Что такое флеш-память? Принцип работы и устройство флеш-памяти

Флэш-память

Сегодня флэш-память стала незаменимой в мобильных устройствах (КПК, планшетах, смартфонах, плеерах). На основе флэш-памяти разработаны USB-флэш-накопители и карты памяти для электронных устройств (SD, MMC, miniSD и т.д.).

Флеш-память (Flash Memory) – твердотельная полупроводниковая энергонезависимая и перезаписываемая память.

Считывать информацию из флэш-памяти можно большое число раз в пределах срока работы накопителя (от $10$ лет), но количество процессов записи ограничено (около $100 000$ циклов перезаписи).

Флэш-память считается более надежным видом носителя информации, т.к. не содержит подвижных механических частей (как, например, в жестком диске).

Преимущества флэш-памяти:

• высокая скорость доступа к данным;
• низкое энергопотребление;
• устойчивость к вибрациям;
• удобство подключения к ПК;
• компактные размеры;
• дешевизна.

Недостатки флэш-памяти:

• ограниченное число циклов записи;
• чувствительность к электростатическому разряду.

Не вся память относится к «флеш»

Неглубоко погружаясь в мир физики, можно узнать, что память бывает нескольких видов.

1. Оперативная память, которая работает по принципу «электрической емкости». Миллионы конденсаторов, удерживая заряд в оперативной памяти, являются хранителями информации. При отключении подачи электричества на устройство конденсаторы разряжаются, теряя информацию безвозвратно.
2. Постоянная память. Информация на носителе сохраняется путем физического или химического воздействия. Примером служит оптический DVD-диск, информация на который записывается путем прожигания лазером микроскопических дырочек на поверхности пластика.
3. Условно-постоянная энергонезависимая память. Сюда относятся флеш-память, магнитные жесткие диски, дискеты, видеопленка и прочие носители, которые умеют удерживать магнитный или электрический заряд при отсутствии постоянного источника электроэнергии.

Появление USB флешки

Изобретение USB флеш накопителей было запатентовано изобретателями израильской компании M-Systems: Дов Моран, Амир Бан и Орон Огдан в апреле 1999 года, но это устройство внешне отличалось от современных USB флешек. Позже, 13 сентября Шимоном Шмуели уже был запатентован образец, точно описывающий USB флеш-накопитель который используется в наши дни. Из-за разногласий и споров по поводу выяснения авторства данного носителя судебные разбирательства не были редкостью.

Первые такие устройства хранения стали уже доступны в 2000 году, объём был равен 8 мегабайтам, что примерно в 5 раз больше используемых в то время дискет. Уже к 2013 году большинство флешек имели USB 2.0 интерфейс с возможной скоростью 480 Мбит/c.

Хотя о появление USB 3.0 флешек было объявлено ещё в 2008 году, для потребителя они стали доступны лишь в 2010 году. Преимущество интерфейса USB 3.0 в скорости передачи данных 5 Гбит/c и обратная совместимость с USB 2.0. Большинство из современных компьютеров имеют как минимум один такой порт. Но вот уже в марте 2015 было объявлено о производстве USB носителей на флеш, со штекерами USB 3.1 обеспечивающие ещё большую скорость передачи данных.

Как работает флеш-память

Принцип функционирования построенных на базе микросхем запоминающих устройств базируется на МОП-транзисторах с плавающим затвором. Он расположен между p-слоем и управляющим затвором, и изолирован от них слоем диэлектрика. Благодаря этому транзистор способен долго хранить электрический заряд.

Единица или ячейка flash-памяти – транзистор. Он представлен парой полупроводников n-типа с массой свободных носителей заряда – электронов. Между ними располагается полупроводник p-типа с недостатком электронов. Он переносит электроны по так называемым дырам, где тех недостаточно, но не ток – он не пробежит из-за разности типа проводимости: электронная и дырочная.

Над p-полупроводником размещён управляющий или дополнительный затвор – электрод. При приложении напряжения он отталкивает дырки, притягивая электроны – формируется p-n-переход, вследствие чего через транзистор протекает ток.

