Pamięć flash. SSD. Rodzaje pamięci flash. Karta pamięci

Pamięć Flash jest rodzajem długoterminowej pamięci komputerów, w której zawartość może być przeprogramowana lub usunięta metodą elektryczną. W porównaniu z pamięcią do odczytu programowalnego do odczytu elektrycznego, czynności, które mogą być wykonywane w blokach znajdujących się w różnych miejscach. Pamięć flash kosztuje znacznie mniej niż EEPROM, więc stała się dominującą technologią. Szczególnie w sytuacjach, w których konieczne jest długotrwałe i długoterminowe przechowywanie danych. Jego wykorzystanie jest dozwolone w wielu sytuacjach: cyfrowych odtwarzaczy audio, kamer fotograficznych i wideo, telefonów komórkowych i smartfonów, gdzie na karcie pamięci są specjalne aplikacje na Androida. Ponadto, jest on używany również w napędach flash USB, tradycyjnie używanych do przechowywania informacji i przesyłania ich między komputerami. Zyskała popularność w świecie graczy, gdzie często jest wykorzystywane w poślizgu, aby przechowywać dane o postępie gry.

Opis ogólny

Pamięć Flash to typ, który może przechowywać informacje na płycie przez długi czas bez użycia zasilania. Ponadto można zauważyć najwyższą szybkość dostępu do danych, a także lepszą odporność na wstrząsy kinetyczne w porównaniu z dyskami twardymi. To właśnie dzięki takim cechom stało się bardzo popularne w przypadku urządzeń wykorzystujących baterie i baterie. Inną niezaprzeczalną zaletą jest to, że gdy pamięć flash jest kompresowana na solidną kartę, prawie nie można jej zniszczyć standardowymi metodami fizycznymi, dzięki czemu może wytrzymać wrzącą wodę i wysokie ciśnienie.

Dostęp do danych na niższym poziomie

Sposób dostępu do danych przechowywanych w pamięci flash jest bardzo różny od tego, co jest używane w konwencjonalnych widokach. Dostęp do niskiego poziomu zapewnia kierowca. Zwykła pamięć RAM natychmiast odpowiada na wezwania do odczytu informacji i jej zapisów, zwracając wyniki takich operacji, a pamięć flash jest taka, że trzeba trochę czasu, aby myśleć.

Urządzenie i zasada działania

Obecnie pamięć flash jest rozłożona, tworzona na elementach pojedynczego tranzystora z "pływającą" migawką. Dzięki temu można zapewnić większą gęstość zapisu danych w porównaniu z dynamiczną pamięcią RAM, która wymaga pary tranzystorów i elementu kondensatora. W tej chwili rynek obfituje w różnorodne technologie służące do budowania podstawowych elementów tego typu mediów, opracowanych przez wiodących producentów. Różni się ich liczbą warstw, metodami nagrywania i usuwania informacji, a także organizacją struktury, która jest zazwyczaj wskazywana w tytule.

W tej chwili jest kilka typów żetonów, które są najbardziej powszechne: NOR i NAND. W obydwu przypadkach połączenie tranzystorów pamięci odbywa się odpowiednio do linii bitowych – równolegle i kolejno. W pierwszym typie rozmiary komórek są dość duże i istnieje możliwość szybkiego dostępu losowego, co umożliwia wykonanie programów bezpośrednio z pamięci. Druga charakteryzuje się mniejszymi rozmiarami komórek, a także szybszym dostępem sekwencyjnym, co jest znacznie wygodniejsze, jeśli trzeba zbudować urządzenie typu bloku, w którym przechowywane będą duże informacje.

W większości urządzeń przenośnych napęd półprzewodnikowy wykorzystuje typ pamięci NOR. Jednak coraz bardziej popularne są urządzenia z interfejsem USB. Używają pamięci typu NAND. Stopniowo wypiera pierwsze.

Głównym problemem – niestabilność

Pierwsze próbki pamięci USB flash nie zadowoliły użytkowników z dużą prędkością. Teraz jednak szybkość pisania i czytania informacji jest na poziomie, w którym można wyświetlać film o pełnej długości lub uruchomić system operacyjny na komputerze. Wielu producentów już wykazało maszyny, w których dysk twardy jest wymieniony na pamięć flash. Ale ta technologia ma bardzo istotną wadę, która staje się przeszkodą w zastępowaniu istniejących nośników przez istniejące dyski magnetyczne. Dzięki funkcjom pamięci flash można wymazać i zapisywać informacje w ograniczonej liczbie cykli, co można osiągnąć nawet w małych i przenośnych urządzeniach, nie mówiąc już o tym, jak często to się dzieje na komputerach. Jeśli używasz tego typu nośników w postaci dysku stałego na komputerze, sytuacja krytyczna będzie bardzo szybko.

