Что такое флеш-память? Принцип работы и устройство флеш-памяти
В обиходе пользователей появилось новое слово – «флешка». Большинству людей точно известно, что данное устройство используется в цифровых фотоаппаратах, а также предназначено для переноса видеофильмов и музыки. А ведь это не полный перечень функций, которые выполняет флешка. Данное устройство является незаменимым в работе любого владельца не только компьютера, а и всевозможной электроники 21-го века. Темой данной статьи является флеш-память, её характеристики, виды, цены.
Переписыванием истории занимаются все гиганты ИТ-индустрии, устанавливая свое авторство над разными изобретениями. Так поступила и знаменитая американская компания Intel, которая присвоила себе изобретение флеш-памяти. Однако технология и производство первого в мире устройства принадлежат японскому гиганту Toshiba, который в далеком 1984 году представил миру свое открытие. Название «флеш-память» устройству дали тоже японцы, и не случайно. Процесс стирания информации на флеш-памяти отдаленно напоминает фотовспышку.
Не прошло и нескольких лет с момента изобретения, а мировые гиганты ИТ-индустрии быстро нашли применение новому изобретению, поставив производство на конвейер.
Преимущества флешки
Пожалуй, самое главное преимущество – флешка крайне проста в использовании. Для работы с ней не требуется никаких специальных программ.
Записать на нее можно так же легко и быстро, как скопировать информацию из одной папки в другую.
Причем, открывается она на любом компьютере, современном телевизоре или DVD-плеере и для этого не требуется никаких дополнительных устройств – только USB-разъем.
Современные флеш-накопители способны «запоминать» очень большой объем данных – до одного терабайта (1024 ГБ). Кроме того, как уже говорилось, они многоразовые (способны перезаписывать информацию сотни и тысячи раз).
Безусловное преимущество, по сравнению с CD и DVD-дисками — низкое энергопотребление флешки. Это связано с тем, что она не является механизмом как таковым – не имеет подвижных частей и не приводится в движение в процессе работы. Кроме того, она не требует внешнего источника питания – ей хватает того, что поступает через USB при подключении.
Флешка, в отличие все от того же диска, не подвержена царапинам и пыли, устойчива к вибрации, ударам, падениям. Она работает бесшумно, имеет незначительный вес (меньше 60 г) и размер, что очень удобно при необходимости постоянно носить ее с собой.
Для флеш-памяти совершенно безвредно многократное и частое подключение к компьютеру. Однако стоит обратить внимание на такой момент как безопасность извлечения устройства.
Сейчас много спорят о том, так ли необходимо использовать кнопку «Безопасное извлечение устройства». Но существует мнение, что «неправильное» извлечение приводит к выходу из строя USB-порта (разъема) или даже к удалению сохраненной на флешке информации.
Необходимо сказать и о таком свойстве флешки как защита информации. Эта возможность пока предусмотрена не в каждом устройстве. Однако уже сегодня многие из них имеют такую дополнительную функцию.
Это может быть проверка отпечатка пальца или пароль, который необходимо ввести, чтобы открыть содержимое флеш-накопителя. Весьма удобно, если Вы хотите сохранить очень личную или секретную информацию.
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.
Запись данных
Для записи информации необходимо наполнить плавающий затвор электронами. Но это сложная задача из-за слоя диэлектрика, который окружает его и не даёт пройти току.
Электроны в плавающую ячейку помещаются подачей положительного заряда, выше того что подаётся при чтении, при котором они и запрыгивают, проходя слой диэлектрика.
При стирании информации на плавающий затвор подаётся отрицательное напряжение, и электроны спадают с плавающего затвора.
Именно так и работает та маленькая вещица, которая облегчает нам обмен информации.
Понравилась полезная статья? Подпишитесь на RSS и получайте больше нужной информации!
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.
Контроллер флешки
Наиболее сложной и загадочной частью флешки является, безусловно, её контроллер.
Основные его функции — работа с микросхемами памяти (выполнение операций постраничного чтения, выборки данных, поблочной записи, размещение и адресация данных в нескольких микросхемах памяти, а также другие специальные функции) и предоставление интерфейса к хост-устройству.
Когда поступает команда на чтение определенной ячейки данных, контроллер должен определить в какой микросхеме находится данная ячейка, в каком блоке этой микросхемы, в какой странице блока, и затем собственно адрес ячейки в странице. Поскольку считывание возможно только страницы целиком, контроллер считывает её в свой буфер, находит в ней нужную ячейку, и отправляет её содержимое хост-устройству.
При поступлении команды на запись также находится нужный блок, но, на этот раз, он считывается не постранично, а – целиком. Затем в буфере производятся необходимые изменения, блок из микросхемы целиком стирается и вновь записывается измененный блок из буфера контроллера.
Кроме того, для выравнивания износа блоков, контроллер периодически переназначает их (по сути — меняет местами). В результате чего достигается достаточно равномерный износ по циклам записи, и микросхемы памяти, таким образом, служат дольше. Контроллер следит за состоянием каждого блока в отдельности, и если какой-либо из блоков превысил допустимое количество циклов перезаписи — контроллер переходит в режим «только чтение» — данные считать с него можно, а записать уже нельзя. Такие накопители не пригодны для дальнейшего использования.
В этом случае следует скопировать данные с носителя, и заменить его.
Контроллер имеет в себе прошивку, таблицы конфигурации, а также некоторые модели хранят внутри себя таблицы износа блоков памяти, а также множество другой служебной информации. Разнообразие контроллеров очень велико, а их версий просто бесчисленное множество. В связи с этим, при любом повреждении контроллера, искать ему замену для восстановления информации бессмысленно.
Для восстановления в таком случае выпаиваются микросхемы памяти, считываются на специальном оборудовании, и данные собираются вручную как мозаика.
Электронная обвязка нужна для питания микросхем и согласования логических уровней. И хотя здесь нет ничего сложного, не редки случаи выхода из строя именно этой самой электронной обвязки, особенно стабилизатора питания. Восстановление данных в таком случае зависит от степени повреждений: либо электроника восстанавливается прямо на флешке, и данные вычитываются в штатном режиме, либо как в случае со сгоревшим контроллером — данные снимаются непосредственно с микросхем памяти и собираются вручную.
Флешки монолиты.
Последнее время встречаются флешки у которых контроллер, память и вся электроника упакована в один чип. Это флешки монолиты. Такая конструкция значительно компактнее классической, но имеет множество недостатков: меньшую надежность, более слабое охлаждение и невозможность получить доступ к микросхеме памяти минуя контроллер.
В случае выхода из строя контроллера, или электронной обвязки в подобной флешке, сложность работ по восстановлению данных увеличивается на порядок.
Вопрос, который часто возникает у потенциальных покупателей — какую флешку выбрать, и как выбрать флешку?
Многие ориентируются на именитые бренды, в надежде что продукция известной фирмы будет лучше и надежнее, но тут дела обстоят несколько иначе. Как правило, торговая марка под которой выпускается тот или иной флеш-накопитель, вообще не имеет отношения к производству устройства, а лишь заказывает партию готовых флешек со своими логотипами и упаковкой, и от торговой марки никоим образом не зависит качество продукции.
Выбрать флешку по конкретному контроллеру или чипам памяти как правило невозможно — даже в одинаковых с виду флешках из разных партий могут применяться различные микросхемы.
Поэтому критерии выбора флешки исключительно субъективные — крепкая конструкция, жесткое крепление разъема USB, отсутствие движущихся частей, желательно металлический корпус (для лучшего охлаждения и защиты от статики) и классическая многочиповая архитектура.
Отличить флешку классической конструкции от одночиповой проще всего по USB разъему — у обычных флешек разъем металлический, как на любом USB кабеле, у однокристальных разъем как правило тонкий, размером в половину порта, без металлической части по периметру.
Как видите не смотря на все плюсы, у флеш-накопителей хватает и недостатков, в свете которых доверять флешкам ценную информацию в единственном экземпляре не стоит.
Как была изобретена флеш-память
Первый патент, связанный с флеш-памятью, был зарегистрирован в США инженером Toshiba по имени Фуцзио Масуока, который придумал эту идею вместе со своим коллегой Хисаказу Иизукой еще в 1981. Изначально такую память называли EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), а слово «flash» («вспышка») к ней прицепилось благодаря быстроте записи и чтения, которую сравнивали с быстротой работы вспышки камеры.
В то время передовые чипы EEPROM стирали с помощью луча ультрафиолетового света, а весь процесс занимал около 20 минут и требовал использования прозрачного корпуса. Придумали и тип EEPROM, информацию в котором можно было стирать электрическим путем, но в нем за каждый бит отвечали два транзистора.
Первые чипы флеш-памяти, которые напоминают современные, выпустила та же Toshiba в 1987 году. Популярными устройства на ее основе, однако, начали становиться лишь в конце девяностых, когда во всевозможных портативных девайсах начали использовать карты памяти от Toshiba, Matsushita и SanDisk. В 2000 году на рынке появился первый цифровой аудиоплеер со слотом для SD-карт. Еще через несколько лет — в 2005 — Apple выпустила первый iPod с флеш-памятью, iPod Shuffle (предыдущие модели использовали миниатюрные жесткие диски). Ну а дальше вы знаете!
Послесловие
Помимо тех ссылок, что раскиданы по тексту, на мой взгляд, довольно интересен данный обзор (пусть и от 1997 года), сам сайт (и фотогалерея, и chip-art, и патенты, и много-много всего) и данная контора, которая фактически занимается реверс-инжинирингом.
К сожалению, большого количества видео на тему производства Flash и RAM найти не удалось, поэтому довольствоваться придётся лишь сборкой USB-Flash-накопителей:
P.S.: Ещё раз всех с наступающим Новым Годом чёрного водяного дракона.
Странно получается: статью про Flash хотел написать одной из первых, но судьба распорядилась иначе. Скрестив пальцы, будем надеяться, что последующие, как минимум 2, статьи (про биообъекты и дисплеи) увидят свет в начале 2012 года. А пока затравка — углеродный скотч:
Углеродный скотч, на котором были закреплены исследуемые образцы. Думаю, что и обычный скотч выглядит похожим образом
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:
Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.
В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»
Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)
Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)
