Принципы работы Flash-памяти
ОГЛАВЛЕНИЕ
Однако ученые и изобретатели постоянно ищут возможности сохранения все больших объемов информации и думают над тем, как можно расширить уже имеющиеся хранилища данных в существующих цифровых устройствах. Что касается настольных систем, то тут все понятно: жесткие диски становятся объемистее, а количество микросхем оперативной памяти, втискиваемых в корпус компьютера, постепенно стремится к бесконечности. Труднее обстоит дело с наладонными устройствами. В данном случае габариты имеют не последнее значение, так что подцепить, к примеру, к цифровому фотоаппарату винчестер не так-то просто (хотя видеокамеры со встроенным жестким диском уже выпускаются серийно). Приходится довольствоваться твердотельными устройствами хранения данных на основе микросхем flash-памяти, которые, впрочем, по объемам вполне могут сравниться с жесткими дисками 5-7-летней давности.
И не ОЗУ, и не ПЗУ
flash-память ведет свою родословную от постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) компьютера, но при этом может работать как оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Для тех, кто подзабыл, наверное, стоит напомнить, в чем же собственно состоит разница между ПЗУ и ОЗУ. Так вот, главное преимущество постоянного запоминающего устройства – возможность хранить данные даже при отключении питания компьютера (от того-то в термине и присутствует слово “постоянное”). Правда, чтобы записать информацию в недра микросхемы flash-памяти, требуется специальный программатор, а сами данные записываются один раз и навсегда – возможности перезаписи данных в “классическом” ПЗУ нет (еще говорят, что микросхема “прожигается”, что в общем-то верно отражает физическую суть записи в ПЗУ). Что касается оперативной памяти, ОЗУ то есть, то этот тип накопителя данных, наоборот, не в состоянии хранить информацию при отключении питания, зато позволяет мгновенно записывать и считывать данные в процессе текущей работы компьютера. Flash-микросхема объединяет в себе качества обоих типов памяти: она позволяет сравнительно быстро записывать и считывать данные, да еще плюс к тому “не забывает” записанное после выключения питания. Именно эта способность к “долговременной памяти” и позволяет использовать flash-микросхемы в качестве альтернативы дискетам, компакт-дискам и жестким дискам, то есть устройствам хранения данных, которые могут годами, если не столетиями, сохранять информацию без какого-либо изменения и без всяких потерь.
Появилась же flash-память благодаря усилиям японских ученых. В 1984 г. компания Toshiba объявила о создании нового типа запоминающих устройств, а годом позже начала производство микросхем емкостью 256 Кbit. Правда, событие это, вероятно в силу малой востребованности в то время подобной памяти, не всколыхнуло мировую общественность. Второе рождение flash-микросхем произошло уже под брэндом Intel в 1988 г., когда мировой гигант радиоэлектронной промышленности разработал собственный вариант flash-памяти. Однако в течение почти целого десятилетия новинка оставалась вещью, широко известной лишь в узких кругах инженеров-компьютерщиков. И только появление малогабаритных цифровых устройств, требовавших для своей работы значительных объемов памяти, стало началом роста популярности flash-устройств. Начиная с 1997 г. flash-накопители стали использоваться в цифровых фотоаппаратах, потом “ареал обитания” твердотельной памяти с возможностью хранения и многократной перезаписи данных стал охватывать MP3-плейеры, наладонные компьютеры, цифровые видеокамеры и прочие миниатюрные “игрушки” для взрослых любителей цифрового мира.
Такое странное слово flash
Кстати сказать, как до сих пор идут споры о том, какой же все-таки год, 1984 или 1988-й, нужно считать временем появления “настоящей” flash-памяти, точно так же споры вызывает и происхождение самого термина flash, применяемого для обозначения этого класса устройств. Если обратиться к толковому словарю, то выяснится многозначность слова flash. Оно может обозначать короткий кадр фильма, вспышку, мелькание или отжиг стекла.
