Флэш-памяць. Цвёрдацельны назапашвальнік. Тыпы флэш-памяці. Карта памяці

Флэш-памяць ўяўляе сабой тып даўгавечнай памяці для кампутараў, у якой змесціва можна перапраграмаваць або выдаліць электрычным метадам. У параўнанні з Electrically Erasable Programmable Read Only Memory дзеянні над ёй можна выконваць у блоках, якія знаходзяцца ў розных месцах. Флэш-памяць каштуе нашмат менш, чым EEPROM, таму яна і стала дамінуючай тэхналогіяй. Асабліва ў сітуацыях, калі неабходна устойлівае і доўгі захаванне дадзеных. Яе прымяненне дапускаецца ў самых разнастайных выпадках: у лічбавыя аўдыяплэера, фота- і відэакамеры, мабільных тэлефонах і смартфонах, дзе існуюць спецыяльныя АНДРОІД-прыкладанні на карту памяці. Акрамя таго, выкарыстоўваецца яна і ў USB-флэшкі, традыцыйна прымяняюцца для захавання інфармацыі і яе перадачы паміж кампутарамі. Яна атрымала пэўную вядомасць у свеце геймераў, дзе яе часта задзейнічаюць у промах для захоўвання дадзеных па прагрэсе гульні.

агульнае апісанне

Флэш-памяць ўяўляе сабой такі тып, які здольны захоўваць інфармацыю на сваёй плаце доўгі час, не выкарыстоўваючы харчавання. У дадатак можна адзначыць найвышэйшую хуткасць доступу да дадзеных, а таксама лепшае супраціў да кінэтычную шоку ў параўнанні з вінчэстарамі. Менавіта дзякуючы такім характарыстыках яна стала настольна папулярнай для прыбораў, якія сілкуюцца ад батарэек і акумулятараў. Яшчэ адна бясспрэчная перавага складаецца ў тым, што калі флэш-памяць сціснутая ў суцэльную карту, яе практычна немагчыма разбурыць нейкімі стандартнымі фізічнымі спосабамі, таму яна вытрымлівае кіпячую ваду і высокі ціск.

Нізкаўзроўневы доступ да дадзеных

Спосаб доступу да дадзеных, якія знаходзяцца ў флэш-памяці, моцна адрозніваецца ад таго, што ўжываецца для звычайных відаў. Нізкаўзроўневы доступ ажыццяўляецца з дапамогай драйвера. Звычайная RAM адразу ж адказвае на заклікі чытання інфармацыі і яе запісу, вяртаючы вынікі такіх аперацый, а прылада флэш-памяці такое, што спатрэбіцца час на разважанні.

Прылада і прынцып працы

На дадзены момант распаўсюджаная флэш-памяць, якая створана на однотранзисторных элементах, якія маюць «плавае» затвор. Дзякуючы гэтаму атрымоўваецца забяспечыць вялікую шчыльнасць захоўвання дадзеных у параўнанні з дынамічнай АЗП, для якой патрабуецца пара транзістараў і конденсаторный элемент. На дадзены момант рынак мае шмат разнастайнымі тэхналогіямі пабудовы базавых элементаў для такога тыпу носьбітаў, якія распрацаваны лідыруюць вытворцамі. Адрознівае іх колькасць слаёў, метады запісу і пры спробе ачысціць інфармацыі, а таксама арганізацыя структуры, якая звычайна паказваецца ў назве.

На бягучы момант існуе пара тыпаў мікрасхем, якія распаўсюджаны больш за ўсё: NOR і NAND. У абодвух падлучэнне запамінальных транзістараў вырабляецца да разрадным шынам - паралельна і паслядоўна адпаведна. У першага тыпу памеры вочак даволі вялікія, і ёсць магчымасць для хуткага адвольнага доступу, што дазваляе выконваць праграмы прама з памяці. Другі характарызуецца меншымі памерамі вочак, а таксама хуткім паслядоўным доступам, што нашмат зручней пры неабходнасці пабудовы прылад блочнага тыпу, дзе будзе захоўвацца інфармацыя вялікага аб'ёму.

