Что такое флеш память
Привет, Гиктаймс! Все мы, в той или иной степени, пользуемся цифровой техникой, но далеко не каждый из нас задумывается о том, благодаря чему эта техника работает именно так, а не иначе. В этой статье я расскажу о неотъемлемой части практически любого устройства – о флеш-памяти. Этот компонент используется везде, где только можно: мы сталкиваемся с флеш-памятью сотни раз на день, сами о том не догадываясь. Флеш-память применяется как в портативных гаджетах (ноутбуки, смартфоны, плееры, часы), так и в стационарной электронике (телевизоры, ПК, мониторы и даже стиральные машины). Но если спросить обычного человека о флеш-памяти, первым делом он назовет самые очевидные вещи: SD- и microSD-карты памяти, флешки и тому подобные вещи. На самом деле, она является конкурентом традиционных жестких дисков (HDD), и полноценные твердотельные накопители на ее основе (SSD) появились относительно недавно – во второй половине 90-х годов (да и то, до конца 2000-х их вытесняли вышеупомянутые жесткие диски на магнитных пластинах, а массовую популярность SSD приобрели и вовсе, только в 2012 году.
Заключение
Подводя итоги, хочу отметить, в данной статье мы с вами:
- Узнали, что такое SSD.
- Дали определение флеш-памяти и выяснили какие бывают архитектуры (NOR, NAND).
- Разобрались, почему именно NAND архитектура лучше подходит для SSD-накопителей.
- Нашли отличия между типами ячеек NAND памяти (SLC, MLC, TLC, QLC).
- Сравнили несколько продуктов компании Innodisk, определили какие типы ячеек обладают наибольшей выносливость и надежностью, а какие доступной ценой.
- Определили, что такое форм-фактор и какие используются в современных промышленных ПК.
- На примере SSD от компании Innodisk разобрали, какие серии продукции существуют и для каких задач они лучше подходят.
Надеюсь, изложенный материал оказался полезным и вам стало проще ориентироваться в мире промышленных накопителей на основе флеш-памяти.
Привет, Geektimes! Мы часто рассказываем о преимуществах SSD, развенчиваем мифы о твердотельных накопителях, вот недавно даже на производстве побывали. А как же, собственно, работает флэш-память? В чем отличие между разными типами NAND? Всех желающих разобраться в этих вопросах милости просим под кат.
Принцип действия
Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками (англ. cell ). В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками (англ. single-level cell, SLC ), каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками (англ. multi-level cell, MLC ) могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.
В основе этого типа флеш-памяти лежит ИЛИ‑НЕ элемент (англ. NOR ), потому что в транзисторе с плавающим затвором низкое напряжение на затворе обозначает единицу.
Транзистор имеет два затвора: управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут пребывать. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении.
Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы.
Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.
В NOR архитектуре к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND архитектуры.
В основе NAND типа лежит И-НЕ элемент (англ. NAND ). Принцип работы такой же, от NOR типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND чипа может быть существенно меньше. Так же запись и стирание происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.
NAND и NOR архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных.
microSD: навстречу мобильной стихии
В 2000-х годах вслед за бурным развитием мобильных технологий пришла потребность в большем количестве памяти. По аналогии с компьютерным миром, в мобильных гаджетах и прочих портативных девайсах (от GPS-навигатора до наушников) стали использоваться microSD-карты. Этот формат популярен и сегодня, а его характеристики при в 4 раза меньшем физическом размере, чем у SD-накопителей, ничем не хуже аналогичных показателей взрослых карточек памяти. Также проводя параллели с SD-картами существуют microSDHC- и microSDXC-форматы, предлагающие аналогичные объемы вмещаемой информации.
На заре становления мобильной эпохи достаточно часто можно было встретить и следующие не пользующиеся сегодня особым спросом форматы: Compact Flash (1994, отличался самой высокой на тот момент скоростью передачи данных – до 90 МБ/с), Memory Stick (1998, максимальный объем был равен 128 МБ), Memory Stick Pro (анонсирован в 2003м, максимальный объем до 4 ГБ, Memory Stick Duo (2003, первые карты были равны половине обычных MS), Memory Stick Pro Duo (2006, карты достигали объема в 32 ГБ), Memory Stick HG-Duo (2008, формат стал последней итерацией MS Duo-карт).
История
Флеш-память была изобретена Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в 1984 году. Имя «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Сёдзи Ариизуми (Shoji Ariizumi), потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash ). Масуока представил свою разработку на IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния. 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.
NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference. У него была больше скорость записи и меньше площадь чипа.
На конец 2008 года, лидерами по производству флеш-памяти являются Samsung (31% рынка) и Toshiba (19% рынка, включая совместные заводы с Sandisk). (Данные согласно iSupply на Q4'2008). Стандартизацией чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0 [2] , выпущенная 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND чипов: Hynix и Micron Technology. [3]
Файловые системы
Основное слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что ОС часто записывает данные в одно и то же место. Например, часто обновляется таблица файловой системы, так что первые сектора памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволяет существенно продлить срок работы памяти.
Для решения этой проблемы были созданы специальные файловые системы: JFFS2 [7] и YAFFS [8] для GNU/Linux и Microsoft Windows.
SecureDigital и FAT.
Содержание
Архитектуры NOR и NAND
Существуют две архитектуры флеш-памяти - NOR и NAND различающиеся, в первую очередь, по методу соединения ячеек памяти. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, которые и определяют сферы применения каждой технологии.
Память NOR , названная так в честь особой разметки данных (Not OR – логическое НЕ-ИЛИ). Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке.
Благодаря такой компоновке, NOR предоставляет возможность высокоскоростного, случайного доступа к информации, и обладает способностью записывать и считывать данные в определенном участке без необходимости обращаться к памяти последовательно. В отличие от NAND памяти, память NOR позволяет обращаться к данным размером до одного байта.
Технология NOR выигрывает в ситуациях, когда данные случайным образом записываются или читаются. Поэтому NOR чаще используется как память программ микропроцессоров, например, память BIOS персонального компьютера, память для хранения небольших вспомогательных данных, или память сотовых телефонов и планшетов для хранения операционной системы.
