Flash-память Преимущества и недостатки. Введение Современный человек не в состоянии жить без информации. Но информация имеет такую особенность ее надо. Плюсы и минусы флэш-памяти

Введение Современный человек не в состоянии жить без информации. Но информация имеет такую особенность ее надо где–то хранить. Систем хранения информации сейчас довольно много. Ее можно хранить на магнитных носителях, можно хранить на оптических и магнитооптических носителях. Но перед человеком в наше время также стоит довольно важная проблема перенос информации из одного места в другое, а также не менее важная проблема хранения информации, и как следствие, надежность носителей. Именно поэтому так быстро развивались технологии, связанные с хранением информации. Но именно здесь встает несколько проблем. Первая это энергопотребление. Современной техника, такая как карманные компьютеры или MP3-плееры, обладает довольно ограниченными энергетическими ресурсами. Память, обычно используемая в ОЗУ компьютеров, требует постоянной подачи напряжения. Дисковые накопители могут сохранять информацию и без непрерывной подачи электричества, зато при записи и считывании данных тратят его за троих. Поэтому требовался носитель, который будет энергонезависимым при хранении и малопотребляющим энергию при записи и считывании информации. И тут хорошим выходом стала флэш–память. Носители на ее основе называются твердотельными, поскольку не имеют движущихся частей. И это еще одно преимущество данного типа памяти. Так что же такое Flash память, каковы ее преимущества и недостатки?

Что такое flash-память? Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи). Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных. Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip). В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш- памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.

Появилась же flash-память благодаря усилиям японских ученых. В 1984 г. компания Toshiba объявила о создании нового типа запоминающих устройств, а годом позже начала производство микросхем емкостью 256 Кbit. Правда, событие это, вероятно в силу малой востребованности в то время подобной памяти, не всколыхнуло мировую общественность. Второе рождение flash-микросхем произошло уже под брэндом Intel в 1988 г., когда мировой гигант радиоэлектронной промышленности разработал собственный вариант flash- памяти. Однако в течение почти целого десятилетия новинка оставалась вещью, широко известной лишь в узких кругах инженеров-компьютерщиков. И только появление малогабаритных цифровых устройств, требовавших для своей работы значительных объемов памяти, стало началом роста популярности flash-устройств. Начиная с 1997 г. flash- накопители стали использоваться в цифровых фотоаппаратах, потом ареал обитания твердотельной памяти с возможностью хранения и многократной перезаписи данных стал охватывать MP3-плейеры, наладонные компьютеры, цифровые видеокамеры и прочие миниатюрные игрушки для взрослых любителей цифрового мира.

."Что в имени тебе моем?" Кстати сказать, как до сих пор идут споры о том, какой же все-таки год, 1984 или 1988-й, нужно считать временем появления настоящей flash-памяти, точно так же споры вызывает и происхождение самого термина flash, применяемого для обозначения этого класса устройств. Если обратиться к толковому словарю, то выяснится многозначность слова flash. Оно может обозначать короткий кадр фильма, вспышку, мелькание или отжиг стекла. Согласно основной версии, термин flash появился в лабораториях компании Toshiba как характеристика скорости стирания и записи микросхемы флэш-памяти in a flash, то есть в мгновение ока. С другой стороны, причиной появления термина может быть слово, используемое для обозначения процесса прожигания памяти ПЗУ, который достался новинке в наследство от предшественников. В английском языке засвечивание или прожигание микросхемы постоянного запоминающего устройства обозначается словом flashing. По третьей версии слово flash отражает особенность процесса записи данных в микросхемах этого типа. Дело в том, что, в отличие от прежнего ПЗУ, запись и стирание данных во flash-памяти производится блоками-кадрами, а термин flash как раз и имеет в качестве одного из значений – короткий кадр фильма.

Организация flash-памяти Ячейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах. В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации. При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции "горячих" электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с "плавающего" затвора) производится методом тунеллирования.записитуннелирования Стирание Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", а его отсутствие - как логическая "1".

Общий принцип работы ячейки флэш-памяти. Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. При чтении, в отсутствие заряда на "плавающем" затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток. Наличие заряда на "плавающем" затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает. При программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). "Горячие" электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют "горячими" за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика.

История 1955 память на магнитных ядрах имеет тот же принцип чтения записи, что и MRAM 1989 учёные IBM сделали ряд ключевых открытий о «гигантском магниторезистивном эффекте» в тонкоплёночных структурах IBM и Infeneon установили общую программу развития MRAM NVE объявляет о Технологическом Обмене с Cypress Semiconductor кбит чип MRAM был представлен, изготовленный по 0,18 микрометров технологии Июнь Infeneon анонсирует 16-Мбит опытный образец, основанный на 0,18 микрометров технологии Сентябрь MRAM становится стандартным продуктом в Freescale, которая начала испытывать MRAM. Октябрь Тайваньские разработчики MRAM печатают 1 Мбит элементы на TSMC.TSMC Октябрь Micron бросает MRAM, обдумывает другие памяти.Micron Декабрь TSMC, NEC, Toshiba описывают новые ячейки MRAM.TSMCNECToshiba Декабрь Renesas Technology разрабатывают Высокоскоростную, Высоконадёжную Технологию MRAM Январь Cypress испытывает MRAM, использует NVE IP. Март Cypress продаёт дочернюю компанию MRAM. Июнь Honeywell сообщает таблицу данных для 1-Мбит радиационно-устойчивой MRAM, используя 0,15 микрометров технологию. Август рекорд MRAM: Ячейка памяти работает на 2ГГц. Ноябрь Renesas Technology и Grandis сотрудничают в Разработке 65 нм MRAM, применяя Вращательно Крутящее Перемещение. Декабрь Sony представляет первую лабораторию производящую вращательно-крутящее-перемещение MRAM, которая использует вращательно-поляризованный ток через туннельный магниторезистивный слой записать данные. Этот метод потребляет меньше энергии и более расширяемый чем обыкновенная MRAM. C дальнейшими преимуществами в материалах, этот процесс должен позволять для плотностей больших чем те возможные в DRAM. Декабрь Freescale Semiconductor Inc. анонсирует MRAM, которая использует магниевый оксид, лучше, чем алюминиевый оксид, позволяющий делать тоньше изолирующий туннельный барьер и улучшенное битовое сопротивление в течение цикла записи, таким образом, уменьшая требуемый ток записи Февраль Toshiba и NEC анонсировали 16 Мбит чип MRAM с новой «энерго-разветвляющейся» конструкцией. Они добились частоты перемещения в 200 МБ/с, с временем цикла 34 нс лучшая производительность любого чипа MRAM. Они также гордятся наименьшим физическим размером в своём классе 78,5 квадратных миллиметров и низким требованием энергии 1,8 вольт. Июль 10 Июля, Austin Texas Freescale Semiconductor начинают торговать 4-Mbit чипами MRAM, которые продаются приблизительно за $25.00 за чип.

Вместо заключения Подводя итог всему вышесказанному, нужно признать непреложный факт: flash-память – штука удобная и чрезвычайно полезная. Объединяя в себе черты, присущие одновременно и постоянной и оперативной памяти, флэшки способны восполнить нехватку мозгов у малогабаритных цифровых устройств, обеспечивая их владельцев практически неограниченными возможностями по хранению необходимых данных, объем которых ограничен лишь количеством имеющихся в наличии flash- накопителей. Одно плохо – не обошлось и тут без недостатков. Во-первых, форматов flash-устройств много, что накладно для владельца разнородных гаджетов, а во-вторых, все-таки ограничение на количество циклов перезаписи – свойство вполне реальное. Однако ж недостатки, как известно, существуют лишь для того, чтобы подчеркнуть достоинства, а их у flash-устройств много

Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти .

Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи).
Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных.
Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip ).

В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.

Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory ) памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory ). Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM. В отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают.

Замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

Надёжность/долговечность : информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков).

Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других механических носителях информации, бо льшая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.

Итак, благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в таких портативных устройствах, как: цифровые фото- и видео камеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны, и т.п.

Примечание: Мы рассматриваем только "чистую" флэш-память с числом циклов чтения/записи более 10000. Кроме "чистого" flash существуют OTP (One Time Programmable ) - память с единственным циклом записи, и MTP (Multiple Time Programmable ) - до 10000 циклов. Кроме количества допустимых циклов записи/стирания принципиальной разницы между MTP и Flash нет. OTP существенно отличается от этих типов архитектурно.

История создания

Флэш-память исторически произошла от полупроводникового ROM , однако ROM-памятью не является, а всего лишь имеет похожую на ROM организацию. Множество источников (как отечественных, так и зарубежных) зачастую ошибочно относят флэш-память к ROM. Флэш никак не может быть ROM хотя бы потому, что ROM (Read Only Memory ) переводится как "память только для чтения" . Ни о какой возможности перезаписи в ROM речи быть не может!

Небольшая, по началу, неточность не обращала на себя внимания, однако с развитием технологий, когда флэш-память стала выдерживать до 1 миллиона циклов перезаписи, и стала использоваться как накопитель общего назначения, этот недочет в классификации начал бросаться в глаза.

Среди полупроводниковой памяти только два типа относятся к "чистому" ROM – это Nask - ROM и PROM . В отличие от них EPROM , EEPROM и Flash относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент - nonvolatile read-write memory или NVRWM ).

Примечание: всё, правда, встает на свои места, если, как утверждают сейчас некоторые специалисты, не считать RAM и ROM акронимами. Тогда RAM будет эквивалентом "энергозависимой памяти", а ROM - "энергонезависимой памяти".

ROM (Read Only Memory ) - память только для чтения . Русский эквивалент - ПЗУ (Постоянно Запоминающее Устройство). Если быть совсем точным, данный вид памяти называется Mask-ROM (Масочные ПЗУ). Память устроена в виде адресуемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого может кодировать единицу информации. Данные на ROM записывались во время производства путём нанесения по маске (отсюда и название) алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало "0" или "1". Mask-ROM отличается сложностью модификации содержимого (только путем изготовления новых микросхем), а также длительностью производственного цикла (4-8 недель). Поэтому, а также в связи с тем, что современное программное обеспечение зачастую имеет много недоработок и часто требует обновления, данный тип памяти не получил широкого распространения.

Преимущества:
1. Низкая стоимость готовой запрограммированной микросхемы (при больших объёмах производства).
2. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.
3. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.

Недостатки:
1. Невозможность записывать и модифицировать данные после изготовления.
2. Сложный производственный цикл.
PROM - (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ. В качестве ячеек памяти в данном типе памяти использовались плавкие перемычки. В отличие от Mask - ROM , в PROM появилась возможность кодировать ("пережигать") ячейки при наличии специального устройства для записи (программатора). Программирование ячейки в PROM осуществляется разрушением ("прожигом ") плавкой перемычки путём подачи тока высокого напряжения. Возможность самостоятельной записи информации в них сделало их пригодными для штучного и мелкосерийного производства. PROM практически полностью вышел из употребления в конце 80-х годов.
Преимущества:
1. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.
2. Возможность программировать готовую микросхему, что удобно для штучного и мелкосерийного производства.
3. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.
Недостатки:
1. Невозможность перезаписи
2. Большой процент брака
3. Необходимость специальной длительной термической тренировки, без которой надежность хранения данных была невысокой

EPROM
Различные источники по-разному расшифровывают аббревиатуру EPROM - как Erasable Programmable ROM или как Electrically Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ или электрически программируемые ПЗУ). В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (соответственно появилась возможность перезаписывать содержимое памяти). Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. Микросхемы, стирание которых производится путем засвечивания ультрафиолетом, были разработаны Intel в 1971 году, и носят название UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet ) - ультрафиолет). Они содержат окошки из кварцевого стекла, которые по окончании процесса стирания заклеивают.
EPROM от Intel была основана на МОП-транзисторах с лавинной инжекцией заряда (FAMOS - Floating Gate Avalanche injection Metal Oxide Semiconductor , русский эквивалент - ЛИЗМОП). В первом приближении такой транзистор представляет собой конденсатор с очень малой утечкой заряда. Позднее, в 1973 году, компания Toshiba разработала ячейки на основе SAMOS (Stacked gate Avalanche injection MOS, по другой версии - Silicon and Aluminum MOS) для EPROM памяти, а в 1977 году Intel разработала свой вариант SAMOS.
В EPROM стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние (обычно во все единицы, реже - во все нули). Запись на EPROM, как и в PROM, также осуществляется на программаторах (однако отличающихся от программаторов для PROM). В настоящее время EPROM практически полностью вытеснена с рынка EEPROM и Flash .
Преимущества: Возможность перезаписывать содержимое микросхемы
Недостатки:
1. Небольшое количество циклов перезаписи.
2. Невозможность модификации части хранимых данных.
3. Высокая вероятность "недотереть " (что в конечном итоге приведет к сбоям) или передержать микросхему под УФ-светом (т.н. overerase - эффект избыточного удаления, "пережигание"), что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к её полной негодности.
EEPROM (Electronically EPROM) - электрически стираемые ППЗУ были разработаны в 1979 году в той же Intel . В 1983 году вышел первый 16Кбит образец, изготовленный на основе FLOTOX-транзисторов (Floating Gate Tunnel-OXide - "плавающий" затвор с туннелированием в окисле).
Главной отличительной особенностью EEPROM (в т.ч.
Flash ) от ранее рассмотренных нами типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее процедуры записи.
Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM:
1. Увеличенный ресурс работы.
2. Проще в обращении.
Недостаток: Высокая стоимость
Flash (полное историческое название Flash Erase EEPROM): Изобретение флэш-памяти зачастую незаслуженно приписывают Intel , называя при этом 1988 год. На самом деле память впервые была разработана компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было начато производство 256Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. В 1988 году Intel разработала собственный вариант флэш-памяти.
Во флэш-памяти используется несколько отличный от
EEPROM тип ячейки-транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM , так и EEPROM . Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра или страницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, однако в некоторых видах флэш-памяти объём блока может достигать 256КБ. Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.
Преимущества флэш-памяти по сравнению с
EEPROM :
1. Более высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт того, что стирание информации во флэш производится блоками.
2. Себестоимость производства флэш-памяти ниже за счёт более простой организации.
Недостаток: Медленная запись в произвольные участки памяти.

Почему Flash ?

Если мы посмотрим в англо-русский словарь, то среди прочих увидим следующие переводы слова flash : короткий кадр (фильма), вспышка, пронестись, мигание, мелькание, отжиг (стекла).

Флэш-память получила свое название благодаря тому, как производится стирание и запись данного вида памяти.

Основное объяснение:

Название было дано компанией Toshiba во время разработки первых микросхем флэш-памяти (в начале 1980– х ) как характеристика скорости стирания микросхемы флэш-памяти " in a flash " - в мгновение ока.

Два других (менее правдоподобных) объяснения:

Процесс записи на флэш-память по-английски называется flashing (засвечивание, прожигание) - такое название осталось в наследство от предшественников флэш-памяти.