У большасці партатыўных прылад цвёрдацельны назапашвальнік выкарыстоўвае тып памяці NOR. Аднак цяпер усё больш папулярнымі становяцца прыстасаванні з інтэрфейсам USB. У іх прымяняецца памяць тыпу NAND. Паступова яна выцясняе першую.

Галоўная праблема - недаўгавечнасць

Першыя ўзоры флешек серыйнага вытворчасці не радавалі карыстальнікаў вялікімі хуткасцямі. Аднак цяпер хуткасць запісу і счытвання інфармацыі знаходзіцца на такім узроўні, што можна праглядаць поўнафарматны фільм альбо запускаць на кампутары аперацыйную сістэму. Шэраг вытворцаў ужо прадэманстраваў машыны, дзе вінчэстар заменены флэш-памяццю. Але ў гэтай тэхналогіі маецца вельмі істотны недахоп, які становіцца перашкодай для замены дадзеных носьбітам існуючых магнітных дыскаў. З-за асаблівасцяў прылады флэш-памяці яна дазваляе вырабляць сціранне і запіс інфармацыі абмежаваны лік цыклаў, якое з'яўляецца дасягальным нават для малых і партатыўных прылад, не кажучы пра тое, як часта гэта робіцца на кампутарах. Калі выкарыстаць гэты тып носьбіта як цвёрдацельны назапашвальнік на ПК, то вельмі хутка надыдзе крытычная сітуацыя.

Звязана гэта з тым, што такі назапашвальнік пабудаваны на ўласцівасці палявых транзістараў захоўваць у «плавае» засаўцы электрычны зарад, адсутнасць або наяўнасць якога ў транзістары разглядаецца ў якасці лагічнай адзінкі або за нуль у двайковай сістэме злічэння. Запіс і сціранне дадзеных у NAND-памяці вырабляюцца з дапамогай туннелированных электронаў метадам Фаулера-Нордхейм пры ўдзеле дыэлектрыка. Для гэтага не патрабуецца высокае напружанне, што дазваляе рабіць вочкі мінімальных памераў. Але менавіта гэты працэс прыводзіць да фізічнага зносу ячэек, так як электрычны ток у такім выпадку прымушае электроны пранікаць у затвор, пераадольваючы дыэлектрычны бар'ер. Аднак гарантаваны тэрмін захоўвання падобнай памяці складае дзесяць гадоў. Знос мікрасхемы адбываецца не з-за чытання інфармацыі, а з-за аперацый па яе сціранню і запісы, паколькі чытанне не патрабуе змены структуры вочак, а толькі прапускае электрычны ток.

Натуральна, вытворцы памяці вядуць актыўныя работы ў напрамку павелічэння тэрміну службы цвёрдацельных назапашвальнікаў дадзенага тыпу: яны скіраваныя да забеспячэння раўнамернасці працэсаў запісу / пры спробе ачысціць па вочках масіва, каб адны ня зношваліся больш за іншых. Для раўнамернага размеркавання нагрузкі пераважна выкарыстоўваюцца праграмныя шляху. Да прыкладу, для ліквідацыі падобнай з'явы ўжываецца тэхналогія «выраўноўвання зносу». Пры гэтым дадзеныя, часта падвяргаюцца зменам, перамяшчаюцца ў адрасную прастору флэш-памяці, таму запіс ажыццяўляецца па розных фізічным адрасах. Кожны кантролер абсталёўваецца уласным алгарытмам выраўноўвання, таму вельмі цяжка параўноўваць эфектыўнасць тых ці іншых мадэляў, так як не выдаюцца падрабязнасці рэалізацыі. Паколькі з кожным годам аб'ёмы флешек становяцца ўсё больш, неабходна ўжываць усе больш эфектыўныя алгарытмы працы, якія дазваляюць гарантаваць стабільнасць функцыянавання прылад.