Память NAND названа в честь особой разметки данных (Not AND – логическое НЕ-И). В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одной ячейки (транзистора) в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек.
NAND память записывает и считывает данные с высокой скоростью, в режиме последовательного чтения, упорядочивая данные в небольшие блоки, страницы. Память NAND может считывать и записывать информацию постранично, но в отличии от NOR не может обращаться к конкретному байту.
Цена на SSD-накопителя с использованием NAND архитектуры меньше NOR и микросхемы NAND обладают большей плотностью информации на матрицу. NAND архитектуру обычно используют в SSD, USB-накопителях, картах памяти, в мобильных телефонах для хранения пользовательской информации, и других устройствах, в которых данные записываются последовательно.
Для нас наибольший интерес представляет именно NAND архитектура, применяемая при производстве большинства современных твердотельных накопителей.
Ячейки памяти
Существуют устройства, в которых элементарная ячейка хранит один, два, три или четыре бита информации. Физически все четыре типа ячеек NAND-памяти состоят из одинаковых транзисторов. Отличается только количество хранимого ячейкой памяти заряда.
В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми ( single-level cell, SLC ). SLC память имеет самую высокую цену, высокую производительность, низкое энергопотребление, наибольшую скорость записи и количество циклов Program/Erase.
В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми ( multi-level cell, MLC ). MLC-устройства дешевле и более ёмки, чем SLC-устройства, однако имеют более высокое время доступа и примерно на порядок меньшее максимальное количество перезаписей. Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита) на каждую ячейку.
Более дешёвую в пересчёте на объём память с 8 уровнями (3 бита) называют TLC ( Triple Level Cell ). TLC также отстает от SLC и MLC по скорости чтения и записи и ресурсу в циклах Program/Erase.
Существуют также устройства с 16 уровнями на ячейку (4 бита), QLC ( quad-level cell ). QLC является самой доступной по стоимости хранения 1 ГБ данных, приближаясь по данному параметру к традиционным жестким дискам.
На сегодняшний день многоуровневая память доминирует на рынке. Тем не менее, SLC-изделия, несмотря на многократно меньшую ёмкость и высокую стоимость, продолжают разрабатываться и выпускаться для особо ответственных применений.
Форм-фактор
Подбор любого устройства хранения данных начинается с определения слота и разъема, в который это устройство будет установлено. На сегодняшний день на рынке доступно множество форм-факторов и интерфейсов для подключения накопителей на основе флеш-памяти. Самым распространённым, пожалуй, является форм-фактор 2.5 дюйма c интерфейсом подключения SATA третьего поколения. Разъем 2.5” SATA есть практически в каждом современном персональном компьютере или ноутбуке и является универсальным, как для установки классического жесткого диска, так и для установки твердотельного накопителя на основе флеш-памяти.
Второе поколение NAND - 3D NAND
Причиной возникновения второго поколения NAND стало стремление производителей снизить стоимость изготовления флэш-памяти в условиях, когда техпроцесс приблизился к 10 нанометрам и дальнейшее уменьшение кристалла по осям X и Y стало невозможным.
Отличительной особенностью новой NAND архитектуры является вертикальная компоновка блока ячеек на кристалле, благодаря чему добавилась еще одна ось – вертикальная ось Z. Наложение ячеек производится слоями, в результате каждый кристалл имеет многослойную 3D структуру.
Такая вертикальная структура обеспечила прорыв в плотности флеш-памяти. Появление вертикальной оси сняло зависимость от других осей, благодаря чему необходимость в уменьшении кристалла пропала, и многие производители вернулись к техпроцессу 30 нанометров, что в итоге привело к снижению стоимости выпускаемой продукции.
Типы карт памяти
Существуют несколько типов карт памяти, используемых в портативных устройствах:
MMC (MultiMedia Card): карточка в формате MMC имеет небольшой размер — 24×32×1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.
RS-MMC (Reduced Size MultiMedia Card): карта памяти, которая вдвое короче стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24×18×1,4 мм, а вес — около 6 г, все остальные характеристики не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер. DV-RS-MMC (Dual Voltage Reduced Size MultiMedia Card): карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24×18×1,4 мм. MMCmicro: миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14×12×1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать переходник.
SD Card (Secure Digital Card): поддерживается фирмами Panasonic и SD (Trans-Flash) и SDHC (High Capacity): Старые карты SD так называемые Trans-Flash и новые SDHC (High Capacity) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 2 ГБ для Trans-Flash и 32 ГБ для High Capacity (Высокой Ёмкости). Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SDTF, то есть SDTF карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SDTF увидится только 2 ГБ от ёмкости SDHC большей ёмкости, либо не будет читаться вовсе. Предполагается, что формат TransFlash будет полностью вытеснен форматом SDHC. Оба суб-формата могут быть представлены в любом из трёх форматов физ. размеров (Стандартный, mini и micro). miniSD (Mini Secure Digital Card): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5×20×1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер. microSD (Micro Secure Digital Card): являются на настоящий момент (2008) самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11×15×1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах, и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD.
MS Duo (Memory Stick Duo): данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией MS Duo (Memory Stick Duo): Данный формат является конкурентом формата microSD (по аналогичному размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.
xD-Picture Card: используются в цифровых фотоаппаратах фирм Fuji и некоторых других.
Немного теории
Возможно, так бы мы с вами и довольствовались «очень» быстрыми HDD (как говорил Генри Форд: «если бы я спросил у людей, что они хотят, они бы попросили меня создать быстрых лошадей»), однако производители накопителей, среди которых и ваш покорный слуга, благо не стоят на месте. Появились SSD (Solid-state drives или твердотельные накопители), где информация хранится не на вращающихся дисках, а при помощи флэш-памяти NAND. На ней мы и остановимся подробно.
В случае с NAND информация хранится в массиве ячеек памяти — это транзисторы с плавающим затвором (Floating Gate). В зависимости от направления напряжения происходит перемещение электронов между Control Gate (управляющим затвором) и каналом NAND.
