В чем состоит отличие микросхем флэш памяти от микросхем оперативной памяти
1. Память с произвольным доступом (RAM). Память с произвольным доступом в основном используется для хранения кода и данных, которые ЦП может вызывать при необходимости. Хранение этих данных не похоже на хранение риса в сумке, но больше похоже на хранение книг в библиотеке с сеткой в библиотеке. Мало того, что они должны быть вставлены, но и могут быть точно вызваны при необходимости. Принцип аналогичен для памяти, такой как RAM. Хотя все коды, представляющие 0 и 1, сохранены, различные комбинации становятся различными данными. Если есть книжная полка с 10 строками и 10 столбцами (каждая строка и столбец пронумерованы от 0 до 9), и в ней есть 100 книг для хранения, то мы можем определить книгу на основе номеров строк и столбцов. место. Если мы знаем номер 87 книги, мы можем сначала заблокировать восьмой
, затем найдите 7-й столбец, чтобы точно найти книгу. Принцип хранения оперативной памяти аналогичен. В оперативной памяти шина данных используется для ввода и вывода данных. Место для хранения в памяти определяется правилами, такими как книжные полки, на которых хранятся упомянутые ранее книги.Мы можем хранить данные в соответствующем месте в памяти в соответствии с этим правилом, и позиционирование данных достигается через адресную шину.
Маленькие точки на рисунке обозначают пространство памяти в оперативной памяти, к каждой области памяти прикреплена уникальная адресная строка. Когда адресный декодер получает адресные данные, отправленные с адресной шины, он определяет местоположение хранилища данных, которое ЦП хочет вызвать соответствующим образом, и затем передает данные в нем на ЦП через шину данных.
Если ОЗУ - это просто «линия» к ЦП, она не будет отражать фактическую работу. Если это так, то при изготовлении микросхем будет много практических трудностей, особенно когда необходимо проектировать ОЗУ большой емкости. Лучший способ снизить затраты - это расположить «пробелы», в которых информация хранится, в несколько строк, и каждое «пробел» соответствует месту хранения битов. Таким образом, если вы хотите хранить 1024 бита данных, вам нужно использовать только матрицу 32x32. Матрица 32x32, очевидно, более компактна и проще в реализации, чем 1024-битное устройство строк. Как показано ниже.
Для процессора X86 он выдает адресный код с 22-разрядным двоичным числом через адресную шину, из которых 11 битов являются адресами строк, а остальные 11 битов являются адресами столбцов, которые разделены через интерфейс адресов ОЗУ. Декодер адреса строки (декодер строки) сначала определит адрес строки, а затем декодер адреса столбца (декодер столбца) определит адрес столбца, чтобы он мог определить единственное место, где хранятся данные, а затем данные будут передаваться через интерфейс данных ОЗУ. К шине данных.
2. SRAM - это сокращение от «статического ОЗУ», после того как данные сохранены в нем, они не будут потеряны после отключения питания. Ячейка SRAM обычно состоит из 4-6 транзисторов. Когда этой ячейке SRAM назначается состояние 0 или 1, она будет поддерживать это состояние до тех пор, пока ей не будет присвоено новое состояние или она не будет отключена после следующего раза. Скорость SRAM относительно высока и экономит электроэнергию, но для хранения 1 бита информации требуется 4-6 транзисторов, что делает стоимость производства слишком высокой.
В ранних чипах SRAM использовалась технология упаковки с двумя линейными упаковками (DIP: Dual Inline Package), состоящая из 20 линий, которые имеют так много контактов, потому что должны:
1) Каждый адресный сигнал требует наличия сигнальной линии;
2) строка ввода данных и строка вывода данных;
3) Некоторые управляющие линии (Write Enable, Chip Select);
4) Кабели заземления и питания.
Ниже представлена функциональная схема контактов чипа SRAM 16K x 1 бит.