ліквідацыю праблем

Адным з вельмі эфектыўных шляхоў барацьбы з паказаным з'явай стала рэзерваванне пэўнага аб'ёму памяці, за кошт якога забяспечваецца раўнамернасць нагрузкі і карэкцыя памылак пры дапамозе адмысловых алгарытмаў лагічнай пераадрасацыі для падмены фізічных блокаў, якія ўзнікаюць пры інтэнсіўнай працы з флэшкай. А для прадухілення страты інфармацыі ячэйкі, якія выйшлі са строю, блакуюцца або замяняюцца на рэзервовыя. Такое праграмнае размеркаванне блокаў дае магчымасць забеспячэння раўнамернасці нагрузкі, павялічыўшы колькасць цыклаў ў 3-5 разоў, аднак і гэтага мала.

Карта памяці і іншыя віды падобных назапашвальнікаў характарызуюцца тым, што ў іх службовую вобласць заносіцца табліца з файлавай сістэмай. Яна прадухіляе збоі чытання інфармацыі на лагічным узроўні, напрыклад, пры некарэктным адключэнні альбо пры раптоўным спыненні падачы электрычнай энергіі. А так як пры выкарыстанні зменных прылад сістэмай не прадугледжана кэшаванне, то частая перазапіс аказвае самае пагібельнае ўздзеянне на табліцу размяшчэння файлаў і змест каталогаў. І нават спецыяльныя праграмы для карт памяці не здольныя дапамагчы ў дадзенай сітуацыі. Да прыкладу, пры аднаразовым звароце карыстальнік перапісаў тысячу файлаў. І, здавалася б, толькі па адным разе ужыў для запісу блокі, дзе яны размешчаны. Але службовыя вобласці перапісваліся пры кожным з абнаўленняў любога файла, то ёсць табліцы размяшчэння прайшлі гэтую працэдуру тысячу разоў. Па названай прычыне ў першую чаргу выйдуць са строю блокі, займаныя менавіта гэтымі дадзенымі. Тэхналогія «выраўноўвання зносу» працуе і з такімі блокамі, але эфектыўнасць яе вельмі абмежаваная. І тут не важна, які вы карыстаецеся кампутар, флешка выйдзе з ладу роўна тады, калі гэта прадугледжана стваральнікам.

Варта адзначыць, што павелічэнне ёмістасці мікрасхем падобных прылад прывяло толькі да таго, што агульная колькасць цыклаў запісу скарацілася, так як вочкі становяцца ўсё менш, таму патрабуецца ўсё менш і напружання для рассейвання аксіднай перагародак, якія ізалююць «плавае затвор». І тут сітуацыя складваецца так, што з павелічэннем ёмістасці выкарыстоўваюцца прыстасаванняў праблема іх надзейнасці стала пагаршацца ўсё мацней, а class карты памяці зараз залежыць ад шматлікіх фактараў. Надзейнасць працы падобнага рашэння вызначаецца яго тэхнічнымі асаблівасцямі, а таксама сітуацыяй на рынку, якая склалася на дадзены момант. З-за жорсткай канкурэнцыі вытворцы вымушаныя зніжаць сабекошт прадукцыі любым шляхам. У тым ліку і дзякуючы спрашчэнні канструкцыі, выкарыстанню камплектуючых з больш таннага набору, паслаблення кантролю за вырабам і іншымі спосабамі. Да прыкладу, карта памяці "Самсунг" будзе каштаваць даражэй менш вядомых аналагаў, але яе надзейнасць выклікае значна менш пытанняў. Але і тут складана казаць аб поўнай адсутнасці праблем, а ўжо ад прылад зусім невядомых вытворцаў складана чакаць чагосьці большага.

