Флеш-память — Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана. Pci flash память что это – емкость флеш памяти

Что такое флеш-память? | Флеш-память (на англ. Flash Memory ) или флеш-накопитель - вид твердотельной полупроводниковой энергонезависимой и перезаписываемой памяти.

Данный вид памяти может быть прочитан большое количество раз в пределах срока хранения информации, обычно от 10 до 100 лет. Но производить запись в память можно лишь ограниченное число раз (обычно в районе миллиона циклов). В основном в мире распространена флеш память, выдерживающая около ста тысяч циклов перезаписи и это гораздо больше, чем способна выдержать обычная дискета или диск CD-RW.
В отличие от накопителей на жестких дисках (HDD), флеш-память не содержит подвижных механических частей, и поэтому считается более надёжным и компактным видом носителя информации.
Так, благодаря своей компактности, относительной дешевизне и очень низкому энергопотреблению, флеш-накопители широко применяется в цифровом портативном оборудовании – в видео- и фотокамерах, в диктофонах, в MP3-плеерах, в КПК, в мобильных телефонах, смартфонах и коммуникаторах. Более того, данный вид памяти применяется для хранения встроенного ПО в различном оборудовании (модемы, мини-АТС, сканеры, принтеры, маршрутизаторы).
В последнее время широкое распространение получили флеш-накопители с USB входом (обычно говорят «флешка», USB-диск), вытеснившие дискеты и CD-диски.
В наше время основным недостатком устройств на базе флеш-накопителей, является очень высокое соотношение цена-объём, намного превышающий в сравнении с жесткими дисками в 2–5 раз. Поэтому объёмы флеш-дисков не очень велики, но в этих направлениях ведутся работы. Удешевляя технологический процесс и под действием конкуренции, уже многие фирмы заявили о выпуске SSD-дисков объёмом 512 ГБ и более. Например, в феврале 2011 года компания OCZ Technology предложила PCI-Express SSD-накопитель ёмкостью 1,2 ТБ, и позоляющий производить 10 млн. циклов на запись.
Современные SSD-накопители разрабатываются на базе многоканальных контроллеров, обеспечивающих параллельное чтение или запись сразу из нескольких микропроцессоров флеш-памяти. В следствие этого уровень производительности увеличился во столько раз, что ограничивающим фактором стала пропускная способность интерфейса SATA II.

КАК РАБОТАЕТ ФЛЕШ-ПАМЯТЬ

Флеш-накопитель сохраняет данные в массиве состоящий из транзисторов с плавающим затвором, называемые ячейками (на англ. cell). В обычных устройствах с одноуровневыми ячейками (на англ. single-level cell), любая из них может "запомнить" только один бит данных. Но некоторые более новые чипы с многоуровневыми ячейками (на англ. multi-level cell или triple-level cell) могут "запомнить" больше одного бита. В последнем случае на плавающем затворе транзистора может используется разный электрический заряд.

NOR ФЛЕШ-ПАМЯТЬ (NOR FLASH MEMORY)

В основе данного типа флеш-памяти лежит алгоритм ИЛИ-НЕ (на англ. NOR), так как в транзисторе с плавающим затвором слишком малое напряжение на затворе обозначает единицу.
Данный тип транзистора состоит из двух затворов: плавающего и управляющего. Первый затвор полностью изолирован и имеет возможность удерживать электроны до десяти лет. Ячейка также состоит из стока и истока. При подаче напряжения на управляющий затвор образуется электрическое поле и возникает так называемый туннельный эффект. Большая часть электронов переносится (туннелирует) через слой изолятора и проникает на плавающий затвор. Заряд на плавающем затворе транзистора изменяет «ширину» сток-исток и проводимость канала, что используется при чтении.
Запись и чтение ячеек очень сильно различаются в энергопотреблении: так, флеш-накопители потребляют больше тока при записи, чем при чтении (потребляется очень мало энергии).
Для удаления (стирания) данных на управляющий затвор подаётся достаточно высокое отрицательное напряжение, что приводит к обратному эффекту (электроны с плавающего затвора с помощью туннельного эффекта переходят на исток).
В NOR-архитектуре существует необходимость подводить к каждому транзистору контакт, что сильно увеличивает размеры процессора. Эта проблема решается с помощью новой NAND-архитектуры.

NAND ФЛЕШ-ПАМЯТЬ (NAND FLASH MEMORY)

В основе NAND-архитектуры лежит И-НЕ алгоритм (на англ. NAND). Принцип работы аналогичен NOR-типу, и отличается только расположением ячеек и их контактов. Уже нет необходимости подводить контакт к каждой ячейке памяти, так что стоимость и размер NAND-процессора значительно меньше. За счет этой архитектуры, запись и стирание происходят заметно быстрее. Однако эта технология не позволяет обращаться к произвольной области или ячейке, как в NOR.
Для достижения максимальной плотности и емкости, флеш-накопитель, изготовленный по технологии NAND, использует элементы с минимальными размерами. Поэтому, в отличие от NOR-накопителя допускается наличие сбойных ячеек (которые блокируются и не должны быть использованы в дальнейшем), что заметно усложняет работу с такой флеш-памятью. Более того, сегменты памяти в NAND снабжаются функцией CRC для проверки их целостности.
В настоящее время NOR и NAND-архитектуры существуют параллельно и никак не конкурируют друг с другом, поскольку у них разная область применения. NOR используется для простого хранения данных малого объема, NAND - для хранения данных большого размера.

ИСТОРИЯ ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

Впервые флеш-память была изобретена в 1984 году инженером Фудзио Масуокой (Fujio Masuoka) работающего в то время в компании Toshiba. Название «flash» было придумано его коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми (Shoji Ariizumi), так как процесс стирания данных из памяти напомнил ему фотовспышку (на англ. flash). Фудзио представил свою разработку на Международном семинаре по электронным устройствам (International Electron Devices Meeting), в Сан-Франциско, в Калифорнии. Компанию Intel заинтересовало данное изобретение и через четыре года в 1988 году она выпустила первый коммерческий флеш-процессор NOR-типа.
NAND-архитектура флеш-памяти была анонсирована спустя год компанией Toshiba в 1989 году на Международной конференции построения твердотельных схем (International Solid-State Circuits Conference). У NAND-чипа была больше скорость записи и меньше площадь схемы.
В конце 2010 года, лидерами по производству флеш-накопителей являются Samsung (32% рынка) и Toshiba (17% рынка).
Стандартизацией процессоров флеш-памяти NAND-архитектуры занимается группа ONFI (NAND Flash Interface Working Group). Настоящим стандартом считается спецификация ONFI 1.0, выпущенная 28 декабря 2006 года. Стандартизацию ONFI при производстве NAND-процессоров поддерживают такие компании, как Samsung, Toshiba, Intel, Hynix и др.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

В настоящее время объём флеш-накопителей измеряется от килобайт до сотен гигабайт.

В 2005 году две компании Toshiba и SanDisk представили NAND-процессоры общим объёмом 1 Гб, использующие технологию многоуровневых ячеек (транзистор может хранить несколько бит данных, используя различный электрический заряд на плавающем затворе).

В сентябре 2006 года компания Samsung представила 4-гигабайтный чип, изготовленный по 40-нм технологическому процессу.

В конце 2007 года Samsung известила о создании первого в мире NAND-чипа, использующего технологию многоуровневых ячеек, выполненного уже по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью накопителя 8 Гб.

В декабре 2009 года, компания Toshiba заявила, что 64 Гб NAND-чип уже поставляется заказчикам и массовый выпуск начался в первом квартале 2010 года.

16 июня 2010 года Toshiba представила первый в истории 128 Гб процессор, состоящий из шестнадцати модулей по 8 Гб.
Для повышения объёма флеш-памяти, в устройствах часто применяется комплексный массив, состоящий из нескольких процессоров.