1) A0-A13 - адресные входные сигнальные контакты;
3. Кратко опишите различия между ROM, RAM и FLASH:
ПЗУ и ОЗУ относятся к полупроводниковой памяти, ПЗУ - это аббревиатура для постоянной памяти, а ОЗУ - для произвольной памяти. ПЗУ по-прежнему может хранить данные, когда система выключена, а ОЗУ обычно теряет данные после сбоя питания.
Существует два основных типа ОЗУ: один называется Статическая ОЗУ (SRAM). SRAM является очень быстрым и в настоящее время является самым быстрым устройством хранения для чтения и записи. Однако он также очень дорогой, поэтому его используют только в самых требовательных местах. , Такие как основной буфер ЦП, вторичный буфер. Другой называется динамическое ОЗУ (Dynamic RAM / DRAM). DRAM хранит данные в течение короткого времени и медленнее, чем SRAM. Однако это быстрее, чем любое ПЗУ. Однако DRAM дешевле, чем SRAM, с точки зрения цены. Многие, память компьютера - это DRAM.
Существует много типов DRAM, наиболее распространенными из которых являются FPRAM / FastPage, EDORAM, SDRAM, DDR RAM, RDRAM, SGRAM и WRAM. Здесь мы представляем один из них. DDR RAM (Date-Rate RAM) также называется DDR SDRAM. Это улучшенное ОЗУ в основном такое же, как и SDRAM. Разница в том, что он может считывать и записывать данные дважды за один такт, что удваивает скорость передачи данных. , Это наиболее используемая память на текущем компьютере, и она имеет преимущество в стоимости, фактически она превосходит другой стандарт памяти Intel - Rambus
DRAM. На многих высококачественных видеокартах также предусмотрена высокоскоростная память DDR для увеличения пропускной способности, что может значительно улучшить возможности рендеринга пикселей на картах с 3D-ускорением.
Существует также много типов ПЗУ.ПРОМ является программируемым ПЗУ. Разница между ПРОМ и СППЗУ (стираемым программируемым ПЗУ) заключается в том, что ПРОМ является одноразовым, то есть его нельзя изменить после внедрения программного обеспечения. Это ранняя стадия. Продукты больше не доступны, и EPROM - это память общего назначения, которая уничтожает оригинальную программу ультрафиолетовым светом. EEPROM другого типа стирается электронным способом: цена высокая, время записи большое, а скорость записи очень низкая.
Флэш-память также называется флэш-памятью, она сочетает в себе преимущества ПЗУ и ОЗУ, имеет не только производительность электронного стираемого программируемого (EEPROM), но также не теряет данные при отключенном питании и может быстро считывать данные (преимущество NVRAM). U диск Эта память используется в MP3. В течение последних 20 лет встроенные системы использовали ПЗУ (EPROM) в качестве устройства хранения данных, однако в последние годы Flash полностью заменил статус ПЗУ (EPROM) во встроенных системах. Он используется для хранения загрузчиков и операционных систем или программ. Код или непосредственно используется в качестве жесткого диска (U диск).
Flash в настоящее время имеет два типа NOR Flash и NADN Flash. Чтение NOR Flash такое же, как и чтение нашей обычной SDRAM.Пользователь может напрямую запускать код, загруженный в NOR FLASH, что может уменьшить емкость SRAM и снизить затраты. NAND Flash не использует технологию случайного чтения памяти, ее чтение выполняется путем чтения одного блока за раз, обычно 512 байт за раз. Использование этой технологии относительно дешево. Пользователи не могут напрямую запускать код на NAND Flash, поэтому многие платы разработки, использующие NAND Flash, в дополнение к NAND Flah, также подключают небольшой NOR Flash для запуска кода запуска.
Как правило, NOR Flash используется для хранения с небольшой емкостью из-за высокой скорости чтения и главным образом для хранения важной информации, такой как операционная система. Для NAND FLASH большой емкости наиболее распространенным является приложение NAND FLASH. Встраиваемые системы используют DOC (Disk On Chip) и «флеш-диск», который мы обычно используем, который может быть удален онлайн. В настоящее время FLASH на рынке в основном поставляется Intel, AMD, Fujitsu и Toshiba, а основными производителями NAND Flash являются Samsung и Toshiba.