Согласно основной версии, термин flash появился в лабораториях компании Toshiba как характеристика скорости стирания и записи микросхемы флэш-памяти “in a flash”, то есть в мгновение ока. С другой стороны, причиной появления термина может быть слово, используемое для обозначения процесса “прожигания” памяти ПЗУ, который достался новинке в наследство от предшественников. В английском языке “засвечивание” или “прожигание” микросхемы постоянного запоминающего устройства обозначается словом flashing.
По третьей версии слово flash отражает особенность процесса записи данных в микросхемах этого типа. Дело в том, что, в отличие от прежнего ПЗУ, запись и стирание данных во flash-памяти производится блоками-кадрами, а термин flash как раз и имеет в качестве одного из значений – короткий кадр фильма.
Хорошее против плохого
Однако от филолого-исторических исследований пора переходить к некоторым техническим подробностям flash-устройств. Как и все в нашем несовершенном мире, flash-память обладает как преимуществами, так и недостатками. Если говорить кратко, то все плюсы и минусы flash-устройств можно свести к нижеследующим двум перечням.
Преимущества flash-памяти:
- Для хранения данных не требуется дополнительной энергии, то есть flash-память является энергонезависимым устройством.
- Энергия, правда, требуется для записи данных, совсем без затрат тут не обойтись, в конце концов, вечный двигатель, как известно, создать невозможно. Зато по сравнению с компакт-дисками или дискетами затраты энергии при работе с flash-устройством минимальны. Поэтому flash-память является очень экономной с точки зрения энергозатрат. Как подтверждение – при записи данных на flash-микросхему требуется в 10-20 раз меньше энергии, чем при аналогичных действиях с компакт-диском или дискетой.
- Flash-микросхема позволяет многократно (но, увы, не бесконечно…) перезаписывать данные. То есть flash-память – перезаписываемое устройство хранения данных.
- Накопитель на основе flash-микросхемы не содержит в себе никаких движущихся механических узлов и устройств, поскольку это твердотельная память. А раз так, то flash-устройства отличаются устойчивостью к механическим воздействиям: нет механики – нечему и ломаться. К примеру, flash-накопитель способен выдержать удары в 10-20 раз более сильные, чем те, что просто “убили” бы компьютерный винчестер. Причем не только выдержать, но и работать в условиях тряски и довольно-таки жесткого “избиения”.
- Компактность – еще одно преимущество накопителей на flash-памяти, которое и предопределило использование flash-устройств в разнообразных малогабаритных
- гаджетах и “ручных” устройствах.
- Наконец, информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (порядка 10, а по некоторым данным, и до 100 лет). То есть flash-микросхема является устройством для долговременного хранения данных.
Теперь оборотная сторона медали, то есть недостатки flash-памяти:
- Для начала главный потребительский недостаток – flash-память стоит дороже, чем дискеты, компакт-диски и компьютерные винчестеры.
- Flash-память работает существенно медленнее, чем оперативная память на основе микросхем SRAM и DRAM. И даже по сравнению с жестким диском flash-накопитель является аутсайдером. К примеру, средняя скорость считывания данных с flash-накопителя составляет 5 Mb/s, а записи – 3 Mb/s.
В то же время жесткий диск может обмениваться данными со скоростью около 30 Mb/s. - Наконец, еще один серьезнейший недостаток, который уже упоминался выше – flash-память имеет ограничение по количеству циклов перезаписи. Предел колеблется от 10 000 до 1 000 000 циклов для разных типов микросхем. И хотя миллион операций записи/стирания – это совсем немало, однако наличие физического предела использования микросхемы памяти можно считать серьезным недостатком flash-устройств.
