Встановлення кількох ОС

Що таке флеш пам'ять коротко. Принцип дії. Види та типи карт пам'яті та флеш-накопичувачів

Стала незамінною у мобільних пристроях (КПК, планшетах, смартфонах, плеєрах). На основі флеш-пам'яті розроблено USB-флеш-накопичувачі та карти пам'яті для електронних пристроїв (SD, MMC, miniSD тощо).

Визначення 1

Флеш пам `ять(Flash Memory) – твердотільна напівпровідникова енергонезалежна та пам'ять, що перезаписується.

Зчитувати інформацію з флеш-пам'яті можна велику кількість разів у межах терміну роботи накопичувача (від $10$ років), але кількість процесів запису обмежена (близько $100\000$ циклів перезапису).

Флеш-пам'ять вважається надійнішим видом носія інформації, т.к. не містить рухомих механічних частин (як, наприклад, жорсткому диску).

Переваги флеш-пам'яті:

  • висока швидкість доступу до даних;
  • низьке енергоспоживання;
  • стійкість до вібрацій;
  • зручність підключення до ПК;
  • компактні розміри;
  • дешевизна.

Недоліки флеш-пам'яті:

  • обмежена кількість циклів запису;
  • чутливість до електростатичного розряду.

Історія флеш-пам'яті

Вперше флеш-пам'ять було винайдено в $1984$.

Назва «flash» походить від англійського «спалах», т.к. процес стирання даних нагадував фотоспалах.

У $1988$ був випущений перший комерційний флеш-процесор NOR-типу. У наступному році була розроблена NAND-архітектура флеш-пам'яті, яка відрізнялася більшою швидкістю запису і меншою площею схеми.

Принцип роботи

Елементарна осередок зберігання даних являє собою транзистор з плаваючим затвором, який може утримувати електрони (заряд) є елементарним осередком зберігання даних у флеш-пам'яті. На основі транзистора розроблено основні типи флеш-пам'яті NAND та NOR. Принцип роботи ґрунтується на зміні та реєстрації електричного заряду в ізольованій області («кишені») напівпровідникової структури.

Малюнок 1. Архітектура NOR-пам'яті

Малюнок 2. Архітектура NAND-пам'яті

Виробники флеш-пам'яті використовують $2$ типу осередків пам'яті:

  • MLC(Multi-Level Cell – багаторівневі осередки пам'яті) – більш ємні осередки та більш дешеві, але характеризуються більшим часом доступу та невеликою кількістю циклів запису/прання (близько $10 \ 000$);
  • SLC(Single-Level Cell – однорівневі осередки пам'яті) – осередки з меншим часом доступу та максимальним числом циклів запису/прання ($100 \ 000$).

Рисунок 3. Основні елементи USB-флеш-накопичувача: $1$ – USB-конектор, $2$ – контролер, $3$ – PCB-плата, $4$ – модуль NAND-пам'яті, $5$ – кварцовий генератор, $6$ – LED-індикатор , $7$ – перемикач захисту від запису, $8$ – місце додаткової мікросхеми пам'яті.

Застосування

Існує два основні способи застосування флеш-пам'яті:

  • як мобільний носій інформації;
  • як сховище програмного забезпечення цифрових пристроїв.

Часто обидва способи поєднують в одному пристрої.

Застосування NOR-пам'яті, яка має відносно невеликий обсяг, полягає у забезпеченні швидкого доступу за випадковими адресами та гарантії відсутності збійних елементів (стандартні мікросхеми ПЗП для роботи з мікропроцесором, мікросхеми початкового завантаження комп'ютерів (POST та BIOS), мікросхеми зберігання середнього розміру даних, наприклад , DataFlash). Типові обсяги - від $ 100 $ Кб до $ 256 $ Мб. NAND-пам'ять застосовується у мобільних пристроях та носіях даних, які вимагають використання великих обсягів зберігання. В основному це USB-брелоки та карти пам'яті всіх типів, а також мобільні пристрої (телефони, фотоапарати, плеєри). NAND-пам'ять вбудовують у побутові прилади: стільникові телефони та телевізори, мережні маршрутизатори, точки доступу, ігрові приставки, фоторамки та навігатори.

Малюнок 4. Флеш-картки різних типів

Види та типи карт пам'яті та флеш-накопичувачів

Зауваження 1

CF(Compact Flash) – найстаріший стандарт типів пам'яті. Має високу надійність, досить великий обсяг ($128$ Гб і більше) і високу швидкість передачі даних ($120$ Мб/с). Через великі розміри застосовується у професійному відео- та фотообладнанні.

MMC (Multimedia Card) має невеликий розмір, високу сумісність з різними пристроями і містить контролер пам'яті. SD Card (Secure Digital Card) – результат розвитку стандарту MMC. Карта має криптозахист від несанкціонованого копіювання, підвищений захист інформації від випадкового стирання або руйнування та механічний перемикач захисту від запису. Максимальна ємність до $ 4 $ Гб. SDHC (SD High Capacity) має максимальну ємність $32$ Гб.

Існують також карти miniSD та microSD.

Примітка 2

Основними виробниками NAND-флеш-пам'яті є фірми Micron/Intel, SK Hynix, Toshiba/SanDisk, Samsung. Основні виробники контролерів флеш-пам'яті NAND – Marvell, LSI-SandForce та виробники пам'яті NAND.

Флеш-пам'ять (англ. Flash-Memory) - різновид твердотільної напівпровідникової енергонезалежної пам'яті, що перезаписується.