Цифровая флэш-карта: основной цифровой носитель
Цифровые камеры, MP3-плееры, карманные компьютеры, мобильные телефоны и другие цифровые устройства являются наиболее важными рынками флэш-памяти. В области мобильных телефонов в основном используется флэш-память типа NOR, а микросхема флэш-памяти изготавливается непосредственно на внутренней плате, однако цифровые камеры, MP3-плееры, карманные компьютеры и другие устройства требуют замены носителя данных, что требует разработки стандартов интерфейса. Подключен, технология флэш-карты возникла. Карта флэш-памяти использует флэш-память в качестве основного компонента хранения, кроме того, она также имеет схемы управления интерфейсом и внешнюю упаковку. С логической точки зрения ее можно классифицировать на флэш-диск. Диск использует общий интерфейс USB. По историческим причинам технология флэш-карт не сформировала единого отраслевого стандарта в отрасли, и многие производители разработали собственные решения для флэш-карт. В настоящее время более распространены карты CF, SD, SM, MMC и Sony.
Memory Stick.
CF-карта (CompactFlash)
CF-карта - это карта флэш-памяти, представленная корпорацией SanDisk в США в 1994 году. Можно сказать, что она является самым ранним портативным устройством хранения большой емкости. Его размер составляет всего 43 мм × 36 мм × 3,3 мм, что соответствует четверти объема карты PCMCIA ноутбука. CF-карта имеет независимую микросхему контроллера и имеет полную функцию PCMCIA-ATA. Способ подключения к устройству аналогичен таковому для PCMCIA-карты, за исключением того, что CF-карта имеет до пятидесяти контактов. Этот метод подключения является стабильным и надежным и не повлияет на его стабильность из-за частых включений и отключений.
CF-карта не имеет движущихся частей, не имеет физических поврежденных секторов и других проблем и имеет отличную ударопрочность. CF-карты безопаснее и надежнее, чем такие устройства, как дискеты и жесткие диски. Энергопотребление CF-карты очень низкое: она может адаптироваться к двум напряжениям 3,3 В и 5 В, а потребляемая мощность составляет около 5% от энергопотребления жесткого диска настольного компьютера. Такие характеристики выдающиеся. После появления CF-карты она стала предпочтительным запоминающим устройством для цифровых камер. После нескольких лет развития технология CF-карт стала очень зрелой, ее емкость взлетела с первоначальных 4 МБ до сегодняшних 3 ГБ, а цена становится все более и более равной, что обычно любят многие производители цифровых камер. CF-карты в настоящее время занимают второе место на рынке цифровых карт памяти.
MMC-карта (MultiMediaCard)
MMC-карта - это новый тип карт памяти, выпущенный совместно корпорацией SanDisk и немецкой Siemens Corporation в 1997 году. Ее размер составляет всего 32 мм × 24 мм × 1,4 мм, размер такой же, как у штампа. Может читать и писать более 300 000 раз и так далее. По сути, MMC и CF принадлежат к одной и той же технологической системе. Обе структуры включают в себя микросхемы флэш-памяти и микросхемы контроллера, и их функции абсолютно одинаковы, за исключением того, что размер карты MMC чрезвычайно мал, а разъем также должен быть выполнен в виде небольшой карты. Внутри это приводит к высокой сложности изготовления и стоимости изготовления, а цена относительно дорогая. MMC в основном применяется для небольших устройств, таких как мобильные телефоны и MP3-плееры.
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;)
Многие современные технологии мы уже привыкли воспринимать как должное, не особо задумываясь, как они работают, что за ними стоит, какова история их развития. Касается это в том числе и компьютеров. Я уже писал об истории развития технологий хранения данных, наглядно показывающую эволюцию в этой отрасли. На этот раз я решил рассказать подробней про одну из технологий, активно используемых компанией LSI, про твердотельную, или SSD (Solid State Drive) память.