В отличие от EEPROM , запись/стирание данных во флэш-памяти производится блоками-кадрами (flash - короткий кадр [фильма])

Страница 3 из 3

Форматы flash-памяти

И все же, несмотря на некоторые недостатки, flash-память находит все более широкое применение в цифровых устройствах. Причем косвенным подтверждением широты применения и популярности flash-накопителей может служить разнообразие стандартов flash-накопителей, существующее на сегодняшний день. Хотя, с точки зрения пользователя, разнобой стандартов - существенный недостаток. Ведь как, например, обстоит дело с компакт-дисками: пришел покупатель в магазин, купил болванку для записи компьютерного диска и не переживает о ее совместимости с установленным в вычислительной системе CD-рекордером. C flash-накопителем такой номер не пройдет. Дело в том, что устройства различных

производителей ориентированы на использование различных flash-накопителей, которые отнюдь не совместимы друг с другом. Вот и получается, что счастливому обладателю цифровой камеры, цифрового фотоаппарата и наладонного компьютера приходится приобретать три разные карты, хотя, по большому счету, можно было бы обойтись и одной. Что касается стандартов, то основными на сегодняшний день являются: PC-Card, Compact Flash, Memory Stick, Smart Media, Multimedia Card, SD Card, xD-Picture Card.

PC-Card (или на прежний манер PCMCIA - Personal Computer Memory Card International Association) - самый старый стандарт карт памяти, построенных на базе flash-устройств. Собственно и сам PCMCIA-слот когда-то создавался специально для обеспечения возможности подключения к компьютеру внешнего накопителя. Первый вариант стандарта появился в 1991 г. Всего существует 3 разновидности PCMCIA-устройств: Type I, II и III. Соответственно, и PC-Card выпускаются в трех различных форм-факторах, причем все три близки по своим габаритам к размерам пластиковой банковской карты, а отличаются лишь толщиной - самым “худым” является устройство Type I (толщина - 3,3 мм), а самым “упитанным” - PCMCIA-карта Type III (толщина - 10,5 мм).

Стандарт PC-card обеспечивает полную физическую и электрическую совместимость карт Type I, II и III сверху вниз. То есть в слот Type III можно вставить карты Type II и Type I, а вот наоборот не получится - размеры не позволяют. Большим удобством PCMCIA-устройств является и то, что благодаря “древности” этого вида накопителей, драйверы для работы с PC-Card по умолчанию устанавливаются при инсталляции MS Windows. Благодаря АТА-контроллеру, устройство работает в режиме эмуляции обычного жесткого диска, и операционная система “видит” карту flash-памяти стандарта PC-Card как обычный сменный накопитель. Правда, в настольную систему для работы с внешним PCMCIA-накопителем придется устанавливать специальный “картоприемник”. Такой считыватель карт подключается на старых машинах через PCI-слот, что не очень удобно. В более современных системах кард-ридер-адаптер подключается к USB-разъему - и это гораздо удобнее. Зато PCMCIA-разъемом по умолчанию оборудуются многие ноутбуки.

И все же, несмотря на то что PC-Card является надежной и хорошо отработанной технологией, популярность накопителей этого формата падает. Причина в немалых (по современным меркам, конечно) габаритах

PC-Card. В настоящее время PCMCIA-накопители применяются в ноутбуках и некоторых профессиональных моделях цифровых фотоаппаратов (вроде Nikon D3). Со специальным переходником PC-Card могут работать и с компьютерами семейства Pocket PC и Handheld PC, но это уже вчерашний день, поскольку flash-накопители более современных стандартов могут подключаться к указанным устройствам и без переходников, обозначаемых иногда термином jacket. Flash-карты стандарта Compact Flash впервые были представлены публике в 1994 г. компанией SanDisk, а в 1995 г. начала свою деятельность Compact Flash Association (CFA), которая занялась продвижением нового стандарта в жизнь. Учредителями ассоциации выступили такие столпы радиоэлектронной промышленности, как Hewlett Packard, Hitachi, IBM, Motorola, Canon, Eastman Kodak Company, SanDisk, Seiko Epson и ряд других компаний. Сейчас число членов CFA приближается к двум сотням, а карточки Compact Flash являются, очевидно, самым распространенным и недорогим типом сменной flash-памяти. На сегодня карты этого стандарта используются в фото- и видеотехнике Canon, Nikon, Minolta, Olympus, Pentax, Ricoh, Kodak, Agfa, Jenoptic, Casio и многих других изделиях менее известных производителей.

Основная задача, которая ставилась при разработке стандарта: сохранив преимущества карт с интерфейсом АТА (PC-Card), существенно уменьшить их размеры. И задача эта была успешно решена. Можно говорить о том, что именно с Compact Flash устройств началась эра портативных цифровых устройств, многие из которых и по сей день обладают слотами для подключения карт Compact Flash. Стандарт включает 2 типоразмера - Type I и II. Различия, как и в случае с PCMCIA-устройствами, в толщине карточек. В форм-факторе CF Type I выпускаются карты flash-памяти, а в форм-факторе CF Type II - разнообразная периферия для цифровой техники (модемы, миниатюрные винчестеры, приемники системы спутникового позиционирования GPS и так далее).

В карты CompactFlash встроен контроллер, который берет на себя функции по управлению flash-устройством, что не требует размещения дополнительных микросхем в самом портативном цифровом устройстве и упрощает конструкцию слота. Благодаря такому решению добавление CF-слота почти не сказывается на стоимости гаджета. Кстати, существуют и специальные переходники Compact Flash - PC-Сard, которые позволяют использовать карты Compact Flash в устройствах, оборудованных PCMCIA-разъемами.

Что касается энергопотребления, то, в соответствии со стандартом, существуют карты Compact Flash, рассчитанные на напряжение питание 5 В и 3,3 В. При этом CF-слот в состоянии корректно поддерживать устройства обоих типов, однако 5-вольтовые карты являются устаревшими и проигрывают своим низковольтным собратьям в энергосбережении, что важно для малогабаритных цифровых устройств.

Отдельного упоминания заслуживают устройства, продвигаемые под маркой Compact Flash IBM Microdrive (стандарт Compact Flash II). В отличие от своих собратьев, построенных на основе flash-микросхем, изделие IBM является самым настоящим микровинчестером, размещенным в стандартном корпусе устройства Compact Flash II. Несомненный плюс - большой объем накопителя, а безусловный минус - как и обычный винчестер, такая “память” боится тряски и ударов. Memory Stick - формат flash-карт памяти, разработанный в 1998 г. компанией Sony, которой принадлежат и все права на этот стандарт. Соответственно, карты памяти Memory Stick применяются в первую очередь в карманных компьютерах, MP3-плейерах, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах производства именно этой японской компании. Продвигая свою продукцию, Sony неизменно отмечает малые габариты собственного детища и наличие особого переключателя, предотвращающего случайное стирание хранящейся на карте информации. Стандартные Memory Stick представляют собой 10-контактные карты с последовательным интерфейсом, очертаниями напоминающие пластинку жевательной резинки. Sony продвигает 3 типа карт: Memory Stick, Memory Stick Magic Gate (MG) и Memory Stick Duo.

Memory Stick Magic Gate (MG) - это карты с внедренной технологией защиты авторских прав MagicGate. Правда, насколько подобное нужно пользователям, как правило, приобретающим цифровые устройства для удовлетворения собственных нужд - не совсем понятно. Внешне карточки отличаются цветом: обычные карточки голубые, а Magic Gate - белые.