Принцип дії

Програмування флеш-пам'яті

Стирання флеш-пам'яті

Історія

Характеристики

Файлові системи

Застосування

Типи карток пам'яті








operator101 operator101

2009-02-25T22:57:33Z 2009-02-25T22:57:33Z

1 нормальний

Флеш-пам'ять (англ. Flash-Memory) - різновид твердотільної напівпровідникової енергонезалежної пам'яті, що перезаписується.

Вона може бути прочитана скільки завгодно разів, але писати в таку пам'ять можна лише обмежену кількість разів (максимально – близько мільйона циклів). Поширена флеш-пам'ять, що витримує близько 100 тисяч циклів перезапису – набагато більше, ніж здатна витримати дискету або CD-RW.

Не містить рухомих частин, так що, на відміну від жорстких дисків, більш надійна та компактна.

Завдяки своїй компактності, дешевизні та низькому енергоспоживання флеш-пам'ять широко використовується в портативних пристроях, що працюють на батарейках та акумуляторах - цифрових фотокамерах та відеокамерах, цифрових диктофонах, MP3-плеєрах, КПК, мобільних телефонах, а також смартфонах та комунікаторах. Крім того, вона використовується для зберігання вбудованого програмного забезпечення у різних пристроях (маршрутизаторах, міні-АТС, принтерах, сканерах), різних контролерах.

Так само останнім часом широкого поширення набули USB флеш брелоки («флешка», USB-драйв, USB-диск), що практично витіснили дискети та CD.

На кінець 2008 р. основним недоліком, що не дозволяє пристроям на базі флеш-пам'яті витіснити з ринку жорсткі диски, є високе співвідношення ціна/об'єм, що перевищує цей параметр жорстких дисків у 2-3 рази. У зв'язку з цим і обсяги флеш-накопичувачів не такі великі. Хоча роботи у цих напрямках ведуться. Здешевлюється технологічний процес, посилюється конкуренція. Багато фірм вже заявили про випуск SSD накопичувачів обсягом 256 ГБ та більше.

Ще один недолік пристроїв на базі флеш-пам'яті в порівнянні з жорсткими дисками - як не дивно, менша швидкість. Незважаючи на те, що виробники SSD накопичувачів запевняють, що швидкість цих пристроїв вища за швидкість вінчестерів, в реальності вона виявляється відчутно нижчою. Звичайно, SSD накопичувач не витрачає подібно до вінчестера час на розгін, позиціонування головок і т. п. Але час читання, а тим більше запису, осередків флеш-пам'яті, що використовується в сучасних SSD накопичувачах, більше. Що призводить до значного зниження загальної продуктивності. Заради справедливості слід зазначити, що останні моделі SSD накопичувачів і за цим параметром вже впритул наблизилися до вінчестерів. Однак, ці моделі поки що занадто дорогі.

У лютому 2009 р. почалися поставки USB-flash drive ємністю 512Gb. Ця модель вже з'явилася у продажу у Москві. Орієнтовна вартість такої моделі для кінцевого споживача планується в межах $250, що робить таку флешку явним конкурентом зовнішніх HDD. Флешка має невеликі компактні розміри, інтерфейс USB 2.0, швидкість читання 11MB/сек. та 10MB/сек. для запису.Зміст [прибрати]

Принцип дії

Програмування флеш-пам'яті

Стирання флеш-пам'яті

Флеш-пам'ять зберігає інформацію у масиві транзисторів з плаваючим затвором, званих осередками (англ. cell). У традиційних пристроях з однорівневими осередками (англ. single-level cell, SLC), кожна з них може зберігати лише один біт. Деякі нові пристрої з багаторівневими осередками (англ. multi-level cell, MLC) можуть зберігати більше одного біта, використовуючи різний рівень електричного заряду на затворі транзистора.

В основі цього флеш-пам'яті лежить ІЛІНІ елемент (англ. NOR), тому що в транзисторі з плаваючим затвором низька напруга на затворі позначає одиницю.

Транзистор має два затвори: керуючий та плаваючий. Останній повністю ізольований та здатний утримувати електрони до 10 років. У комірці є також стік та виток. При програмуванні напругою на затворі, що управляє, створюється електричне поле і виникає тунельний ефект. Деякі електрони тунелюють через шар ізолятора і потрапляють на затвор, що плаває, де і будуть перебувати. Заряд на плаваючому затворі змінює «ширину» каналу сток-витік та його провідність, що використовується під час читання.

Програмування та читання осередків дуже різняться в енергоспоживання: пристрої флеш-пам'яті споживають досить великий струм при записі, тоді як при читанні витрати енергії малі.

Для стирання інформації на затвор, що управляє, подається висока негативна напруга, і електрони з плаваючого затвора переходять (тунелюють) на виток.

У NOR архітектурі кожному транзистору необхідно підвести індивідуальний контакт, що збільшує розміри схеми. Ця проблема вирішується за допомогою архітектури NAND.

В основі NAND типу лежить І-НЕ елемент (англ. NAND). Принцип роботи такий самий, від NOR типу відрізняється лише розміщенням осередків та його контактами. В результаті вже не потрібно підводити індивідуальний контакт до кожного осередку, так що розмір і вартість NAND чіпа може бути значно меншим. Так само запис та стирання відбувається швидше. Однак ця архітектура не дозволяє звертатися до довільного осередку.

NAND та NOR архітектури зараз існують паралельно і не конкурують один з одним, оскільки знаходять застосування в різних галузях зберігання даних.