Wynika to z faktu, że taki napęd jest zbudowany na podstawie tranzystorów polowych, aby utrzymywać ładunek elektryczny w bramie "pływającej" , której brak lub obecność w tranzystorze jest uważana za jednostkę logiczną lub zero w układzie binarnym rachunku. Nagrywanie i kasowanie danych w pamięci NAND odbywa się za pomocą tunelowania elektronów metodą Fowler-Nordheim z udziałem dielektryka. Nie wymaga to wysokiego napięcia, co pozwala na tworzenie komórek o minimalnym rozmiarze. Ale ten proces prowadzi do fizycznego zniszczenia komórek, ponieważ prąd elektryczny w tym przypadku powoduje, że elektrony penetrują bramę, przezwyciężając barierę dielektryczną. Jednak gwarantowane półki takiej pamięci to dziesięć lat. Amortyzacja układu nie polega na odczytywaniu informacji, ale z powodu operacji kasowania i nagrywania, ponieważ odczytywanie nie wymaga zmiany struktury komórek, ale przechodzi tylko prąd elektryczny.

Oczywiście producenci pamięci aktywnie działają na rzecz zwiększenia trwałości napędów półprzewodnikowych tego typu: są zobowiązani do zapewnienia jednolitości pisania / usuwania procesów w komórkach tablicy, tak że niektóre nie niszczą więcej niż inne. W celu równomiernego rozkładu obciążenia ścieżki oprogramowania są przeważnie używane. Na przykład w celu wyeliminowania tego zjawiska stosuje się technologię "wyrównującego zużycia". W takim przypadku dane, często podlegające zmianom, przechodzą do przestrzeni adresowej pamięci flash, ponieważ nagrywanie odbywa się przy różnych adresach fizycznych. Każdy sterownik jest wyposażony w własny algorytm wyrównywania, więc bardzo trudno jest porównać skuteczność niektórych modeli, ponieważ szczegóły dotyczące implementacji nie są ujawniane. Od każdego roku coraz większe ilości dysków flash stają się coraz bardziej potrzebne, aby zapewnić stabilność urządzeń, konieczne jest zastosowanie coraz bardziej wydajnych algorytmów.

Rozwiązywanie problemów

Jednym z najbardziej skutecznych sposobów zwalczania tego zjawiska jest zarezerwowanie pewnej ilości pamięci, co zapewnia jednolitość obciążeń i korekcji błędów za pomocą specjalnych algorytmów logicznej algorytmów zastępowania bloków fizycznych, które występują podczas intensywnej pracy z dyskiem flash. Aby zapobiec utracie informacji, komórki, które nie działają, są blokowane lub zastępowane przez komórki zapasowe. Ta dystrybucja oprogramowania bloków umożliwia zapewnienie jednorodności ładunku, zwiększając liczbę cykli o 3-5 razy, ale to nie wystarczy.

Karta pamięci i inne typy takich napędów charakteryzują się faktem, że stół z systemem plików jest przechowywany w obszarze obsługi. Zapobiega zakłóceniom w odczytywaniu informacji na poziomie logicznym, na przykład przy niewłaściwym wyłączeniu lub nagłej przerwie w dostawie energii. Ponieważ przy użyciu urządzeń wymiennych system nie udostępnia buforowania, często częste nadpisywanie ma największy wpływ na tabelę alokacji plików i zawartość katalogów. I nawet specjalne programy do kart pamięci nie są w stanie pomóc w tej sytuacji. Na przykład podczas pojedynczego połączenia użytkownik skopiował tysiące plików. I wydaje się, że tylko raz na jedną okazję służy do nagrywania bloków, w których są umieszczone. Obszary usług odpowiadały jednak każdej aktualizacji każdego pliku, czyli tablic alokacji przeszukiwano tę procedurę tysiąc razy. Z tego powodu po pierwsze blokada zajmowana przez te dane nie powiedzie się. Technologia "wyrównywania zużycia" również działa z takimi blokami, ale jego skuteczność jest bardzo ograniczona. I nie ma znaczenia, jakiego komputera używasz, dysk flash nie powiedzie się nawet wtedy, gdy jest dostarczony przez twórcę.