В апреле 2011 года компании Intel и Micron представили MLC NAND флэш-чип емкостью 8 Гбайт, произведенного по 20-нм технологическому процессу. Самый первый 20-нм NAND процессор имеет площадь 118 мм, что на 35-40% меньше, чем у доступных в настоящее время 25-нм чипов на 8 Гбайт. Серийное производство данного чипа начнется в конце 2011 года.

ВИДЫ И ТИПЫ КАРТ ПАМЯТИ И ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

CF (на англ. Compact Flash ): один из старейших стандартов типов памяти. Первая CF флеш-карта была произведена корпорацией SanDisk еще в 1994 году. Данный формат памяти очень распространён и в наше время. Чаще всего он применяется в профессиональном видео- и фото-оборудовании, так как ввиду своих больших размеров (43х36х3,3 мм) слот для Compact Flash физически проблематично установить в мобильные телефоны или MP3-плееры. Кроме того, ни одна карта не может похвастаться такими скоростями, объемами и надежностью. Максимальный объём Compact Flash уже достиг размера в 128 Гбайт, а скорость копирования данных увеличена до 120 Мбайт/с.

MMC (на англ. Multimedia Card ): карта в формате MMC имеет небольшой размер - 24х32х1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

RS-MMC (на англ. Reduced Size Multimedia Card ): карта памяти, которая вдвое меньше по длине стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24х18х1,4 мм, а вес - порядка 6 гр., все остальные характеристики и параметры не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер.

DV-RS-MMC (на англ. Dual Voltage Reduced Size Multimedia Card ): карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24х18х1,4 мм.

MMCmicro : миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14х12х1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать специальный переходник.

SD Card (на англ. Secure Digital Card ): поддерживается фирмами SanDisk, Panasonic и Toshiba. Стандарт SD является дальнейшим развитием стандарта MMC. По размерам и характеристикам карты SD очень похожи на MMC, только чуть толще (32х24х2,1 мм). Основное отличие от MMC - технология защиты авторских прав: карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи. Несмотря на родство стандартов, карты SD нельзя использовать в устройствах со слотом MMC.

SDHC (на англ. SD High Capacity , SD высокой ёмкости ): Старые карты SD (SD 1.0, SD 1.1) и новые SDHC (SD 2.0) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 4 Гб для SD и 32 Гб для SDHC. Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SD, то есть SD-карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SD карта SDHC не будет читаться вовсе. Оба варианта могут быть представлены в любом из трёх форматов физических размеров (стандартный, mini и micro).

miniSD (на англ. Mini Secure Digital Card ): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5х20х1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер.

microSD (на англ. Micro Secure Digital Card ): в 2011 году являются самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11х15х1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD. Максимальный объём карты microSDHC, выпущенной SanDisk в 2010 году, равен 32 Гб.

Memory Stick Duo : данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией Sony. Корпус достаточно прочный. На данный момент - это самая дорогая память из всех представленных. Memory Stick Duo был разработан на базе широко распространённого стандарта Memory Stick от той же Sony, отличается малыми размерами (20х31х1,6 мм).

Memory Stick Micro (M2) : данный формат является конкурентом формата microSD (по размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.

xD-Picture Card : карта используются в цифровых фотоаппаратах фирм Olympus, Fujifilm и некоторых других.

Возможно, многие обращали внимание при просмотре характеристик своего накопителя, что его емкость недотягивает до указанной производителем. Это касается не только емкости флешек, а всех цифровых носителей: жестких дисков и других в которых емкость измеряется Мегабайтами, Гигабайта и в последних устройствах Терабайтами.

В чем же здесь дело и не скрывается ли в этом обман? Так сложилось, что производители накопителей, в общем, то как и производители другой продукции хотят продать «конфетку» с красивой надписью (емкость) за меньшие деньги. Что бы победить в конкурентной борьбе. Но емкость которая указана на накопителе правдивая, но с одной стороны.

Так почему же у флешки емкостью 2 Гб реально только 1,86 Гб, а у 4 Гб только 3,72 Гб.

Ответ на этот вопрос следует из основ компьютерной техники, а именно: 1 килобайт содержит 1024 байта и так далее с мегабайтами, гигабайтами…

реальная емкость (http://www.ixbt.com/storage/flashdrives/svodka/size.shtml) незначительно отличается.

В итоге сделав простой расчет: 4 000 000 0000/1024/1024/1024 = 3,72; мы получаем цифру 3,72 Гб.

Для накопителей большей емкости абсолютное отклонение будет больше. Например, для жесткого диска емкость 1 Терабайт реальная емкость составит 931 Гб.

Кроме того полезная емкость накопителя зависит от выбранной файловой системы: FAT16, FAT32, NTFS. Носитель, отформатированный в разных системах будет иметь разную полезную емкость. Это связано с тем, что при форматировании диска на него записывается системная информация о нем и она, для разных ФС разная.

Ну и последнее. Есть такой феномен как китайская флешка: это когда в системный раздел флешки небольшой емкости умышленно вносится информация о том, что ее емкость большая. Например, из 1 Гб можно сделать 32 Гб. На практике если эту флешку вставить в компьютер он покажет, что ее емкость 32 Гб. Когда пользователь запишет на нее данные в объеме большем ее реального, копирование завершится без ошибок. Но вот прочитать с такого носителя данные удастся в количестве соизмеримом с реальным объемом т.е. не более 1 Гб для нашего примера.

Флэш-память относится к классу EEPROM, но использует особую технологию построения запоминающих ячеек. Стирание во флэш-памяти производится сразу для целой области ячеек (блоками или полностью всей микросхемы). Это позволило существенно повысить производительность в режиме записи (программирования). Флэш-память обладает сочетанием высокой плотности упаковки (ее ячейки на 30% меньше ячеек DRAM), энергонезависимого хранения, электрического стирания и записи, низкого потребления, высокой надежности и невысокой стоимости…Это репрограммируемые ЗУ.

Подобно ОЗУ, флэш-память модифицируется электрически внутрисистемно , но подобно ПЗУ, флэш энергонезависима и хранит данные даже после отключения питания. Однако, в отличие от ОЗУ, флэш нельзя переписывать побайтно . Флэш-память читается и записывается байт за байтом и предъявляет новое требование: ее нужно стереть перед тем, как записывать новые данные .

Флэш-память — это полупроводниковая память, причем особого типа . Ее элементарная ячейка , в которой хранится один бит информации, представляет собой не конденсатор, а полевой транзистор со специальной электрически изолированной областью, которую называют "плавающим затвором". Электрический заряд, помещенный в эту область, способен сохраняться в течение многих лет. При записи одного бита данных ячейка заряжается — заряд помещается на плавающий затвор, при стирании — заряд снимается с плавающего затвора и ячейка разряжается.

Выделяют среди таких устройств схемы со специализированными блоками (несимметричные блочные структуры). По имени так называемых Boot блоков в которых информация надежно защищена от случайного стирания, ЗУ называются Boot Block Flash Memory .

Флэш-память типа Boot Block служит для хранения обновляемых программ и данных в самых разных системах, включая сотовые телефоны, модемы, BIOS, системы управления автомобильными двигателями и многое другое. Используя флэш-память вместо EEPROM для хранения параметрических данных, разработчики добиваются снижения стоимости и повышения надежности своих систем.

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.

Память с последовательным доступом Используются, где данные могут быть выстроены в очередь.

Флэш-память с адресным доступом . Хранение редко изменяемых данных. Запись и стирание осу­ществляет процессор выч устр-ва в обычном рабочем режиме. Для этого Флэш-память имеет дополнительное управление словами-командами, записывае­мыми процессором в специальный регистр микросхемы. При подаче специального напряжения программирования схема обеспечивает запись и стирание информации. Перед программировани­ем процессор считывает из микросхемы код — идентификатор, содержащий код фирмы-изготовителя и микросхемы для согласования алгоритмов стирания и записи, автоматически.