Історія

Флеш-пам'ять була винайдена Фудзі Масуока (Fujio Masuoka), коли він працював у Toshiba у 1984 році. Ім'я «флеш» було придумано також у Toshiba колегою Фудзі, Седзі Аріїзумі (Shoji Ariizumi), тому що процес стирання вмісту пам'яті йому нагадав фотоспалах (англ. flash). Масуока представив свою розробку на IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), що проходила у Сан-Франциско, Каліфорнія. Intel побачила великий потенціал у винаході і в 1988 випустила перший комерційний флеш-чіп NOR-типу.

NAND-тип флеш-пам'яті був анонсований Toshiba у 1989 році на International Solid-State Circuits Conference. У нього була більша швидкість запису і менша площа чіпа.

На кінець 2008 року лідерами з виробництва флеш-пам'яті є Samsung (31% ринку) та Toshiba (19% ринку, включаючи спільні заводи з Sandisk). (Дані згідно iSupply на Q4"2008.) Стандартизацією чіпів флеш-пам'яті типу NAND займається Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Поточним стандартом вважається специфікація ONFI версії 1.0, випущена 28 грудня 2006 року. Група ONFI підтримується виробництві NAND чіпів: Intel, Hynix та Micron Technology.

Характеристики

Швидкість деяких пристроїв із флеш-пам'яттю може сягати 100 Мб/с. В основному флеш-карти мають великий розкид швидкостей і, як правило, маркуються у швидкостях стандартного CD-приводу (150 Кб/с). Так зазначена швидкість 100x означає 100 Ч 150 Кб/с = 15 000 Кб/с= 14.65 Мб/с.

В основному обсяг чіпа флеш-пам'яті вимірюється від кілобайт до кількох гігабайт.

У 2005 році Toshiba та SanDisk представили NAND чіпи об'ємом 1 Гб, виконані за технологією багаторівневих осередків, де один транзистор може зберігати кілька біт, використовуючи різний рівень електричного заряду на затворі, що плаває.

Компанія Samsung у вересні 2006 року представила 8 Гб чіп, виконаний за 40-нм технологічним процесом. Наприкінці 2007 року Samsung повідомила про створення першого у світі MLC (multi-level cell) чіпа флеш-пам'яті типу NAND, виконаного за 30-нм технологічним процесом. Місткість чіпа також становить 8 Гб. Очікується, що до масового виробництва чіпи пам'яті надійдуть у 2009 році.

Для збільшення обсягу пристроях часто застосовується масив з кількох чіпів. В основному на середину 2007 року USB пристрої та карти пам'яті мають об'єм від 512 Мб до 64 Гб. Найбільший обсяг USB-пристроїв становить 1 Тб.

Файлові системи

Основне слабке місце флеш-пам'яті – кількість циклів перезапису. Ситуація погіршується також у зв'язку з тим, що ОС часто записує дані одне й те місце. Наприклад, часто оновлюється таблиця файлової системи, тому перші сектори пам'яті витратить свій запас значно раніше. Розподіл навантаження дозволяє суттєво продовжити термін роботи пам'яті.

Для вирішення цієї проблеми були створені спеціальні файлові системи: JFFS2 та YAFFS для GNU/Linux та exFAT для Microsoft Windows.

USB флеш-носії та карти пам'яті, такі як SecureDigital та CompactFlash мають вбудований контролер, який здійснює виявлення та виправлення помилок і намагається рівномірно використовувати ресурс перезапису флеш-пам'яті. На таких пристроях немає сенсу використовувати спеціальну файлову систему і для кращої сумісності застосовується звичайна FAT.

Застосування

Флеш-карти різних типів (сірник відображений для оцінки розмірів)

Флеш-пам'ять найбільш відома застосуванням у USB флеш-носіях (англ. USB flash drive). В основному використовується NAND тип пам'яті, яка підключається через USB за інтерфейсом USB mass storage device (USB MSC). Цей інтерфейс підтримується всіма ОС сучасних версій.

Завдяки великій швидкості, об'єму та компактним розмірам USB флеш-носії повністю витіснили з ринку дискети. Наприклад, компанія Dell з 2003 року припинила випускати комп'ютери з дисководом гнучких дисків.

На даний момент випускається широкий асортимент USB флеш-носіїв, різних форм та кольорів. На ринку присутні флешки з автоматичним шифруванням даних, що записуються на них. Японська компанія Solid Alliance навіть випускає флешки як їжі.

Є спеціальні дистрибутиви GNU/Linux та версії програм, які можуть працювати прямо з USB носіїв, наприклад, щоб користуватися своїми програмами в інтернет-кафе.

Технологія ReadyBoost у Windows Vista здатна використовувати USB-флеш носій або спеціальну флеш-пам'ять, вбудовану в комп'ютер для збільшення швидкодії. На флеш-пам'яті також ґрунтуються карти пам'яті, такі як SecureDigital (SD) та Memory Stick, які активно застосовуються в портативній техніці (фотоапарати, мобільні телефони). Разом з USB носіями флеш-пам'ять займає більшу частину ринку переносних носіїв даних.

NOR тип пам'яті частіше застосовується в BIOS та ROM-пам'яті пристроїв, таких як DSL модеми, маршрутизатори і т. д. Флеш-пам'ять дозволяє легко оновлювати прошивку пристроїв, при цьому швидкість запису та об'єм для таких пристроїв не такі важливі.