перспектывы развіцця

Пры наяўнасці відавочных добрых якасцяў маецца цэлы шэраг недахопаў, якімі характарызуецца SD-карта памяці, якія перашкаджаюць далейшаму пашырэнню яе вобласці прымянення. Менавіта таму вядуцца пастаянныя пошукі альтэрнатыўных рашэнняў у дадзенай галіне. Вядома, у першую чаргу імкнуцца ўдасканальваць ужо існуючыя тыпы флэш-памяці, што не прывядзе да нейкіх прынцыповых зменаў у наяўным працэсе вытворчасці. Таму не варта сумнявацца толькі ў адным: фірмы, занятыя вырабам гэтых відаў назапашвальнікаў, будуць старацца выкарыстоўваць увесь свой патэнцыял, перад тым як перайсці на іншы тып, працягваючы ўдасканальваць традыцыйную тэхналогію. Да прыкладу, карта памяці Sony выпускаецца на дадзены момант у шырокім дыяпазоне аб'ёмаў, таму мяркуецца, што яна і будзе працягваць актыўна распрадавацца.

Аднак на сённяшні дзень на парозе прамысловай рэалізацыі знаходзіцца цэлы комплекс тэхналогій альтэрнатыўнага захоўвання дадзеных, частка з якіх можна ўкараніць адразу ж пры наступе спрыяльнай рынкавай сітуацыі.

Ferroelectric RAM (FRAM)

Тэхналогія ферроэлектрического прынцыпу захоўвання інфармацыі (Ferroelectric RAM, FRAM) прапануецца з мэтай нарошчвання патэнцыялу энерганезалежнай памяці. Прынята лічыць, што механізм работы наяўных тэхналогій, які складаецца ў перазапісу дадзеных у працэсе счытвання пры ўсіх перайначанай базавых кампанентаў, прыводзіць да вызначанага стрымліванні хуткаснага патэнцыялу прылад. А FRAM - гэта памяць, якая характарызуецца прастатой, высокай надзейнасцю і хуткасцю ў эксплуатацыі. Гэтыя ўласцівасці зараз характэрныя для DRAM - энерганезалежнай аператыўнай памяці, якая існуе на дадзены момант. Але тут дадасца яшчэ і магчымасць працяглага захоўвання дадзеных, якой характарызуецца SD карта памяці. Сярод вартасцяў падобнай тэхналогіі можна вылучыць стойкасць да розных відах пранікальных выпраменьванняў, што можа апынуцца запатрабаваным у спецыяльных прыборах, якія выкарыстоўваюцца для працы ва ўмовах павышаную радыеактыўнасць альбо ў даследаваннях космасу. Механізм захоўвання інфармацыі тут рэалізуецца за кошт прымянення сегнетаэлектрычных эфекту. Ён мае на ўвазе, што матэрыял здольны захоўваць палярызацыю ва ўмовах адсутнасці вонкавага электрычнага поля. Кожная вочка памяці FRAM фарміруецца за кошт размяшчэння звыштонкага плёнкі з сегнетаэлектрычных матэрыялу ў выглядзе крышталяў паміж парай плоскіх металічных электродаў, якія фарміруюць кандэнсатар. Дадзеныя ў гэтым выпадку захоўваюцца ўнутры крышталічнай структуры. А гэта прадухіляе эфект ўцечкі зарада, які становіцца прычынай страты інфармацыі. Дадзеныя ў FRAM-памяці захоўваюцца нават пры адключэнні напружання харчавання.

Magnetic RAM (MRAM)

Яшчэ адным тыпам памяці, які на сённяшні дзень лічыцца вельмі перспектыўным, з'яўляецца MRAM. Ён характарызуецца даволі высокімі хуткаснымі паказчыкамі і энерганезалежнай. Элементарнай ячэйкай у дадзеным выпадку служыць тонкая магнітная плёнка, размешчаная на крамянёвай падкладцы. MRAM ўяўляе сабой статычную памяць. Яна не мае патрэбы ў перыядычным перазапісу, а інфармацыя не будзе страчаная пры выключэнні харчавання. На дадзены момант большасць спецыялістаў сыходзіцца ў меркаванні, што гэты тып памяці можна назваць тэхналогіяй наступнага пакалення, так як існы прататып дэманструе даволі высокія хуткасныя паказчыкі. Яшчэ адной добрай якасцю такога рашэння з'яўляецца невысокі кошт чыпаў. Флэш-памяць вырабляецца ў адпаведнасці са спецыялізаваным КМОП-працэсам. А мікрасхемы MRAM могуць вырабляцца па стандартным тэхналагічнаму працэсу. Прычым матэрыяламі могуць паслужыць тыя, што выкарыстоўваюцца ў звычайных магнітных носьбітах. Вырабляць буйныя партыі падобных мікрасхем значна танней, чым усіх астатніх. Важная ўласцівасць MRAM-памяці складаецца ў магчымасці імгненнага ўключэння. А гэта асабліва каштоўна для мабільных прылад. Бо ў гэтым тыпе значэнне ячэйкі вызначаецца магнітным зарадам, а не электрычным, як у традыцыйнай флэш-памяці.