Как только на управляющий затвор подается напряжение, электроны начинают притягиваться вверх — полученное электрическое поле помогает им достичь плавающего затвора, преодолев при этом препятствие из оксида. Последний выступает в качестве изолятора, так как именно благодаря нему электроны не двигаются дальше плавающего затвора. Так происходит программирование ячейки.
Процесс стирания ячейки выглядит с точностью наоборот — напряжение подается на канал, электроны перемещаются от плавающего затвора через оксид обратно посредством заземления управляющего затвора.
Ячейка с одним транзистором работает следующим образом. В зависимости от наличия или отсутствия заряда на плавающем затворе определяется состояние транзистора — открыт он или закрыт. При рассмотрении подачи напряжения на управляющий затвор в качестве инициализации ячейки памяти можно судить о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе по напряжению между истоком и стоком. Если на плавающий затвор поместить электрон и подать напряжение на управляющий затвор, транзистор будет закрыт. Получим ячейку памяти, которая способна хранить один бит. При использовании метода инжекции горячих электронов происходит подача напряжения на сток и управляющий затвор, что приводит к движению электронов сквозь барьер.
Ячейка с двумя транзисторами представляет собой модификацию однотранзисторной. В этом случае транзистор (обычный) изолирует битовую линию от транзистора с плавающим затвором.
Удаление заряда с плавающего затвора происходит при помощи подачи отрицательного напряжения на управляющий затвор (на исток — положительное напряжение). В результате имеем туннелирование Фаулера — Нордхейма: электроны перемещаются (туннелируют) из области плавающего затвора в исток.
Цикл перезаписи. Прежде, чем программировать новую ячейку с новыми электронами, необходимо сначала очистить старые. На практике большинству пользователей не приходится обращать внимание на количество циклов перезаписи, поскольку ресурса SSD запросто хватает на любые объемы записываемых данных. Правда, попадаются и досадные исключения, но на то и нужна гарантия от производителя.
В твердотельных накопителях флэш-память состоит из блоков, а последние — состоят из страниц. Запись информации осуществляется именно в эти страницы, а для обновления данных недостаточно просто перезаписать неактуальные страницы. Так что сперва данные перемещаются из старых страниц в новые, затем отправляются в другой блок, и только после этого происходит стирание блока с неактуальными данными. Как только блок будет стерт, он будет свободен для записи новых данных. Такой вот хитрый процесс — в визуальном формате он кажется гораздо более понятным.
Очевидно, отсутствие движущихся дисков (да и вообще подвижных частей) — одно из главных преимуществ SSD над жесткими дисками, и именно это дает твердотельным накопителям работать на скоростях, заметно превосходящих HDD. Для наглядности — вот сводная таблица по времени задержки различных типов NAND и HDD.
SLC, MLC, TLC — не просто аббревиатуры, они обозначают количество бит в каждой ячейке. Для SLC (Single) это один бит, для MLC (Multi) — два бита, для TLC (Triple) — соответственно, три бита. За счет этого MLC хранит в два раза больше информации, чем SLC, и это при том, что количество ячеек то же самое. В целом, принцип работы у этих типов NAND одинаковый, что нельзя сказать о выносливости.
В течение определенного времени физическая структура ячеек может быть подвержена износу за счет уменьшения слоя оксида, вызванного активностью электронов. Как результат — электроны накапливают отрицательный заряд и застревают, подается более высокое напряжение, слой оксида опять уменьшается. Такой вот замкнутый круг получается.
SLC, MLC и TLC отличаются по выносливости. Если, к примеру, взять кристалл NAND плотностью 16 Гбит, получим SLC 16 Гбит при том, что в каждой ячейке один бит. Соответственно, для MLC это будет 32 Гбит, а для TLC — 48 Гбит. Правда, в последнем случае кристалл NAND все равно приходится резать, в итоге получается эквивалент 32 Гбит у MLC. Кто же по-вашему способен выдержаться самые большие изменения в напряжении?
С двумя уровнями (0,1) у SLC по этому параметру самый лучший показатель — этот тип NAND выдерживает широкий диапазон колебаний напряжения. С увеличением уровней этот диапазон уменьшается, поэтому у TLC с ее 8 уровнями и 3 битами в ячейке самое малое количество циклов перезаписи.
Поскольку с уменьшением кристалла уже давно возникли проблемы, на смену современной планарной флеш-памяти NAND приходит 3D NAND. Она меньше подвержена износу за счет отсутствия необходимости в подаче высокого напряжения при записи данных в ячейку. Производители активно развивают данное направление и дают технологии собственные названия (у Samsung — 3D V-NAND, у Toshiba — BiCS 3D NAND и так далее). Смысл в том, что в этом случае мы получаем цилиндр с верхним слоем в роли управляющего затвора, при этом внутренний слой выполняет роль изолятора. Сами Ячейки располагаются друг под другом, образуя стек. Управляющая логика размещается под массивом памяти, освобождается площадь чипа, где впоследствии находят себе «дом» ячейки памяти.
Первые успехи
Итак, начало было положено. Но недостатком нового изобретения была чересчур маленькая емкость. Впрочем, у EPROM были и преимущества – высокая скорость и устойчивость к механическим повреждениям.
Следующее крупное продвижение в области развития флеш-памяти было совершено Довом Фроманом из компании Intel. Изучая повреждения вышедших из строя микросхем, он изобрел новый стандарт памяти EPROM. В новинке для сохранения информации использовалось особое движение электронов по чипу, а для стирания данных – мощное ультрафиолетовое излучение. Память EPROM можно встретить в микросхемах BIOS на компьютерах начала IT-эпохи, например, на популярном в те годы на Западе ZX Spectrum, более известном в СНГ под именами Поиск или Magic.
Парни из Intel решили не останавливаться на достигнутом, и в 1978 от лица инженера Джорджа Перлегоса компания представила микросхему Intel 2816, схожую по характеристикам с EPROM, но благодаря тонкому слою изоляции «2816-я» могла стирать информацию и без помощи ультрафиолетовых лучей. Данная архитектура получила имя EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory). Но у нее была одна весьма значительная проблема: из-за сложностей с реализацией правильной подачи тока на столь тонкий слой диэлектрика, EEPROM была лишена возможности перезаписи (проще говоря, она была «одноразовой»).