Чтение и запись

Для считывания содержимого ячейки – состояния транзистора – к управляющему затвору прилагается напряжение, позволяющее определить, в ней записан логический ноль или единица. При недостатке электронов на дополнительном затворе бежит ток – это ноль, если образовался их избыток – ток не проходит – в ячейку записана единица.

Запись проходит сложнее, ведь диэлектрик мешает прохождению электронов к плавающему затвору. Для их подталкивания прикладывают повышенное положительное напряжение, и они устремляются через потенциальный барьер – слой непроводящего материала. Для удаления информации к плавающему затвору транзистора прикладывается отрицательное напряжение с меньшим потенциалом, чем при записи. Вследствие этого электроны покидают дополнительный затвор.

Определяя наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе, контроллер «знает» о содержимом элемента памяти.

Типы флеш-памяти. Отличия между NAND и NOR

Существует два вида флеш-памяти: NAND и NOR. NAND – это программируемая память, и считывается блоками, а NOR – считывается и записывает информацию байтами.

Рисунок 1 — NAND-память

NAND и NOR отличается по двум характеристикам: связью между ячейками и секторами и интерфейсом, предоставленным для чтения и записи данных.

Поскольку размер блока в NOR колеблется от 64 до 128 Кбайт, операция записи/стирания может занять до 5 секунд. С другой стороны, система NAND с блоками от 8 до 32 Кбайт выполнит ту же операцию в максимум 4 миллисекунд.

Разница в размерах блоков еще больше увеличивает разрыв в производительности между NOR и NAND. Статистически больше операций удаления (стирания) данных проводиться устройствами на базе NOR-памяти (особенно, когда выполняется обновление файлов – их перезапись).

Рисунок 2 – NOR-память

Несмотря на это, при выборе типа флеш-памяти нужно также учитывать следующие факторы: — NOR-память считывает данные немного быстрее, чем NAND; — NAND записывает информацию значительно быстрее, чем NOR; — NAND стирает данные намного быстрее, чем NOR: 4 мсек против 5 сек; — Большинству операций записи предшествует операция удаления (то есть, данные перезаписываются); — NAND обладает меньшим потенциалом блоков удаления, поэтому меньше удалений понадобится, что продлит срок службы устройства памяти. Размеры ячеек NAND-памяти вполовину меньше, чем размеры ячеек памяти NOR. Память NOR доминирует по продажам на рынке по объему памяти в диапазоне от 1 до 16 МБ, в то время как размеры памяти NAND варьируются от 8 до 128 МБ. Это снова подчеркивает роль памяти NOR в качестве хранилища важных кодов. Память NAND тоже имеет стойкую позицию на рынке карт памяти (CompactFlash, SecureDigital, PC Cards, и MMC).

Какой бывает компьютерная память и в каких устройствах она используется?

Все виды компьютерной памяти можно разделить на две большие категории. Энергозависимая и энергонезависимая память. Энергозависимая память теряет все данные при отключении системы. Это происходит потому, что такая память требует постоянной энергетической подпитки и, как только подача электричества прекращается, она перестает функционировать. Энергонезависимая память сохраняет данные вне зависимости от того, включен ваш компьютер или нет. К примеру, большинство типов оперативной памяти относятся к энергозависимой категории.

Наиболее известные представители энергонезависимой категории это ПЗУ (постоянная память) и флеш-память, получившая в последнее время немалое распространение. В частности, карты памяти CompactFlash и SmartMedia.

Прежде всего просто перечислим основные виды компьютерной памяти и только потом начнем их рассматривать:

• Оперативная память. Оперативное запоминающее устройство. ОЗУ, RAM
• Постоянная память. Постоянное запоминающее устройство. ПЗУ, ROM
• Кеш-память, Cache
• Динамическая оперативная память. Dynamic RAM, DRAM
• Статическая оперативная память. Static RAM, SRAM
• Флеш-память, Flash memory
• Память типа Memory Sticks в виде карт памяти для цифровых фотоаппаратов
• Виртуальная память, Virtual memory
• Видеопамять, Video memory
• Базовая система ввода-вывода, БСВВ, BIOS

Как мы уже писали, память применяется не только в компьютерах, но и в иных цифровых устройствах. Тех «компьютероподобных» устройствах, которые для удобства изложения материала мы будем считать компьютерами, не отвлекаясь на постоянные обсуждения различий между ними. В частности, планшеты многие аналитики относят к компьютерам. Речь идет в том числе и о:

• Сотовых телефонах
• Смартфонах
• Планшетах
• Игровых консолях
• Автомобильных радиоприемниках
• Цифровых медиаплеерах
• Телевизорах

Прежде, чем разбираться в том, как функционирует каждый вид памяти, поинтересуемся тем, как она вообще работает.

Как перед покупкой узнать, какой тип памяти у SSD

Друзья, даже если на торговой площадке детально указываются типы памяти SSD, всё равно нужно уточнять информацию. На торговых площадках элементарно могут быть описки и неточности. По идее, я должен вам посоветовать заглянуть на официальный сайт производителя накопителя. И именно из первоисточника характеристик накопителя узнать всё о типах памяти. Но делать я этого не буду. Почему? Во-первых, у супербюджетных накопителей может не быть странички спецификаций на сайте производителя, как может и не быть самого сайта производителя. Во-вторых, друзья, увы, многие производители не говорят правду о характеристиках памяти накопителей: предоставляют информацию неполно, только в выгодном для себя свете. А иногда и просто тупо врут. Причём это касается не только стрёмных малоизвестных производителей, но и именитых компаний. Их попытки представить спецификации SSD в расчёте на неосведомлённого обывателя порой доходят до абсурда.

Вот, например, Kingston указывает только тип памяти 3D NAND. И не указывает тип MLC, TLC или QLC.
В таких случаях предлагаю отправляться на сайт упомянутой выше компании НИКС и смотреть характеристики накопителей в её базе. По тому же накопителю Kingston на НИКС нашлась информация, что тип памяти у него TLC. Ну и вот, собственно, этого и стесняется компания Kingston, скрывая эту деталь у себя на сайте.
И, кстати, чем ещё хороша база НИКС? Тем, что в части случаев указывает ресурс перезаписи данных TBW. Об том важном параметре молчат многие производители SSD, хотя, по идее, должны были бы освещать такого рода информацию.
Но, друзья, куда больше маркетинговой жести от производителя мы получим, если зайдём на страничку спецификаций накопителей Samsung серии Evo. Вот, например, страничка спецификаций SSD Samsung 970 Evo Plus на сайте Samsung. И здесь черным по белому написано, что тип памяти у накопителя V-NAND 3-bit MLC.Выше мы говорили о том, что MLC – это тип памяти с возможностью записи в ячейки 2 бит информации. Если в ячейки записывается 3 бита информации, то это тип памяти TLC. Собственно, что и приводится в характеристиках на сайте НИКС с примечанием в виде отсылки на спецификации Samsung, в которых компания утверждает, что тип памяти у устройства некая 3-битная MLC.Друзья, как минимум официально не существует такого типа памяти, как 3-битная MLC. Как и не существует 2-битной SLC или 4-битной TLC. У накопителей Samsung Evo тип памяти TLC и никак иначе. И так заявляет не только НИКС, но и программа AIDA64, которая в числе диагностических данных показывает типы памяти SSD.

Попытка Samsung выдать желаемое за действительное не есть хорошо, но не хотелось бы, друзья, умалять преимуществ Samsung Evo, это реально хорошие накопители за свои деньги, и это, кстати, реальный пример хорошей памяти TLC.

Если вы хотите перед покупкой SSD точно узнать, какие у него типы памяти, смотрите характеристики на сайте НИКС. Ну и если есть возможность продиагностировать накопитель, можете глянуть тип памяти в программе AIDA64.