Наразі активно розглядається можливість заміни жорстких дисків на флешпам'ять. В результаті збільшиться швидкість включення комп'ютера, а відсутність деталей, що рухаються, збільшить термін служби. Наприклад, у XO-1, «ноутбуку за 100$», який активно розробляється для країн третього світу, замість жорсткого диска використовуватиметься флеш-пам'ять об'ємом 1 Гб. Поширення обмежує висока ціна за Гб і менший термін придатності, ніж жорсткі диски через обмежену кількість циклів запису.

Типи карток пам'яті

Існує кілька типів карток пам'яті, які використовуються в мобільних телефонах.

MMC (MultiMedia Card): картка у форматі MMC має невеликий розмір – 24х32х1,4 мм. Розроблена спільно компаніями SanDisk та Siemens. MMC містить контролер пам'яті і має високу сумісність з пристроями різного типу. У більшості випадків картки MMC підтримуються пристроями зі слотом SD.
RS-MMC (Reduced Size MultiMedia Card): картка пам'яті, яка вдвічі коротша за стандартну картку MMC. Її розміри становлять 24x18x1,4 мм, а вага - близько 6 г, всі інші характеристики не відрізняються від MMC. Для сумісності зі стандартом MMC під час використання карт RS-MMC потрібен адаптер.
DV-RS-MMC (Dual Voltage Reduced Size MultiMedia Card): карти пам'яті DV-RS-MMC з подвійним живленням (1,8 та 3,3 В) відрізняються зниженим енергоспоживанням, що дозволить працювати мобільному телефону трохи довше. Розміри карти збігаються із розмірами RS-MMC, 24x18x1.4 мм.
MMCmicro: мініатюрна картка пам'яті для мобільних пристроїв розміром 14x12x1,1 мм. Для сумісності зі стандартним слотом MMC необхідно використовувати перехідник.

SD Card (Secure Digital Card): підтримується фірмами SanDisk, Panasonic та Toshiba. Стандарт SD є подальшим розвитком стандарту MMC. За розмірами та характеристиками карти SD дуже схожі на MMC, тільки трохи товщі (32х24х2.1 мм). Основна відмінність від MMC - технологія захисту авторських прав: карта має криптозахист від несанкціонованого копіювання, підвищений захист інформації від випадкового стирання або руйнування та механічний перемикач захисту від запису. Незважаючи на спорідненість стандартів, картки SD не можна використовувати у пристроях зі слотом MMC.
SD (Trans-Flash) та SDHC (High Capacity): Старі карти SD т.з. Trans-Flash та нові SDHC (High Capacity) та пристрої їх читання відрізняються обмеженням на максимальну ємність носія, 2Гб для Trans-Flash та 32Гб для High Capacity (Високої Ємності). Пристрої читання SDHC обернено сумісні з SDTF, тобто SDTF карта буде без проблем прочитана у пристрої читання SDHC, але в пристрої SDTF побачиться тільки 2Гб від ємності SDHC більшої ємності, або не читатиметься зовсім. Передбачається, що формат TransFlash буде повністю витіснений форматом SDHC. Обидва суб-формати можуть бути представлені в будь-якому з трьох форматів фіз. розмірів (стандартний, mini та micro).
miniSD (Mini Secure Digital Card): Від стандартних карт Secure Digital відрізняються меншими розмірами 21.5х20х1.4 мм. Для роботи картки в пристроях, оснащених звичайним SD-слотом, використовується адаптер.
microSD (Micro Secure Digital Card): є на даний момент (2008) компактними знімними пристроями флеш-пам'яті (11х15х1 мм). Використовуються, в першу чергу, в мобільних телефонах, комунікаторах і т.п., оскільки завдяки своїй компактності дозволяють істотно розширити пам'ять пристрою, не збільшуючи при цьому його розміри. Перемикач захисту від запису винесено на адаптер microSD-SD.

MS Duo (Memory Stick Duo): цей стандарт пам'яті розроблявся та підтримується компанією Sony. Корпус досить міцний. На даний момент – це найдорожча пам'ять із усіх представлених. Memory Stick Duo був розроблений на базі широко поширеного стандарту Memory Stick від тієї ж Sony, що відрізняється малими розмірами (20х31х1.6 мм.).

Всім доброго дня!
Сьогоднішня стаття започаткує новий, невеликий цикл статей, присвячений зберіганню інформації, різним типам пам'яті, способам записування/зчитування інформації та всьому, що з цим пов'язано 😉 І почнемо ми з пристрою добре нам усім знайомій Flash-пам'яті.

Що собою взагалі представляє Flash-пам'ять? Та просто звичайна мікросхема, яка нічим зовні не відрізняється від будь-якої іншої. Тому може виникнути резонне питання – а що там усередині та як взагалі відбуваються процеси збереження/зчитування інформації.

Отже, серцем багатьох пристроїв пам'яті є польовий транзистор із плаваючим затвором. Геніальний винахід 70-х років 20-го століття. Його відмінність від звичайних польових транзисторів полягає в тому, що між затвором і каналом, прямо в діелектриці, розташований ще один провідник - який називають плаваючим затвором. Ось як це виглядає:

На малюнку ми бачимо звичні нам сток-виток-затвор, а також розташований у діелектриці додатковий провідник. Давайте розберемося як цей пристрій працює.

