В наших карманах хранятся петабайты данных. Цифровые фотографии, MP3-файлы, документы Word, файлы PDF. Список бесконечен. Однако внутренний жесткий диск ноутбука может не подойти для хранения этой информации. Вам, вероятно, нужна внешняя резервная копия. Возможно, вас беспокоит безопасность. Переносные устройства хранения данных на основе флеш-памяти — это ответ.
Электронная память не является панацеей. Она существует в формах, предназначенных для конкретных задач. Её можно встретить в компьютерах, цифровых камерах, домашних игровых консолях и т. д. Она работает скорее как жесткий диск, чем как оперативная память (RAM). Это устройство хранения данных на основе твердотельных технологий. Это означает, что в нем нет движущихся частей. Всё работает на электронных принципах. Механического вращения нет.
Эта технология применяется в:
- Чипе BIOS компьютера
- CompactFlash (в основном используется в цифровых камерах)
- SmartMedia (также для цифровых камер)
- Memory Stick (также работает в цифровых камерах)
- Картах памяти PCMCIA типа I и типа II (твердотельные диски в старых ноутбуках)
- Картах памяти для игровых консолей
Эта технология представляет собой чип EEPROM. Это аббревиатура от Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (Электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство). Она зависит от сетки из столбцов и строк. В каждой точке пересечения находится ячейка с двумя транзисторами.
Эти два транзистора разделены тонким оксидным слоем. Один из них — плавающий затвор. Второй — управляющий затвор. Единственный путь от плавающего затвора к строке или линии слова проходит через управляющий затвор. Если путь сохранен, значение ячейки равно 1.
Изменение этого значения на ноль требует необычного процесса, называемого туннельным эффектом Фаулера-Нордгейма.
Флеш-память: туннелирование и стирание
Туннелирование изменяет положение электронов в плавающем затворе. Используемый заряд обычно составляет 10–13 вольт. Этот заряд поступает из столбца или линии данных (bit line), попадает на плавающий затвор, а затем стекает на землю.
Этот заряд заставляет транзистор с плавающим затвором вести себя как электронная пушка. Возбужденные электроны отталкиваются через тонкий оксидный слой и захватываются с другой стороны. Они имеют отрицательный заряд. Эти электроны с отрицательным зарядом действуют как барьер между управляющим затвором и плавающим затвором.
Специальное устройство, называемое датчиком ячейки, контролирует уровень заряда плавающего затвора. Если поток заряда остается выше порога в 50%, считываемое значение равно 1. Когда заряд падает ниже этого порога, значение изменяется на ноль. Все затворы пустой EEPROM полностью открыты. Каждая ячейка изначально имеет значение 1.
Когда прикладывается электрическое поле, электроны в ячейке флеш-памяти могут вернуться в нормальное состояние («1»). Для этого требуется зарядка более высоким напряжением. Флеш-память использует внутреннее стирание (in-situ erasure) для обработки этого диапазона. В некоторых случаях стирается весь чип, а в других — заранее определенная часть, называемая блоком. Это удаляет интересующий регион. Затем его можно перезаписать.
Флеш-память работает гораздо быстрее, чем традиционная EEPROM. Данные не удаляются по одному байту. Стирается блок или весь чип, а затем перезаписывается весь раздел.
Подумайте о автомобильном радио. Вы можете запрограммировать предустановки станций. Радио запоминает их, когда вы выключаете двигатель. Однако на самом деле там используется флеш-память. Это различие важно. Флеш-ОЗУ (RAM) требует питания для сохранения содержимого. Флеш-память не требует внешнего источника питания для хранения данных. Даже когда двигатель выключен, автомобильное радио потребляет небольшое количество энергии для сохранения данных. Эти предустановки будут потеряны, если аккумулятор автомобиля полностью разрядится.
Поэтому понимание разницы между энергозависимой оперативной памятью (RAM) и энергонезависимой флеш-памятью важно для целостности данных.
Память стала лучше!
-
Как работает компьютерная память
-
Как работает память
-
Как работает виртуальная память
-
Как работает ПЗУ (ROM)
-
Как работает съемное хранилище
-
Как работает BIOS
Подробнее
Съемная флеш-карта памяти
У флеш-памяти есть явные физические преимущества перед вращающимися магнитными дисками. Она работает бесшумно. В ней нет движущихся частей, которые могут изнашиваться или издавать звуки. Она также значительно сокращает задержку доступа. Физические размеры малы, а вес пренебрежимо мал. Она не занимает много места, даже если положить её в карман.
Так почему бы не использовать флеш-память для всего?
Ответ прост. Цена за мегабайт. Жёсткие диски значительно дешевле за предоставляемый объём хранилища. За те же деньги их ёмкость намного выше. Флеш-память предлагает скорость и надёжность. Жёсткие диски побеждают благодаря эффекту масштаба.
Эта экономическая реальность определила эпоху портативных технологий. Возьмём, к примеру, Solid State Floppy (SSFDC). Большинство людей просто называют его SmartMedia. Разработан Toshiba. Он стал стандартом для цифровых фотоаппаратов и КПК в конце 1990-х и начале 2000-х годов.
Формат SmartMedia
Карты SmartMedia имеют меньшие размеры. 2 МБ 4 МБ До 128 МБ. Это был предел.
Физические карты маленькие. Длина около 45 мм. Ширина: 37 мм. Толщина менее 1 мм. На ощупь напоминает толстый пластик. Она легче обычного дискета.
Внутреннее устройство очень простое. Нет сложных печатных плат. Не требуется сложный драйвер. Есть только один чип флеш-памяти. Плоские электроды соединены с чипом с помощью проволочных перемычек. Всё залито смолой.
Здесь используется технология под названием Overmolded Thin Package (OMTP). Смола может распыляться вокруг деталей и электродов. Она затвердевает, образуя единый монолитный блок. Пайка не требуется. Нет необходимости беспокоиться о технологии поверхностного монтажа. Всё, что нужно, это чип, провода и пластик.
SmartMedia проста, и поэтому её дешевле производить. Но это также означает, что она хрупкая. Если пластик трескается, карта становится неисправной.
Именно этот конструктивный выбор объясняет её исчезновение. Если смола разрушается, соединение прерывается. И починить это невозможно. Жёсткие диски имеют функцию коррекции ошибок. SmartMedia — это просто чипы и провода.
Почему простота оказывается недостаточной
Отсутствие контрольного чипа является фатальным недостатком. Современные SSD и USB-накопители оснащены драйверами. Они управляют выравниванием износа. Они обрабатывают битые блоки. При необходимости шифруют ваши данные. SmartMedia этого не делает. Это просто набор сырой памяти, выпущенный на рынок.
Именно поэтому карты SmartMedia ёмкостью 128 МБ сегодня редко используются. Они устарели. Этот формат был заменён на SD и CompactFlash. Эти форматы имеют контроллеры. Они более надёжны. По мере снижения стоимости флеш-памяти необходимость в отдельных маленьких, хрупких картах отпала.
Внутреннее хранилище стало стандартом. Телефоны поглощают объёмы памяти. В камерах используются крупные карты. Места для карты толщиной 1 мм больше не предусмотрено.
Флеш-память всё ещё используется. Однако внутри устройства. Это не съёмная и хрупкая пластина из смолы. Цена за мегабайт упала настолько, что самый дешёвый формат больше не нужен. Требуется надёжность. SmartMedia просто не может её обеспечить.
Сама карта SmartMedia — это не просто память. Она изготовлена путём приклеивания NAND-модуля к базовой плате. Вы просто вставляете контакты в устройство, и оно получает от него питание и данные. Вырез в углу точно указывает, какое напряжение требуется. Посмотрите на карту контактами вверх. Если вырез находится слева, требуется 5 вольт. Если справа — 3,3 вольта.
Как SmartMedia управляет блоками данных
Карты SmartMedia не стирают и не записывают все данные сразу. Они работают небольшими порциями. Речь идёт об инкрементах по 256 или 512 байт. Такой подход обеспечивает быструю и надёжную производительность. Вы можете контролировать, какая информация хранится. Это очень полезно.
Однако они хрупкие. Менее долговечные, чем другие варианты съёмного твердотельного накопителя. Обращайтесь с ними осторожно. Храните их в безопасности. Toshiba практически прекратила производство новых карт меньшего размера из-за их большей ёмкости. xD-Picture Card и Secure Digital Card заняли их место. В наши дни найти SmartMedia очень сложно.
Чем отличаются карты CompactFlash?
Компания SanDisk представила карты CompactFlash в 1994 году. Они отличаются от SmartMedia двумя способами:
- Они толще.
- Используют контроллер.
Внутри прочного корпуса находится небольшая печатная плата. На ней установлен чип флеш-памяти и отдельный контроллер. Именно поэтому карта толще, чем SmartMedia. Её ширина составляет 43 мм, а длина — 36 мм. Существует два типа таких карт.
Тип I Толщина карты составляет 3,3 мм. Тип II Толщина карты составляет 5,5 мм.
Почему толщина имеет значение? Она определяет возможность установки в устройство. Карты типа II обычно включают жёсткий диск или дополнительный контроллер памяти. Тип I остаётся тонким, что делает его подходящим для лёгких камер и старых ноутбуков.
Почему контроллер изменил всё
Контроллер, встроенный в карту CompactFlash, отвечает за управление данными. SmartMedia полагается на хост-устройство для управления памятью. Это означает наличие серьёзных проблем совместимости со старыми системами. CompactFlash упрощает эту задачу.
Это изменение повышает производительность. Кроме того, со временем можно увеличивать ёмкость. Пользователи могут сохранять больше фотографий, не беспокоясь о вычислительной мощности своего устройства.
Где эти устаревшие стандарты применяются сегодня?
Они не встречаются в новых продуктах. Однако они доминируют на рынке б/у техники. Коллекционеры хотят их иметь. Ретро-геймеры ищут их. Архивариусы ищут старые цифровые камеры.
Если у вас всё ещё есть карта SmartMedia, проверьте вырез. Убедитесь, что напряжение вашего устройства соответствует. Не сгибайте её. Не выбрасывайте её. Внутренний чип открыт.
Карты CompactFlash легко найти. Многие адаптеры преобразуют их в слоты SD. С небольшой доработкой вы можете использовать их на современных устройствах.
Переход от SmartMedia к CompactFlash — это не просто вопрос размера. Это вопрос контроля. Контроллеры дают производителям больше гибкости. Это также увеличивает стоимость производства карт. SmartMedia всё ещё дешёвая. Именно поэтому она ушла с рынка.
Однако логика сохраняется. Меньше — не всегда лучше. В некоторых случаях может потребоваться дополнительный физический размер. Иногда вы хотите простоты без движущихся частей.
Что вы скучаете больше? Маленькую SmartMedia или большую CompactFlash? Ответ может зависеть от используемой камеры.
Преимущества CompactFlash
CompactFlash не беспокоится о потреблении энергии. Она может работать с логическими уровнями 3,3 В и 5 В. Эта гибкость двойного напряжения облегчает интеграцию со старыми устройствами. Вам не нужно беспокоиться о том, является ли материнская плата вашего устройства новым или старым стандартом. Карта работает отлично.
Больше, чем SmartMedia
Размер здесь имеет значение. Карты CompactFlash толще, чем SmartMedia. Это дополнительное пространство — это не просто пластик. Это позволяет использовать больше чипов NAND-памяти. Таким образом, вы получаете большую ёмкость хранения. В то время как SmartMedia быстро достигла своих пределов, CompactFlash значительно расширилась. Вы можете найти карты с ёмкостью от 8 МБ до 100 ГБ.
Различия в контроллерах
Здесь технологии становятся интересными. CompactFlash содержит внутренний драйвер. SmartMedia не такова. Этот маленький чип выполняет основную работу. Занимается отладкой. Управляет выравниванием износа. Преобразует команды.
Это наиболее важно для устройств с медленными процессорами. Контроллер берёт на себя часть нагрузки основного процессора. Камеры и сканеры не требуют мощных процессоров для быстрой записи данных. Карта взаимодействует с хостом, но контроллер обрабатывает сложные детали.
Компромиссы из-за сложности
Контроллеры добавляют сложность. Они увеличивают размеры. Добавляют вес. Сравните это с простой природой SmartMedia. Последняя — это просто память планшета. Нет движущихся частей. Нет дополнительного кремния. CompactFlash больше. Ситуация ещё более усложняется. Но вместе с этой сложностью приходят производительность и ёмкость. Вы платите за объём и вес. Вы можете понять это на практике.
Ландшафт съемных носителей определяется борьбой между открытыми стандартами и закрытыми экосистемами. Если посмотреть на оборудование, использовавшееся в ранних цифровых камерах и мобильных устройствах, можно заметить влияние PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Управление слотами стандартов PCMCIA Type I и Type II, а также такими стандартами, как CompactFlash и SmartMedia, основано на этих конкретных правилах. Результат? Равные условия, при которых вы не привязаны к одной экосистеме для своих базовых потребностей в хранении данных.
Эта интероперабельность становится переломным моментом. Вы можете вставить карту CompactFlash в камеру, извлечь её и вставить в обычный слот PCMCIA на ноутбуке или в адаптер, подключенный к порту USB. Некоторые адаптеры также могут считывать эти карты через дисковод для дискет. Это может показаться устаревшим, но это разумный выбор для пользователей старых машин.
«Стандартизированная съемная память открывает вам весь мир.»
Но давайте будем честны: стандарты не всегда побеждают. Memory Stick от Sony — отличный пример формата, возникшего в уникальной закрытой экосистеме. Он тесно интегрирован в экосистему Sony, но в конечном итоге проникнет и в устройства сторонних производителей. Карты памяти для игровых консолей ещё более изолированы. Они, как правило, полностью уникальны. Возьмите для примера оригинальный PlayStation и PlayStation 2. Они используют специфическую карту памяти для сохранения прогресса в игре. Когда вышла PlayStation 3, она обеспечила обратную совместимость для самих игр, но убрала аппаратный слот для старых карт памяти.
Хотите передать сохранённые данные? Вы не можете вставить карту напрямую. Вам нужно купить специальный адаптер. Это неудобство, но оно также подчеркивает, почему общие стандарты так ценны. Без них каждое устройство становится изолированным островом. По мере того как компоненты становятся более взаимозаменяемыми (благодаря беспроводным технологиям, таким как Bluetooth ), стандартизированная память освобождает вас от ограничений оборудования.
Следующее поколение: PRAM и память на основе фазовых переходов
Пока мы оптимизировали флеш-память, инженеры искали что-то более быстрое. В сентябре 2006 года компания Samsung смело анонсировала PRAM или Phase Change Random Access Memory (оперативную память с фазовым переходом).
Это не просто постепенное обновление. PRAM пытается преодолеть разрыв между двумя разными типами хранения данных:
— RAM : Быстрая, но нестабильная (данные теряются при отключении питания).
— Flash : Энергонезависимая (хранит данные вечно), но более медленная.
PRAM сочетает в себе скорость RAM и энергонезависимость флеш-памяти. Некоторые эксперты начали называть её «Идеальной RAM «, потому что она обещала предложить лучшее из обоих миров.
В частности, она довольно агрессивна. Samsung утверждает, что PRAM в 30 раз быстрее традиционной флеш-памяти. Срок службы в 10 раз дольше**. Это не просто маркетинговые buzzwords. Они решают две самые большие проблемы в хранении данных сегодня: скорость записи и долговечность.
Коммерческая доступность и будущие последствия
Samsung планирует выпустить свой первый коммерческий чип PRAM в 2010 году. Какова начальная ёмкость? 512 МБ. На первый взгляд, это может показаться небольшим по сравнению с терабайтами, используемыми в настоящее время, но помните, с чего всё начиналось. Эти чипы предназначены для сотовых телефонов и других мобильных устройств. Цель — не заменить жёсткий диск в одночасье. Они предназначены для замены флеш-памяти в портативных устройствах.
Может ли PRAM полностью заменить флеш-память? Это отличная возможность. Если требования к скорости и долговечности подтвердятся в реальных тестах, архитектура мобильных устройств может измениться кардинально. Больше никаких ожиданий сохранения файлов. Больше никаких опасений по поводу предела износа SSD. Мгновенная и непрерывная запись.
Часто задаваемые вопросы
Является ли флеш-память той же самой, что и RAM?
Нет, их назначение различается. RAM является энергозависимой, то есть данные стираются при отключении питания. Используется для активной обработки. Флеш-память является энергонезависимой и сохраняет данные даже при отключении питания. Она используется для хранения.
Что именно такое флеш-память?
Также известная как флеш-память, это тип энергонезависимой памяти, которую можно электрически стирать и перезаписывать. Она лежит в основе работы USB-накопителей, SD-карт и современных твердотельных накопителей (SSD).
Куда дальше
Если вы хотите лучше понять, как эти компоненты сочетаются друг с другом, доступно множество ресурсов. История памяти сложна, она эволюционировала от простых ROM до сложных систем виртуальной памяти.
Связанные статьи:
— Как работает компьютерная память
— Как работает память
— Как работает виртуальная память
— Как работает ROM
— Как работает съемное хранилище
— Как работает BIOS
Полезные ссылки:
— CompactFlash Association
— Kingston: The Ultimate Memory Guide
— Transtronics: How EPROM works
— A brief history of microprogramming
Источник:
— 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.