Należy zauważyć, że wzrost pojemności mikroukładów takich urządzeń doprowadził tylko do tego, że całkowita liczba cykli zapisu zmniejszyła się, ponieważ komórki stają się mniejsze, a zatem mniej i mniej napięcia jest potrzebne do rozproszenia barier tlenkowych, które izolują "bramę pływającą". A sytuacja rozwija się w taki sposób, że wraz ze wzrostem pojemności używanych urządzeń problem ich niezawodności staje się coraz bardziej pogłębiony, a klasa karty pamięci zależy teraz od wielu czynników. Niezawodność pracy takiego rozwiązania zależy od jego cech technicznych, a także sytuacji obecnie rozwijanej na rynku. Ze względu na trudną konkurencję, producenci zmuszeni są do obniżenia kosztów produkcji w jakikolwiek sposób. W tym poprzez uproszczenie projektu, wykorzystanie elementów z tańszego zestawu, osłabienie kontroli nad produkcją i innymi metodami. Na przykład karta pamięci Samsung będzie kosztować więcej niż mniej znanych analogów, ale jego niezawodność powoduje znacznie mniej pytań. Ale nawet tu trudno mówić o całkowitym braku problemów, a trudno oczekiwać czegoś więcej z urządzeń zupełnie nieznanych producentów.

Perspektywy rozwoju

Z oczywistych zalet istnieje wiele wad, które charakteryzują kartę pamięci SD, uniemożliwiając dalsze rozszerzanie zakresu zastosowań. Dlatego ciągle poszukuje alternatywnych rozwiązań w tej dziedzinie. Oczywiście, przede wszystkim starają się poprawić istniejące rodzaje pamięci flash, co nie prowadzi do zasadniczych zmian istniejącego procesu produkcyjnego. Dlatego nie ma wątpliwości, że jedna firma: firmy zajmujące się wytwarzaniem tego typu napędów będą próbować wykorzystać ich pełny potencjał, zanim przejdą do innego typu, kontynuując udoskonalanie tradycyjnej technologii. Na przykład karta pamięci Sony jest obecnie dostępna w szerokiej gamie woluminów, więc zakłada się, że będzie nadal sprzedawana aktywnie.

Do tej pory na progu wdrożenia przemysłowego znajduje się cały szereg technologii umożliwiających alternatywne przechowywanie danych, z których niektóre mogą być realizowane natychmiast w przypadku korzystnej sytuacji rynkowej.

Ferroelectric RAM (FRAM)

Zaproponowano technologię ferroelektryczną zasady przechowywania informacji (Ferroelectric RAM, FRAM) w celu zwiększenia potencjału pamięci nieulotnej. Uważa się, że mechanizm działania dostępnych technologii, polegający na przepisywaniu danych podczas odczytu z wszystkimi modyfikacjami elementów bazowych, prowadzi do pewnego ograniczenia potencjału szybkiego urządzenia. A FRAM to pamięć charakteryzująca się prostotą, dużą niezawodnością i szybkością działania. Właściwości te są obecnie typowe dla pamięci DRAM – nieulotnej pamięci RAM, która istnieje w danej chwili. Ale dodamy również możliwość długoterminowego przechowywania danych, charakteryzującego się kartą pamięci SD. Wśród zalet tej technologii jest odporność na różnego rodzaju penetrujące promieniowanie, które mogą okazać się potrzebne w specjalnych urządzeniach, które są wykorzystywane do pracy w warunkach zwiększonej radioaktywności lub w poszukiwaniu przestrzeni kosmicznej. Mechanizm przechowywania informacji jest realizowany tutaj dzięki zastosowaniu efektu ferroelektrycznego. Oznacza to, że materiał jest w stanie zachować polaryzację w przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego. Każda komórka pamięci FRAM jest utworzona przez umieszczenie błony hiperfekcyjnej materiału ferroelektrycznego w postaci kryształów pomiędzy parą płaskich metalowych elektrod tworzących kondensator. Dane w tym przypadku są przechowywane wewnątrz struktury kryształu. Zapobiega to wyciekowi ładunku, co powoduje utratę informacji. Dane w pamięci FRAM są zachowywane nawet wtedy, gdy zasilanie jest odłączone.