Створимо між стоком та витоком різницю потенціалів і подамо позитивний потенціал на затвор. Що тоді станеться? Правильно через польовий транзистор від стоку до витоку потече струм. Причому величина струму досить велика у тому, щоб “пробити” діелектрик. В результаті цього пробою частина електронів потрапить на затвор, що плаває. Негативно заряджений затвор, що плаває, створює електричне поле, яке починає перешкоджати протіканню струму в каналі, в результаті чого транзистор закривається. І якщо відключити живлення транзистора, електрони з плаваючого затвора нікуди не подінуться і його заряд залишиться незмінним на довгі роки.

Але, звичайно, є спосіб розрядити плаваючий затвор. Для цього треба лише подати на "основний" затвор напругу протилежного знака, яке і "зжене" всі електрони, внаслідок чого плаваючий затвор залишиться не зарядженим.

Власне так і відбувається зберігання інформації – якщо на затворі є негативний заряд, такий стан вважається логічною одиницею, і якщо заряду немає – це логічний нуль.

Зі збереженням інформації розібралися, залишилося зрозуміти як нам рахувати інформацію з транзистора з плаваючим затвором. А все дуже просто. За наявності заряду на плаваючому затворі електричне поле перешкоджає протіканню струму стоку. Допустимо за відсутності заряду ми могли подавати на "основний" затвор напруга +5В, і при цьому в ланцюзі стоку починав протікати струм. При зарядженому плаваючому затворі така напруга не зможе змусити струм текти, оскільки електричне поле затвора плаваючого буде йому заважати. І тут струм потече лише за напрузі +10В (наприклад =)). Таким чином, ми отримуємо два порогові значення напруги. І, подавши, наприклад +7.5В ми зможемо за наявністю чи відсутністю струму стоку зробити висновок про наявність чи відсутність заряду на плаваючому затворі. Ось так і відбувається зчитування збереженої інформації.

Як все це пов'язане із Flash-пам'яттю? А дуже просто – польовий транзистор з плаваючим затвором є мінімальним осередком пам'яті, здатним зберегти один біт інформації. І будь-яка мікросхема пам'яті складається з величезної кількості розташованих певним чином транзисторів. І ось тепер настав час розглянути основні типи Flash-пам'яті. А саме я хотів би обговорити NOR і NAND пам'ять.

Обидва ці типи пам'яті побудовані з урахуванням транзисторів з плаваючим затвором, яким ми сьогодні приділили чимало часу) А принципова відмінність у тому, як з'єднані ці транзистори.

Конструкція NOR використовує двовимірну таблицю провідників. Провідники називають лінією бітів та лінією слів. Усі стоки транзисторів підключаються до лінії бітів, проте затвори до лінії слів. Розглянемо приклад для кращого розуміння.

Нехай нам треба рахувати інформацію з якогось конкретного осередку. Цей осередок, а точніше цей конкретний транзистор, підключений затвором на одну з ліній слів, а стоком на одну з ліній бітів. Тоді ми просто подаємо граничну напругу на лінію слів, що відповідає затвору нашого транзистора і зчитуємо його стан як у тому прикладі, що ми розглянули трохи вище для одного осередку.

З NAND дещо складніше. Якщо повертатися до аналогії з масивом, то осередки NAND-пам'яті є тривимірним масивом. Тобто до кожної лінії бітів підключено не одну, а відразу кілька транзисторів, що в результаті призводить до зменшення кількості провідників і збільшення компактності. Це якраз і є однією з головних переваг NAND-пам'яті. Але як нам вважати стан певного транзистора за такої структури? Для розуміння процесу розглянемо схему:

Як видно із схеми, одна лінія бітів відповідає кільком осередкам. І важливою особливістю є таке: якщо хоча б один із транзисторів закритий, то на лінії бітів буде висока напруга. Ось дивіться:

Справді, низький рівень лінії бітів буде лише тоді, коли весь ланцюжок транзисторів виявиться відкритим (згадуємо курс, присвячений польовим транзисторам 😉).

З цим начебто зрозуміло, повертаємось до нашого питання – як же рахувати стан конкретного транзистора? А для цього недостатньо просто подати на лінію слів (на затвор транзистора) граничну напругу та стежити за сигналом на лінії бітів. Потрібно ще щоб всі інші транзистори були у відкритому стані. А робиться це так – на затвор нашого транзистора, стан якого нам треба вважати, подається порогова напруга (як і у випадку з NOR-пам'яттю), а на затвори решти всіх транзисторів у цьому ланцюжку подається підвищена напруга, така щоб незалежно від стану плаваючого затвора транзистор відкрився. І тоді вважавши сигнал з лінії бітів ми дізнаємося в якому стані транзистор, що цікавить нас (адже всі інші абсолютно точно відкриті). От і все)

Така ось вийшла статейка сьогодні) Розібралися ми з принципом роботи та основними типами Flash, а також з пристроєм та принципом роботи NAND та NOR-пам'яті. Сподіваюся, що стаття виявиться корисною та зрозумілою, до швидких зустрічей!

На сьогодні виробники випускають накопичувачі на флеш-пам'яті кількох типів: це карти Compact Flash, SmartMedia, MultiMedia Card, SecureDigital Card, Memory Stick та USB-ключі.

ATAFlash. Першими накопичувачами на флеш-пам'яті, що з'явилися на ринку, були карти ATA Flash . Ці накопичувачі виготовляються у вигляді стандартних карток PC Card . Крім мікросхем флеш-пам'яті, в них встановлюється АТА-контролер, і при роботі вони емулюють звичайний. IDE -Диск. Інтерфейс цих карток паралельний. Карти ATA Flash не набули широкого поширення і в даний час використовуються вкрай рідко.