Форматы flash-памяти
И все же, несмотря на некоторые недостатки, flash-память находит все более широкое применение в цифровых устройствах. Причем косвенным подтверждением широты применения и популярности flash-накопителей может служить разнообразие стандартов flash-накопителей, существующее на сегодняшний день. Хотя, с точки зрения пользователя, разнобой стандартов – существенный недостаток. Ведь как, например, обстоит дело с компакт-дисками: пришел покупатель в магазин, купил болванку для записи компьютерного диска и не переживает о ее совместимости с установленным в вычислительной системе CD-рекордером. C flash-накопителем такой номер не пройдет. Дело в том, что устройства различныхпроизводителей ориентированы на использование различных flash-накопителей, которые отнюдь не совместимы друг с другом. Вот и получается, что счастливому обладателю цифровой камеры, цифрового фотоаппарата и наладонного компьютера приходится приобретать три разные карты, хотя, по большому счету, можно было бы обойтись и одной. Что касается стандартов, то основными на сегодняшний день являются: PC-Card, Compact Flash, Memory Stick, Smart Media, Multimedia Card, SD Card, xD-Picture Card.
PC-Card (или на прежний манер PCMCIA – Personal Computer Memory Card International Association) – самый старый стандарт карт памяти, построенных на базе flash-устройств. Собственно и сам PCMCIA-слот когда-то создавался специально для обеспечения возможности подключения к компьютеру внешнего накопителя. Первый вариант стандарта появился в 1991 г. Всего существует 3 разновидности PCMCIA-устройств: Type I, II и III. Соответственно, и PC-Card выпускаются в трех различных форм-факторах, причем все три близки по своим габаритам к размерам пластиковой банковской карты, а отличаются лишь толщиной – самым “худым” является устройство Type I (толщина – 3,3 мм), а самым “упитанным” – PCMCIA-карта Type III (толщина – 10,5 мм).
Стандарт PC-card обеспечивает полную физическую и электрическую совместимость карт Type I, II и III сверху вниз. То есть в слот Type III можно вставить карты Type II и Type I, а вот наоборот не получится – размеры не позволяют. Большим удобством PCMCIA-устройств является и то, что благодаря “древности” этого вида накопителей, драйверы для работы с PC-Card по умолчанию устанавливаются при инсталляции MS Windows. Благодаря АТА-контроллеру, устройство работает в режиме эмуляции обычного жесткого диска, и операционная система “видит” карту flash-памяти стандарта PC-Card как обычный сменный накопитель. Правда, в настольную систему для работы с внешним PCMCIA-накопителем придется устанавливать специальный “картоприемник”. Такой считыватель карт подключается на старых машинах через PCI-слот, что не очень удобно. В более современных системах кард-ридер-адаптер подключается к USB-разъему – и это гораздо удобнее. Зато PCMCIA-разъемом по умолчанию оборудуются многие ноутбуки.
И все же, несмотря на то что PC-Card является надежной и хорошо отработанной технологией, популярность накопителей этого формата падает. Причина в немалых (по современным меркам, конечно) габаритах
PC-Card. В настоящее время PCMCIA-накопители применяются в ноутбуках и некоторых профессиональных моделях цифровых фотоаппаратов (вроде Nikon D3). Со специальным переходником PC-Card могут работать и с компьютерами семейства Pocket PC и Handheld PC, но это уже вчерашний день, поскольку flash-накопители более современных стандартов могут подключаться к указанным устройствам и без переходников, обозначаемых иногда термином jacket. Flash-карты стандарта Compact Flash впервые были представлены публике в 1994 г. компанией SanDisk, а в 1995 г. начала свою деятельность Compact Flash Association (CFA), которая занялась продвижением нового стандарта в жизнь. Учредителями ассоциации выступили такие столпы радиоэлектронной промышленности, как Hewlett Packard, Hitachi, IBM, Motorola, Canon, Eastman Kodak Company, SanDisk, Seiko Epson и ряд других компаний. Сейчас число членов CFA приближается к двум сотням, а карточки Compact Flash являются, очевидно, самым распространенным и недорогим типом сменной flash-памяти. На сегодня карты этого стандарта используются в фото- и видеотехнике Canon, Nikon, Minolta, Olympus, Pentax, Ricoh, Kodak, Agfa, Jenoptic, Casio и многих других изделиях менее известных производителей.