В итоге разработчики приняли решение о создании двух типов микросхем на основе EEPROM: первая из них обладала большой емкостью, но не могла быть перезаписана, а вторая была перезаписываемой, но вмещала меньше информации.
Решение этой проблемы нашел инженер Фудзио Масуока из компании Toshiba. Его коллеге процесс стирания данных показался похожим на фотовспышку – именно так и появилось название flash-memory. Инновацию представили публике в 1984 году, в 1988 Intel представила первые коммерческие образцы памяти NOR-flash, и в 1989 году Toshiba анонсировала привычную нам NAND-память.
Сохраняющие информацию микросхемы, получили название Single-Level-Cell (SLC). Наряду с SLC появились альтернативные микросхемы, вмещающие 2 бита информации – Multi-Level-Cell. MLC-чипы получались более дешевыми в производстве, но работали медленно, и были недолговечны. В последние годы появилась eMLC-память (Enterprise Class MLC), способная противопоставить MLC-чипам более высокую скорость чтения и записи, а также увеличенный срок работы. По соотношению цена/качество современные варианты eMLC лишь незначительно уступают SLC, но стоят при этом вдвое дешевле. Если помните, в прошлом году мы подробно рассказывали об устройстве микросхем.
Если говорить о степени развития тех или иных вариантов использования флеш-памяти, то SSD –диски уже имеют намеченный путь развития и довольно быстро дойдут до совершенных характеристик. Куда более интересно обстоят дела с картами памяти: хотя они и не являются «отстающими», потенциал для наращивания скорости и емкости в них заложен более внушительный. Чтобы понять, почему так происходит, расскажем о появлении наиболее распространенных форматов съемных флеш-накопителей.
Немного практики
Все вышеперечисленное мы с вами не можем наблюдать самостоятельно (по крайней мере без специального оборудования). А вот как все это выглядит после изготовления печатных плат, пайки, установки чипов и микросхем:
OCZ Trion 150
Здесь мы видим и микросхемы флэш-памяти и буфера и контроллер, заботливо накрытый терморезинкой. Да, тема у нас не об устройстве SSD, а работе флеш-памяти, но без контроллера здесь никуда. И вот почему.
Контроллер распределяет запись в ячейки флеш-памяти, «руководит» чтение из ячеек памяти и TRIM (об этом чуть позже) — в общем, фраза «незаменимых у нас нет» — это не про него. Именно он контролирует передачу данных, как на SATA, так и на PCIe, распределяет информацию по NAND для меньшего износа. Без помощи прошивки, разумеется, здесь не обойтись.
К флэш-памяти контроллер подключается параллельно и, как видите, выполняет одну из ключевых ролей. В Trion 150, например, используется контроллер Toshiba, а в Vertex 460A 0 уже Barefoot 3 M10 от OCZ.
Ах да, чуть не забыли про кэш. Он является надежным спутником контроллера: как только дается команда изменить файл на SSD, блок сперва попадает в память кэша, где и происходит изменение. В это время неактуальные данные в NAND удаляются, а контроллер находит, куда же поместить информацию, которая была помещена в буфер. Главный принцип — выбрать ячейку с наименьшим износом, чем и занимается контроллер, после его команды измененные данные отправляются в новый «дом».
Сейчас большинство SSD, в том числе от OCZ, также поддерживают TRIM — специальную технологию, которая отмечает неактуальные данные. В этом случае ненужная информация не записывается в другие блоки памяти, что благоприятно влияет не только на количество циклов перезаписи, но и саму скорость записи.
SD-карты
Шел 1999 год, когда компании SanDisk, Toshiba и Matsushita (ныне известная как Panasonic) скооперировались и приняли решение о создании нового единого стандарта карт памяти, который получил название SD, или Secure Digital. Именно на слове Secure (безопасный) делался основной акцент в имени нового стандарта – карточки получили поддержку DRM или, проще говоря, с их появлением стала возможна цифровая защита авторских прав. Уже в первый год своего существования объединения трех вышеуказанных компаний, они создали организацию SD Association, в которую один за одним подтянулись новые члены, среди которых были и такие гиганты, как Intel, Kingston, Apple, AMD, Canon, Nikon, Samsung, Hewlett-Packard и многие другие. Максимальная емкость первых моделей SD-карточек была равна всего лишь 2 ГБ, но уже совсем скоро появились варианты на 4 ГБ, хоть их и было тяжело встретить в продаже.
На первых порах этого размера было вполне достаточно, но цифровая индустрия не стояла на месте, объемы контента росли семимильными шагами, и в определенный момент пользователи начали ощущать явную нехватку свободного пространства. Поэтому в 2006 году было представлено второе поколение SD-накопителей, получившее название SDHC (Secure Digital High Capacity, или SD-карты с высокою емкостью); их максимальный объем вырос до 32ГБ. У этого формата был лишь один серьезный недостаток – отсутствие обратной совместимости, то есть они «не дружили» со старыми кард-ридерами. Но опять же, время шло, запросы пользователей росли, и нарастала необходимостью в накопителях большей емкости. Таким образом появились SD-карты версии 3.01, или SDXC – Secure Digital eXtended Capacity. Новинка актуальна по сей день, и может похвастаться номинально возможным объемом в 2 терабайта, которых уж точно хватит надолго.
Выбор флеш-накопителя для промышленного компьютера на примере решений от компании Innodisk
Выбор твердотельного накопителя для компьютера зависит от нескольких факторов. В первую очередь такими являются: форм-фактор, сфера применения, условия эксплуатации, скорость и ресурс.
Взгляд в прошлое
Прежде, чем начать наш разговор, давайте ненадолго вспомним о жестких дисках. Как известно, последние хранят информацию на нескольких магнитных пластинах, которые в народе называют платтерами. В упрощенной форме — актуатор со считывающими головками получает информацию, а для совершении процессов чтения/записи диск все время вращается. Вряд ли есть смысл надолго здесь останавливаться, но важно уловить суть.