CompactFlash. Карти Compact Flash (CF ) були запропоновані компанією SanDisk як більш компактна і зручна в роботі альтернатива картам ATA Flash . Тому розробники стандарту CF передбачили можливість роботи цих карт як пристроїв PC Card або як IDE -пристроїв. У першому випадку карти працюють як звичайні PC Card пристрої та їх інтерфейс «перетворюється» на шину PC Card . У другому – як жорсткі IDE -Диски та їх інтерфейс працює як АТА-шина.

Карти CF вперше з'явилися 1994 р. Усі карти цього мають 50-контактный паралельний інтерфейс. До речі, існують карти CF двох типів - Туре I та Турі II . Карти типу Туре II на два міліметри товщі і з'явилися тільки тому, що раніше корпусу карт Туре I не дозволяли розмістити всередині флеш-пам'ять великого обсягу для виготовлення містких носіїв CF . В даний час такої необхідності немає і карти Туре II поступово йдуть із ринку. Зазначимо, що у накопичувачі для карт Туре II можна встановлювати карти Туре I , тоді як протилежне неможливе.

Серед флеш-карток безперечним лідером за продуктивністю була CF-карта Transcend Ultra Performance 25 x CompactFlash 256 Мбайт, яку можна по праву вважати еталоном скорострільності сучасних флеш-накопичувачів. Швидкість послідовного/випадкового запису цієї флеш-карти досягає 3.6/0.8 Мбайт/с, швидкість читання - 4,0/3,7 Мбайт/с.

Швидкість роботи CF -Карт сповільнюється зі збільшенням обсягу, що добре видно на прикладі флеш-карт512 Мбайт. Дворазове зростання ємності призводить до зниження продуктивності на 30%. за винятком швидкості випадкового запису, який зріс у 2.5 рази, - це виглядає досить дивно і несподівано.

Швидкісні характеристики CF -Карт так само сильно залежать від виробника. У Kingston CompactFlash 256 Мбайт – низька швидкість запису (послідовний/випадковий запис – 1.4/0.3 Мбайт/с), але за швидкістю читання вона була лідером (4.4/3,8 Мбайт/с). Карта PQI Hi - Speed ​​Compact Flash 256 Мбайт продемонструвала середню продуктивність обох випадках: запис - 2.1/0.7 Мбайт/с, читання - 3.8/3,3 Мбайт/с. Карти SanDisk CompactFlash 256 Мбайт та SanDisk CompactFlash 512 Мбайт працювали дуже повільно: запис - 1,1/0,2 та 0,9/0,5 Мбайт/с, читання - 2,3/2,1 та 1,8/1,7 Мбайт/с. А карта256 Мбайт записувала та зчитувала дані однаково добре.

Якщо порівнювати CF -Карти з накопичувачами інших типів, то виявиться, що флеш-пам'ять - зовсім на така повільна, як це прийнято вважати! За продуктивністю найшвидші зразки флеш-пам'яті (як зразок візьмемо карту Transcend Ultra Performance 25х CompactFlash 256 Мбайт) можна порівняти з Iomega Zip 750 Мбайт, а за швидкістю послідовного запису навіть обганяють цей накопичувач більш ніж в 1,5 рази! За швидкістю послідовного запису флеш-пам'ять обганяє диски CD-RW у 2 рази, за швидкістю послідовного читання - на 10%! Флеш-пам'ять виграє у МО-дисків за швидкістю послідовного запису - у 2 рази - і випадкового читання - на 10%, проте відстає за швидкістю послідовного читання та випадкового запису - на 20%. Флеш-пам'ять відстає за швидкістю послідовного запису від DVD -дисків (при "пропалюванні" в режимі 4х) - в 1,4 рази.

Зазначимо, що якщо CF -Карта використовується в цифровій фотокамері, то для неї в першу чергу важлива швидкість послідовноюзаписи - що вона вище, тим швидше фотокамера повернеться у робочий стан після «захоплення» кадру та «скидання» його на флеш-карту. Втім, швидкість читання CF -Карти в цьому випадку теж важлива, правда, не так критична - чим швидше зчитуються дані, тим швидше буде працювати фотокамера в режимі перегляду знятого матеріалу.

SmartMedia . Конструкція карт SmartMedia (SM ) надзвичайно проста. У карті SM немає вбудованого контролера інтерфейсу і по суті – це одна чи дві мікросхеми флеш-пам'яті, «упаковані» у пластиковий кожух. Стандарт SM був розроблений компаніями Toshiba та Samsung 1995 р. Інтерфейс карт SM - Паралельний, 22-контактний, але з них для передачі даних використовується лише вісім ліній.

MultiMedia Card . Карти Multi - Media Card (MMC ) мають 7-контактний послідовний інтерфейс, який може працювати на частоті до 20 МГц. Усередині пластикового корпусу карти розміщується мікросхема флеш-пам'яті та контролер ММС-інтерфейсу. Стандарт ММС запропонований 1997 р. компаніями Hitachi, SanDisk та Siemens.

SecureDigital Card . SecureDigi - Tal Card (SD ) - наймолодший стандарт флеш-карт: він був розроблений у 2000 р. компаніями Matsushita, SanDisk та Toshiba. Фактично SD - це розвиток стандарту ММС, тому карти ММС можна встановлювати в накопичувачі SD (Зворотне буде неправильним). Інтерфейс SD - 9-контактний, послідовно-паралельний (дані можуть передаватися по одній,двом або чотирьом лініям одночасно), працює на частоті до 25 МГц. Карти SD оснащуються пе вимикачем для захисту вмісту від запису (стандартом також передбачена модифікація без такого перемикача).

