Карты памяти типа «флэш-память»

Flash по-английски – это «вспышка, молния, мгновение, проблеск». Это разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти, не требует постоянного питания для хранения информации, данные в ней хранятся в виде блоков, а не байтов, как в обычных модулях памяти.

Слово «флэш» в названии памяти возникло благодаря тому, что операция записи требует подачи на сток и управляющий затвор высокого напряжения (flash, «молния»). Электроны с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого пленкой диэлектрика, переносятся на плавающий затвор, тем самым изменяя вольт-амперные характеристики транзистора. Диалогично, при стирании высокое напряжение подается на исток.

Интерфейс USB 1.1 со скоростью передачи данных 12 Мбит/с и USB 2.0     (480 Мбит/с) или IEEE-1394а (FireWire/i.Link) (400 Мбит/с), если таковые имеются. Они различаются способом и интерфейсом подключения к ПК, и скоростью

· Внешние считыватели - подключаться через USB, LPT, и FireWire(IEEE1394) интерфейсы. Они отличаются друг от друга только скоростными показателями. Скорость медленного из них LPT порт - 0,34 и 0,62 Мбайт/с. У моделей с USB - 0,46 и 0,77 Мбайт/с, у FireWire - 2,1 Мбайт/с.

· Внутренние считыватели - вставляются в 3,5-дюймовый отсек системного блока, и подключаются к ATA интерфейсу скорость (0,52 Мбайт/с и 1 Мбайт/с) и отсутствие посторонних устройств на столе, а к недостаткам – то он занимает отсек системного блока, и IDE канал.

· Считыватели – переходники - используется переходник внешне похожий на 3,5-дюймовую дискету (или PC-карту для ноутбуков). Карта памяти вставляется в адаптер, который впоследствии размещается в дисководе. Использование PCMCIA-адаптеров даёт неплохие результаты, скорость передачи достигает 1 Мбайт/с. А при использовании флоппи-дисковода она недотягивает и до отметки 36 Кбайт/с.

Принцип работы карты памяти. В качестве элементарных ячеек хранения информации используются полевые двухзатворные транзисторы с плавающим затвором, для хранения данных используется один или два транзистора (в других типах это обычно конструкция из нескольких транзисторов и конденсатора). Идея хранения данных основана на том, что транзистор способен сохранять заряд, позволяя определить его наличие. При записи заряд помещается на плавающий затвор (или посредством переноса электронов или с использованием квантово-механических эффектов туннелирования – это зависит от типа памяти). При наличии заряда на плавающем затворе характеристики транзистора изменяются таким образом, что при обычном для операции чтения напряжении токопроводящего канала не возникает. Соответственно по изменению вольтамперных характеристик транзистора можно сделать вывод о наличии или отсутствии заряда. Иными словами, использовать его для кодирования битов информации.

Выпускается два основных типа флэш-памяти:

·NOR (логика ячеек NOT OR); NAND (логика ячеек NOT AND). не получила распространения типа AND (И)

Различная организация логических схем работы памяти дала названия основным ее типам, кроме того, если NOR требует контакта на каждом транзисторе, то в NAND имеется контактная матрица. Благодаря тому что эта схема позволяет определить не только наличие или отсутствие заряда в ячейке, а также допускает измерение его величины, появляется возможность хранения двух битов информации в одном транзисторе (многоуровневые ячейки, multilevel cell, MLC), именно на этом принципе построена, например, память Intel StrataFlash. Теоретически возможно хранение и трех и более битов (известно, что в лабораторных условиях реализованы образцы, хранящие до 8 бит), но на практике изготовление таких микросхем сопряжено с рядом технологических сложностей. Кроме того, хотя такой подход дает возможность снизить удельную стоимость хранения данных, он требует усложнения контроллеров и памяти. Несложно догадаться, что процедуры записи-стирания вызывают износ ячейки флэш-памяти, именно поэтому у таких микросхем ограничен ресурс циклов перезаписи. Он довольно значительный (порядка миллионов циклов), к тому же благодаря некоторому «интеллекту» контроллеров флэш-памяти удается минимизировать его вредное действие.

Память типа NOR обеспечивает возможность произвольного чтения-записи данных (вплоть до отдельных байтов) и быстрое считывание, но при этом относительно медленные схемы записи и стирания. Кроме того, такая память имеет довольно крупные ячейки (к каждой необходимо подвести контакт), что вызывает закономерные сложности в изготовлении и повышении емкости. Этот тип памяти обеспечивает возможность «исполнения-по-месту» (Execute-ln-Place, XIP). Этот тип памяти в основном применяется для хранения программного кода.

Память типа NAND обеспечивает блочный доступ, быстрые процедуры стирания и записи, дешевизну и простоту наращивания емкости модулей. Данные на флэш-памяти NAND считываются поблочно. Размер единичного блока варьируется от 256 байт до 256 Кбайт, практически все современные микросхемы позволяют работать с блоками разного размера. Эта схема накладывает как ограничения, так и предоставляет некоторые преимущества. Эта схема значительно снижает скорость записи небольших объемов данных в произвольные области памяти, но в то же время и увеличивает быстродействие при последовательной записи больших массивов данных. Благодаря блочной организации флэш-памяти NAND она дешевле сопоставимой по емкости памяти других типов.