Основная задача, которая ставилась при разработке стандарта: сохранив преимущества карт с интерфейсом АТА (PC-Card), существенно уменьшить их размеры. И задача эта была успешно решена. Можно говорить о том, что именно с Compact Flash устройств началась эра портативных цифровых устройств, многие из которых и по сей день обладают слотами для подключения карт Compact Flash. Стандарт включает 2 типоразмера – Type I и II. Различия, как и в случае с PCMCIA-устройствами, в толщине карточек. В форм-факторе CF Type I выпускаются карты flash-памяти, а в форм-факторе CF Type II – разнообразная периферия для цифровой техники (модемы, миниатюрные винчестеры, приемники системы спутникового позиционирования GPS и так далее).
В карты CompactFlash встроен контроллер, который берет на себя функции по управлению flash-устройством, что не требует размещения дополнительных микросхем в самом портативном цифровом устройстве и упрощает конструкцию слота. Благодаря такому решению добавление CF-слота почти не сказывается на стоимости гаджета. Кстати, существуют и специальные переходники Compact Flash – PC-Сard, которые позволяют использовать карты Compact Flash в устройствах, оборудованных PCMCIA-разъемами.
Что касается энергопотребления, то, в соответствии со стандартом, существуют карты Compact Flash, рассчитанные на напряжение питание 5 В и 3,3 В. При этом CF-слот в состоянии корректно поддерживать устройства обоих типов, однако 5-вольтовые карты являются устаревшими и проигрывают своим низковольтным собратьям в энергосбережении, что важно для малогабаритных цифровых устройств.
Отдельного упоминания заслуживают устройства, продвигаемые под маркой Compact Flash IBM Microdrive (стандарт Compact Flash II). В отличие от своих собратьев, построенных на основе flash-микросхем, изделие IBM является самым настоящим микровинчестером, размещенным в стандартном корпусе устройства Compact Flash II. Несомненный плюс – большой объем накопителя, а безусловный минус – как и обычный винчестер, такая “память” боится тряски и ударов. Memory Stick – формат flash-карт памяти, разработанный в 1998 г. компанией Sony, которой принадлежат и все права на этот стандарт. Соответственно, карты памяти Memory Stick применяются в первую очередь в карманных компьютерах, MP3-плейерах, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах производства именно этой японской компании. Продвигая свою продукцию, Sony неизменно отмечает малые габариты собственного детища и наличие особого переключателя, предотвращающего случайное стирание хранящейся на карте информации. Стандартные Memory Stick представляют собой 10-контактные карты с последовательным интерфейсом, очертаниями напоминающие пластинку жевательной резинки. Sony продвигает 3 типа карт: Memory Stick, Memory Stick Magic Gate (MG) и Memory Stick Duo.
Memory Stick Magic Gate (MG) – это карты с внедренной технологией защиты авторских прав MagicGate. Правда, насколько подобное нужно пользователям, как правило, приобретающим цифровые устройства для удовлетворения собственных нужд – не совсем понятно. Внешне карточки отличаются цветом: обычные карточки голубые, а Magic Gate – белые.
Что касается карт с приставкой Duo, то они отличаются меньшими размерами (1/3 от стандартной длины) и весом, а также могут иметь модификацию MG. Однако для использования карточек Duo в устройствах стандарта Memory Stick необходим специальный адаптер. На это надо обращать внимание при покупке карты памяти, например, для цифровой видеокамеры или фотоаппарата Sony. В остальном каких-то серьезных преимуществ перед другими стандартами карты Memory Stick не имеют, подчеркивая разве что оригинальность Sony, которая не стала пользоваться готовыми решениями и создала свой стандарт.
Стандарт SmartMedia является торговым наименованием устройств, обозначаемых так же, как SSFDC – Solid State Floppy Disk Card. То есть, говоря по-русски, SSFDC – это “твердотельная дискета”. Карточки указанного стандарта имеют габариты 37x45x0.76 мм и весят 2 г. При этом максимальный теоретический объем памяти карточки SmartMedia, определяемый спецификацией стандарта, составляет 8 Gb.
Стандарт был разработан в 1995 г. компанией Toshiba, а его продвижением занимается организация SSFDC Forum, в рядах которой немало известных компаний: кроме самой Toshiba, еще Fuji, Matsushita, Phison Electronics Corp и другие. В отличие от Compact Flash, в картах SmartMedia (SM) отсутствует встроенный контроллер, что, по замыслу создателей, должно снижать их стоимость (логично предположить, что пропорционально этому увеличивается стоимость устройств, способных работать с картами SmartMedia). Кстати, из-за отсутствия контроллера в самой карте для работы со SmartMedia невозможно применять пассивные переходники, а считыватели карт обойдутся покупателю по цене от $30 до $50.
Рабочие напряжения у SmartMedia такие же, как и у Compact Flash, то есть 5 В и 3,3 В. При этом следует обратить внимание на особенность: в отличие от Compact Flash, оборудование, предназначенное для работы со SmartMedia, не всегда может работать с картами обоих типов. Поэтому, чтобы сделать различие между картами наглядным, у SmartMedia-накопителей, работающих при напряжении 5 В, срезан левый верхний уголок, а у их “коллег”, функционирующих при напряжении питания 3,3 В, отсутствует правый верхний уголок. Правда “пожиратели энергии” на 5 В сейчас уже не выпускаются. До недавнего времени максимальная емкость карт составляла 128 Мb, однако на сегодняшний день в продаже уже есть устройства объемом в 256 Мb (в частности, изделия SanDisk и Viking).
Что касается практики применения, то SmartMedia-карты используются, как правило, в цифровых камерах и МРЗ–плейерах, редко встречаясь в прочих цифровых гаджетах. При этом надо помнить, что новые модули большой емкости не всегда могут быть установлены в старые модели цифровых устройств. Причина в том, что контроллер, управляющий работой карты, размещен “на борту” самого устройства, а не в корпусе карты, соответственно, поскольку на момент выпуска, например, фотоаппарата не существовало SM-карт емкостью 128 Мb, то и работать с такими “гигантами” контроллер не может. Это является серьезным недостатком устройств SmartMedia. Теперь о стандарте MultiMediaСard (ММС). Эти карты получили широкое распространение в качестве внешних устройств памяти именно для наладонных компьютеров и смартфонов. Впрочем, и цифровые фотоаппараты, и MP3-плейеры, и игровые устройства, и ноутбуки, и прочие цифровые устройства также являются потенциальными активными потребителями этого продукта. Продвигает стандарт MMC Association, в состав которой входят Hewlett Packard, Renesas Technology, Infineon Technologies Flash, Lexar Media, Micron Technology, Nokia Mobile Phones, Power Digital Card, Samsung Electronics, Sanyo Electric и прочие производители цифровой техники. Причем многие из них являются одновременно и членами Compact Flash Association… Сам стандарт впервые был представлен публике в ноябре 1997 г. и явился результатом совместных усилий SanDisk Corporation и Siemens AG/Infineon Technologies AG.MMC-карта по ширине примерно вдвое меньше, чем накопитель CompactFlash, а габаритами близка к крупной почтовой марке (24х32х1,4 мм) с семью контактными площадками на нижней стороне корпуса. При этом, в отличие от CompactFlash, карты стандарта MMC снабжены защитой от случайного стирания записанной на них информации: на корпусе имеется механический переключатель блокировки записи (как у 3,5-дюймовых флоппи-дискет). В структуру MMC-карты, так же как и у CompactFlash, включен контроллер, управляющий работой карты, что упрощает работу с ней и обеспечивает ее совместимость со многими устройствами.
Вес карточек MMC составляет всего 1,5 г, поэтому их особенно охотно используют производители карманных компьютеров и сотовых телефонов. Еще одно преимущество ММС-карт перед “одноклассниками” – сниженное энергопотребление, что достигается за счет уменьшения питающего напряжения до 3,3 или 2,7 В. Да и объемом MMC-карты тоже могут похвастаться – сейчас серийно производятся устройства емкостью в 1 Gb.
Модификацией формата MultiMediaCard являются карты Secure Digital Card или SD-Card. Инициатива создания “безопасных” карт исходила от компаний Matsushita Electronic (торговая марка Panasonic), SanDisk и Toshiba. Новые карты были призваны решить две задачи: учесть веяния времени, связанные с защитой авторской информации – это во-первых. И во-вторых, увеличить доступный пользователям объем памяти.
Карты SD чуть толще карт MMC (на 0,7 мм) и отличаются двумя дополнительными контактами (9 контактов у SD против 7 у MMC). За счет модификации стандарта предельная теоретическая емкость карт возросла до 2 Gb, увеличилась также и скорость обмена данными. При этом “классические” MMC-карты полностью совместимы с устройствами, способными работать с SD-картами, а вот обратная совместимость наблюдается отнюдь не всегда, что нужно учитывать при покупке новомодных SD-карт. Кстати, в стандарте MMC- и SD-карт выпускаются не только внешние накопители, но и разного рода “примочки”, вроде GPS-приемников или FM-тюнеров, подключаемых к наладонным компьютерам через SD-разъем. Ну а возможность защиты авторских прав позволила продавцам выпустить в продажу книги и песни на SD-носителях.
И наконец, одним из самых последних внедренных в жизнь стандартов flash-устройств стал xD-Picture Card, о котором мир узнал 30 июля 2002 г., когда компании Olympus и FujiFilm объявили о выпуске миниатюрных карт flash–памяти нового формата. Префикс xD расшифровывается как extreme digital, и, по мнению компаний-разработчиков, должен подчеркнуть использование этого носителя для хранения аудио- и видеоданных. В Olympus и FujiFilm полагают, что носитель нового формата должен прийти на смену устаревшим картам SmartMedia.
При этом одной из причин создания новинки была названа тенденция к уменьшению размеров цифровых фотокамер. Габариты xD-Picture Card действительно очень невелики (20x25x1,7 мм), а теоретически достижимая емкость носителя составляет 8 Gb. Правда, первая линейка xD-Picture включала карты емкостью 16, 32, 64 и 128 Мb. К концу 2002 г. появилась 256-мегабайтная версия xD-Picture, а позже и 512-мегабайтная.
В соответствии со спецификациями стандарта максимальная скорость чтения данных с карт xD–Picture составляет 5 Мb/s, скорость записи – 3 Mb/s. Напряжение питания – 3,3 В; потребляемая при работе мощность – 25 мВт. Как и SmartMedia, карты xD-Picture не имеют в своем составе контроллера.
Интересная особенность – все новые фотоаппараты Fuji и Olympus, совместимые с картами xD-Picture, позволяют устанавливать и модули SmartMedia. Для этого применено оригинальное техническое решение: в слоте памяти аппарата контактные группы располагаются с разных сторон, что и обеспечивает совместимость техники с двумя разными стандартами flash-карт.
Кстати, для xD-Picture-карт существует специальный адаптер, выполненный в виде CompactFlash-карты, который после установки в него xD-Picture обеспечивает совместимость новинки со всеми устройствами, поддерживающими CompactFlash.
Вместо заключения
Подводя итог всему вышесказанному, нужно признать непреложный факт: flash-память – штука удобная и чрезвычайно полезная. Объединяя в себе черты, присущие одновременно и постоянной и оперативной памяти, “флэшки” способны восполнить нехватку “мозгов” у малогабаритных цифровых устройств, обеспечивая их владельцев практически неограниченными возможностями по хранению необходимых данных, объем которых ограничен лишь количеством имеющихся в наличии flash-накопителей. Одно плохо – не обошлось и тут без недостатков. Во-первых, форматов flash-устройств много, что накладно для владельца разнородных гаджетов, а во-вторых, все-таки ограничение на количество циклов перезаписи – свойство вполне реальное. Однако ж недостатки, как известно, существуют лишь для того, чтобы подчеркнуть достоинства, а их у flash-устройств много.