USB -Флеш-пам'ять. USB-флеш-пам'ять (USB -Пам'ять) - абсолютно новий тип носіїв на флеш-пам'яті, що з'явився на ринку в 2001 р.формі USB -пам'ять нагадує брелок довгастої форми, що складається з двох половинок - захисного ковпачка і власне накопичувача з USB -роз'ємом (всередині нього розміщуються одна або дві мікросхеми флеш-пам'яті та USB-контролер).

Працювати з USB -Пам'яттю дуже зручно - для цього не потрібно ніяких додаткових пристроїв. Достатньо мати під рукою ПК під керуванням Windows з незайнятим USB -портом, щоб за пару хвилин «дістатись» до вмісту цього накопичувача. У найгіршому випадку вам доведеться встановити драйвери USB -Пам'яті, в кращому - нове USB -Устрій і логічний диск з'являться в системі автоматично. Можливо, що у майбутньому USB -пам'ять стане основним типом пристроїв для зберігання та перенесення невеликих обсягів даних.

Що ж стосується USB -Флеш-пам'яті, то це, безсумнівно, зручніше рішення для перенесення даних, ніж флеш-карти, - не потрібно додатковий флеш-накопичувач. Проте продуктивність протестованих накопичувачів цього типу - Transcend JetFlash 256 Мбайт та Transcend JetFlashA 256 Мбайт - обмежувалася низькою пропускною спроможністю інтерфейсу USB 1.1. тому їх показники у тестах на швидкість роботи були досить скромними. Якщо USB -Флеш-пам'ять оснастити швидким інтерфейсом USB 2.0, то по «швидкострельності» ці накопичувачі, звичайно, не поступляться кращим флеш-карт.

Цікаво відзначити, що за швидкістю послідовного запису флеш-пам'ять перевершує Iomega Zip 750, диски CD-RW і МО-носії і поступається тільки DVD -Дискам. Це вкотре наголошує, що розробники флеш-пам'яті насамперед прагнули збільшити швидкість послідовноюзаписи, оскільки флеш-пам'ять спочатку призначена для використання у цифрових фотокамерах, де насамперед важливий цей показник.

У результаті можна зробити висновок, що флеш-пам'ять - безперечний лідер з надійності, мобільності та енергоспоживання серед накопичувачів невеликої та середньої ємності, що має до того ж непогану швидкодію та достатній обсяг (на сьогодні на ринку вже доступні флеш-карти ємністю до 2 Гбайт). Безперечно, це дуже перспективний тип, проте їх широке використання поки що стримується високими цінами.

Ні для кого не секрет, що в сучасному світі одним з найбільш актуальних товарів є інформація. А її, як і будь-який інший товар, необхідно зберігати та передавати. Для цієї мети були створені портативні пристрої, що запам'ятовують. Нещодавно таку роль виконували дискети та компакт-диски, здатні запам'ятовувати дуже малу кількість інформації при великих габаритах. З розвитком обчислювальної техніки, носії інформації поступово зменшувалися в розмірах, але обсяг даних, що зберігаються в них, багаторазово збільшувався. Це призвело до появи нового портативного пристрою - флеш-карти USB.

Флеш-пам'ять- особливий вид енергонезалежної, напівпровідникової пам'яті, що перезаписується.

Розглянемо докладніше: енергонезалежна - не вимагає додаткової енергії для зберігання даних (енергія потрібна тільки для запису), перезаписувана - допускає зміна (перезапис) даних, що зберігаються в ній, і напівпровідникова (твердотільна), тобто не містить механічно рухомих частин (як звичайні жорсткі ), побудована з урахуванням інтегральних мікросхем (IC-Chip).

Буквально у нас на очах флеш-пам'ять перетворилася з екзотичного та дорогого засобу зберігання даних на один із наймасовіших носіїв. Твердотільна пам'ять цього широко використовується в портативних плеєрах і кишенькових комп'ютерах, у фотоапаратах і мініатюрних накопичувачах "флеш-драйвах". Перші серійні зразки працювали з низькою швидкістю, проте сьогодні швидкість зчитування і запису даних на флеш-пам'ять дозволяє дивитися повноформатний фільм, що зберігається в мініатюрній мікросхемі, або запускати "важку" операційну систему класу Windows XP.

Завдяки низькому енергоспоживання, компактності, довговічності та відносно високій швидкодії, флеш-пам'ять ідеально підходить для використання як накопичувач у таких портативних пристроях, як: цифрові фото- та відео камери, стільникові телефони, портативні комп'ютери, MP3-плеєри, цифрові диктофони, та т.п.

Історія

Спочатку жорсткий жорсткий диск розроблявся для високошвидкісних серверів і використовувався у військових цілях, але як це зазвичай буває, згодом їх стали застосовувати і для цивільних комп'ютерів і серверів.

Виникло два класи пристроїв: в одному випадку жертвували ланцюгами стирання, отримуючи пам'ять високої щільності, а в іншому випадку робили повнофункціональний пристрій з меншою ємністю.