Что касается карт с приставкой Duo, то они отличаются меньшими размерами (1/3 от стандартной длины) и весом, а также могут иметь модификацию MG. Однако для использования карточек Duo в устройствах стандарта Memory Stick необходим специальный адаптер. На это надо обращать внимание при покупке карты памяти, например, для цифровой видеокамеры или фотоаппарата Sony. В остальном каких-то серьезных преимуществ перед другими стандартами карты Memory Stick не имеют, подчеркивая разве что оригинальность Sony, которая не стала пользоваться готовыми решениями и создала свой стандарт.

Стандарт SmartMedia является торговым наименованием устройств, обозначаемых так же, как SSFDC - Solid State Floppy Disk Card. То есть, говоря по-русски, SSFDC - это “твердотельная дискета”. Карточки указанного стандарта имеют габариты 37x45x0.76 мм и весят 2 г. При этом максимальный теоретический объем памяти карточки SmartMedia, определяемый спецификацией стандарта, составляет 8 Gb.

Стандарт был разработан в 1995 г. компанией Toshiba, а его продвижением занимается организация SSFDC Forum, в рядах которой немало известных компаний: кроме самой Toshiba, еще Fuji, Matsushita, Phison Electronics Corp и другие. В отличие от Compact Flash, в картах SmartMedia (SM) отсутствует встроенный контроллер, что, по замыслу создателей, должно снижать их стоимость (логично предположить, что пропорционально этому увеличивается стоимость устройств, способных работать с картами SmartMedia). Кстати, из-за отсутствия контроллера в самой карте для работы со SmartMedia невозможно применять пассивные переходники, а считыватели карт обойдутся покупателю по цене от $30 до $50.

Рабочие напряжения у SmartMedia такие же, как и у Compact Flash, то есть 5 В и 3,3 В. При этом следует обратить внимание на особенность: в отличие от Compact Flash, оборудование, предназначенное для работы со SmartMedia, не всегда может работать с картами обоих типов. Поэтому, чтобы сделать различие между картами наглядным, у SmartMedia-накопителей, работающих при напряжении 5 В, срезан левый верхний уголок, а у их “коллег”, функционирующих при напряжении питания 3,3 В, отсутствует правый верхний уголок. Правда “пожиратели энергии” на 5 В сейчас уже не выпускаются. До недавнего времени максимальная емкость карт составляла 128 Мb, однако на сегодняшний день в продаже уже есть устройства объемом в 256 Мb (в частности, изделия SanDisk и Viking).

Что касается практики применения, то SmartMedia-карты используются, как правило, в цифровых камерах и МРЗ-плейерах, редко встречаясь в прочих цифровых гаджетах. При этом надо помнить, что новые модули большой емкости не всегда могут быть установлены в старые модели цифровых устройств. Причина в том, что контроллер, управляющий работой карты, размещен “на борту” самого устройства, а не в корпусе карты, соответственно, поскольку на момент выпуска, например, фотоаппарата не существовало SM-карт емкостью 128 Мb, то и работать с такими “гигантами” контроллер не может. Это является серьезным недостатком устройств SmartMedia. Теперь о стандарте MultiMediaСard (ММС). Эти карты получили широкое распространение в качестве внешних устройств памяти именно для наладонных компьютеров и смартфонов. Впрочем, и цифровые фотоаппараты, и MP3-плейеры, и игровые устройства, и ноутбуки, и прочие цифровые устройства также являются потенциальными активными потребителями этого продукта. Продвигает стандарт MMC Association, в состав которой входят Hewlett Packard, Renesas Technology, Infineon Technologies Flash, Lexar Media, Micron Technology, Nokia Mobile Phones, Power Digital Card, Samsung Electronics, Sanyo Electric и прочие производители цифровой техники. Причем многие из них являются одновременно и членами Compact Flash Association… Сам стандарт впервые был представлен публике в ноябре 1997 г. и явился результатом совместных усилий SanDisk Corporation и Siemens AG/Infineon Technologies AG.

MMC-карта по ширине примерно вдвое меньше, чем накопитель CompactFlash, а габаритами близка к крупной почтовой марке (24х32х1,4 мм) с семью контактными площадками на нижней стороне корпуса. При этом, в отличие от CompactFlash, карты стандарта MMC снабжены защитой от случайного стирания записанной на них информации: на корпусе имеется механический переключатель блокировки записи (как у 3,5-дюймовых флоппи-дискет). В структуру MMC-карты, так же как и у CompactFlash, включен контроллер, управляющий работой карты, что упрощает работу с ней и обеспечивает ее совместимость со многими устройствами.

Вес карточек MMC составляет всего 1,5 г, поэтому их особенно охотно используют производители карманных компьютеров и сотовых телефонов. Еще одно преимущество ММС-карт перед “одноклассниками” - сниженное энергопотребление, что достигается за счет уменьшения питающего напряжения до 3,3 или 2,7 В. Да и объемом MMC-карты тоже могут похвастаться - сейчас серийно производятся устройства емкостью в 1 Gb.

Модификацией формата MultiMediaCard являются карты Secure Digital Card или SD-Card. Инициатива создания “безопасных” карт исходила от компаний Matsushita Electronic (торговая марка Panasonic), SanDisk и Toshiba. Новые карты были призваны решить две задачи: учесть веяния времени, связанные с защитой авторской информации - это во-первых. И во-вторых, увеличить доступный пользователям объем памяти.

Карты SD чуть толще карт MMC (на 0,7 мм) и отличаются двумя дополнительными контактами (9 контактов у SD против 7 у MMC). За счет модификации стандарта предельная теоретическая емкость карт возросла до 2 Gb, увеличилась также и скорость обмена данными. При этом “классические” MMC-карты полностью совместимы с устройствами, способными работать с SD-картами, а вот обратная совместимость наблюдается отнюдь не всегда, что нужно учитывать при покупке новомодных SD-карт. Кстати, в стандарте MMC- и SD-карт выпускаются не только внешние накопители, но и разного рода “примочки”, вроде GPS-приемников или FM-тюнеров, подключаемых к наладонным компьютерам через SD-разъем. Ну а возможность защиты авторских прав позволила продавцам выпустить в продажу книги и песни на SD-носителях.

И наконец, одним из самых последних внедренных в жизнь стандартов flash-устройств стал xD-Picture Card, о котором мир узнал 30 июля 2002 г., когда компании Olympus и FujiFilm объявили о выпуске миниатюрных карт flash-памяти нового формата. Префикс xD расшифровывается как extreme digital, и, по мнению компаний-разработчиков, должен подчеркнуть использование этого носителя для хранения аудио- и видеоданных. В Olympus и FujiFilm полагают, что носитель нового формата должен прийти на смену устаревшим картам SmartMedia.

При этом одной из причин создания новинки была названа тенденция к уменьшению размеров цифровых фотокамер. Габариты xD-Picture Card действительно очень невелики (20x25x1,7 мм), а теоретически достижимая емкость носителя составляет 8 Gb. Правда, первая линейка xD-Picture включала карты емкостью 16, 32, 64 и 128 Мb. К концу 2002 г. появилась 256-мегабайтная версия xD-Picture, а позже и 512-мегабайтная.

В соответствии со спецификациями стандарта максимальная скорость чтения данных с карт xD-Picture составляет 5 Мb/s, скорость записи - 3 Mb/s. Напряжение питания - 3,3 В; потребляемая при работе мощность - 25 мВт. Как и SmartMedia, карты xD-Picture не имеют в своем составе контроллера.

Интересная особенность - все новые фотоаппараты Fuji и Olympus, совместимые с картами xD-Picture, позволяют устанавливать и модули SmartMedia. Для этого применено оригинальное техническое решение: в слоте памяти аппарата контактные группы располагаются с разных сторон, что и обеспечивает совместимость техники с двумя разными стандартами flash-карт.