Используется она повсеместно, начиная с микросхемы, хранящей код BIOS компьютера (кто постарше — тот помнит вирус Win.CIH, выводивший компьютеры из строя, стирая содержимое этой микросхемы) и заканчивая ультрасовременными гибридными контроллерами RAID с функцией кэширования, такие как LSI Nytro, о которой мы рассказывали). Не говоря уже про разные внешние накопители, без которых, пожалуй, был бы невозможен прогресс современной техники: каким анахронизмом выглядят сейчас цифровые камеры Sony Mavica MVC-FD5 (и ряд других моделей), сохранявшие изображения на 3.5 дюймовые дискеты.
Начиналась история флэш-памяти еще в середине 20 века, именно тогда, в подразделении Arma корпорации American Bosch Arma, ученый-баллистик и пионер цифрового компьютинга Вэн Цинг Чоу (Wen Tsing Chow) работал над задачей улучшения блоков памяти координат бортового компьютера ракетной системы Atlas E/F. Разработанное им решение несколько лет являлось секретным, так как Атлас стоял на вооружении американского аналога РВСН, но позже технология была рассекречена, и технология, названая PROM (programmable read-only memory) получила широкое распространение.
Технология достаточно проста по своей сути: такая память представляет собой пересечение двух массивов проводников, образующих координатную сетку. В узлах этой сетки проводники замкнуты специальной перемычкой. Когда нужно определить значение ячейки по заданным координатам, достаточно проверить, проходит ли ток по пересечению нужных проводников. Наличие тока означает, что перемычка цела, и соответствует значению 1, обратная ситуация — кодирует 0. По-умолчанию все ячейки имели значение 1. Несложно догадаться, что программирование таких микросхем (называвшееся прожиганием) происходило очень просто: к тем ячейкам, где нужны были нули, подавалось высокое напряжение, испарявшее перемычку. Таким образом, получались микросхемы с возможностью одноразовой записи. На самом деле, «дозаписать» микросхему было возможно, но только в сторону стирания перемычек. Также в силу несовершенства технологий перемычка могла восстановиться, искажая значения. Для борьбы с изменением данных в обе стороны использовали контрольные суммы. Кроме того, к недостаткам микросхем такого типа относилась весьма маленькая емкость.
Но были у ППЗУ (русский перевод аббревиатуры) и достоинства: высокая скорость доступа к данным и устойчивость к электромагнитным импульсам, столь ценная для мест, где ядерные взрывы — не редкость.
Следующий шаг в технологиях постоянного хранения данных был сделан в недрах компании Intel. Исследуя дефекты микросхем, в которых затворы транзисторов оказались разрушенными, Довом Фроманом (Dov Frohman-Bentchkowsky) был изобретен новый тип памяти EPROM. Каждая ячейка такой памяти представляет собой полевой транзистор с двумя затворами: первый управляющий, второй — плавающий, который не имеет связи с другими элементами схемы. В роли изоляции выступает слой оксида кремния.
Для запоминания данных нужно выбрать нужные ячейки и подать на них более высокое напряжение, это позволит электронам за счет более высокой энергии пройти слой изоляции и аккумулироваться на затворе (этот эффект туннелирования носит название Фаулера — Нордгейма). После того, как управляющее напряжение снимается, электроны оказываются «заперты» на затворе, сохраняя информацию надолго. Главная проблема в этом случае — невозможность электрически стереть информацию. Для их стирания используют мощные ултрафиолетовые лампы, освещающие микросхему через специальное окошко из кварцевого стекла. Ультрафиолет вызывает ионизацию в изолирующем слое оксида, заряд утекает и данные оказываются стертыми.
Такие микросхемы использовались в роли микросхем БИОС в старых компьютерах. Окно стирания обычно заклеивалось наклейкой с логотипом производителя, чтобы защитить микросхему от самопроизвольного стирания под действием солнечного света. Такие микросхемы, например, использовались в компьютерах ZX Spectrum (русские варианты Поиск, Magic). Именно эти компьютеры (многие помнят скрипуче-модемный звук, издаваемый магнитофонными кассетами с записанными на них играми для этих ПК) стали для многих современных инженеров и специалистов первыми компьютерами, с которых начался их путь в IT.