Необходимо отметить также, что существуют гибридные решения, в одном корпусе объединяющие ряд разных типов памяти. Таким образом, например, удается обеспечить старт программных модулей, запускаемых из блока памяти NOR и затем загружающих основную ОС из микросхем NAND.

Рисунок 4. Ячейка флэш-памяти в микросхеме матрицы

Рассмотрим основные типы современных устройств флэш-памяти:

CompactFlash (CF) 94 г. представляют собой модификацию PC-карт, они меньше по объему и имеют всего 50 контактов вместо 68, но их можно подключать в разъемы PCMCIA через пассивный переходник без дополнительного ПО. Устройства CF делятся на два типа, внешне различающихся толщиной. Размеры CF типа I - 36,4x42,8x3,3 мм, a CF типа II имеют ту же площадь, но их толщина больше - 5 мм. Карты типа II несовместимы с разъемами типа I, тогда как для карт типа I подходят порты обоих видов. Для работы модули CF используют напряжение 3,3 или 5 В и ток до 100 мА. В итоге, по утверждению производителей, они потребляют в 20 раз меньше энергии, нежели стандартные жесткие диски, так что не нужно часто заменять батарейки. Максимальная емкость карт типа I составляет 256 Мбайт (у компаний PQI и Delkin), а карт типа II - 512 Мбайт (у фирмы SiliconTech). Причём цена экспоненциально зависит от размера модуля. При покупке камеры, работающей с картами CF, можно не сомневаться, что удастся найти совместимый по памяти МРЗ-плеер и не придется иметь дело с картами разных видов. Для совмещения карты данного типа с ноутбуком достаточно переходника для разъема PCMCIA.

SmartMedia SSFDC 95 г. компанией Toshiba (Solid State Floppy Disk Card) можно перевести как "твердотельная дискета". Следует отметить, что многие производители делают флэш-карты сразу трех основных типов: Compact Flash, SmartMedia и MultiMediaCard. В отличие от Compact Flash, карты SmartMedia (SM) не снабжены встроенным контроллером, что, по замыслу создателей, должно снижать их стоимость. Кроме того, SM имеют меньшие размеры (37x45x1,76 мм) и массу (до 2 г). По популярности SM спорят с CF, а вместе с ним оба этих стандарта охватывают более половины рынка флэш-карт. Рабочие напряжения у SM такие же, как и у CF, но обычно используется 3,3 В. Максимальная емкость карт, объявленная производителями, в частности компаниями ЕМТЕС и Delkin, составляет 128 Мбайт, и стоит около 250 долл.. Из-за отсутствия внутреннего контроллера для работы с этими картами невозможно применить пассивный переходник. SM используются в цифровых камерах и МРЗ-плеерах.

MultiMediaCard ММС 97 г. компании Infineon Technologies. Карты меньше, чем рассмотренные выше, - 32x24x1,4 мм, да и весят они всего 1,5 г. Поэтому и предназначены в основном для ультрапортативных устройств, особенно актуальны они в КПК, сотовых телефонах и электронных записных книжках. Эти модули памяти работают при напряжениях 3,3 или 2,7 В и токе до 35 мА- низкое энергопотребление.

SecureDigital  Panasonic учли последние веяния времени, чтобы предотвратить несанкционированное копирование, носители Secure Digital (SD) снабжены средствами защиты от незаконного копирования. Размеры карт - 32x24x2,1 мм. Разъемы для них совместимы с модулями ММС.

Memory Stick (Sony Memory Stick и Memory Stick Pro) Sony заставила компьютерную индустрию выбрать в качестве сменных носителей свои 3,5-дюймовые флоппи-дисководы, а теперь она решила позаботиться о своих позициях и на аудиорынке, для чего разработала новый стандарт флэш-карт Memory Stick (MS). Эти 10-контактные устройства размерами 21,5x50x2,8 мм и массой 4 г стали опорой цифровой империи Sony, которая устанавливает их в свои цифровые плееры, фотоаппараты и видеокамеры, также игрушки и другие устройства. В этом устройстве имеется уникальный переключатель защиты от стирания, который убережёт неаккуратного фотографа от удаления сделанных снимков. В 2003 году Lexar Media разработала расширенную версию Memory Stick Pro, обеспечивает регулирование прав на копирование цифровой информации, а также высокоскоростной контроллер памяти, разработанный в компании Lexar.

