Устройства флэш-памяти

Флэш-диски (Flash Disks) — весьма популярный и очень перспективный класс энергонезависимых запоминающих устройств. Флэш-диски (твердотельные дис­ки) являются модификацией HDD и представляют собой устройства для долго­временного хранения информации с возможностью многократной перезаписи.

Стирание и запись данных осуществляется так же, как у HDD — блоками (ино­гда называемыми по аналогии с магнитными дисками секторами, но более пра­вильно было бы их именовать кластерами).

У флэш-дисков отсутствуют какие-либо подвижные части, да и форма у них со­всем не круглая — чаще всего они представляют собой прямоугольные картриджи.

Для хранения информации в них используются специализированные микросхе­мы памяти с металлизацией (металл-нитридные), выполненные по технологии Flash, изобретенной в начале 80-х годов в фирме Intel. Дисками их называют условно, поскольку флэш-диски полностью эмулируют функциональные возмож­ности HDD. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, затем байты данных передаются в последовательном порядке с исполь­зованием стробирующего сигнала. Стирание содержимого всего блока выполня­ется одномоментно отдельным сигналом (отсюда, вероятно, и название памяти flash — вспышка); тотальное стирание было специально организовано разработ­чиками, поскольку первоначально флэш-память применялась в военных прибо­рах, и при обнаружении попыток несанкционированного доступа к ним необхо­димо было сразу уничтожать все данные — система автоматически генерировала внутренний сигнал стирания).

По существу, флэш-диски — это «полупостоянные» запоминающие устройства, стирание, считывание и запись информации в которых выполняется электриче­скими сигналами (в отличие от прочих ПЗУ, в которых эти действия произво­дятся лучом лазера или чисто механически — «перепрошивкой»). Количество циклов перезаписи информации в одну и ту же ячейку у флэш-памяти ограни­чено, но оно обычно превышает 1 миллион — эта величина иногда указывается в паспорте микросхемы. В современных устройствах имеются программные или аппаратные средства формирования виртуальных блоков, обеспечивающие за­пись информации поочередно в разные области флэш-памяти так, чтобы число циклов стирания и записи было равномерно распределено по всем блокам диска. Это существенно увеличивает срок службы флэш-памяти: ее работоспособность сохраняется сотни лет.

Емкость современных флэш-дисков, изготовленных на основе многоуровне­вых ячеек (MultyLevel Cell, MLC) на базе логических схем NAND («Не-И», штрих Шеффера), достигает нескольких гигабайтов при крайне миниатюрных размерах.

Флэш-диски обладают высочайшей надежностью — среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures — MTBF) у них составляет, как правило, более миллиона часов; они устойчивы к механическим ускорениям и вибрациям, работают в широком диапазоне температур (от -40 до +85 °С).

Во время выполнения операций чтения-записи флэш-диски обычно потребляют не более 200 мВт электроэнергии и, естественно, не шумят.

Скорость считывания информации составляет несколько мегабайтов в секунду, скорость записи несколько ниже (эти значения зависят от типа флэш-памяти и ее интерфейса).

Линейку чипов (ИС) многоцелевой флэш-памяти на базе Super Flash (SF)пред­ставила компания Silicon Storage Technology. Эти чипы могут использоваться

в КПК, в Bluetooth-устройствах и в оборудовании для беспроводных сетей. Четырехмегабитовые чипы имеют время доступа 90 не, время стирания секто­ра — 36 мке, стирание всей ИС занимает 140 мкс. Потребление тока в активном режиме — 5 мА, в режиме ожидания — 1 мкА при напряжении 1,95 В. Чипы выпускаются в разных исполнениях — в 48-контактных корпусах: TFBGA (6x8x1 мм), WFBGA (4 х 6 х 0,63 мм), XFLGA (4 х 6 х 0,47 мм).

Конструктивно флэш-диски могут быть выполнены в виде микросхемы. Напри­мер, флэш-диск Disk on Chip 2000 фирмы M-Systems представляет собой DIP-микросхему с 32 контактами (современные ROM BIOS выполняются также на основе флэш-памяти в виде обычной микросхемы). Микросхемы Disk on Chip емкостью до 128 Мбайт используются в ПК.

Сейчас выпускаются чипы Disk on Chip третьего поколения. Так, корпорации M-Systems и Toshiba в 2002 году анонсировали флэш-накопитель Mobile Disk on Chip G3,изготовленный в виде многоуровневой ячейки по технологии NAND. Емкость построенного по нормам 0,13 мкм чипа равна 64 Мбайт. Поддерживается прямой доступ к памяти (DMA) и режим Multy Burst, обеспечивающий ско­рость чтения 80 Мбайт/с. Имеются встроенные алгоритмы коррекции ошибок. Toshiba и SanDisk начнут выпуск 90-нм флэш-памяти типа NAND (256-512 Гбайт) в 2004 году — ее разработка закончена. Ныне самую большую емкость имеет чип 2 Гбит, 130 нм.

Многие производители предусматривают на своих системных платах гнезда для установки флэш-чипов. Интерфейс для их подключения аналогичен интерфейсу ПЗУ BIOS.

Флэш-дискив настоящее время выпускаются многими фирмами, с различными интерфейсами и в разных конструктивных исполнениях. Они могут быть не только внешними дисками ПК, но и устанавливаться внутри системного блока. В качестве фиксированной памяти используются флэш-карты, выполненные в виде печатных плат, предназначенных для непосредственной установки в разъ­емы системной платы компьютера. Они способны работать с системными и ло­кальными интерфейсами ПК (ISA, PCI и др.). Значительно чаще флэш-па­мять используется в качестве альтернативных HDD твердотельных дисков. В этом случае востребованы периферийные интерфейсы ATA (IDE), Serial ATA, USB, IEEE 1394 и др. Широкое применение флэш-диски нашли в цифровых фото-и видеокамерах.