Поскольку блок головок диска должен совпадать с определенной областью (дорожкой) для считывания или записи данных, а диск вращается постоянно, необходимо некоторое время, прежде чем они смогут получить доступ к информации, и нужный сектор окажется под головкой, особенно если запросы хаотичны. И хотя задержка у HDD измеряется в миллисекундах, этого достаточно, чтобы заставить ждать CPU, задержка которого измеряется в наносекундах. В одной миллисекунде один миллион наносекунд, а в среднем жесткому диску необходимо от 10 до 15 миллисекунд для поиска информации и начало ее чтения. Да, сейчас есть решения, скорость вращения которых достигает 15 тысяч оборотов в минуту, но даже самый быстрый HDD не будет настолько быстрым, как хотелось бы.
Ресурс. Скорость
Как мы выяснили ранее, существуют ячейки флеш-памяти способные хранить 2 (SLC), 4 (MLC), 8 (TLC) или 16 (QLC) уровней заряда. В промышленной флеш-памяти Innodisk используют только первые три, это связано с повышенными требованиями к надежности. Алгоритм обработки заряда, состоящего из 16 уровней слишком сложный, а в условиях скачков напряжения и радиочастотных помех, которые могут возникать при эксплуатации промышленного компьютера, это может привести к быстрому снижению остаточного ресурса и как следствие к потере данных.
Кроме трех основных типов ячеек памяти существует ячейки MLC корпоративного сегмента - eMLC. У компании Innodisk такие ячейки носят название iSLC и являются золотой серединой между выносливостью SLC и более доступной ценой MLC.
Накопители iSLC демонстрируют производительность и надежность сопоставимую с SLC продуктами, но построены на аппаратной части MLC памяти, благодаря чему являются более доступными решением, подходящим для серверов и систем корпоративного сегмента.
При использовании SSD на базе технологии iSLC можно быть уверенным в сохранности данных — срок эксплуатации увеличен в несколько раз по сравнению со стандартными MLC-продуктами.
Для наглядности, можно составить сравнительную таблицу ячеек памяти, используемых в флеш-накопителях, по соотношению цена/выносливость/скорость.
Сравним четыре твердотельных накопителя производства компании Innodisk форм-фактора 2,5” SATA объемом 128 Гигабайт, расширенного температурного режима (-40…+85), предназначенных для встраиваемых систем.
Модели представленные в таблице:
Расшифровка наименования SSD от компании Innodisk
Форм-фактор. Тип памяти. Серия.
В модельном ряду крупных производителей промышленных решений на основе флеш-памяти, таких как компания Innodisk, можно встретить множество устройств с похожими техническими характеристиками, относящихся к разным сериям.
Чтобы не заблудится в подобном изобилии и выбрать накопитель, подходящий именно для ваших задач, сначала нужно разобраться, какие именно бывают SSD и для чего они предназначены.
Для примера рассмотрим SSD-накопитель 2.5 дюйма с интерфейсом SATA:
Левая часть наименования ( 2.5" SATA SSD ) – форм-фактор.
Правая ( 3MV2-P ) – серия. Разберем ее более подробно.
( 3 ) – Поколение: 1, 2, 3.
Может быть Первое, второе или третье.
( M ), обозначает тип NAND флеш-памяти: S, M, I, T.
S: SLC
Имеет высокую скорость записи, низкое энергопотребление и высокую выносливость. Твердотельные накопители на основе SLC флэш-памяти отличаются высокой надежностью и лучше подходят для ответственных применений.
M: MLC
Основное преимущество MLC флеш-памяти в её более низкой стоимости в связи с более высокой плотностью данных. Это преимущество делает твердотельные накопители на основе MLC флэш-памяти прекрасной заменой традиционным жёстким дискам HDD.
I: iSLC
iSLC - это эксклюзивная технология программного обеспечения от Innodisk, которая улучшает скорость обмена и качество данных, приближая их к скорости записи накопителей на основе Flash-памяти SLC. Благодаря использованию алгоритмов управления Flash- памятью, iSLC повышает выносливость твердотельного накопителя SSD до 20.000 циклов.
T: TLC
3D Flash-память на базе TLC представляет собой новую технологию с обновленной архитектурой. Данное решение обеспечивает более высокую плотность записи информации при меньшей стоимости.
( V ) - сфера применения, серия. Различают: E, G, R, V, S.
E: Embedded
Накопители, оптимизированные для встраиваемых систем промышленного класса
G: EverGreen
Хорошая скорость и долгий срок службы
V: InnoREC
SSD для видеонаблюдения
R: InnoRobust
Серия для самых ответственных применений
S: Server
Серверные загрузочные устройства
I: InnoAGE
SSD с Microsoft Azure Sphere внутри
( 2 ) – производственная серия продукции.
Значение может находится в пределах от 1 до 10, или может отсутствовать. Не является определяющим при выборе SSD-накопителя.
(-P) указывает на наличие кэша на основе DRAM памяти.
Буфер обмена (кэш) используется преимущественно для хранения таблицы трансляции адресов, что увеличивает скорость доступа ко флеш-памяти и записи файлов.
На каждый 1 Гб объема SSD должно приходиться 1 Мб кэша. Таким образом SSD объемом 120-128 Гб должен иметь 128 Мб, 240-256 Гб – 256 Мб, 500-512 Гб – 512 Мб, 960-1024 Гб – 1024 Мб кэша.
Скорость SSD-накопителя без DRAM буфера будет снижаться при длительных операциях записи мелких файлов.
Минутка философии
Очевидно, по сравнению с обычными жесткими дисками NAND — настоящий прорыв, но и у нее есть свои проблемы и недостатки. Да, NAND имеет огромные перспективы в плане емкости накопителей, однако цена за гигабайт оставляет желать лучшего. Вряд ли в ближайшее время по этому параметру удастся «поймать» жесткие диски.
За счет использования SLC-кэшей и быстрых стандартов данных SSD стали еще более производительными, имеют хорошую пропускную способность. Тем не менее в долгосрочной перспективе предполагается, что на смену NAND все же придет что-то другое. И на самом деле, 3D NAND — первый «звоночек», который об этом свидетельствует.
Сейчас NAND, безусловно, на коне — как говорят, true king of the hill. И останется этим королем как минимум ближайшие 4-5 лет.