Стираются все байты памя­ти или выбранного блока, после чего все они проверяются, выполняется повторное стирание и проверка.

Программирование памяти ведется байт за байтом, записанная информация проверяется. Процессор счи­тывает из ЗУ записанный байт и сравнивает его с исходным.

Один из блоков предназначен для хранения ПО BIOS и аппаратно защищен от случайного стирания.

Принцип работы и устройство флеш-памяти

В ЗУ есть также блоки парамет­ров и главные блоки, не защищенные от случайного стирания. Главные блоки хранят основные управляющие программы, а бло­ки параметров — относительно часто меняемые параметры систе­мы.

Файловая Флэш-память применяется для замены твердых дис­ков. Сокращает потребляемую мощность, повышает надежность ЗУ, уменьшает их размеры и вес, повышает быстродействие при чтении данных. Программа может читаться процессором непосредственно из файловой Флэш-памяти, туда же записываются и результаты.

На основе файловой Флэш-памяти создаются компактные съемные внешние ЗУ.

ЗЭ – МНОП.

2 пороговых напр-ия. Uпор1 – имеет маленькую величину, 1-2 В. При подаче Uпор инициируется канал м/д стоком-истоком. Если м/д нитридом и двуокисью кремния есть заряды, то Uпор увеличилось до 7В.

Запись (программирование) флеш-памяти – процесс замены 1 на 0. Стирание – замена 0 на 1.

3.Архитектура РС. Процессоры ЭВМ. Структура процессоров и их основные характеристики. Системные шины и их характеристики. Локальные шины. Чипсеты.
Архитектура – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

Структура – это совокупность элементов и их связей.

ЭВМ – это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

Архитектура ЭВМ — это общее описание структуры и функций ЭВМ на уровне, достаточном для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ, не включающее деталей технического и физического устройства компьютера.

К архитектуре относятся следующие принципы построения ЭВМ:

1. структура памяти ЭВМ;
2. способы доступа к памяти и внешним устройствам;
3. возможность изменения конфигурации;
4. система команд;
5. форматы данных;
6. организация интерфейса.

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе . Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название — системная магистраль).

Шина — это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников — шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой — шине адреса — адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали — шина управления , по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др).

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины . Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.
Системные шины

Переда­ча информации между МП и осталь­ными элементами. Осуществляется также адресация устройств и обмен специальными служебными сигналами. Передачей информации по шине управляет одно из подключенных к ней устройств или специально выделенный для этого узел, называемый ар­битром шины.

Шина ISA (Industry Standard Architecture) есть 36-контактный разъем для плат расширения. За счет этого количество адресных линий – 4, а данных – 8. Можно передавать параллельно 16 разрядов данных, а благодаря 24 адресным линиям напрямую обращаться к 16 МБ сист памяти. Кол-во линий аппаратных прерываний — 15.

Шина EISA (Extended ISA). обеспечивает наи­больший возможный объем адресуемой памяти, 32-разрядную передачу данных, улучшенную систему прерываний, автоматическую конфи­гурацию системы и плат расширения. В EISA-разъем на системной плате компьютера совместим с ISA. Шина EISA позволяет адресовать 4Гб адресного про­ст-ва. Теор максимальная скорость 33 Мбайт/с. Шина тактируется частотой около 8-10 МГц.

Локальные шины предназначены для увеличения быстродействия компа, позволяя периферийным устройствам (видеоадаптеры, контроллеры накопителей) работать с тактовой частотой до 33 МГц и выще. Используется разъем типа MCA.

Шины PCI . Между локальной шиной процессора и самой PCI находится специальная согласующая м\схема

В соответствии со спецификацией PCI к шине могут подклю­чаться до 10 устройств. Шина PCI работает на фиксированной тактовой часто­те 33 МГц и предусматривает напряжение питания для контрол­леров как 5, так и 3,3 В, режим plug and play.

Шина PCI-X – высокопроизводительная PCI. является синхронной, т.е. все данные обрабатываются одновременно при поступлении управляющего сигнала. Разрядность шины 32-бита. При частоте 33 МГц теоретическая пропускная способность 132 МБ/с.

Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождаетсяадресом , передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, словами разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины.

схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу

Чипсет — от англ. "chip set" — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦПУ, ввода-вывода и других. Чипсеты встречаются и в других устройствах, например, в радиоблоках сотовых телефонов.

Чипсет материнских плат компьютеров состоит из двух основных микросхем (иногда они объединяются в один чип):

1. MCH - контроллер-концентратор памяти (Memory Controller Hub) - северный мост (northbridge) - обеспечивает взаимодействие центрального процессора (ЦП) с памятью и видеоадаптером. В новых чипсетах часто имеется интегрированная видеоподсистема.

   Контроллер памяти может быть интегрирован в процессор (например Opteron, Nehalem, UltraSPARC T1).

2. ICH - контроллер-концентратор ввода-вывода (I/O Controller Hub) - южный мост (southbridge) - обеспечивает взаимодействие между ЦП и жестким диском, картами PCI, интерфейсами IDE, SATA, USB и пр.

Также иногда к чипсетам относят микросхему Super I/O, которая подключается к южному мосту и отвечает за низкоскоростные порты RS232, LPT, PS/2.

В настоящее время основными производителями чипсетов для настольных компьютеров являются фирмы Intel, nVidia, AMD (которая приобрела фирму ATI и в настоящее время выпускает чипсеты под своим именем), VIA и SIS .

Фирма Intel выпускает чипсеты только для собственных процессоров. Для процессоров фирмы AMD наиболее распространенными являются чипсеты nVidia (выпускаемые как правило под торговой маркой nForce ) и AMD.

Чипсеты фирм VIA и SIS популярны в основном в секторе low end, а также в офисных системах, хотя встроенная графика у них по 3D возможностям значительно уступает nVidia и AMD.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Дата публикования: 2015-10-09; Прочитано: 262 | Нарушение авторского права страницы

Studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.004 с)…

Сравнение производительности различных типов серверных накопителей (HDD, SSD, SATA DOM, eUSB)

В этой статье мы рассмотрим современные модели серверных накопителей с точки зрения производительности и оптимальных областей применения.

На данный момент в серверах в основном используются устройства хранения данных двух типов — жесткие магнитные диски (HDD, hard disk drive) и твердотельные накопители (SSD, solid-state drive). Кроме того, используются также и такие устройства, как eUSB Flash Module и SATA DOM. Рассмотрим все эти типы более подробно.

Современные жесткие магнитные диски могут использовать один из двух интерфейсов — SATA (Serial Advanced Technology Attachment) и SAS (Serial Attached SCSI). Текущая версия интерфейса SATA обеспечивает пропускную способность 6 Гбит/с. Диски с этим интерфейсом преимущественно используются в сегменте настольных персональных компьютеров, но могут применяться и в серверах. В серверном сегменте такие диски имеют скорость вращения шпинделя 7’200 об/мин. В нашем тестировании из дисков этого типа будут принимать участие модели Seagate Constellation.2 ST91000640NS (SATA 7’200, 2.5″) и Seagate Constellation ES ST1000NM0011 (SATA 7’200, 3.5″).

Более надежный и производительный дисковый SAS-интерфейс предназначен для серверных решений и рабочих станций. Он также имеет пропускную способность до 6 Гбит/с, но уже в режиме полного дуплекса (Full Duplex), что означает возможность одновременной передачи данных в обеих направлениях со скоростью 6 Гбит/c. Диски с этим интерфейсом имеют больший показатель MTBF (Mean Time Between Failures, среднее время наработки на отказ). Более того, интерфейс SAS, в отличие от SATA, использует другой набор команд с поддержкой большей глубины очереди запросов (64 против 32, чем больше глубина очереди, тем лучше оптимизация очередности выполнения запросов) и двухпортовое подключение для возможного обеспечения отказоустойчивости. Важной особенностью SAS является более адаптированное подключение дисков с интерфейсом SAS к различным бэкплэйнам, корзинам, экспандерам, RAID и HBA контроллерам, системам хранения данных и другим устройствам как по внутренним, так и по внешним портам. В настоящее время в серверах применяются SAS-диски со скоростью вращения шпинделя 7’200, 10’000 и 15’000 об/мин.