Відповідно, зусилля інженерів були спрямовані на вирішення проблеми щільності компонування ланцюгів стирання. Вони увінчалися успіхом винаходом інженера компанії Toshiba Фудзіо Масуокою у 1984 році. Фудзіо представив свою розробку на Міжнародному семінарі з електронних пристроїв (International Electron Devices Meeting), Сан-Франциско, Каліфорнії. Компанію Intel зацікавив даний винахід і через чотири роки 1988 року вона випустила перший комерційний флеш-процесор NOR-типу. NAND-архітектура флеш-пам'яті була анонсована через рік компанією Toshiba у 1989 році на Міжнародній конференції побудови твердотільних схем (International Solid-State Circuits Conference). У NAND-чіпа була більша швидкість запису і менше площа схеми.

Іноді стверджують, що назва Flash стосовно типу пам'яті перекладається як "спалах". Насправді, це не зовсім так. Одна з версій його появи говорить про те, що вперше в 1989-90 році компанія Toshiba використала слово Flash у контексті "швидкий, миттєвий" при описі своїх нових мікросхем. Взагалі, винахідником вважається Intel, що представила в 1988 флеш-пам'ять з архітектурою NOR.

Переваги флеш-карт USB над іншими накопичувачами очевидні:

    малі габарити,

    дуже легка вага,

    безшумність роботи,

    можливість перезапису,

    хороша стійкість до механічних впливів, на відміну від компакт-дисків і дискет (в 5-10 разів, що перевищують гранично допустимі для звичайних жорстких дисків),

    витримує серйозні перепади температури,

    відсутність рухливих елементів, що зводить споживання електроенергії до мінімуму,

    відсутність проблем із підключенням - USB виходи є практично в будь-якому комп'ютері,

    великий обсяг пам'яті,

    запис інформації в комірки пам'яті,

    термін зберігання інформації до 100 років.

    Flash-пам'ять споживає значно (приблизно 10-20 і більше разів) менше енергії під час роботи.

Також слід зазначити, що для роботи з USB флешкою ​​не потрібні будь-які сторонні програми, адаптери та інше. Розпізнавання пристрою відбувається автоматично.

Якщо записувати на флешку в день 10 разів, її вистачить приблизно на 30 років.

Принцип дії

Принцип роботи напівпровідникової технології флеш-пам'яті ґрунтується на зміні та реєстрації електричного заряду в ізольованій області (кишені) напівпровідникової структури.

Зміна заряду («запис» і «стирання») проводиться додатком між затвором та витоком великого потенціалу, щоб напруженість електричного поля в тонкому діелектрику між каналом транзистора та кишенею виявилася достатньою для виникнення тунельного ефекту. Для посилення ефекту тунелювання електронів у кишеню під час запису застосовується невелике прискорення електронів шляхом пропускання струму через канал польового транзистора.

Схематичне уявлення транзистора з плаваючим затвором.

Між керуючим затвором і каналом, яким струм тече від початку стоку, ми поміщаємо той самий плаваючий затвор, оточений тонким шаром діелектрика. В результаті, при протіканні струму через такий «модифікований» польовий транзистор частина електронів з високою енергією тунелюють крізь діелектрик і виявляються всередині затвора, що плаває. Зрозуміло, поки електрони тунелювали, бродили всередині цього затвора, вони втратили частину енергії і назад практично повернутися не можуть. SLC та MLC прилади

Розрізняють прилади в яких елементарна комірка зберігає один біт інформації та кілька. У однобітових осередках розрізняють лише два рівні заряду на плаваючому затворі. Такі осередки називають однорівневими (англ. single-level cell, SLC). У багатобітових осередках розрізняють більше рівнів заряду, їх називають багаторівневими (англ. multi-level cell, MLC). MLC-прилади дешевші та більш ємні ніж SLC-прилади, проте час доступу та кількість перезаписів гірша.

Аудіопам'ять

Природним розвитком ідеї MLC осередків була думка записати в комірку аналоговий сигнал. Найбільше застосування такі аналогові флеш-мікросхеми набули у відтворенні звуку. Такі мікросхеми набули широкого поширення у всіляких іграшках, звукових листівках тощо.

Nor флеш-пам'ять (nor flash memory)

Конструкція NORвикористовує класичну двовимірну матрицю провідників ("рядки" і "стовпці") в якій на перетині встановлено по одному осередку. У цьому провідник рядків підключався до стоку транзистора, а стовпців до другого затвору. Виток підключався до загальної для всіх підкладки. У такій конструкції було легко вважати стан конкретного транзистора, подавши позитивну напругу на один стовпець і один рядок.

В основі даного типу флеш-пам'яті лежить алгоритм АБО-НЕ (англ. NOR), так як в транзисторі з плаваючим затвором занадто мале напруга на затворі позначає одиницю. Цей тип транзистора і двох затворів: плаваючого і управляючого. Перший затвор повністю ізольований та має можливість утримувати електрони до десяти років. Осередок також складається зі стоку та витоку. При подачі напруги на затвор, що управляє, утворюється електричне поле і виникає так званий тунельний ефект. Більшість електронів переноситься (тунелює) через шар ізолятора і проникає на плаваючий затвор. Заряд на плаваючому затворі транзистора змінює «ширину» сток-витік та провідність каналу, що використовується під час читання. Запис і читання осередків дуже різняться в енергоспоживання: так, флеш-накопичувачі споживають більше струму при записі, ніж при читанні (споживається дуже мало енергії). Для видалення (стирання) даних на затвор, що управляє, подається досить висока негативна напруга, що призводить до зворотного ефекту (електрони з плаваючого затвора за допомогою тунельного ефекту переходять на джерело). У NOR-архітектурі існує необхідність підводити до кожного транзистора контакт, що збільшує розміри процесора. Ця проблема вирішується за допомогою нової NAND-архітектури.