Флеш‐память (англ. Flash-Memory ) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.
Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов [1] ). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или жёстких дисков, более надёжна и компактна.
Благодаря своей компактности, дешевизне и низком энергопотреблении флеш‐память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах — цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини‐АТС, принтерах, сканерах), различных контроллерах.
Так же в последнее время широкое распространение получили «флешка», USB‐драйв, USB‐диск), практически вытеснившие дискеты и CD. Одним из первых флэшки JetFlash в 2002 году начал выпускать тайваньский концерн SSD накопителей объёмом 256 ГБ и более.
Ещё один недостаток устройств на базе флеш‐памяти по сравнению с жёсткими дисками — как ни странно, меньшая скорость. Несмотря на то, что производители SSD накопителей заверяют, что скорость этих устройств выше скорости винчестеров, в реальности она оказывается ощутимо ниже. Конечно, SSD накопитель не тратит подобно винчестеру время на разгон, позиционирование головок и т. п. Но время чтения, а тем более записи, ячеек флеш‐памяти, используемой в современных SSD накопителях, больше. Что и приводит к значительному снижению общей производительности. Справедливости ради следует отметить, что последние модели SSD накопителей и по этому параметру уже вплотную приблизились к винчестерам. Однако, эти модели пока слишком дороги.
Доступные форм-факторы:
Карты памяти типа CompactFlash с высокой скоростью чтения/записи и емкостью от 265 Мб до 64 Гб. Один из старейших типов флеш памяти.
Промышленные карты памяти CFast с стандартным 7-пиновым разъёмом SATA-интерфейса и 17-пиновым разъёмом питания (отличным от SATA).
Карты памяти Secure Digital для использования в портативных устройствах, мини PC и компьютерах на DIN-рейку. Снабжены механическим переключателем защиты от записи.
Накопители, выполненные в виде модуля и предназначенные для установки в слоты расширения Mini-PCIe: полноразмерные модули mSATA (Full-sized) и модули половинного размера (Half-sized).
Выпускаются с различными интерфейсами – PATA или IDE. Если вам необходимо обновить вашу систему, то установка SSD IDE, вместо стандартного HDD, позволит увеличить быстродействие системы в разы.
Твердотельные накопители с поддержкой интерфейса SATA 2 и SATA 3. Используются в компактных устройствах и в стационарных системах для повышения производительности.
Горизонтальные, вертикальные, корпусные и безкорпусные, низкопрофильные и поворотные DoM модули для установки напрямую на материнскую плату или с помощью SATA/IDE проводов (40 и 44 контактных).
Компактные и универсальные твердотельные карты расширения с высокой скоростью записи. Содержат в себе компоненты интерфейсов SATA и PCI-E. Позволяют решать различные задачи.
Носители информации на основе Flash с интерфейсом Mini PCI Express.
Компактные электронные диски со стандартным интерфейсом SATA (7+15pin). Благодаря меньшим размерам, SLIM SATA SSD является отличной заменой 2,5-дюймовым накопителям, когда место для монтажа ограничено.
Твердотельные накопители с поддержкой интерфейса micro SATA (uSATA). Коннектор Micro SATA состоит из двух независимых контактных групп: 7-контактная, для подключение шины данных и 9-контактная, для подключение питания.
Сверхкомпактный твердотельный накопитель для серверных решений с интерфейсом подключения OCuLink работающий по протоколу NVMe посредством шины PCI Express Gen3.
Условия эксплуатации
Промышленный компьютер отличается от своего домашнего собрата в первую очередь: возможность бесперебойной работой в режиме 24/7/365, стойкостью к температурным скачкам, вибрациям, ударам и повышенной влажности. Высокие требования, предъявляемые к промышленному компьютеру, распространяются на все его компоненты, в том числе на устройство хранения данных.
В зависимости от степени стойкости к перечисленным факторам различается и цена устройства на основе флеш-памяти. Поэтому, важно определить в каких условиях будет эксплуатироваться конечное изделие и каким температурным нагрузкам будет подвергаться.
Несмотря на то, что вся продукция компании Innodisk относится к промышленному классу и имеет множество физических и технологических средств защиты от внешних факторов.
Устройства на основе флеш-памяти можно условно разделить на два больших направления:
Как все начиналось
Старожили Хабра наверняка помнят познавательный материал о зарождении SSD и флеш-памяти. Но если «твердотельники» были изобретены на рубеже веков, то обычная флеш-память родилась гораздо раньше, чем могли бы подумать многие из вас. Еще в середине 20 века в одном из подразделений компании American Bosch Arma ученый-баллистик Вэн Цинг Чоу задался целью улучшить блоки памяти координат бортового компьютера ракетной системы Atlas E/F. Но и тогда, появившаяся на свет технология оставалась засекреченной в течение нескольких лет, так как данная организация работала на правительство США, а существование системы Atlas не подвергалось широкой огласке. Но прошло немного времени, и большинство разработок компании были рассекречены, а вместе с ней и технология, которую разработал Вэн Цинг Чоу – она получила название PROM (programmable read only memory).
Принцип работы PROM был довольно прост: память представляла собой координатную сетку, в узлах (пересечениях) которой проводники были замкнуты специальной перемычкой. В тот момент, когда нужно было определять состояние (значение) ячейки с определенными координатами, достаточно было узнать, есть ли ток в пересечении нужных проводников.
Применение
Флеш-память наиболее известна применением в USB флеш-носителях (англ. USB flash drive ). В основном применяется NAND тип памяти, которая подключается через USB по интерфейсу USB mass storage device (USB MSC). Данный интерфейс поддерживается всеми ОС современных версий.
Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам USB флеш-носители полностью вытеснили с рынка дискеты. Например, компания 2003 года перестала выпускать компьютеры с дисководом гибких дисков [9] .
В данный момент выпускается широкий ассортимент USB флеш-носителей, разных форм и цветов. На рынке присутствуют флешки с автоматическим шифрованием записываемых на них данных. Японская компания Solid Alliance даже выпускает флешки в виде еды [10] .
Есть специальные дистрибутивы GNU/Linux и версии программ, которые могут работать прямо с USB носителей, например, чтобы пользоваться своими приложениями в интернет-кафе.