Конструктивных вариантов исполнения флэш-дисков существует много.

□ ATA Flash, (PC Card ATA).Карты этого формата имеют емкость до 1 Гбайт, габариты 85,6 Ч 54 Ч 33 мм, они снабжены 68-контактным разъемом (совмес­тим со стандартным разъемом PCMCIA ноутбука) и АТА-контроллером. Благодаря последнему обеспечивается эмуляция обычного жесткого диска. Имеется несколько типов PC Card: Typel, Type2, ТуреЗ, отличающихся тол­щиной: 3,3; 5,0 и 10,5 мм соответственно:

Typel обычно используется как фиксированная память;

Туре2, кроме того, может выполнять функции модема или сетевой карты;

ТуреЗ чаще всего эмулирует жесткие диски.

Compact Flash (CF)имеют две модификации: Compact Flash Typel (CF1)
и Compact Flash Type2 (CF2).

О Compact Flash Typel, пожалуй, самый распространенный сейчас (на 2002 год) формат. Он разработан в 1994 году фирмой SanDisk и имеет размеры 42,8 х 36,4 х 3,3 мм, вес 10 г, соответствующие спецификации PCMCIA, но его 50-контактный торцевой разъем входит в противоречие с этой спе­цификацией (при подсоединении к ноутбуку требуется переходник на 68-контактный разъем). Емкость карт CF1 составляет до 512 Мбайт. Ско­рость чтения карт CF1, выпущенных в 2002 году компанией Netac, состав­ляет 1 Мбайт/с, а скорость записи — 0,9 Мбайт/с.

О Compact Flash Type2 (CF2) имеют толщину 5 мм, что позволило увели­чить их емкость до 4 Гбайт. Скорость чтения-записи — 1,4 Мбайт/с. Упро­щенным вариантом CF могут считаться Miniature Card,имеющие почти такие же габаритные размеры (38 х 33 х 3,5 мм), но у них нет внутреннего контроллера для эмуляции HDD (то есть эти карты используются как обычная память).

□ Smart Media (SM)— твердотельный диск, предложенный в 1998 году компа­нией Toshiba. Габариты устройства 45,5 х 37 х 0,76 мм, вес — 2 г. Разъем име­ет 22 контакта. Внутреннего контроллера у диска нет. Емкость современных SM не превосходит 128 Мбайт, скорость обмена — 512 Кбайт/с.

□ xD-Picture— усовершенствованный вариант SM, размер карты 25 х 20 х х 1,7 мм, вес — 2 г (это самые миниатюрные карты памяти на начало 2003 года). Емкость — 256 Мбайт, в ближайшее время ожидаются карты компании Fuji Photo Film емкостью 512 Мбайт, в дальнейшем прогнозируются и до 8 Гбайт. Скорость передачи до 3 Мбайт/с.

□ MultiMedia Card (MMC).Была представлена фирмами SanDisk и Siemens в конце 1997 года. Емкость карт до 256 Мбайт, размер 32 х 24 х 1,4 мм, вес — 2 г. Скорость чтения данных до 2 Мбайт/с, записи — до 512 Кбайт/с.

Secure Digital Card (SD)улучшенный вариант карт MMC, предложенный в 1999 году компанией Matsushita Electric Industrial Co Ltd (торговая марка Panasonic). Это один из самых перспективных форматов хранения информа­ции во флэш-памяти. Размер карт 32 х 24 х 2,1 мм, вес около 2 г, емкость совре­менных SD варьируется от 32 до 1024 Мбайт, скорость обмена — 6 Мбайт/с. Карта оборудована 9-контактным разъемом, имеется возможность защиты от несанкционированного доступа по паролю и переключатель для защиты от случайной записи или стирания. Флэш-карта от Matsushita (2003 год) имеет емкость 1 Гбайт, скорость обмена 20 Мбайт/с; в 2004 году обещана карта ем­костью 2 Гбайт, а в 2005 году — версии карт на 4 Гбайт и далее на 8 и 16 Гбайт. Карты SM, MMC, SD первоначально разрабатывались для использования в цифровых фото- и видеокамерах. Сейчас для них выпускаются дисководы для подключения к компьютерам. Например, компания TDK Marketing пред­ставила миниатюрные считыватели серии Media Reader с интерфейсом USB2 для флэш-карт форматов SD, MMC, CF и IBM Microdrive (питание через шину USB).

□ Miniature Card (ViniCard)— тип этой флэш-памяти нашел применение в ор­ганайзерах и сотовых телефонах. Их емкость всего 64 Мбайт, размеры 33 х 32 х 2,8 мм.

□ Memory Stick(появились в 1998 году, емкость до 256 Мбайт, размеры 50 х х 21,5 х 2,8 мм) применяются в основном в цифровых и видеокамерах. Но фир­ма Sony рекламирует их в качестве универсальных устройств памяти и оснащает ими многие свои изделия, в частности, портативные, в том числе и карманные персональные компьютеры. Компания 1-0 Data представила считыватели карт MSRW с интерфейсом USB2 для флэш-карт формата Memory Stick. Габари­ты MSRW 56 х 72 х15,5 мм, вес - 25 г.