Кстати, для xD-Picture-карт существует специальный адаптер, выполненный в виде CompactFlash-карты, который после установки в него xD-Picture обеспечивает совместимость новинки со всеми устройствами, поддерживающими CompactFlash.

Вместо заключения

Подводя итог всему вышесказанному, нужно признать непреложный факт: flash-память - штука удобная и чрезвычайно полезная. Объединяя в себе черты, присущие одновременно и постоянной и оперативной памяти, “флэшки” способны восполнить нехватку “мозгов” у малогабаритных цифровых устройств, обеспечивая их владельцев практически неограниченными возможностями по хранению необходимых данных, объем которых ограничен лишь количеством имеющихся в наличии flash-накопителей. Одно плохо - не обошлось и тут без недостатков. Во-первых, форматов flash-устройств много, что накладно для владельца разнородных гаджетов, а во-вторых, все-таки ограничение на количество циклов перезаписи - свойство вполне реальное. Однако ж недостатки, как известно, существуют лишь для того, чтобы подчеркнуть достоинства, а их у flash-устройств много.

Вперёд >

Вадим Болотнов, директор Центра решений КРОК на базе технологии EMC.

Сегодня все более острым становится вопрос ускорения работы ИТ-сервисов при постоянно растущих объемах данных. Для многих приложений решением является перенос хранилищ на флэш-память. Основная задача состоит в том, чтобы определить, для каких приложений в ЦОД малое время отклика действительно критично. После их перемещения на флэш-накопители приложения, оставшиеся на «традиционных» дисках, также получат прирост производительности.

Жесткий диск против флэш-памяти

Современный сервер - это электронное устройство, где почти нет движущихся механических частей. Исключение составляют разве что жесткий диск (HDD) и вентиляторы охлаждения. Технологическим пределом при передаче информации между электронными устройствами является скорость света, но у жесткого диска предел скорости ограничивается максимальной механической скоростью вращения шпинделя. Поэтому он обрабатывает информацию в сотни и тысячи раз медленнее, чем процессоры и память. Пока скорость процессоров увеличивалась в десятки раз, жесткие диски эволюционировали гораздо медленнее. Сейчас они на том же уровне, что и в конце 20 века. Из-за этого многие приложения, для которых строятся центры обработки данных, работают медленнее, чем могли бы. В результате дорогостоящие высоконагруженные серверы простаивают, пока информация считывается и записывается на жесткий диск.

Рис. 1. Относительный рост скорости процессоров и механических жестких дисков

Актуальность флэш-памяти

Объемы информации и скорость ее обработки растут, и наши требования в связи с этим тоже только повышаются. Жизнь в современном мире становится все быстрее, и не в последнюю очередь благодаря технологиям. У нас нет желания тратить время на ожидание, пользуясь электронными услугами через Интернет, банкомат или стоя в очереди в кассу супермаркета. Низкая скорость работы системы, которая так раздражает нас, может быть следствием медленного функционирования дисковой подсистемы на центральном сервере.

Проблему ввода-вывода способна решить флэш-память, она обладает гораздо большей скоростью отклика. В лабораторных условиях оптимальный жесткий диск обрабатывает запрос в среднем 6-7 миллисекунд, а флэш-память - 0,1 миллисекунду. При этом она может обрабатывать в десятки и сотни раз больше транзакций по сравнению с жестким диском, имеющим ограничение в 150-200 операций в секунду.

Но это не означает, что жесткий диск «умер» и от него надо отказаться. Вот уже многие годы предрекают смерть магнитной ленте в системах резервного копирования. Флэш-память пока дороже, чем обычный HDD. Ее лучше использовать для ограниченного круга задач, ведь не всем приложениям нужна высокая скорость отклика. Стоимость флэш-памяти может тоже варьироваться. Есть как дорогая и надежная SLC (Single-level cell) флэш-память, так и бюджетная MLC (Multi-level cell), но с меньшим сроком службы. В ячейку SLC записывается один бит информации, в ячейку MLC - два. В промышленных решениях часто используют SLC флэш-память, в потребительских же товарах - менее дорогую MLC. Но сейчас тенденция меняется, и MLC-память начинают использовать в корпоративных СХД.

Принимая решение о внедрении флэш-накопителе в ЦОД, надо понимать, есть ли в компании ИТ-задачи, оперативное выполнение которых позволит заработать больше денег. Например, существует отчет, который хотелось бы запускать ежедневно, но он считается сутки, и поэтому его запускают еженедельно. В итоге, прогноз цен в торговой сети делается некорректно, или партнерам выдается не вполне актуальная информация, или вкладчики уходят в другой банк, недовольные медленной работой банкоматов. Если есть такие задачи, их реализацию практически всегда можно ускорить с помощью флэш-памяти. Очень часто полагают, что проблема - в неправильно написанном приложении, но можно реально ускорить работу с помощью дисковой подсистемы. Серьезно повысить эффективность можно только за счет одних технологий, не переписывая код. Ценность флэш-памяти не в объемах, а в скорости, и надо применять её для подходящих приложений, считая стоимость не в рублях за гигабайты, а в рублях за транзакции (IOPS).

В каких же случаях помогает флэш-память? Большие базы данных, которые сейчас чаще всего размещаются на дисковых массивах старшего класса можно переместить на накопители. Например, когда пользователи SAP жалуются на медленную работу приложения, скорее всего, проблему сможет решить перевод хранилища на флэш-память. Одна СХД с флэш-памятью может заменить одну или даже несколько стоек в ЦОД.
Флэш-память стоит вводить и тогда, когда в компании ведется большой проект по виртуализации рабочих станций. Сама по себе виртуализация рабочих станций - интересная и перспективная технология, у нее масса преимуществ - от упрощения поддержки пользователей до упрощения защиты данных. При этом надо понимать, что виртуализация рабочих станций подразумевает большую нагрузку на СХД. Иногда здесь даже не помогает добавление флэш-дисков в традиционную СХД, так как могут не справляться контролеры. Системы хранения, целиком построенные на флэш-памяти и оптимизированные под нее, справляются с такими задачами гораздо лучше.

Представьте: работа сотен и тысяч пользователей, которые до этого взаимодействовали только со своими жесткими дисками, «ложится на плечи» одной СХД. В своей практике я уже сталкивался с ситуацией, когда счет виртуальных машин шел на сотни, существующая СХД переставала справляться. Одна из популярных технологий, которая позволяет экономить место на СХД при виртуализации рабочих станций, - это использование «золотого образа». Когда необходимо 1000 компьютеров с Windows 7, не надо устанавливать 1000 дистрибьютивов и занимать несколько терабайт файлами операционной системы.

Система виртуализации создаст один, так называемый «золотой», образ операционной системы. При этом все пользователи будут читать с него, а на их виртуальных машинах будут храниться только файлы, отличные, от тех, что хранятся в «золотом образе». Понятно, что на небольшой объем дискового пространства приходится огромное количество операций чтения. И если «золотой образ» как-то серьезно меняется, то это вызывает обновление тысячи рабочих станций и создает очень большую нагрузку на СХД. Будучи в десятки раз быстрее, флэш-память намного лучше справляется с такой задачей.

Рис. 2. Сравнение внедрения VDI на традиционной и flash СХД, на примере Violin Memory.

Конечно, чаще всего в переходе на флэш-память нуждаются большие компании, но этот переход может быть полезен и средним компаниям. Например, чтобы эффективно выполнить задачу, бывает достаточно купить 3-4 флэш-диска вместо 20-40 жестких дисков для важного приложения.