Скорость 7’200 об/мин. поначалу была нетипична для серверного сегмента, однако производители жестких дисков в какой-то момент решили выпускать диски со скоростью вращения 7’200 об/мин не только с интерфейсом SATA, но и с интерфейсом SAS. В своей «механической» части эти диски совершенно одинаковы, они отличаются только способом подключения. Этот шаг повысил ценовую доступность SAS-дисков и предоставил серверному сегменту диски SAS большего объема. Основная область применения таких дисков — малобюджетные рабочие станции и сервера начального уровня. Тестируемые диски этого типа — Seagate Constellation.2 ST91000640NS (SAS 7’200, 2.5″) и Seagate Constellation ES.3 ST1000NM0023 (SAS 7’200, 3.5″).

SAS-диски со скоростью вращения шпинделя 10’000 об/мин — хорошее решение для мощных рабочих станций и недорогих серверных решений корпоративного класса. Тестируемый диск — Seagate Savvio 10K5 ST9900805SS (SAS 10000 2.5″).

SAS-диски со скоростью вращения шпинделя 15.000 об/мин — лучший выбор для серверов корпоративного сектора, центров обработки данных (ЦОД) и систем хранения данных (СХД). Тестируемый диск — Seagate Cheetah 15K7 ST3300657SS (SAS 15000 3.5″).

Производительность вышеперечисленных дисков на операциях последовательного и случайного чтения/записи приведена на следующей диаграмме.

При одинаковых скорости вращения шпинделя и физическом размере пластин диски SAS быстрее дисков SATA, что объясняется большей линейной плотностью данных у дисков SAS по сравнению с дисками SATA.

С другой стороны, диск SAS 7’200, 3.5” и SAS 10’000, 2.5” показывают практически одинаковые результаты. Это объясняется тем, что преимущество в скорости вращения компенсируется меньшим физическим размером пластин диска 2.5”, в результате чего при одинаковой линейной плотности данных линейная скорость головок относительно пластин примерно одинакова.

В тесте на случайное чтение, который измеряет количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS), результаты дисков 2.5” 7’200 об/мин лучше, чем у дисков форм-фактора 3.5” той же скорости, поскольку у «маленьких» дисков время перемещения головки к нужному сектору меньше. Диски SAS здесь показывают опять более высокий результат по сравнению с дисками SATA, теперь уже за счет лучшей оптимизации очередности выполнения случайных запросов благодаря поддержке большей глубины очереди (64 у SAS против 32 у SATA). Преимущество дисков SAS 10’000 и 15’000 об/мин обеспечивается не только высокой скоростью вращения шпинделя, но и тем, что они имеют более совершенный механизм позиционирования головок с меньшим временем доступа.

На операциях случайной записи SAS диски имеют такое же преимущество перед дисками SATA, как и на операциях чтения.

Твердотельные накопители, использующие энергонезависимую память NAND-Flash, обладают в сотни раз большей скоростью чтения и записи на случайных операциях, чем жесткие диски, поскольку в твердотельных накопителях не нужно перемещать магнитную головку. Кроме того, у SSD меньше энергопотребление и отсутствует шум при работе. Но у них есть и недостатки, а именно: высокая стоимость и сравнительно с HDD относительно маленький объем. В сегменте настольных ПК такие накопители используются совместно с HDD по схеме, когда на SSD устанавливаются операционная система и самые необходимые программы, а на HDD хранятся все остальные данные. Такой подход заметно повышает скорость работы компьютера, не сильно увеличивая его стоимость. Для тестирования мы выбрали накопитель Intel 520 Series 240GB. Данный накопитель рекомендован для использования в настольных компьютерах, ноутбуках и рабочих станциях.

В серверном сегменте ситуация с SSD значительно отличается. Размещать значительные по объему массивы данных на SSD довольно дорого. Зато их с успехом можно использовать для кэширования, когда SSD-кэш используется для размещения «горячих» данных, то есть данных, обращение к которым происходит наиболее часто. Это даёт огромный прирост в производительности дисковой подсистемы сервера, особенно на операциях случайного доступа. Тестируемый серверный SSD-накопитель — Intel DC S3700 100GB.

При последовательном чтении десктопный и серверный накопители показывают почти одинаковые результаты, а вот при последовательной записи серверный тип SSD заметно проигрывает. Это связано с тем, что в серверном накопителе используется память, которая допускает на порядок большее число циклов перезаписи, однако сами операции записи выполняются медленнее.

На операциях случайной записи отставание тоже значительно, но это вызвано необходимостью обеспечения гораздо большего ресурса на запись для серверных накопителей.

Накопители eUSB, как и SSD-накопители, тоже используют для хранения данных Flash-модули, но они устанавливаются непосредственно в USB-разъем на серверной системной плате. Такие накопители имеют ряд функциональных и других ограничений, обусловленных как раз использованием в качестве интерфейса порта USB. C такого накопителя не работает загрузка полноценной версии ОС Windows, а скорость интерфейса (480 Мбит/с) значительно ниже, чем у SATA (6 Гбит/с). Наиболее оптимальной областью их применения в серверах является использование в качестве загрузчика операционной системы небольшого размера, например, гипервизора VMware ESXi.

В тонких клиентах такие накопители используются для хранения образа операционной системы Windows Embedded. Тестируемый накопитель — eUSB Transcend 4GB.

Накопители SATA DOM более функциональны, чем eUSB-накопители. Подключаются они так же, как и SSD-накопители, к разъему SATA, но при этом «выглядят» более похожими ни USB-накопитель, нежели на жесткий диск.

Устройство и принцип работы флеш-накопителя

Устанавливаются они непосредственно в разъемы SATA на материнской плате компьютера или сервера. Удобно, когда такой разъем имеет встроенное питание, иначе его приходится обеспечивать через дополнительный кабель. Учитывая, что эти накопители подключаются к стандартным SATA разъёмам, BIOS материнской платы работает с ними как с обычными накопителями HDD или SSD, что делает возможным установку на SATA DOM полноценной загрузочной версии операционной системы Windows. В сервере это освобождает место в корзине дисковой подсистемы, позволяя использовать его для диска RAID-массива. К тому же накопитель SATA DOM находится внутри серверной платформы, что исключает случайное изъятие диска с установленной ОС. Применять такие накопители можно в десктопном и серверном сегментах, а также в тонких клиентах, устанавливая любую операционную систему или гипервизор для виртуализации. Тестируемый накопитель — SATA DOM Innodisk 8 GB.

Результаты тестирования накопителей eUSB-Flash и SATA DOM соответствуют производительности их интерфейсов. По спецификации USB 2.0 регламентирована скорость 25 — 480 Мбит/с, а для SATA 3.0 — 6’000 Мбит/с, что уже склоняет выбор в пользу устройств с интерфейсом SATA. На графике мы видим превосходство в 2,5 раза при операциях последовательного чтении и записи SATA DOM Innodisk над eUSB-Flash.

В тесте операций случайного чтения ситуация не меняется, SATA DOM также лидирует. Случайная запись у обоих накопителей одинаково на очень низком уровне, но для этих операций они и не предназначены.

Данные производительности лучших представителей каждого типа накопителей из нашего тестирования приведены на следующих диаграммах. Явным лидером себя показывает твердотельный накопитель от Intel.