В 1978 году, инженер компании Intel Джордж Перлегос (George Perlegos) представил микросхему Intel 2816, схожую по технологии с EPROM, но за счет более тонкого слоя изоляции, микросхема могла стирать свое содержимое без использования ультрафиолетового облучения. Это стало началом технологии ЭСППЗУ или по-английски EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Главными недостатками микросхем, выполненных по данной технологии являются ограниченное количество циклов записи (хотя современные чипы довели это количество где-то до миллиона) и самопроизвольное стирание данных (для нынешних микросхем промышленного класса, гарантируется хранение данных минимум 3 года).
Так как в микросхемах ЭСППЗУ для стирания нужно было создать электрическое поле большой напряженности в достаточно тонком слое диэлектрика, это привело к невозможности создания микросхем перезаписываемой памяти с высокой степенью компоновки. Это, в свою очередь, привело к развитию двух классов устройств: емких микросхем с однократной записью без возможности стирания и перезаписываемых микросхем более низкой емкости. Проблема была решена инженером компании Toshiba Фудзио Масуокой, название его открытию дал его коллега Сёдзи Ариидзуми, которому процесс стирания напомнил фотовспышку. Как не сложно догадаться, назвални они эти микросхемы flash-memory (флэш-память). Изобретение было представлено публике в 1984 году, а в 1988 — компания Intel представала коммерческие чипы памяти, построенные на принципе NOR-флеш, а в 1989 году компанией Toshiba была анонсирована NAND память.
В качестве элементов памяти, во флэш используются все те же полевые транзисторы с плавающим затвором, при этом для стирания и записи используется повышение напряжения, вызывающее уже знакомый нам эффект туннелирования. Главное отличие микросхем flash состоит в том, что чтение, запись и стирание осуществляются большими блоками, при этом блок записи по размерам не меньше блока чтения, а блок стирания — всегда больше чем блок записи. Этим обусловлена необходимость объединять ячейки памяти в иерархическую структуру, обычно: блоки — сектора — страницы.
Микросхемы, в которых одна ячейка хранит один бит информации стали называть Single-Level Cell или SLC, а их альтернативу, в которой каждая ячейка сохраняет два бита информации за счет возможности хранения 4 уровней заряда, стали называть Multi-Level Cell или MLC. Таким образом, MLC чипы получаются дешевле SLC, но работают медленней, и менее надежны. В последнее время можно увидеть также аббревиатуру eMLC (Enterprise class MLC). Обычно так обозначают устройства, имеющие повышенные по сравнению с MLC скоростные характеристики чтения-записи, а также увеличенный срок службы. Анализируя ценовые характеристики, современные eMLC стоят примерно в два раза дешевле и лишь незначительно уступают по скорости и надежности устройствам, построенным на базе SLC.
Основная разница между NOR и NAND состоит в компоновке микросхем. NOR использует классическую матрицу строк и столбцов, в пересечении которых находятся ячейки, NAND — трехмерный массив. В этом случае можно сильно увеличить площадь компоновки, но за это придется «платить» усложнением алгоритмов доступа к ячейкам. Отличаются и скорости доступа, так, например, для NOR скорость чтения составляет десятки наносекунд, для NAND — десятки микросекунд.
Основная область применения NOR — микросхемы небольшого объема, но с повышенными требованиями к надежности хранение: микросхемы начальной загрузки компьютеров, встраиваемая память однокристальных контроллеров и т.п. NAND — это традиционные хранилища данных максимального объема: карты памяти, SSD диски и так далее. В случаях использования NAND обычно применяется избыточность хранения данных и контрольные суммы для защиты от сбоев. Так же обычно микросхемы оснащаются «запасными» блоками, вступающими в работу взамен тех, что уже «износились».
