Флеш-память

USB-накопитель на флэш-памяти

Флэш-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 (обычно около 10 тысяч раз). Несмотря на то, что такое ограничение есть, 10 тысяч циклов перезаписи — это намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW.

Стирание происходит участками, поэтому нельзя изменить один бит или байт без перезаписи всего участка (это ограничение относится к самому популярному на сегодня типу флэш-памяти — NAND).

Преимуществом флэш-памяти над обычной является её энергонезависимость — при выключении энергии содержимое памяти сохраняется.

Преимуществом флэш-памяти над жёсткими дисками, CD-ROM-ами, DVD является отсутствие движущихся частей. Поэтому флэш-память более компактна, дешева (с учётом стоимости устройств чтения-записи) и обеспечивает более быстрый доступ.

Недостатком, по сравнению с жёсткими дисками, является относительно малый объём: объём самых больших флэш-карт составляет около 16 Гб. Хотя работа над устранением этого недостатка уже ведётся: компания Apple выпустила флэш-носители ёмкостью до 64 гигабайт.

Благодаря своей компактности, дешевизне и отсутствию потребности в энергии, флэш-память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах — цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, а в последнее время и в программируемых калькуляторах. Кроме того, она используется для резервного копирования (бэкапа) важной информации из компьютера, а также для хранения встроенного программного обеспечения в различных периферийных устройствах (маршрутизаторах, коммуникаторах, принтерах, сканерах и т. д.).

Флэш-память бывает как съёмной, так и несъёмной. Съёмную флэш-память применяют для хранения изображения и звука в аудио- и видеоаппаратуре и для бэкапа, несъёмную — для хранения встроенного программного обеспечения, операционных систем, а в КПК и программируемых калькуляторах — и для хранения других программ и данных. Во многих КПК съёмная флэш-память используется как расширение памяти.

В настоящее время (2005) выпускается два основных типа флэш-памяти: NOR (логика ячеек NOT OR) и NAND (логика ячеек NOT AND). В обоих типах памяти в качестве элементарных ячеек хранения информации используются полевые двухзатворные МОП-транзисторы (транзисторы с плавающим затвором).

Принцип действия

Файл:Flash programming ru.svg

Программирование флеш-памяти

Файл:Flash erase ru.svg

Стирание флеш-памяти

Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых, называемых ячейками (англ. cell). В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейках (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.

NOR

В основе этого типа флеш-памяти лежит НЕ‑ИЛИ элемент (англ. NOR), потому что в транзисторе с плавающим затвором низкий уровень электронов обозначает единицу.

Транзистор имеет два изолированных затвора: управляющийся и плавающий. Последний способен удерживать электроны в течении нескольких лет. В ячейке имеются так же сток и исток. При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, появляется поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут храниться. При чтении низкий уровень заряда на плавающем затворе соответствует единице, а заряд выше порогового значения — нулю.

Для стирания информации на управляющий затвор подается 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.

NAND

В основе NAND типа лежит НЕ-И 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 существеннее 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.

История

Флеш-память была открыта Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в Toshiba в 1984. Имя «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Шойи 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. Intel увидела большой потенциал в изобретении и в 1988 выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR типа.

NAND тип флеш памяти был анонсирован Toshiba в 1989 на International Solid-State Circuits Conference. У него была более быстрая скорость записи и меньше площадь чипа.

Стандартизацией чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0, выпущенная в 28 декабря 2006. Группа ONFI поддерживается крупнейшими производителями NAND чипов: Intel, Micron Technology и Sony.

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: FFS2 для Microsoft Windows и JFFS2 и YAFFS для GNU/Linux.

USB флеш-носители и карты памяти, такие как SecureDigital и CompactFlash имеют встроенный контроллер, который производит обнаружение и исправление ошибок и старается равномерно использовать ресурс перезаписи флеш-памяти. На таких устройствах не имеет смысла использовать специальную файловую систему и для лучшей совместимости применяется обычная FAT.

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 Dell с 2003 года перестала выпускать компьютеры с дисководом гибких дисков.

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.

Есть специальные дистрибутивы GNU/Linux и версии программ, которые могут работать прямо со USB носителей, например, чтобы пользоваться своими приложения в интернет-кафе.

Технология ReadyBoost в Windows Vista способна использовать USB-флеш носитель или специальную флеш-память, встроенную в компьютер, для ускорения быстродействия. На флеш-памяти так же основываются карты памяти, такие как SecureDigital (SD) и MemoryStick, которые активно применяются в портативной технике (фотоаппараты, мобильные телефоны). Вкупе с USB носителями флеш-память занимает большую часть рынка переносных носителей данных.

NOR типа памяти чаще применяется в BIOS и ROM-памяти устройств, таких как DSL модемы, маршрутизаторы и так далее. Флеш-память позволяет легко обновлять прошивку устройств, при этом скорость записи и объём не так важны.

Сейчас активно рассматривается возможность замены жёстких дисков на флеш‑память. В результате компьютер будет включаться мгновенно, а отсутствие движущихся деталей увеличит срок службы. Например, в XO-1, «ноутбук за 100$», который активно разрабатывается для стран третьего мира, жёсткий диск будет заменять флеш-память объёмом 1 ГБ. Распространение ограничивает высокая цена за ГБ и меньший срок годности, чем у жёстких дисков из-за ограниченного количества циклов записи.

Типы съёмной флэш-памяти

Флэш-карты разных типов

По скорости чтения/записи

Так как при потоковой передаче медиаданных больших объёмов время считывания/записи и передачи файла существенно сказывается на эргономике устройства, выпускается «разноскоростная» флэш-память. Скорость обычно маркируется в скоростях стандартного CD-привода (150 KБайт/сек.).

По конструктивному исполнению и интерфейсам:

• Compact Flash TypeI (CF I)
• Compact Flash TypeII (CF II)
• Memory Stick
• Memory Stick Micro (M2)
• SecureDigital (SD)
• miniSD
• microSD (TransFlash)
• xD-Picture Card (xD)
• MultiMediaCard (MMC)
• RS-MMC
• SmartMedia Card (SMC)
• USB-flash

См. также

• U3

Ссылки

• Технологии флэш-памяти
• Энциклопедия Флэш-памяти