Технология Windows Vista способна использовать USB-флеш носитель или специальную флеш-память, встроенную в компьютер, для увеличения быстродействия [11] . На флеш-памяти также основываются карты памяти, такие как SecureDigital (SD) и Memory Stick, которые активно применяются в портативной технике (фотоаппараты, мобильные телефоны). Вкупе с USB носителями флеш-память занимает большую часть рынка переносных носителей данных.
NOR тип памяти чаще применяется в BIOS и ROM-памяти устройств, таких как DSL модемы, маршрутизаторы и т. д. Флеш-память позволяет легко обновлять прошивку устройств, при этом скорость записи и объём для таких устройств не так важны.
Сейчас активно рассматривается возможность замены жёстких дисков на флеш‑память. В результате увеличится скорость включения компьютера, а отсутствие движущихся деталей увеличит срок службы. Например, в XO-1, «ноутбуке за 100 $», который активно разрабатывается для стран третьего мира, вместо жёсткого диска будет использоваться флеш-память объёмом 1 ГБ [12] . Распространение ограничивает высокая цена за ГБ и меньший срок годности, чем у жёстких дисков из-за ограниченного количества циклов записи.
Как все начиналось
Старожили Хабра наверняка помнят познавательный материал о зарождении SSD и флеш-памяти. Но если «твердотельники» были изобретены на рубеже веков, то обычная флеш-память родилась гораздо раньше, чем могли бы подумать многие из вас. Еще в середине 20 века в одном из подразделений компании American Bosch Arma ученый-баллистик Вэн Цинг Чоу задался целью улучшить блоки памяти координат бортового компьютера ракетной системы Atlas E/F. Но и тогда, появившаяся на свет технология оставалась засекреченной в течение нескольких лет, так как данная организация работала на правительство США, а существование системы Atlas не подвергалось широкой огласке. Но прошло немного времени, и большинство разработок компании были рассекречены, а вместе с ней и технология, которую разработал Вэн Цинг Чоу – она получила название PROM (programmable read only memory).
Принцип работы PROM был довольно прост: память представляла собой координатную сетку, в узлах (пересечениях) которой проводники были замкнуты специальной перемычкой. В тот момент, когда нужно было определять состояние (значение) ячейки с определенными координатами, достаточно было узнать, есть ли ток в пересечении нужных проводников.
Основные серии SSD-накопителей Innodisk
Сфера применения.
Embedded
Серия Embedded является лучшим решением для встраиваемых систем промышленного класса, потому что продукты данной серии обладают высокой надежностью и длительным сроком службы.
EverGreen
Серия EverGreen разработана с интегрированным внешним DRAM-кэшем, который значительно улучшает скорость обмена данными с SSD и продлевает срок его службы.
InnoREC
SSD-накопители InnoREC специально разработаны для видеонаблюдения и имеют интеллектуальные алгоритмы прошивки, которые гарантируют непрерывную стабильную запись данных.
InnoRobust
Серия InnoRobust отвечает всем современным требованиям к устройствам для ответственных применений. Данная серия полностью совместима со стандартами аэрокосмических и оборонных систем, в том числе MIL-STD-810F/ G и MIL-I-46058C. Твердотельные накопители серии InnoRobust полностью защищены от пыли, ударов, вибраций и экстремальных температур.
Server
Серверные загрузочные устройства SATADOM и предназначены для простой интеграции в сервер и получения надежного решения. Устройства сертифицированы для Windows Server 2016 Hyper V и VMware.
InnoAGE
SSD с Microsoft Azure Sphere внутри. Azure Sphere — это защищенная платформа приложений высокого уровня со встроенными функциями взаимодействия и обеспечения безопасности, предназначенная для устройств, подключенных к Интернету.
Кроме перечисленных выше серий, в модельном ряду компании Innodisk есть уникальный продукт - Огнеупорные накопители 3.5” Fire Shield SSD .
SSD-накопители серии 3.5” Fire Shield SSD способны противостоять воздействию открытого огня температурой 800oC на протяжении 30 минут, надежно защищающая элементы памяти от внешних воздействий.
Продолжение следует
Историю карт памяти невозможно представить в виде прямой времени – это сложная запутанная схема. Одни форматы приживались и начинали развиваться, другие оказывались никому не нужны. В следующей части статьи мы поговорим о более экзотических форматах памяти и о причинах их непопулярности.
Спасибо за внимание и оставайтесь с Kingston на Гиктаймс!
Для получения дополнительной информации о продукции Kingston и HyperX обращайтесь на официальный сайт компании. В выборе своего комплекта HyperX поможет страничка с наглядным пособием.
Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям (1, 2, 3, 4). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.
Теоретическая часть
Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…
Какая память бывает?
На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.
Тут можно подробнее ознакомиться с ниже приведённой схемой и сравнением характеристик различных типов «твердотельной памяти». Или тут – жаль, что я был ещё ребёнком в 2003 году, в таком проекте не дали поучаствовать…
Современные типы «твердотельной памяти». Источник
Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах.
Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?
Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно подробная статья о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память (тут тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.
Схематическое представление транзистора с плавающим затвором. Источник
Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано тут. Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.
NB: «практически» — ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.
Там же, на ixbt, есть ещё одна статья, которая посвящена возможности записи на один транзистор с плавающим затвором нескольких бит информации, что существенно увеличивает плотность записи.
В случае рассматриваемой нами флешки память будет, естественно, NAND и, скорее всего, multi-level cell (MLC).
Если интересно продолжить знакомиться с технологиями Flash-памяти, то тут представлен взгляд из 2004 года на данную проблематику. А здесь (1, 2, 3) некоторые лабораторные решения для памяти нового поколения. Не думаю, что эти идеи и технологии удалось реализовать на практике, но, может быть, кто-то знает лучше меня?!
Что такое DRAM?
Если кто-то забыл, что такое DRAM, то милости просим сюда.
Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:
Устройство ячейки RAM. Источник
Опять-таки на ixbt есть неплохая статья, посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.
Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да, но всё-таки…
Часть практическая
Flash
Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:
Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти. Источник
Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы тут). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.