Внедрение флэш-памяти в существующую инфраструктуру хранения

Есть несколько способ внедрения флэш-памяти в существующую инфраструктуру хранения. Первый и самый бюджетный вариант - уставить флэш-память непосредственно в сервере - при помощи флэш-накопителя SSD или карты с интерфейсом PСI Express, содержащей чипы флэш-памяти. Это недорогой способ ускорения работы сервера, но у него есть ряд недостатков, из-за которых большинство компаний в свое время отказалось хранить данные на внутренних дисках и ушли в направлении СХД. В частности, это пониженная отказоустойчивость, сложность в обслуживании, недостаточная емкость, невозможность задействовать флэш-память одновременно для нескольких серверов. Емкость флэш-памяти в рамках одного сервера ограничена количеством PCI-e-слотов и производительностью RAID-контроллера, поэтому вряд ли удастся получить больше 2 Тбайт.

Два следующих варианта внедрения флэш-памяти связаны с наиболее распространенным способом хранения данных - централизованным. Плюс в отказоустойчивости и в том, что можно разделить ресурсы этой дорогой флэш-памяти между несколькими задачами. Я редко в своей практике сталкивался ситуацией, когда серверы могут сильно нагрузить такую СХД, даже если заказчик крупный.
Один из способов связан с вендорами традиционных систем хранения - IBM, HP, EMC, HDS, которые много лет делали СХД на обычных жестких дисках. Так как они уже несколько лет поддерживают SSD, получается довольно простой способ использовать флэш-память для тех, у кого такая система уже есть — можно купить несколько жестких дисков из флэш-памяти и вставить в полки СХД. Плюс в простоте, и в том, что вы покупаете решение у проверенного вендора.

Минус в том, что эти системы пришли из прошлого, у них недостаточно мощные контроллеры, в которых содержатся миллионы строчек кода, «заточенного» под механику. Далеко не всегда эти алгоритмы подойдут для флэш-памяти. Понятно, что вендорам, которые много лет работали с жесткими дисками, сложно сразу перейти на флэш-память, тем более есть много приложений, которые хорошо чувствуют себя на жестких дисках. Поэтому для оптимального использования SSD можно создать многоуровневую систему хранения данных.

Система сама разделяет данные на те, которым быстрый доступ нужен и те которым он не требуется или вообще являются архивными. Принцип простой, система анализирует запросы и те данные, которые запрашиваются чаще, отправляются на флэш-память, а те которые реже на жесткие диски SAS или SATA. Этот подход позволяет оптимальным образом использовать еще пока дорогие флэш-накопители, но при этом у него есть и свои недостатки.

Один из главных минусов - система не может перемещать данные в реальном времени и подстраиваться под непредсказуемый профиль нагрузки. Алгоритм может только прогнозировать на основе статистики, как часто будут запрашиваться те или иные. Следовательно, есть вероятность не угадать, что приведет к замедлению приложения. К тому же флэш-память стремительно дешевеет, и возможно скоро такие сложные алгоритмы будут не так актуальны - например, можно будет положить все данные на флэш-память MLC.

Следующий способ внедрения флэш-памяти также связан с централизованной СХД. Есть ряд новых вендоров, которые начали разработку «с нуля» уже в 21 веке. Их системы создавались конкретно под флэш-память. Они управляют пулом флэш-памяти как единым целым и позволяют минимизировать недостатки - ограничения по количеству циклов перезаписи, недостаточную скорость записи по сравнению с чтением и прочее. Один из самых удачных примеров — Violin Memory, один из лидеров этого рынка. Несколько известных компаний инвестировали в Violin, и один из самых серьезных инвесторов - компания Toshiba, которая изобрела NAND-память.

Если есть высоконагруженное приложение, то можно просто перенести его целиком на такую новую систему хранения, а если оно очень большое, или получается слишком дорого - перенести самые нагруженные тома. Специализированные СХД масштабируются до десятков и сотен терабайт флэш-памяти.

И последний подход — использование не просто СХД с флэш-памятью, а попытка добавить еще один уровень кэш-памяти между серверами и существующими системами хранения. Некоторые производители СХД (EMC, NetApp) предлагают делать это внутри своих СХД. Ряд молодых компаний производит отдельно стоящие кэширующие СХД, которые подойдут к СХД любого вендора. На мой взгляд, в этом случае возникают серьезные риски совместимости и надежности. Если вдруг где-то произойдет малейший сбой, можно потерять данные, и соответственно деньги, время.

Интеграция СХД на флэш-памяти и традиционных систем хранения

Есть множество задач, которым сверхвысокая скорость обработки не нужна. Обычно надо выявить в ЦОД те приложения, которые требуют повышенной скорости дисковой системы, перенести их на флэш-СХД. Оставшиеся на «обычном» дисковом массиве приложения «вздохнут свободнее», и скорость их работы тоже повысится. Т.к. данные неумолимо растут, занять освободившееся место на СХД никогда не представит проблемы.

Мифы о флэш-памяти

Многие мифы о флэш-памяти связаны с тем, что она развивалась стремительно, практически у нас на глазах. И у многих понятие флэш-памяти ассоциируется с ранними флэш-накопителями USB и SSD. Действительно, их надежность оставляла желать лучшего. Причина в том, что флэш-память может выдержать ограниченное количество циклов «стирание - запись». SLC - примерно 100 000; MLC - 10 000. Это ограниченное количество циклов стираний и последующих записей приводится противниками флэш-памяти, как основной аргумент того, что она хуже жестких дисков.

Но не надо забывать, что жесткий диск - это механическое устройство, у которого тоже может сломаться как механическая, так и магнитная составляющая. А проблема ограниченного количества циклов перезаписи вполне решаема. Для того чтобы флэш-память служила многие годы или даже десятилетия, достаточно просто равномерно ее загружать. Нельзя, чтобы на одном участке было только чтение, а на другом - постоянные изменения. Данную задачу могут решить контроллеры СХД. Механизм, отвечающий за это, называется Wear Leveling (контроль равномерности износа). Так, у упомянутых систем Violin Memory этот алгоритм равномерно «изнашивает» все пространство СХД целиком. В других системах за Wear Leveling отвечает контроллер каждого SSD, что немного менее эффективно.

Еще один миф, что флэш-память подходит для чтения, но не подходит для записи. Это связано с механизмом обработки записи. Для того, что произвести запись в ячейку флэш-памяти предварительно ее надо очистить. Стирание происходит не с одной ячейкой, а с целым блоком, в котором объединяются от 64 до 128 и больше ячеек. И пока идет процесс стирания, все остальные операции останавливаются. Если один диск, на который постоянно что-то пишется, он будет занят процессом очищения для того, чтобы записать новые данные. И его производительность действительно будет намного меньше, чем просто при чтении с диска. Но ситуация меняется, если система хранения довольно большого объема, допустим на несколько терабайт. Тогда контролеры могут перераспределить нагрузку так, что этот эффект блокирования системы перед записью не будет сильно сказываться, и система сможет показывать практически такую же производительность на запись как и на чтение.

Что в итоге?

Флэш-память ускоряет работу серверов, оптимизирует занимаемое место в ЦОД, экономит энергию. Сегодня СХД, целиком построенные на флэш-памяти, являются серьезными конкурентами массивов высшего класса, которые часто наполняют десятками и сотнями жестких дисков, чтобы дать приложению нужную скорость, емкость часто вторична. Помимо первоначальной стоимости такого массива, он занимает довольно много места в ЦОД, требует питания и охлаждения. Если компания платит за аренду коммерческого ЦОД, то экономия на платежах - вполне серьезный довод.

Так как большинство корпоративного ПО - Oracle, SAP и т.д. - лицензируется именно по ядрам, можно сэкономить и на лицензиях за счет оптимизации процессов и уменьшения количества задействованных ядер. Если процессоры будут тратить меньше машинного времени, ожидая СХД, то они смогут производить больше вычислений в единицу времени. В итоге нам нужно будет меньше ядер для решения той же задачи.

И еще один немаловажный момент: срок жизни флэш-памяти намного больше, чем у обычных жестких дисков, и, соответственно, меньше расходы на поддержку, меньше риск потери данных, если выйдут из строя сразу два диска (чему подвержены обычные системы хранения).

По стоимости хранения информации за гигабайт, системы хранения на флэш-памяти еще несколько лет будут проигрывать системам на HDD, но по стоимости обработки информации (стоимости транзакции) они уже сейчас в несколько раз превосходят традиционные системы. Есть масса примеров в российской и мировой практике, когда огромные системы хранения заменялись на маленькие СХД на флэш-памяти, которые были по стоимости в несколько раз меньше, но демонстрировали удивительное ускорение приложений. Рискну предположить, что в будущем место сегодняшних дисков со скоростью вращения 15K и 10K займут SLC и MLC-чипы.

Флэш-память представляет собой тип долговечной памяти для компьютеров, у которой содержимое можно перепрограммировать или удалить электрическим методом. В сравнении с Electrically Erasable Programmable Read Only Memory действия над ней можно выполнять в блоках, которые находятся в разных местах. Флэш-память стоит намного меньше, чем EEPROM, поэтому она и стала доминирующей технологией. В особенности в ситуациях, когда необходимо устойчивое и длительное сохранение данных. Ее применение допускается в самых разнообразных случаях: в цифровых аудиоплеерах, фото- и видеокамерах, мобильных телефонах и смартфонах, где существуют специальные андроид-приложения на карту памяти. Кроме того, используется она и в USB-флешках, традиционно применяемых для сохранения информации и ее передачи между компьютерами. Она получила определенную известность в мире геймеров, где ее часто задействуют в промах для хранения данных по прогрессу игры.

Общее описание

Флэш-память представляет собой такой тип, который способен сохранять информацию на своей плате длительное время, не используя питания. В дополнение можно отметить высочайшую скорость доступа к данным, а также лучшее сопротивление к кинетическому шоку в сравнении с винчестерами. Именно благодаря таким характеристикам она стала настольно популярной для приборов, питающихся от батареек и аккумуляторов. Еще одно неоспоримое преимущество состоит в том, что когда флэш-память сжата в сплошную карту, ее практически невозможно разрушить какими-то стандартными физическими способами, поэтому она выдерживает кипящую воду и высокое давление.

Низкоуровневый доступ к данным

Способ доступа к данным, находящимся во флэш-памяти, сильно отличается от того, что применяется для обычных видов. Низкоуровневый доступ осуществляется посредством драйвера. Обычная RAM сразу же отвечает на призывы чтения информации и ее записи, возвращая результаты таких операций, а устройство флеш-памяти таково, что потребуется время на размышления.

Устройство и принцип работы

На данный момент распространена флэш-память, которая создана на однотранзисторных элементах, имеющих «плавающий» затвор. Благодаря этому удается обеспечить большую плотность хранения данных в сравнении с динамической ОЗУ, для которой требуется пара транзисторов и конденсаторный элемент. На данный момент рынок изобилует разнообразными технологиями построения базовых элементов для такого типа носителей, которые разработаны лидирующими производителями. Отличает их количество слоев, методы записи и стирания информации, а также организация структуры, которая обычно указывается в названии.

На текущий момент существует пара типов микросхем, которые распространены больше всего: NOR и NAND. В обоих подключение запоминающих транзисторов производится к разрядным шинам - параллельно и последовательно соответственно. У первого типа размеры ячеек довольно велики, и имеется возможность для быстрого произвольного доступа, что позволяет выполнять программы прямо из памяти. Второй характеризуется меньшими размерами ячеек, а также быстрым последовательным доступом, что намного удобнее при необходимости построения устройств блочного типа, где будет храниться информация большого объема.

В большинстве портативных устройств твердотельный накопитель использует тип памяти NOR. Однако сейчас все популярнее становятся приспособления с интерфейсом USB. В них применяется память типа NAND. Постепенно она вытесняет первую.

Главная проблема — недолговечность

Первые образцы флешек серийного производства не радовали пользователей большими скоростями. Однако теперь скорость записи и считывания информации находится на таком уровне, что можно просматривать полноформатный фильм либо запускать на компьютере операционную систему. Ряд производителей уже продемонстрировал машины, где винчестер заменен флеш-памятью. Но у этой технологии имеется весьма существенный недостаток, который становится препятствием для замены данным носителем существующих магнитных дисков. Из-за особенностей устройства флеш-памяти она позволяет производить стирание и запись информации ограниченное число циклов, которое является достижимым даже для малых и портативных устройств, не говоря о том, как часто это делается на компьютерах. Если использовать этот тип носителя как твердотельный накопитель на ПК, то очень быстро настанет критическая ситуация.

Связано это с тем, что такой накопитель построен на свойстве полевых транзисторов сохранять в «плавающем» затворе отсутствие или наличие которого в транзисторе рассматривается в качестве логической единицы или ноля в двоичной Запись и стирание данных в NAND-памяти производятся посредством туннелированных электронов методом Фаулера-Нордхейма при участии диэлектрика. Для этого не требуется что позволяет делать ячейки минимальных размеров. Но именно данный процесс приводит к ячеек, так как электрический ток в таком случае заставляет электроны проникать в затвор, преодолевая диэлектрический барьер. Однако гарантированный срок хранения подобной памяти составляет десять лет. Износ микросхемы происходит не из-за чтения информации, а из-за операций по ее стиранию и записи, поскольку чтение не требует изменения структуры ячеек, а только пропускает электрический ток.

Естественно, производители памяти ведут активные работы в направлении увеличения срока службы твердотельных накопителей данного типа: они устремлены к обеспечению равномерности процессов записи/стирания по ячейкам массива, чтобы одни не изнашивались больше других. Для равномерного распределения нагрузки преимущественно используются программные пути. К примеру, для устранения подобного явления применяется технология «выравнивания износа». При этом данные, часто подвергаемые изменениям, перемещаются в адресное пространство флеш-памяти, потому запись осуществляется по разным физическим адресам. Каждый контроллер оснащается собственным алгоритмом выравнивания, поэтому весьма затруднительно сравнивать эффективность тех или иных моделей, так как не разглашаются подробности реализации. Поскольку с каждым годом объемы флешек становятся все больше, необходимо применять все более эффективные алгоритмы работы, позволяющие гарантировать стабильность функционирования устройств.

Устранение проблем

Одним из весьма эффективных путей борьбы с указанным явлением стало резервирование определенного объема памяти, за счет которого обеспечивается равномерность нагрузки и коррекция ошибок посредством особых алгоритмов логической переадресации для подмены физических блоков, возникающих при интенсивной работе с флешкой. А для предотвращения утраты информации ячейки, вышедшие из строя, блокируются или заменяются на резервные. Такое программное распределение блоков дает возможность обеспечения равномерности нагрузки, увеличив количество циклов в 3-5 раз, однако и этого мало.