Magnetic RAM (MRAM)

Innym rodzajem pamięci, uważanym za bardzo obiecujący, jest MRAM. Charakteryzuje się wskaźnikami o dużej szybkości i niestabilności. W tym przypadku elementarna komórka jest cienką warstwą magnetyczną umieszczoną na podłożu krzemowym. MRAM jest pamięcią statyczną. Nie trzeba pisać okresowo, a informacje nie zostaną utracone po wyłączeniu zasilania. W tej chwili większość ekspertów zgadza się, że tego typu pamięć można nazwać technologią następnej generacji, ponieważ istniejący prototyp wykazuje wskaźniki o dużej szybkości. Inną zaletą tego rozwiązania jest niski koszt żetonów. Pamięć Flash jest produkowana zgodnie z wyspecjalizowanym procesem CMOS. I wióry MRAM mogą być produkowane w standardowym procesie. A materiały mogą służyć do tych, które są stosowane w tradycyjnych mediach magnetycznych. Wytwarzanie dużych ilości takich chipów jest dużo tańsze niż wszystkie inne. Ważną właściwością pamięci MRAM jest możliwość natychmiastowego włączenia. Jest to szczególnie przydatne w przypadku urządzeń przenośnych. Wszakże w tym typie wartość komórki jest określana przez ładunek magnetyczny, a nie przez ładunek elektryczny, jak w tradycyjnej pamięci flash.

Ovonic Unified Memory (OUM)

Innym rodzajem pamięci, na którą działa wiele firm, jest napęd półprzewodnikowy na bazie półprzewodnikowych. Opiera się on na technologii przejścia fazowego, która jest podobna do zasady zapisu na konwencjonalnych dyskach. Tutaj stan fazowy materii w polu elektrycznym zmienia się od krystalicznego do amorficznego. Ta zmiana jest utrzymywana nawet przy braku napięcia. Z tradycyjnych dysków optycznych takie urządzenia różnią się pod tym względem, że ogrzewanie następuje z powodu działania prądu elektrycznego, a nie lasera. Czytanie w tym przypadku odbywa się z powodu różnicy odbijania substancji w różnych stanach, która jest postrzegana przez czujnik napędu. Teoretycznie rozwiązanie to ma dużą gęstość przechowywania danych i maksymalną niezawodność, a także większą szybkość. Wysoki jest wskaźnik maksymalnej liczby cykli przepisywania, dla których komputer jest używany, w tym przypadku pamięć flash opóźnia się kilkoma rzędami.

Chalcogenid RAM (CRAM) i pamięć zmian fazy (PRAM)

Technologia ta opiera się również na przejściach fazowych, gdy w jednej fazie substancja stosowana w nośniku działa jako nieprzewodzący materiał bezpostaciowy, aw drugim służy jako krystaliczny przewód. Przejście komórki pamięci z jednego stanu do drugiego odbywa się za pomocą pól elektrycznych i ogrzewania. Takie chipy charakteryzują się odpornością na promieniowanie jonizujące.

Information-Multilayered Imprinted CArd (Info-MICA)

Praca urządzeń zbudowanych na bazie tej technologii odbywa się na zasadzie holografii cienkowarstwowej. Informacje są zapisywane w następujący sposób: najpierw generowany jest obraz dwuwymiarowy, który jest przesyłany do hologramu przy użyciu technologii CGH. Dane są odczytywane przez mocowanie wiązki laserowej na krawędzi jednej z warstw zapisu służących jako falowody optyczne. Światło rozprzestrzenia się wzdłuż osi, która jest umieszczona równolegle do płaszczyzny warstwy, tworząc obraz na wyjściu odpowiadający informacjom zarejestrowanym wcześniej. Pierwsze dane można uzyskać w dowolnym momencie dzięki algorytmowi kodowania odwrotnego.

Ten rodzaj pamięci półprzewodnikowych przychylnie z uwagi na fakt, że zapewnia wysoką gęstość danych, niskie zużycie energii i niski koszt przewoźnika, bezpieczeństwo środowiska i ochronę przed nieautoryzowanym użyciem. Ale takie przepisanie informacji o karcie pamięci nie pozwala, zatem może służyć tylko jako długotrwałego przechowywania, wymienić nośnik papierowy lub alternatywny dysków optycznych do dystrybucji treści multimedialnych.