Мы надеемся, что наша статья поможет определиться с выбором того или иного накопителя. А выбрать действительно есть из чего. Очень большое количество разнообразных накопителей предлагается производителями, но для достижения наилучших результатов нужно правильно планировать свои потребности и ожидания от подсистем хранения данных.

Измерения для HDD и SSD проводились на одном и том же контроллере Intel RS25DB080. Тестирование выполнялось при помощи программы IOmeter со следующими параметрами: кэш-память контроллера и дисков отключена, глубина очереди команд — 256, параметр Strip Size — 256KB, размер блока данных — 256KB для последовательных операций и 4KB для случайных операций. Скорость последовательных операций измерялась в MB/s, случайных — в IOPS (количество операций ввода/вывода в секунду).

Инженер отдела серверного оборудования Андрей Леонтьев
03.06.13

Тайваньская компания Mach Xtreme Technology, специализирующаяся на высокопроизводительных комплектующих для компьютеров и плотно занимающаяся производством твердотельных накопителей, начала розничные продажи перспективного решения для хранения данных, получившего наименование PCIe SSD MX-EXPRESS.

Флэш-память. Прошлое, настоящее и будущее

Новинка имеет низкопрофильное исполнение, характеризуется следующими габаритными размерами: 152.5 x 19 x 69 мм, весом — 125 грамм, подключается к компьютеру через слот PCI-Express 2.0 x2, использует пока не названный двойной контроллер и доступна в четырех вариантах исполнения с точки зрения объема: 128 Гб, 256 Гб, 512 Гб и 1 Тб.

Накопитель имеют поддержку сертификатов ROHS, CE и FCC, для установки в систему не требует каких-либо драйверов. Скорость передачи данных различается, в зависимости от ёмкости дисков. Так, для 512-Гб и 1-Тб решений скорость последовательного чтения составляет 850 Мб/с, а записи — 800 Мб/с, уровень производительности находится в районе 100 000 IOPS, а время доступа — 0.1 мс.

Диски серии MX-Express имеют огромный срок службы — 2.5 миллиона часов, могут работать при температуре окружающей среды от нуля до 70 градусов по Цельсию, поддерживают TRIM, DuraClass, DuraWrite, RAISE и Garbage Collector. Кроме того в комплекте с новинкой идёт низкопрофильная PCI заглушка.

128-Гб модель обойдется всем желающим по 309.90 евро, 256-Гб — 379.90 евро, 512-Гб — 669.90 евро и 1 Тб — 1449.90 евро. Гарантия качества производителя на устройства составляет 2 года.

Флешкой называют устройство, предназначенное для переноса и хранения информации - текстовых документов, картинок, фото, музыки, видео. Она имеет небольшой размер и подключается к компьютеру через специальное отверстие - USB-разъем («ю-эс-би разъем»).

А само устройство правильно называется USB-флеш-накопитель .

Но это на серьезном, «компьютерном» языке. А среди обычных пользователей - просто флешка.

Как правило, она имеет маленький колпачок, который защищает ее видимую «рабочую» часть (основной «мозг» скрыт внутри корпуса).

Колпачок может и отсутствовать: тогда металлический разъем «задвигается» внутрь корпуса с помощью специального ползунка.

Добавить что-то еще к описанию внешнего вида устройства сложно, тем более что сегодня оно может иметь самые разные размеры и формы. Модными считаются флешки оригинальной формы - от игрушечного утенка до вполне реального с виду карманного ножика.

Интересный дизайн позволяет носить их и в качестве украшения - например, как брелок для ключей.

Стоит кое-что сказать и о содержании устройства, а не только о его форме. Вот, например, почему у такой маленькой полезной штучки такое сложное имя - USB-флеш-накопитель?

Со словом «накопитель», вроде, все понятно: задача устройства - запоминать (накапливать) информацию. О понятии USB мы тоже уже кое-что сказали: это способ подключения устройства, а, значит, и путь передачи сохраненной информации с компьютера на флешку и наоборот.

А вот со словом «флеш» надо разобраться. В переводе с английского оно значит «вспышка».

Флеш-память - это очень важное и очень популярное понятие в мире высоких технологий. Главное преимущество этого вида памяти - энергонезависимость. Это значит, что все записанное сохраняется даже после отключения. Кроме того, информация, записанная на флеш-память, может храниться десятки лет и перезаписываться тысячи раз.

Известный Вам CD или DVD-диск - это тоже накопитель информации. Однако флешка обладает целым рядом преимуществ, благодаря которым она потихоньку вытесняет из обихода неудобные диски (как когда-то эти самые диски вытеснили дискеты).

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.

Недостатки

• Срок «жизни» флешки 5-10 лет, то есть число записей и удалений ограничено. При этом скорость записи снижается со временем.
• Чувствительность к электростатическому разряду. Повреждение электрическим током может привести к «перегоранию» без возможности восстановления. Но это, скорее, вопрос исправности розеток в доме или в офисе и правильности сборки отдельных частей компьютера.
• Намокание тоже может быть губительно. Но, как правило, только в тех случаях, если была попытка подключить еще мокрое устройство. Если же случайно попавшую под дождь флешку оставить на несколько суток для просыхания, то, скорее всего, она будет работать исправно.
• Еще некоторые пользователи жалуются на то, что маленький колпачок от флешки постоянно теряется. Но этот момент, конечно, трудно отнести к серьезным недостаткам. В конце концов, сегодня есть много вариантов и без отдельных деталей.

Карта памяти (flash-карта)

Карта памяти (или флеш-карта) - это устройство для накопления и хранения информации. Используется она в основном в портативной цифровой технике. Предусмотрена в большинстве моделей современных телефонов и фотоаппаратов.

Бывают они разных физических размеров - от 32 до 15 миллиметров.

Для самых маленьких флеш-карт есть специальные переходники (адаптеры). Благодаря им можно вставлять такие устройства в обычные разъемы для больших карт.

Еще карты памяти отличаются скоростью записи и чтения (воспроизведения записанного), объемом памяти и некоторыми дополнительными характеристиками. Так, некоторые из них имеют ограничение на чтение, запись и удаление информации. Это так называемые карты с защищенной памятью.

Как открыть флеш-карту на компьютере

Часто данные с карты памяти - фотографии, видео или музыку - требуется перенести на компьютер для сохранения, обработки или просто удобства просмотра (или прослушивания) материала. Есть два способа сделать это.

Первый, наиболее простой - через специальный кабель (шнур) , соединяющий портативное устройство и компьютер через разъем USB.

Такой кабель чаще всего поставляется в комплекте с устройством. Да и купить его отдельно не проблема. Стоит он дешево, удобен в использовании, места занимает мало. Главное - правильно его подобрать.

Второй вариант переноса данных с карты памяти на компьютер - через подключение самой карты . Для этого нужно извлечь ее из устройства и подключить к компьютеру.

В современных ноутбуках есть специальное отверстие для флеш-карт. Если на Вашем компьютере такой разъем отсутствует, не огорчайтесь. Сейчас можно приобрести специальное устройство - кардридер (card reader).

Это устройство, предназначенное для чтения разных флеш-карт. Его можно назвать посредником между вашим компьютером и картой памяти. В специальное отверстие в кардридере вставляется карта, и он подключается к компьютеру через USB-разъем.

Стоит кардридер совсем недорого, зато оказывает очень ценную помощь тем, кто часто работает с флеш-картами.

Флеш память

История

Флеш-память была открыта Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в Toshiba в 1984 году. Имя «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Шойи Ариизуми (Shoji Ariizumi), потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку на IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния. Intel увидела большой потенциал в изобретении и в 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR типа.

Характеристики

Скорость некоторых устройств с флеш-памятью может доходить до 100 Мб/с. В основном флеш-карты имеют большой разброс скоростей и обычно маркируются в скоростях стандартного CD-привода (150 Кб/с). Так указанная скорость в 100x означает 100 × 150 Кб/с = 15 000 Кб/с= 14.65 Мб/с.

В основном объём чипа флеш-памяти измеряется от килобайт до нескольких гигабайт.

В основном объём чипа флеш-памяти измеряется от килобайт до нескольких гигабайт.

В 2005 году Toshiba и SanDisk представили NAND чипы объёмом 1 Гб, выполненных по технологии многоуровневых ячеек, где один транзистор может хранить несколько бит, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе.

Компания Samsung в сентябре 2006 года представила 8 Гб чип, выполненный по 40-нм технологическому процессу. В конце 2007 года Samsung сообщила о создании первого в мире MLC (multi-level cell) чипа флеш-памяти типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу. Ёмкость чипа также составляет 8 Гб. Ожидается, что в массовое производство чипы памяти поступят в 2009 году.

Для увеличения объёма в устройствах часто применяется массив из нескольких чипов. В основном на середину 2007 года USB устройства и карты памяти имеют объём от 512 Мб до 15 Гб. Самый большой объём USB устройств составляет 128 Гб.

NAND тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference. У него была больше скорость записи и меньше площадь чипа.

Стандартизацией чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0, выпущенная в 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается крупнейшими производителями NAND чипов: Intel, Micron Technology и Sony .

Принцип работы

максимальные возможные объёмы данных для кристаллов, использующих однобитные (SLC) или двухбитные (MLC)

Элементарной ячейка хранения данных флэш-памяти представляет из себя транзистор с плавающим затвором. Особенность такого транзистора в том, что он умеет удерживать электроны (заряд). Вот на его основе и разработаны основные типы флэш-памяти NAND и NOR. Конкуренции между ними нет, потому что каждый из типов обладает своим преимуществом и недостатком. Кстати, на их основе строят гибридные версии такие как DiNOR и superAND. Во флэш-памяти производители используют два типа ячеек памяти MLC и SLC . .

• Флэш-память с MLC (Multi-level cell - многоуровневые ячейки памяти)ячейки более емкие и дешевые, но они с большим временем доступа и меньшим количеством циклов записи/стирания (около 10000).
• Флэш-память, которая содержит в себе SLC (Single-level cell - одноуровневые ячейки памяти) ячейки имеет максимальное количество циклов записи/стирания(100000) и обладают меньшим временем доступа. Изменение заряда (запись/стирание) выполняется приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.

Принцип работы флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области ("карман") полупроводниковой структуры. Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения. Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек.

NOR и NAND

Компоновка шести ячеек NOR flash

Структура одного столбца NAND flash с 8 ячейками

Флеш память различается методом соединения ячеек в массив.

Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов - ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке.

Конструкция NAND - трёхмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется. Также в каждой линии установлено два МОП-транзистора. Управляющий транзистор разрядной линии (англ. bit line select transistor), расположенный между столбцом ячеек и разрядной линией. И управляющий транзистор заземления, расположенный перед землёй (англ. ground select transistor).

Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика. Наоборот, NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу к большой группе ячеек. Соответственно, различается область применения: NOR используется как непосредственная память программ микропроцессоров и для хранения небольших вспомогательных данных.

Названия NOR и NAND произошли от ассоциации схемы включения ячеек в массив со схемотехникой микросхем КМОП-логики.

NAND чаще всего применяется для USB флеш накопителей, карт памяти, SSD. NOR в свою очередь во встраиваемых системах.

Существовали и другие варианты объединения ячеек в массив, но они не прижились.

NOR

NOR Флеш память

Архитектура NOR получила название благодаря логической операции ИЛИ - НЕ (в переводе с английского NOR). Принцип логической операции NOR заключается в том, что она над несколькими операндами (данные, аргумент операции...) дает единичное значение, когда все операнды равны нулю, и нулевое значение во всех остальных операциях. В нашем случае под операндами подразумевается значение ячеек памяти, а значит в данной архитектуре единичное значение на битовой линии будет наблюдается только в том случае, когда значение всех ячеек, которые подключены к битовой линии, будут равны нулю (все транзисторы закрыты). В этой архитектуре хорошо организован произвольный доступ к памяти, но процесс записи и стирания данных выполняется относительно медленно. В процессе записи и стирания применяется метод инжекции горячих электронов. Ко всему прочему микросхема флеш-памяти с архитектурой NOR и размер ее ячейки получается большим, поэтому эта память плохо масштабируется.Флеш-память с архитектурой NOR как правило используют в устройствах для хранения программного кода. Это могут быть телефоны, КПК, BIOS системных плат... Применение NOR-флеши, устройства энергонезависимой памяти относительно небольшого объёма, требующие быстрого доступа по случайным адресам и с гарантией отсутствия сбойных элементов:

• Встраиваемая память программ однокристальных микроконтроллеров. Типовые объёмы - от 1 кбайта до 1 Мбайта.
• Стандартные микросхемы ПЗУ произвольного доступа для работы вместе с микропроцессором.
• Специализированные микросхемы начальной загрузки компьютеров (POST и BIOS), процессоров ЦОС и программируемой логики. Типовые объёмы - единицы и десятки мегабайт.
• Микросхемы хранения среднего размера данных, например, DataFlash. Обычно снабжаются интерфейсом SPI и упаковываются в миниатюрные корпуса. Типовые объёмы - от сотен кбайт до технологического максимума.

Максимальное значение объёмов микросхем NOR - до 256 Мбайт.

NAND

NAND Флеш память

Данный тип памяти был разработан компанией Toshiba. Эти микросхемы благодаря своей архитектуре применяют в маленьких накопителях, которые получили имя NAND (логическая операция И-НЕ). При выполнении операция NAND дает значение нуль только, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех других случаях. Как было написано ранее, нулевое значение это открытое состояние транзистора. В следствии этого в архитектуре NAND подразумевается, что битовая линия имеет нулевое значение в том случае, когда все подключенные к ней транзисторы открыты, и значение один, когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Такую архитектуру можно построить, если подсоединить транзисторы с битовой линией не по одному (так построено в архитектуре NOR) , а последовательными сериями (столбец из последовательно включенных ячеек).

Данная архитектура по сравнению с NOR хорошо масштабируется потому, что разрешает компактно разместить транзисторы на схеме. Кроме этого архитектура NAND производит запись путем туннелирования Фаулера - Нордхейма, а это разрешает реализовать быструю запись нежели в структуре NOR. Чтобы увеличить скорость чтения, в микросхемы NAND встраивают внутренний кэш. Как и кластеры жесткого диска так и ячейки NAND группируются в небольшие блоки. По этой причине при последовательном чтении или записи преимущество в скорости будет у NAND. Но с другой стороны NAND сильно проигрывает в операции с произвольным доступом и не имеет возможности работать на прямую с байтами информации. В ситуации когда нужно изменить всего несколько бит, система вынуждена переписывать весь блок, а это если учитывать ограниченное число циклов записи, ведет к большому износу ячеек памяти.В последнее время ходят слухи о том, что компания Unity Semiconductor разрабатывает флэш-память нового поколения, которая будет построена на технологии CMOx. Предполагается, что новая память придет на смену флеш-памяти типа NAND и преодолеет ее ограничения, которые в памяти NAND обусловлены архитектурой транзисторных структур. К преимуществам CMOx относят более высокую плотность и скорость записи, а также более привлекательную стоимость. В числе областей применения новой памяти значатся SSD и мобильные устройства. Ну, что же правда это или нет покажет время.

Запись

Для записи заряды должны попасть в плавающий затвор, однако он изолирован слоем оксида. Для перенесения зарядов может использоваться эффект туннелирования. Для разряда необходимо подать большой положительный заряд на управляющий затвор: отрицательный заряд с помощью туннельного эффекта покинет плавающий затвор. И наоборот, для заряда плавающего затвора необходимо подать большой отрицательный заряд.