Современные флэш-накопители не возможны без использования сервисных микросхем, управляющих хранением данных на чипах NAND. Эти микросхемы получили название FSP (Flash Storage Processor) или процессоры, управляющие хранением на флэш-памяти. Компания SandForce (ныне подразделение LSI), является лидером по производству такого класса микросхем. Интересно, что вычислительная мощность таких процессоров очень и очень высока. Современное поколение имеет в своем составе 2 ядра, имеет возможность защиты (с подсчетом проверочных сумм) данных, похожей на то, что мы обычно называем RAID 50/60 и управляет процессами сбора цифрового «мусора», следит за равномерным износом ячеек памяти, выполняет другие сервисные функции. С введением такого интеллектуального управления NAND-памятью, современные устройства имеют прогнозируемый срок службы и программируемую надежность. Имея статистические данные, очень легко сделать SSD, обладающий заданными параметрами производительности и надежности. Подобные сервисные микросхемы имеют длительные циклы разработки, и сейчас разрабатываются чипы, которые будут работать с микросхемами флэш-памяти, которые будут производиться только через 2-3 года.
Кстати, до сих пор можно встретить достаточно распространенное заблуждение, что при достижении предела по записи, устройства SSD умирают с потерей данных. Это не так. При достижении определённых лимитов по перезаписи, сначала администратору сервера высылаются предупреждения о скором окончании срока службы устройства, а при достижении критического порога, запись на устройство прекращается, а само устройство переходит в режим READ ONLY, только для чтения. Все современные контроллеры хранения умеют работать с этим функционалом SSD, а пользователям SSD всего лишь необходимо приобретать устройства, предназначенные для их класса задач. Если это сервер, то нужно покупать SSD промышленного уровня, предназначенные для работы в режиме 24x7, если это ноутбук или десктоп, подойдут и более дешевые устройства.
Итак, современные SSD или флэш-устройства представлены сегодня в форматах SD, USB-flash, SATA(SAS) SSD – в тех же 2.5’’ и 3.5’’ форм-факторах, что и жесткие диски HDD. В мире серверов набирает обороты PCIe-SSD – формат, когда SSD смонтированы на плате, подключаемой непосредственно в PCI-слот.
Nytro WarpDrive
Для кэширования и бездисковой загрузки SSD монтируются на платы RAID-контроллеров.
Nytro MegaRAID
Внешние системы хранения уже несколько лет предлагают в виде опции SSD вместо HDD. Кроме этого, есть и специальные внешние системы хранения данных на флэш-технологиях, например, Violin и Ramsan.
Вот краткий экскурс в историю флэш-памяти. «За бортом» осталось много интересных вопросов, начиная с современных файловых систем, разрабатываемых с учетом особенностей флэш-памяти, и заканчивая будущими разработками, обещающими массу интересного. Будем надеяться, что рассказ вам понравился, и мы еще вернемся к этой теме в будущем.
По материалам личного опыта, внутренних ресурсов компании LSI (SandForce), ресурсов How Staff Works, Википедии, курсов MIT.
Микросхемы памяти применяют для долгого хранения данных-энергонезависимое постоянное запоминающее устройство-ПЗУ,и для временного хранения данных-энергозависимое оперативное запоминающее устройство -ОЗУ.Микросхемы ПЗУ бывают:PROM,EPROM,EEPROM и FLASH память.
EPROM-запоминающее устройство,память,имеет многократные циклы записи с помощью программатора и стирания ультрафиолетом.На корпусе микросхемы можно увидеть Vpp=23В-это напряжение программирования.На каждый бит приходится один полевой транзистор.При прошивке,идет заряд электронами плавающего затвора,этот заряд может сохраняться десятки лет.Чтобы стереть информацию,кристалл облучают ультрафиолетом потоком фотонов,специальной лампой.Фотоны воздействуют на электроны и заряд рассеивается.Стекло на корпусе микросхемы затеняют изолентой, стереть информацию может солнечный свет в течении одной недели.