Ovonic Unified Memory (OUM)

Яшчэ адзін тып памяці, над якім актыўна працуюць шматлікія кампаніі, - гэта цвёрдацельны назапашвальнік на базе аморфных паўправаднікоў. У яго аснову закладзена тэхналогія фазавага пераходу, якая аналагічная прынцыпе запісу на звычайныя дыскі. Тут фазавае стан рэчыва ў электрычным полі мяняецца з крышталічнага на аморфнае. І гэта змена захоўваецца і пры адсутнасці напругі. Ад традыцыйных аптычных дыскаў такія прылады адрозніваюцца тым, што нагрэў адбываецца за кошт дзеяння электрычнага току, а не лазера. Счытванне ў дадзеным выпадку ажыццяўляецца за кошт розніцы ў адлюстроўвае здольнасці рэчывы ў розных станах, якая ўспрымаецца датчыкам дыскавода. Тэарэтычна падобнае рашэнне валодае высокай шчыльнасцю захоўвання дадзеных і максімальнай надзейнасцю, а таксама павышаным хуткадзейнасцю. Высокі тут паказчык максімальнага ліку цыклаў перазапісу, для чаго выкарыстоўваецца кампутар, флешка ў гэтым выпадку адстае на некалькі парадкаў.

Chalcogenide RAM (CRAM) і Phase Change Memory (PRAM)

Гэтая тэхналогія таксама грунтуецца на аснове фазавых пераходаў, калі ў адной фазе рэчыва, якое выкарыстоўваецца ў носьбіце, выступае ў якасці які не праводзіць аморфнага матэрыялу, а ў другой служыць крышталічным правадніком. Пераход запаміналі ячэйкі з аднаго стану ў іншы ажыццяўляецца за кошт электрычных палёў і нагрэву. Такія чыпы характарызуюцца ўстойлівасцю да іянізавальнага выпраменьвання.

Information-Multilayered Imprinted CArd (Info-MICA)

Праца прылад, пабудаваных на базе такой тэхналогіі, ажыццяўляецца па прынцыпе тонкаплёнкавай галаграфіі. Інфармацыя запісваецца так: спачатку фармуецца двухмерных вобраз, які перадаецца ў галаграму па тэхналогіі CGH. Счытванне дадзеных адбываецца за кошт фіксацыі прамяня лазера на краі аднаго з запісваем слаёў, служачых аптычнымі хваляводамі. Святло распаўсюджваецца ўздоўж восі, якая размешчана паралельна плоскасці пласта, фарміруючы на выхадзе малюнак, якое адпавядае інфармацыі, запісанай раней. Пачатковыя дадзеныя могуць быць атрыманы ў любы момант дзякуючы алгарытму зваротнага кадавання.

Гэты тып памяці выгадна адрозніваецца ад паўправадніковай за кошт таго, што забяспечвае высокую шчыльнасць запісу, малое энергаспажыванне, а таксама нізкую кошт носьбіта, экалагічную бяспеку і абароненасць ад несанкцыянаванага выкарыстання. Але перазапісу інфармацыі такая карта памяці не дапускае, таму можа служыць толькі ў якасці доўгачасовага сховішчы, замены папяровага носьбіта небудзь альтэрнатывы аптычным дыскам для распаўсюджвання мультымедыйнага кантэнту.