Также запись может быть реализована с помощью инжекции горячих носителей. При протекании тока между истоком и стоком повышенного напряжения электроны могут преодолевать слой оксида и оставаться в плавающем затворе. При этом необходимо, чтобы на управляющем затворе присутствовал положительный заряд, который создавал бы потенциал для инжекции.

В MLC для записи разных значений используются разные напряжения и время подачи.

Каждая запись наносит небольшой ущерб оксидному слою, поэтому число записей ограничено.

Запись в NOR и NAND компоновке состоит из двух стадий: вначале все транзисторы в линии устанавливаются в 1 (отсутствие заряда), затем нужные ячейки устанавливаются в 0.

На первой стадии очистка ячеек происходит с помощью туннельного эффекта: на все управляющие затворы подаётся сильное напряжение. Для установки конкретной ячейки в 0 используется инжекция горячих носителей. На разрядную линию подаётся большое напряжение. Вторым важным условием этого эффекта является наличие положительных зарядов на управляющем затворе. Положительное напряжение подаётся лишь на некоторые транзисторы, на остальные транзисторы подаётся отрицательное напряжение. Таким образом ноль записывается только в интересующие нас ячейки.

• NAND

Первая стадия в NAND аналогична NOR. Для установки нуля в ячейку используется туннельный эффект, в отличие от NOR. На интересующие нас управляющие затворы подаётся большое отрицательное напряжение.

Технологическое масштабирование

Из-за своей высокорегулярной структуры и высокого спроса на большие объёмы техпроцесс при изготовлении флеш-памяти NAND уменьшается более быстро, чем для менее регулярной DRAM -памяти и почти нерегулярной логики (ASIC). Высокая конкуренция между несколькими ведущими производителями лишь ускоряет этот процесс. В варианте закона Мура для логических микросхем удвоение количества транзисторов на единицу площади происходит за три года, тогда как NAND-флеш показывала удвоение за два года. В 2012 году 19 нм техпроцесс был освоен совместным предприятием Toshiba и SanDisk. В ноябре 2012 года Samsung также начала производство по техпроцессу 19 нм (активно используя в маркетинговых материалах фразу «10нм-класс», обозначавшую какой-то процесс из диапазона 10-19 нм).

ITRS или компании	2010	2011	2012	2013	2014	2015*	2016*
ITRS Flash Roadmap 2011	32 нм	22 нм	20 нм	18 нм	16 нм
ITRS Flash Roadmap 2013					17 нм	15 нм	14 нм
Samsung	35-32 нм	27 нм	21 нм (MLC, TLC)	19 nm	19-16 нм V-NAND (24L)	12 нм V-NAND (32L)	12 нм
Micron, Intel	34-25 нм	25 нм	20 нм (MLC + HKMG)	20 нм (TLC)	16 нм	12 нм 3D-NAND	3D-NAND Gen2
Toshiba, Sandisk	43-32 нм	24 нм	19 нм (MLC, TLC)	A-19 нм	15 нм	3D NAND BiCS	3D NAND BiCS
SK Hynix	46-35 нм	26 нм	20 нм (MLC)	20 нм	16 нм	3D V1	12 нм

Уменьшение техпроцесса позволяло быстро наращивать объёмы чипов памяти NAND-флеш. В 2000 году флеш-память по технологии 180 нм имела объём данных в 512 Мбит на кристалл, в 2005 - 2 Гбит при 90 нм. Затем произошёл переход на MLC, и в 2008 чипы имели объём 8 Гбит (65 нм). На 2010 год около 35 %-25 % чипов имели размер 16 Гбит, 55 % - 32 Гбит. В 2012-2014 годах в новых продуктах широко использовались кристаллы объёмом 64 Гбит, и начиналось внедрение 128 Гбит модулей (10 % на начало 2014 года), изготовленных по техпроцессам 24-19 нм.

По мере уменьшения техпроцесса и его приближению к физическим пределам текущих технологий изготовления, в частности, фотолитографии, дальнейшее увеличение плотности данных может быть обеспечено переходом на большее количество бит в ячейке (например, переход с 2-битной MLC на 3-битную TLC), заменой FG-технологии ячеек на CTF технологию или переходом на трёхмерную компоновку ячеек на пластине (3D NAND, V-NAND; однако при этом увеличивается шаг техпроцесса). Например, приблизительно в 2011-2012 годах всеми производителями были внедрены воздушные промежутки между управляющими линиями, позволившие продолжить масштабирование далее 24-26 нм, а Samsung с 2013-2014 года начала массовый выпуск 24- и 32-слойной 3D NAND на базе CTF технологии, в том числе, в варианте с 3-х битными (TLC) ячейками. Проявляющееся с уменьшением техпроцесса уменьшение износостойкости (ресурса стираний), а также увеличение темпа битовых ошибок потребовало применение более сложных механизмов коррекции ошибок и снижения гарантированных объёмов записи и гарантийных сроков. Однако, несмотря на принимаемые меры, вероятно, что возможности дальнейшего масштабирования NAND-памяти будут экономически не оправданы или физически невозможны. Исследуется множество возможных замен технологии флеш-памяти, в частности, FeRAM, MRAM, PMC, PCM, ReRAM и т. п.

3D NAND

Схемотехника NAND оказалась удобна для построения вертикальной компоновки блока ячеек на кристалле. На кристалл послойно напыляют проводящие и изолирующие слои, которые образуют проводники затворов и сами затворы. Затем в этих слоях формируют множество отверстий на всю глубину слоев. На стенки отверстий наносят структуру полевых транзисторов - изоляторы и плавающие затворы. Таким образом формируют столбец кольцеобразных полевых транзисторов с плавающими затворами.

Такая вертикальная структура оказалась очень удачна и обеспечила качественный рывок плотности флеш-памяти. Некоторые компании продвигают технологию под своими торговыми марками, например V-NAND, BiCS. На 2016 год количество слоев топовых изделий достигло 64-х. .

Срок хранения данных

Изоляция кармана неидеальна, заряд постепенно изменяется. Срок хранения заряда, заявляемый большинством производителей для бытовых изделий, не превышает 10-20 лет, хотя гарантия на носители даётся не более чем на 5 лет. При этом память MLC имеет меньшие сроки, чем SLC.

Специфические внешние условия, например, повышенные температуры или радиационное облучение (гамма-радиация и частицы высоких энергий), могут катастрофически сократить срок хранения данных.

У современных микросхем NAND при чтении возможно повреждение данных на соседних страницах в пределах блока. Осуществление большого числа (сотни тысяч и более) операций чтения без перезаписи может ускорить возникновение ошибки.

По данным Dell, длительность хранения данных на SSD, отключенных от питания, сильно зависит от количества прошедших циклов перезаписи (P/E) и от типа флеш-памяти и в худших случаях может составлять 3-6 месяцев.

Иерархическая структура

Стирание, запись и чтение флеш-памяти всегда происходит относительно крупными блоками разного размера, при этом размер блока стирания всегда больше, чем блок записи, а размер блока записи не меньше, чем размер блока чтения. Собственно это - характерный отличительный признак флеш-памяти по отношению к классической памяти EEPROM .

Как следствие - все микросхемы флеш-памяти имеют ярко выраженную иерархическую структуру. Память разбивается на блоки, блоки состоят из секторов, секторы из страниц. В зависимости от назначения конкретной микросхемы глубина иерархии и размер элементов может меняться.

Например, NAND-микросхема может иметь размер стираемого блока в сотни кбайт, размер страницы записи и чтения - 4 кбайт. Для NOR-микросхем размер стираемого блока варьируется от единиц до сотен кбайт, размер сектора записи - до сотен байт, страницы чтения - единицы-десятки байт.

На сегодня производители выпускают накопители на флэш-памяти нескольких типов: это карты Compact Flash , SmartMedia , MultiMedia Card , SecureDigital Card , Memory Stick и USB -ключи.

ATA Flash . Первыми накопителями на флэш-памяти, появившимися рынке, были карты ATA Flash . Эти накопители изготавливаются в виде стандартных карт PC Card . Помимо микросхем флэш-памяти в них устанавливается АТА-контроллер, и при работе они эмулируют обычный IDE -диск. Интерфейс этих карт параллельный. Карты ATA Flash не получили широкого распространения и в настоящее время используются крайне редко.

Compact Flash . Карты Compact Flash (CF ) были предложены компанией SanDisk в качестве более компактной и удобной в работе альтернативы картам ATA Flash . Поэтому разработчики стандарта CF предусмотрели возможность работы этих карт как устройств PC Card или как IDE -устройств. В первом случае карты работают как обычные PC Card устройства и их интерфейс «превращается» в шину PC Card . Во втором - как жесткие IDE -диски и их интерфейс работает как АТА-шина.

Карты CF впервые появились в 1994 г. Все карты этого типа имеют 50-контактный параллельный интерфейс. Кстати, существуют карты CF двух типов - Туре I и Туре II . Карты типа Туре II на два миллиметра толще и появились только потому, что раньше корпуса карт Туре I не позволяли разместить внутри флэш-память большого объема для изготовления вместительных носителей CF . В настоящее время такой необходимости нет и карты Туре II постепенно уходят с рынка. Отметим, что в накопители для карт Туре II можно устанавливать карты Туре I , тогда как обратное невозможно.

Среди флэш-карт бесспорным лидером по производительности была CF -карта Transcend Ultra Performance 25 x CompactFlash 256 Мбайт, которую можно по праву считать эталоном скорострельности современных флэш-накопителей. Скорость последовательной/случайной записи у этой флэш-карты достигает 3.6/0.8 Мбайт/с, скорость чтения - 4,0/3,7 Мбайт/с.

Скорость работы CF -карт замедляется с увеличением объема, что хорошо видно на примере флэш-карт 512 Мбайт. Двукратный рост емкости приводит к снижению производительности на 30%. за исключением скорости случайной записи, которая выросла в 2.5 раза, - это выглядит довольно странно и неожиданно.

Скоростные характеристики CF -карт так же сильно зависят от производителя. У Kingston CompactFlash 256 Мбайт - низкая скорость записи (последовательная/случайная запись - 1.4/0.3 Мбайт/с), но по скорости чтения она была лидером (4.4/3,8 Мбайт/с). Карта PQI Hi - Speed Compact Flash 256 Мбайт продемонстрировала среднюю производительность в обоих случаях: запись - 2.1/0.7 Мбайт/с, чтение - 3.8/3,3 Мбайт/с. Карты SanDisk CompactFlash 256 Мбайт и SanDisk CompactFlash 512 Мбайт работали очень медленно: запись - 1,1/0,2 и 0,9/0,5 Мбайт/с, чтение - 2,3/2,1 и 1,8/1,7 Мбайт/с. А карта 256 Мбайт записывала и считывала данные одинаково хорошо.

Если сравнивать CF -карты с накопителями других типов, то окажется, что флэш-память - совсем на такая медленная, как это принято считать! По производительности самые быстрые образцы флэш-памяти (в качестве эталона возьмем карту Transcend Ultra Performance 25х CompactFlash 256 Мбайт) сравнимы с Iomega Zip 750 Мбайт, а по скорости последовательной записи даже обгоняют этот накопитель более чем в 1,5 раза! По скорости последовательной записи флэш-память обгоняет диски CD - RW в 2 раза, по скорости последовательного чтения - на 10%! Флэш-память выигрывает у МО-дисков по скорости последовательной записи - в 2 раза - и случайного чтения - на 10%, однако отстает по скорости последовательного чтения и случайной записи - на 20%. Флэш-память отстает по скорости последовательной записи от DVD -дисков (при «прожигании» в режиме 4х) - в 1,4 раза.

Отметим, что если CF -карта используется в цифровой фотокамере, то для нее в первую очередь важна скорость последовательной записи - чем она выше, тем быстрее фотокамера вернется в рабочее состояние после «захвата» кадра и «сброса» его на флэш-карту. Впрочем, скорость чтения CF -карты в этом случае тоже важна, правда, не так критична - чем быстрее считываются данные, тем быстрее будет работать фотокамера в режиме просмотра отснятого материала.

SmartMedia . Конструкция карт SmartMedia (SM ) чрезвычайно проста. В карте SM нет встроенного контроллера интерфейса и по сути - это одна или две микросхемы флэш-памяти, «упакованные» в пластиковый кожух. Стандарт SM был разработан компаниями Toshiba и Samsung в 1995 г. Интерфейс карт SM - параллельный, 22-контактный, но из них для передачи данных используется только восемь линий.

MultiMedia Card . Карты Multi - Media Card (MMC ) имеют 7-контактный последовательный интерфейс, который может работать на частоте до 20 МГц. Внутри пластикового корпуса карты размещается микросхема флэш-памяти и контроллер ММС-интерфейса. Стандарт ММС предложен в 1997 г. компаниями Hitachi , SanDisk и Siemens .

SecureDigital Card . SecureDigi - tal Card (SD ) - самый молодой стандарт флэш-карт: он был разработан в 2000 г. компаниями Matsushita , SanDisk и Toshiba . Фактически SD - это дальнейшее развитие стандарта ММС, поэтому карты ММС можно устанавливать в накопители SD (обратное будет неверным). Интерфейс SD - 9-контактный, последовательно-параллельный (данные могут передаваться по одной, двум или четырем линиям одновременно), работает на частоте до 25 МГц. Карты SD оснащаются пе реключателем для защиты их содержимого от записи (стандартом также предусмотрена модификация без такого переключателя).

USB -флэш-память. USB -флэш-память (USB -память) - совершенно новый тип носителей на флэш-памяти, появившийся на рынке в 2001 г. По форме USB -память напоминает брелок продолговатой формы, состоящий из двух половинок - защитного колпачка и собственно накопителя с USB -разъемом (внутри него размещаются одна или две микросхемы флэш-памяти и USB -контроллер).

Работать с USB -памятью очень удобно - для этого не требуется никаких дополнительных устройств. Достаточно иметь под рукой ПК под управлением Windows с незанятым USB -портом, чтобы за пару минут «добраться» до содержимого этого накопителя. В худшем случае вам придется установить драйверы USB -памяти, в лучшем - новое USB -уст-ройство и логический диск появятся в системе автоматически. Возможно, что в будущем USB -память станет основным типом устройств для хранения и переноса небольших объемов данных.

Что же касается USB -флэш-памяти, то это, несомненно, более удобное решение для переноса данных, чем флэш-карты, - не требуется дополнительный флэш-накопитель. Однако производительность протестированных накопителей этого типа - Transcend JetFlash 256 Мбайт и Transcend JetFlashA 256 Мбайт - ограничивалась низкой пропускной способностью интерфейса USB 1.1. поэтому их показатели в тестах на скорость работы были довольно скромными. Если USB -флэш-память оснастить быстрым интерфейсом USB 2.0, то по «скорострельности» эти накопители, конечно, не уступят лучшим флэш-картам.

Интересно отметить, что по скорости последовательной записи флэш-память превосходит Iomega Zip 750, диски CD - RW и МО-носители и уступает только DVD -дискам. Это лишний раз подчеркивает, что разработчики флэш-памяти в первую очередь стремились увеличить скорость последовательной записи, поскольку флэш-память изначально предназначена для использования в цифровых фотокамерах, где прежде всего важен этот показатель.

В итоге можно заключить, что флэш-память - бесспорный лидер по надежности, мобильности и энергопотреблению среди накопителей небольшой и средней емкости, обладающий к тому же неплохим быстродействием и достаточным объемом (на сегодня на рынке уже доступны флэш-карты емкостью до 2 Гбайт). Несомненно, это очень перспективный тип, однако их широкое использование пока сдерживается высокими ценами.