И другие виды подобных накопителей характеризуются тем, что в их служебную область заносится таблица с файловой системой. Она предотвращает сбои чтения информации на логическом уровне, например, при некорректном отключении либо при внезапном прекращении подачи электрической энергии. А так как при использовании сменных устройств системой не предусмотрено кэширование, то частая перезапись оказывает самое губительное воздействие на таблицу размещения файлов и оглавление каталогов. И даже специальные программы для карт памяти не способны помочь в данной ситуации. К примеру, при однократном обращении пользователь переписал тысячу файлов. И, казалось бы, только по одному разу применил для записи блоки, где они размещены. Но служебные области переписывались при каждом из обновлений любого файла, то есть таблицы размещения прошли эту процедуру тысячу раз. По указанной причине в первую очередь выйдут из строя блоки, занимаемые именно этими данными. Технология «выравнивания износа» работает и с такими блоками, но эффективность ее весьма ограничена. И тут не важно, какой вы используете компьютер, флешка выйдет из строя ровно тогда, когда это предусмотрено создателем.

Стоит отметить, что увеличение емкости микросхем подобных устройств привело лишь к тому, что общее количество циклов записи сократилось, так как ячейки становятся все меньше, поэтому требуется все меньше и напряжения для рассеивания оксидных перегородок, которые изолируют «плавающий затвор». И тут ситуация складывается так, что с увеличением емкости используемых приспособлений проблема их надежности стала усугубляться все сильнее, а class карты памяти теперь зависит от многих факторов. Надежность работы подобного решения определяется его техническими особенностями, а также ситуацией на рынке, сложившейся на данный момент. Из-за жесткой конкуренции производители вынуждены снижать себестоимость продукции любым путем. В том числе и благодаря упрощению конструкции, использованию комплектующих из более дешевого набора, ослаблению контроля за изготовлением и иными способами. К примеру, карта памяти "Самсунг" будет стоить дороже менее известных аналогов, но ее надежность вызывает гораздо меньше вопросов. Но и здесь сложно говорить о полном отсутствии проблем, а уж от устройств совсем неизвестных производителей сложно ожидать чего-то большего.

Перспективы развития

При наличии очевидных достоинств имеется целый ряд недостатков, которыми характеризуется SD-карта памяти, препятствующих дальнейшему расширению ее области применения. Именно поэтому ведутся постоянные поиски альтернативных решений в данной области. Конечно, в первую очередь стараются совершенствовать уже существующие типы флеш-памяти, что не приведет к каким-то принципиальным изменениям в имеющемся процессе производства. Поэтому не стоит сомневаться только в одном: фирмы, занятые изготовлением этих видов накопителей, будут стараться использовать весь свой потенциал, перед тем как перейти на иной тип, продолжая совершенствовать традиционную технологию. К примеру, карта памяти Sony выпускается на данный момент в широком диапазоне объемов, поэтому предполагается, что она и будет продолжать активно распродаваться.

Однако на сегодняшний день на пороге промышленной реализации находится целый комплекс технологий альтернативного хранения данных, часть из которых можно внедрить сразу же при наступлении благоприятной рыночной ситуации.

Ferroelectric RAM (FRAM)

Технология ферроэлектрического принципа хранения информации (Ferroelectric RAM, FRAM) предлагается с целью наращивания потенциала энергонезависимой памяти. Принято считать, что механизм работы имеющихся технологий, заключающийся в перезаписи данных в процессе считываниям при всех видоизменениях базовых компонентов, приводит к определенному сдерживанию скоростного потенциала устройств. А FRAM - это память, характеризующаяся простотой, высокой надежностью и скоростью в эксплуатации. Эти свойства сейчас характерны для DRAM - энергонезависимой оперативной памяти, существующей на данный момент. Но тут добавится еще и возможность длительного хранения данных, которой характеризуется Среди достоинств подобной технологии можно выделить стойкость к разным видам проникающих излучений, что может оказаться востребованным в специальных приборах, которые используются для работы в условиях повышенной радиоактивности либо в исследованиях космоса. Механизм хранения информации здесь реализуется за счет применения сегнетоэлектрического эффекта. Он подразумевает, что материал способен сохранять поляризацию в условиях отсутствия внешнего электрического поля. Каждая ячейка памяти FRAM формируется за счет размещения сверхтонкой пленки из сегнетоэлектрического материала в виде кристаллов между парой плоских металлических электродов, формирующих конденсатор. Данные в этом случае хранятся внутри кристаллической структуры. А это предотвращает эффект утечки заряда, который становится причиной утраты информации. Данные в FRAM-памяти сохраняются даже при отключении напряжения питания.

Magnetic RAM (MRAM)

Еще одним типом памяти, который на сегодняшний день считается весьма перспективным, является MRAM. Он характеризуется довольно высокими скоростными показателями и энергонезависимостью. в данном случае служит тонкая магнитная пленка, размещенная на кремниевой подложке. MRAM представляет собой статическую память. Она не нуждается в периодической перезаписи, а информация не будет утрачена при выключении питания. На данный момент большинство специалистов сходится во мнении, что этот тип памяти можно назвать технологией следующего поколения, так как существующий прототип демонстрирует довольно высокие скоростные показатели. Еще одним достоинством подобного решения является невысокая стоимость чипов. Флэш-память изготавливается в соответствии со специализированным КМОП-процессом. А микросхемы MRAM могут производиться по стандартному технологическому процессу. Причем материалами могут послужить те, что используются в обычных магнитных носителях. Производить крупные партии подобных микросхем гораздо дешевле, чем всех остальных. Важное свойство MRAM-памяти состоит в возможности мгновенного включения. А это особенно ценно для мобильных устройств. Ведь в этом типе значение ячейки определяется магнитным зарядом, а не электрическим, как в традиционной флеш-памяти.

Ovonic Unified Memory (OUM)

Еще один тип памяти, над которым активно работают многие компании, - это твердотельный накопитель на базе аморфных полупроводников. В его основу заложена технология фазового перехода, которая аналогична принципу записи на обычные диски. Тут фазовое состояние вещества в электрическом поле меняется с кристаллического на аморфное. И это изменение сохраняется и при отсутствии напряжения. От традиционных оптических дисков такие устройства отличаются тем, что нагрев происходит за счет действия электрического тока, а не лазера. Считывание в данном случае осуществляется за счет разницы в отражающей способности вещества в различных состояниях, которая воспринимается датчиком дисковода. Теоретически подобное решение обладает высокой плотностью хранения данных и максимальной надежностью, а также повышенным быстродействием. Высок здесь показатель максимального числа циклов перезаписи, для чего используется компьютер, флешка в этом случае отстает на несколько порядков.

Chalcogenide RAM (CRAM) и Phase Change Memory (PRAM)

Эта технология тоже базируется на основе фазовых переходов, когда в одной фазе вещество, используемое в носителе, выступает в качестве непроводящего аморфного материала, а во второй служит кристаллическим проводником. Переход запоминающей ячейки из одного состояния в другое осуществляется за счет электрических полей и нагрева. Такие чипы характеризуются устойчивостью к ионизирующему излучению.

Information-Multilayered Imprinted CArd (Info-MICA)

Работа устройств, построенных на базе такой технологии, осуществляется по принципу тонкопленочной голографии. Информация записывается так: сначала формируется двумерный образ, передаваемый в голограмму по технологии CGH. Считывание данных происходит за счет фиксации луча лазера на краю одного из записываемых слоев, служащих оптическими волноводами. Свет распространяется вдоль оси, которая размещена параллельно плоскости слоя, формируя на выходе изображение, соответствующее информации, записанной ранее. Начальные данные могут быть получены в любой момент благодаря алгоритму обратного кодирования.

Этот тип памяти выгодно отличается от полупроводниковой за счет того, что обеспечивает высокую плотность записи, малое энергопотребление, а также низкую стоимость носителя, экологическую безопасность и защищенность от несанкционированного использования. Но перезаписи информации такая карта памяти не допускает, поэтому может служить только в качестве долговременного хранилища, замены бумажного носителя либо альтернативы оптическим дискам для распространения мультимедийного контента.