими (завдяки бездротовим технологіям, таким як Bluetooth ), стандартизована пам’ять звільняє вас від обмежень обладнання.
Наступне покоління: PRAM та пам’ять на основі фазових переходів
Поки ми оптимізували флеш-пам’ять, інженери шукали щось швидше. У вересні 2006 року компанія Samsung сміливо анонсувала PRAM або Phase Change Random Access Memory (оперативну пам’ять із фазовим переходом).
Це не просто поступове оновлення. PRAM намагається подолати розрив між двома різними типами зберігання даних:
– RAM : Швидка, але нестабільна (дані втрачаються при відключенні живлення).
– Flash : Енергонезалежна (зберігає дані вічно), але повільніша.
PRAM поєднує в собі швидкість RAM та енергонезалежність флеш-пам’яті. Деякі експерти почали називати її “ Ідеальною RAM “, тому що вона обіцяла запропонувати найкраще з обох світів.
Зокрема, вона є досить агресивною. Samsung стверджує, що PRAM у 30 разів швидше за традиційну флеш-пам’ять. Термін служби в 10 разів довше**. Це не просто маркетингові buzzwords. Вони вирішують дві найбільші проблеми у зберіганні даних сьогодні: швидкість запису та довговічність.
Комерційна доступність та майбутні наслідки
Samsung планує випустити свій перший комерційний чіп PRAM в 2010 році. Яка початкова ємність? 512 МБ. На перший погляд, це може здатися невеликим у порівнянні з терабайтами, які використовуються в даний час, але пам’ятайте, з чого все починалося. Ці чіпи призначені для мобільних телефонів та інших мобільних пристроїв. Мета – не замінити жорсткий диск відразу. Вони призначені для заміни флеш-пам’яті у портативних пристроях.
Чи може PRAM повністю замінити флеш-пам’ять? Це чудова можливість. Якщо вимоги до швидкості та довговічності підтвердяться у реальних тестах, архітектура мобільних пристроїв може кардинально змінитись. Більше ніяких очікувань на збереження файлів. Більше ніяких побоювань щодо межі зносу SSD. Миттєвий та безперервний запис.
Часті питання
Чи є флеш-пам’ять тієї ж самої, що і RAM?
Ні, їхнє призначення відрізняється. RAM є енергозалежною, тобто дані стираються при відключенні живлення. Використовується для активної обробки. Флеш-пам’ять є незалежною і зберігає дані навіть при відключенні живлення. Вона використовується для зберігання.
Що саме таке флеш-пам’ять?
Також відома як флеш-пам’ять, це тип енергонезалежної пам’яті, яку можна електрично прати та перезаписувати. Вона лежить в основі роботи USB-накопичувачів, SD-карток та сучасних твердотільних накопичувачів (SSD).
Куди далі
Якщо ви хочете краще зрозуміти, як ці компоненти поєднуються один з одним, є безліч ресурсів. Історія пам’яті складна, вона еволюціонувала від найпростіших ROM до складних систем віртуальної пам’яті.
Пов’язані статті:
– Як працює комп’ютерна пам’ять
– Як працює пам’ять
– Як працює віртуальна пам’ять
– Як працює ROM
– Як працює знімне сховище
– Як працює BIOS
Корисні посилання:
– CompactFlash Association
– Kingston: The Ultimate Memory Guide
– Transtronics: How EPROM works
– A brief history of microprogramming
Джерело:
– UK Gizmodo. “Pretec Releases 100GB CompactFlash Card: OMG!” September 26, 2008.
– Continuous Yi. “Intel and STMicroelectronics Unveil Industry’s First Phase Change Memory Prototype.” February 6, 2008.
– Supermediastore.com. “What are SmartMedia flash cards?”
– Techtree.com. “Phase change instead of lightning?” December 11, 2006.