ATA-совместимая PC (PCMCIA) Хотя формфактор PC Card (PCMCIA) используется сегодня для широкого спектра устройств – от игровых приставок до модемов, от адаптеров SCSI до сетевых адаптеров, изначально он задумывался для компьютерной памяти, что видно из прежней аббревиатуры PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – Международная ассоциация карт памяти для персональных компьютеров). В отличие от обычных модулей памяти, PC Card работает как дисковый накопитель используя стандарт PCMCIA ATA. Модуль PC Card бывает трех типов (тип I толщиной 3,3 мм, тип II толщиной 5 мм и тип III толщиной 10,5 мм), при этом все три типа имеют длину 3,3 дюйма и ширину 2,13 дюйма. Карты типа I и II используются для АТА-совместимой флэш-памяти, а карты типа III – для небольших АТА-совместимых жестких дисков.

xD-Picture Card 2002 года компании Fujifilm, сторонники использования флэш-памяти SmartMedia в цифровых фотоаппаратах, представили более компактную и надёжную замену SmartMedia, получившую название xD-Picture Card. Носитель xD-Picture Card, размеры которого составляют примерно одну треть от размеров SmartMedia, является наименьшим форматом существующей сегодня флэш-памяти. Кроме того, xD-Picture Card содержит более быстрый контроллер, позволяющий сократить время записи изображения. Скорость записи данных в 16- и 32-мегабайтовых картах (которыми обычно комплектуются цифровые фотоаппараты) составляет 1,3 Мбайт/с; скорость записи данных в картах емкостью 64 Мбайт и выше достигает 3 Мбит/с. Скорость чтения в платах любой ёмкости равна 5 Мбит/с. Носители поддерживает режим панорамной съёмки, реализованный в непокорых фотоаппаратах Olympus xD-Picture), использовать фотоаппараты и носители одних торговых марок.

Флэш-память USB (USB-брелки) созданные на основе интерфейса USB, являются альтернативой накопителям на гибких дисках и сменным носителям Zip/SuperDisk и представляют собой более предпочтительный способ обмена данными между системами. В 2000 году был пред­ставлен первый удачный накопитель этого типа (компании Trek), положивший начало появлению различных имитаций, многие из которых были снабжены зажимом или цепочкой для ключей, подчеркивавшими их миниатюрные размеры. Накопителям USB, также выполняющим функцию брелка для ключей, в отличие от других типов флэш-памяти, не требуется специальное устройство считывания данных, поскольку они могут подключаться к любому порту или концентратору USB, для их использования требуется специальный драйвер. Флэш-памяти USB, как и другим устройствам флэш-памяти, при подключении к компьютеру присваивается определенное имя дисковода. В некоторых USB-брелках имеется механический переключатель защиты от записи, который обеспечивает дополнительную защиту данных; другие модели включают или поддерживают функцию шифрования защищенных паролем данных. Некоторые накопители могут использоваться также в качестве загрузочного устройства (если BIOS обеспечивает соответствующую поддержку). Платы флэш-памяти SD- или ММС-типа, подключаемые к накопителю Kanguru MicroDrive+, позволяют увеличить его емкость.
Обслуживание устройства карты памяти

Флэш-памят содержимое можно многократно перезаписывать, не вынимая ее из ПК, запись происходит медленнее, чем считывание, и осуществляется импульсами повышенного напряжения. Вследствие этого, а также из-за ее стоимости, флэш-память не заменит микросхемы ОЗУ.

Потеря данных в flash-памяти нет возможности вернуться к первоначальным установкам! В 1998 году автор узнал о новом чрезвычайно опасном вирусе – «Чернобыль». Опасность заключалась в его действии – ровно в годовщину аварии на Чернобыльской АЭС этот вирус портил содержимое флэш-памяти и наиболее важной ее части – BIOS. В результате компьютер не мог вообще осуществлять операции ввода-вывода, в том числе и загрузку операционных систем. CMOS-память же оставалась в полном порядке! Поскольку микросхема с BIOS обычно была припаяна к материнской плате, приходилось выкидывать всю материнскую плату. Известен только один способ 100% гарантии избежать действия этого вируса – аппаратно запретить перезапись флэш-памяти. Дело в том, что новые версии этого вируса размножаются лавинообразно, и нет гарантии, что он сработает именно в эту дату.

ð Любой носитель информации требует особое обслуживание (например: HDD или FDD – требует дефрагментации практически всегда после установки каких-либо программ или их удаления или хотя бы раз в неделю проделывать эту процедуру), флэш-память требует такого же обслуживания. Дефрагментацию следует делать тогда, когда вы удаляете часть информации с неё и стараетесь записать новую. Дефрагментацией можно обойтись если записывать информацию последовательно (файл за файлом), при полном заполнении выполнять форматирование (предварительно сохранив данные в компьютере или отпечатав фотографии).

ð Устройство флэш-памяти также следует аккуратно извлекать. Всегда при завершении работы с картой памяти её следует безопасно извлечь из ПК во избежание повреждений и т. п., (например: флэш-память считывается или на неё записывается информация, а также самопроизвольный контроль связи ПК и карты памяти). Во избежание недоразумений устройство флэш-памяти следует извлечь после того, как выполнено «безопасное извлечение устройства».

ð Старайтесь следить за тем, чтобы батарея цифрового фотоаппарата или мобильного телефона была неразряжена (т.к. флэш-память боится резкого перепада напряжения), иначе в карте памяти могут возникнуть ошибки, или хуже того станет неработоспособной. Но в большинстве случаев флэш-память обладает высокой стабильностью. А также старайтесь следить за тем, чтобы контакты карты памяти не загрязнялись.