Корпус кварцевого генератора
Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:
Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита
А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:
Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий
Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.
После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:
«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)
Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый» < 2 диаметров человеческого волоса, так что всё в мире относительно:
СЭМ-изображения контактов, питающих чип памяти
Если говорить о самой памяти, то тут нас тоже ждёт успех. Удалось отснять отдельные блоки, границы которых выделены стрелочками. Глядя на изображение с максимальным увеличением, постарайтесь напрячь взгляд, этот контраст реально трудно различим, но он есть на изображении (для наглядности я отметил отдельную ячейку линиями):
Ячейки памяти 1. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки
Мне самому сначала это показалось как артефакт изображения, но обработав все фото дома, я понял, что это либо вытянутые по вертикальной оси управляющие затворы при SLC-ячейке, либо это несколько ячеек, собранных в MLC. Хоть я и упомянул MLC выше, но всё-таки это вопрос. Для справки, «толщина» ячейки (т.е. расстояние между двумя светлыми точками на нижнем изображении) около 60 нм.
Чтобы не лукавить – вот аналогичные фото с другой половинки флешки. Полностью аналогичная картина:
Ячейки памяти 2. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки
Конечно, сам чип – это не просто набор таких ячеек памяти, внутри него есть ещё какие-то структуры, принадлежность которых мне определить не удалось:
Другие структуры внутри чипов NAND памяти
Всю плату SO-DIMM от Samsung я, конечно же, не стал распиливать, лишь с помощью строительного фена «отсоединил» один из модулей памяти. Стоит отметить, что тут пригодился один из советов, предложенных ещё после первой публикации – распилить под углом. Поэтому, для детального погружения в увиденное необходимо учитывать этот факт, тем более что распил под 45 градусов позволил ещё получить как бы «томографические» срезы конденсатора.
Однако по традиции начнём с контактов. Приятно было увидеть, как выглядит «скол» BGA и что собой представляет сама пайка:
«Скол» BGA-пайки
А вот и второй раз пора кричать: «Язь!», так как удалось увидеть отдельные твердотельные конденсаторы – концентрические круги на изображении, отмеченные стрелочками. Именно они хранят наши данные во время работы компьютера в виде заряда на своих обкладках. Судя по фотографиям размеры такого конденсатора составляют около 300 нм в ширину и около 100 нм в толщину.
Из-за того, что чип разрезан под углом, одни конденсаторы рассечены аккуратно по середине, у других же срезаны только «бока»:
DRAM память во всей красе
Если кто-то сомневается в том, что эти структуры и есть конденсаторы, то тут можно посмотреть более «профессиональное» фото (правда без масштабной метки).
Единственный момент, который меня смутил, что конденсаторы расположены в 2 ряда (левое нижнее фото), т.е. получается, что на 1 ячейку приходится 2 бита информации. Как уже было сказано выше, информация по мультибитовой записи имеется, но насколько эта технология применима и используется в современной промышленности – остаётся для меня под вопросом.
Конечно, кроме самих ячеек памяти внутри модуля есть ещё и какие-то вспомогательные структуры, о предназначении которых я могу только догадываться:
Другие структуры внутри чипа DRAM-памяти
Послесловие
Помимо тех ссылок, что раскиданы по тексту, на мой взгляд, довольно интересен данный обзор (пусть и от 1997 года), сам сайт (и фотогалерея, и chip-art, и патенты, и много-много всего) и данная контора, которая фактически занимается реверс-инжинирингом.
К сожалению, большого количества видео на тему производства Flash и RAM найти не удалось, поэтому довольствоваться придётся лишь сборкой USB-Flash-накопителей:
P.S.: Ещё раз всех с наступающим Новым Годом чёрного водяного дракона.
Странно получается: статью про Flash хотел написать одной из первых, но судьба распорядилась иначе. Скрестив пальцы, будем надеяться, что последующие, как минимум 2, статьи (про биообъекты и дисплеи) увидят свет в начале 2012 года. А пока затравка — углеродный скотч:
Углеродный скотч, на котором были закреплены исследуемые образцы. Думаю, что и обычный скотч выглядит похожим образом
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:
В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»
Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)
Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)
В этой статье мы кратко рассмотрим архитектуру и строение флеш-памяти и определимся с выбором промышленного SSD-накопителя.
Твердотельный или SSD-накопитель ( Solid State Drive ) является компьютерным не механическим запоминающим устройством, состоящем из микросхем памяти и микроконтроллера.
Флеш-память ( англ. flash memory ) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти EEPROM ( англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory ).
- Архитектуры NOR и NAND
- Второе поколение NAND - 3D NAND
- Ячейки памяти
- Выбор флеш-накопителя для промышленного компьютера на примере решений от компании Innodisk
- Форм-фактор
- Условия эксплуатации
- Ресурс. Скорость
- Расшифровка наименования SSD от компании Innodisk
- Основные серии SSD-накопителей Innodisk
Характеристики
Скорость некоторых устройств с флеш-памятью может доходить до 100 Мб/с [4] . В основном флеш-карты имеют большой разброс скоростей и обычно маркируются в скоростях стандартного CD-привода (150 КБ/с). Так указанная скорость в 100x означает 100 × 150 КБ/с = 15 000 КБ/с= 14.65 МБ/с.
В основном объём чипа флеш-памяти измеряется от килобайт до нескольких гигабайт.
В 2005 году SanDisk представили NAND чипы объёмом 1 ГБ [5] , выполненные по технологии многоуровневых ячеек, где один транзистор может хранить несколько бит, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе.
Компания Samsung в сентябре 2006 года представила 8 ГБ чип, выполненный по 40-нм технологическому процессу [6] . В конце 2007 года Samsung сообщила о создании первого в мире MLC (multi-level cell) чипа флеш-памяти типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу. Ёмкость чипа также составляет 8 ГБ. Ожидается, что в массовое производство чипы памяти поступят в 2009 году.
Для увеличения объёма в устройствах часто применяется массив из нескольких чипов. К 2007 году USB устройства и карты памяти имели объём от 512 МБ до 64 ГБ. Самый большой объём USB устройств составлял 4 ТБ.
Читайте также: