3. Технология Flash.

Флэш – это некий чип, на который можно записать информацию, энергонезависим, информация хранится n количество времени.

Флэш-карта – это некий кристалл, но который можно последовательно записать некоторое количество информации.

Флеш-память (англ. Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи).

Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных.

Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем.

В работе флэш-памяти содержится три операции: запись, чтение, стирание. Модули флэш-памяти имеют ограниченный срок службы.

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

Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков). Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

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

Основное слабое место флеш-памяти — количество циклов перезаписи. Ситуация ухудшается также в связи с тем, что ОС часто записывает данные в одно и то же место. Например, часто обновляется таблица файловой системы, так что первые сектора памяти израсходуют свой запас значительно раньше. Распределение нагрузки позволяет существенно продлить срок работы памяти.

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

Принцип действия

В основе NOR архитектуры флеш-памяти лежит ИЛИ НЕ элемент, потому что в транзисторе с плавающим затвором низкое напряжение на затворе обозначает единицу.

Транзистор имеет два затвора: управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут пребывать. Заряд на плавающем затворе изменяет "ширину" канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении.

Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы.

Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

В NOR архитектуре к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND архитектуры.

В основе NAND типа лежит И-НЕ элемент. Принцип работы такой же, от NOR типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND чипа может быть существенно меньше. Так же запись и стирание происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.

NAND и NOR архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных.

Флеш-память наиболее известна применением в USB флеш-носителях (англ. USB flash drive). В основном применяется NAND тип памяти, которая подключается через USB по интерфейсу USB mass storage device (USB MSC). Данный интерфейс поддерживается всеми ОС современных версий.

NOR тип памяти чаще применяется в BIOS и ROM-памяти устройств, таких как DSL модемы, маршрутизаторы и т. д. Флеш-память позволяет легко обновлять прошивку устройств, при этом скорость записи и объём для таких устройств не так важны.

Рассмотрим как устроен типовой USB FLASH DRIVE (далее UFD).

Как правило, он состоит из печатной платы небольшого размера, к которой припаян USB разъём. На печатной плате обычно находятся:

1. Контроллер, обеспечивающий связь между микросхемой NAND FLASH памяти и USB интерфейсом.

2.  Собственно сама FLASH-память. Она может выглядеть в виде одной или нескольких микросхем FLASH-памяти.

3. Индикатор активности UFD.

4. Переключатель защиты от записи.

5. Обвязки питания контроллера. В обвязку входят детали поддерживающие питание контроллера и микросхем FLASH-памяти.

Контроллеры, применяемые в UFD обычно изготавливаются несколькими довольно известными фирмами, и все остальные производители UFD их закупают. Таким образом, в отличие от НЖМД, UFD могут, в принципе, производиться в любом подвале. Однако тут стоит отметить, что для удешевления продукции подобные «подвальные» фирмы могут применять не качественную технологию пайки и дешёвые или отбракованные микросхемы FLASH-памяти. Соответственно качество таких изделий ниже,  чем у известных фирм.

Для компьютера UFD «выглядит» также,  как и НЖМД (Накопитель на жёстких магнитных дисках – жесткий диск), т.е. в виде одномерного массива секторов по 512 байт. У старых UFD каждый сектор микросхемы FLASH-памяти соответствовал одному и тому же логическому сектору в массиве секторов,  который видела операционная система как жёсткий диск. Однако выяснилось,  что ячейки FLASH-памяти имеют тенденцию изнашиваться и довольно быстро приходить в негодность. Причём в основном в тех местах, которые часто перезаписывались. Обычно, это область таблицы размещения файлов на диске. Для того, что бы микросхемы FLASH-памяти изнашивались равномерно, была придумана следующая схема. В UFD ввели транслятор, т.е. при последовательной записи несколько раз в один и тот же логический сектор  данные стали записываться  каждый раз в другую физическую ячейку в микросхеме FLASH-памяти. Установка соответствия логических секторов физическим обычно производится при помощи специальной таблицы трансляции.

Это увеличивает срок службы UFD, однако усложняет восстановление информации, поскольку приходится собирать сектора в правильную цепочку без помощи штатного контроллера UFD. Кроме того, в микросхеме FLASH-памяти записана ещё служебная информация,  отвечающая за то, как будет определяться UFD в операционной системе.