Микросхема EEPROM-электрически стираемая перепрограммируемая ПЗУ.Одна из подобных микросхем-кр1628рр2,емкостью 1кбит.
FLASH память,это EEPROM,также электрически стираемая и перепрограммируемая ПЗУ,но имеет большую емкость,скорость работы и низкое энергопотребление.
PROM-однократно программируемое ПЗУ,постоянная память с пережигаемыми перемычками.При прошивке,внутри сжигаются перемычки и такую микросхему уже не перепрошить.
Далее идет энергозависимая память или RAM.На такую память надо подавать питание,для сохранения информации,при отсутствии питания,информация стирается.К RAM(ОЗУ) памяти относится DRAM и SRAM.
DRAM-динамическая память,известная оперативная память компьютера.Для хранения бита используют заряженный конденсатор с транзистором.Заряд конденсатора уменьшается динамически во времени и этот заряд надо периодически восстанавливать(регенерация).
На старых компьютерах,для оперативной памяти использовали кр565ру6 или подобные микросхемы,в количестве десятков штук на плате.
SRAM-статическая память.Эту память не нужно регенерировать,она ститична,быстродейственна,запоминающей ячейкой является триггер.Но емкость такой памяти меньше,чем у динамической.
В чем состоит отличие микросхем флэш-памяти от микросхем оперативной памяти?
В чем состоит преимущество флэш-памяти перед магнитной и оптической долговременной памятью?
Какую последовательность кластеров занимает файл "файл 2" из приведенного примера на носителе информации?
Чем различаются таблицы размещения файлов FAT 12,FAT 16 и FAT 32?
Почему журналируемые файловые системы обеспечивают большую надежность хранения файлов?
Flash-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный плоский корпус. Для считывания или записи информации карта памяти вставляется в специальные накопители, встроенные в мобильные устройства или подключаемые к компьютеру через USB-порт. Информационная емкость карт памяти может достигать 512 Мбайт.К недостаткам flash-памяти следует отнести то, что не существует единого стандарта и различные производители изготавливают несовместимые друг с другом по размерам и электрическим параметрам карты памяти.
Нажать правой клавишей мыши и нажать на "Свойства". Тогда нужно выбрать "Настройки" и нажать н "Поменять значок". Там будет высвечиваться много значков,но когда пролистать дальше там будут 3 пустых белых квадратов и нужно выбрать один из них. Потом нажать на "Ок". И всё. Значок невидимый, а название осталось.
Загадки, которые были опубликованы в Мурзилке 30 лет назад. Сегодня они не для детей точно )) :
1.Чтобы спереди погладить, нужно сзади полизать. (Почтовая марка)
2.Кругом волоса, посредине колбаса. (Кукуруза)
3.Сверху черно внутри красно, как засунешь так прекрасно. (Галоши)
4.Волос на волос, тело на тело и начинается темное дело. (Веки)
5. То холодный - то горячий, то висячий - то стоячий. (Душ)
6.Туда - сюда - обратно, тебе и мне приятно. (Качели)
7. Что ты смотришь на меня? Раздевайся я твоя! (Кровать)
8.Волосатая головка за щеку заходит ловко. (Зубная щетка)
9. Мы - ребята удалые лазим в щели половые! (Веник)
10.Лежит на спине - никому не нужна. Прислони к стене - пригодится она. (Лестница)
11. В темной комнате, на белой простыне 2 часа удовольствия. (Кино)
12. Ты помни его немножко, станет твердым как картошка. (Снежок)
13.Возьму его в руки, Сожму его крепко - Он станет упругим и твердым, как репка. (Снежок)
14.Красная головка в дырку лезет ловко (Дятел)
15.Если б не бабушкины лохматушки - мерзли бы дедушкины колотушки. (Варежки)
16. Не хрен, не морковка - красная головка. (Пионер в пилотке)
17.Сзади подошел, сунул и пошел. (Тапочки)
Просто скопируй. Отправь десяти людям и смотри, что произойдет вечером!
Читайте также: