Флэш-память.
Автор: Илья Зайдель
Опубликовано на сайте R.LAВ восстановление данных флэш
Версия от 10.11.2006.
Флэшка должна жить долго.
Как продлить срок службы современных накопителей
1. До чего дошёл прогресс!
Запоминающие устройства на основе микросхем флэш-памяти завоевали в наше время огромную популярность. Всем знакомы компьютерные флэш-диски – миниатюрные брелки с разъёмом USB. Без карты памяти одного из многочисленных форматов нельзя представить цифровой фотоаппарат или карманный компьютер. Слотами для сменных флэш-карт оснащается всё больше мобильных телефонов, плееров и других портативных и даже стационарных устройств, таких как DVD проигрыватели или фотопринтеры – это расширяет их функции и даёт пользователям гибкость и удобства неограниченной внешней памяти.
По существу, флэш-накопители превратились в универсальное средство хранения и переноса цифровой информации. И это не случайно: по практичности им просто нет равных. Большой и постоянно растущий объём, измеряющийся уже многими гигабайтами; высокое быстродействие и надёжность хранения данных; непревзойденная компактность; неприхотливость к внешней среде и отсутствие подвижных деталей; низкое энергопотребление и, наконец, удобство подключения и использования – вот секреты оглушительного успеха флэшек на рынке. Отсюда и массовый выпуск и повсеместная доступность этих высокотехнологичных изделий. Потребителей не могут не радовать постоянно снижающиеся цены, которые в ряде случаев уже меньше 1 руб. за Мбайт.
2. Оборотная сторона медали.
Увы, ничего идеального в этом мире не бывает, за всё надо платить. В случае с флэш-накопителями , платить приходится надёжностью в эксплуатации. Этот важнейший показатель в последнее время оставляет желать лучшего, чему способствуют как технические обстоятельства, так и ситуация на рынке.
Во-первых, современная архитектура включает скоростные многофункциональные контроллеры и чипы памяти NAND с высокой плотностью упаковки данных. Это объективно повышает уязвимость флэшек к внешним воздействиям. С выпуском новых моделей, обостряется и проблема совместимости оборудования. Так, многие картридеры не поддерживают карты SD и CF большого объёма (карта может не опознаваться или даже портиться при форматировании). Избыточное количество форматов, форм-факторов и модификаций карт , сужает область применения каждого вида и затрудняет стандартизацию.
Во-вторых, жёсткая конкуренция вынуждает производителей всячески снижать себестоимость продукции, в том числе, за счет упрощения конструкции, перехода на более дешёвые комплектующие, смягчения контроля и т.п. Всё это закономерно отражается на надёжности. Что касается фирм категории No Name , то о надёжности их изделий можно даже не вспоминать.
Страница 1 из 2. Перейти на вторую страницу .
Илья Зайдель, ,
Перепечатка или цитирование разрешены при условии сохранения ссылки на первоисточник.
Автор: Олег Нечай
Опубликовано в журнале "Компьютерра"
22 мая 2006
Флэш-память: не так долговечна, как хотелось бы.
За какие-то три года, буквально у нас на глазах флэш-память превратилась из экзотического и дорогостоящего средства хранения данных в один из самых массовых носителей. Твёрдотельная память этого типа широко используется в портативных плеерах и карманных компьютерах, в фотоаппаратах и миниатюрных накопителях "флэш-драйвах".
Первые серийные образцы работали с низкой скоростью, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет смотреть хранящийся в миниатюрной микросхеме полноформатный фильм или запускать "тяжёлую" операционную систему класса Windows XP. Некоторые крупные производители уже продемонстрировали компьютеры, в которых место жёсткого диска занимают чипы флэш-памяти, а чересчур оптимистичные наблюдатели и вовсе торопятся полностью похоронить винчестеры, так же, как и флоппи-диски.
Однако у флэш-памяти есть один очень неприятный недостаток, препятствующий тому, чтобы этот тип носителя заменил все существующие оптические и магнитные накопители, и этот недостаток связан с надёжностью и долговечностью. Дело в том, что в силу самой конструкции флэш-память имеет конечное число циклов стирания и записи, достигающее, с чем уже столкнулись владельцы цифровых фотоаппаратов и флэш-драйвов, интенсивно эксплуатирующие эти носители.
По оценкам сами производителей, современная флэш-память, в среднем, способна выдержать порядка 100000 циклов стирания/записи, хотя в ряде случаев заявляются куда более впечатляющие показатели - до миллиона циклов. Чтобы понять, почему возникает такое ограничение, необходимо хотя бы в первом приближении познакомиться с принципами работы этого типа носителей.
Все флэш-накопители построены на свойстве полевых транзисторов хранить в "плавающем" затворе электрический заряд в течение многих лет. Присутствие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. В современных накопителях применяется память типа НЕ-И или NAND, которая обеспечивает высокую скорость последовательного доступа к данным и отличается невысокой себестоимостью производства в сочетании с высокой ёмкостью. Недостатки NAND-памяти - поблоковый доступ и, следовательно, относительно низкая скорость произвольного доступа, - нивелируются высокой ёмкостью и высокой скоростью последовательного доступа, которая требуется в таких устройствах, как фотокамеры, плееры или съёмные накопители.
Для записи и стирания данных в NAND-памяти используется туннелирование электронов методом Фаулера-Нордхейма (FN-туннелирование) через диэлектрик, что не требует высокого напряжения и позволяет сделать ячейки миниатюрнее. Однако именно процесс туннелирования заряда физически изнашивает ячейки, поскольку при помощи электрического тока заставляет электроны проходить сквозь барьеры из диэлектрика и проникать в затвор. Поэтому больше всего изнашивают микросхему процессы стирания и записи - для чтения же через канал просто пропускается ток.
Разумеется, производители памяти принимают меры для увеличения срока службы твёрдотельных накопителей: в первую очередь, они связаны с обеспечением равномерности процессов записи/стирания по всем ячейкам массива, чтобы какие-то из них не были подвержены большему износу, чем другие. Один из способов - наличие резервного объёма памяти, за счёт которого при помощи специальных алгоритмов обеспечивается равномерная нагрузка и коррекция возникающих ошибок. Кроме того, выводятся из работы вышедшие из строя ячейки в целях предотвращения потери информации. В служебную область записывается также таблица файловой системы, что предотвращает сбои чтения данных на логическом уровне, возможные, к примеру, при некорректном отключении накопителя или при внезапном отключении электроэнергии.
К сожалению, с увеличением ёмкости микросхем флэш-памяти снижается и количество циклов записи/стирания, поскольку ячейки становятся всё более миниатюрными и для рассеивания оксидных перегородок, изолирующих плавающий затвор, требуется всё меньшее напряжение. Поэтому с проблемам сталкиваются не только владельцы флэш-накопителей очень маленького, но и очень большого объёма.
Практика показывает, что гигабайтная флэш-карточка при интенсивном ежедневном использовании в цифровом фотоаппарате может начать выходить из строя уже через год-два после после начала применения. Некоторые фотолюбители прекращают пользоваться такими картами, но хранят на них части своих архивов. Это тоже довольно опрометчивое решение, ведь, несмотря на реализованные в контроллерах карточек системы защиты от стирания, в том числе, аппаратные, при чтении архивов возможна подача повышенного (или пониженного) напряжения на изношенные ячейки, что чревато самопроизвольным стиранием записанных на карточку данных. Иными словами, придётся смириться с тем, что флэш-карта исчерпала свой ресурс и полностью отказаться от её использования.
В результате прочтения этой статьи у вас могло сложиться мнение о вопиющей ненадёжности флэш-памяти, но оно, конечно же, ошибочно. Износ флэш-памяти ускоряется лишь в случае неправильного её использования - постоянного стирания и удаления небольших файлов. Кстати, в этом кроется причина якобы более низкой надёжности USB-флэш-драйвов по сравнению с карточками различных форматов. Всё дело в том, что, к примеру, в фотоаппаратах или в плеерах ёмкость карты заполняется полностью и постепенно, в то время как у флэш-драйвов нередко более "рваный" режим эксплуатации - "записал - стёр - записал". При этом в последнем случае, несмотря на все алгоритмы и технологии, повышенному износу подвергаются одни и те же участки микросхемы. Совет здесь может быть только один: старайтесь по возможности полностью заполнять флэш-драйвы и не удалять немедленно ставшие ненужными файлы - тем самым вы продлите срок службы накопителя.
Кроме того, обычные карточки флэш-памяти не рассчитаны на использование в качестве постоянного накопителя: не рекомендуется редактировать документы, базы данных непосредственно на "флэшке", работать с операционной системой, записанной в карточку памяти. Помимо преждевременного износа из-за постоянных процессов записи/стирания и постоянного обновления таблицы файловой системы возможен выход накопителя из строя по причине банального перегрева! Разумеется, если вы используете флэш-карту только для чтения, подобных проблем не возникнет. Для описанных же случаев больше подходят традиционные механические магнитные внешние накопители различных форм-факторов, изначально рассчитанные на подобные режимы работы.
Конечно, разработчики продолжают совершенствовать конструкцию и технологические процессы для изготовления флэш-памяти, которые бы позволили максимально увеличить число циклов стирания/записи и ещё больше нарастить ёмкость этого носителя, однако проводятся исследования и в области альтернативных твёрдотельных носителей.
Например, в Intel уже несколько лет занимается разработкой твёрдотельной памяти на аморфных полупроводниках (Ovonic Unified Memory, OUM). В основу работы такой памяти положена технология фазового переход, аналогичная принципу записи на перезаписываемые диски CD-RW или DVD-RW, при котором состояние регистрирующего слоя изменяется с аморфного на кристаллическое, и одно из этих состояний соответствует логическому нулю, а другое - логической единице. Принципиальное отличие - способ записи: если в оптических носителях применяется нагрев лазером, то в OUM нагрев производится непосредственно электрическим током.
Как заявляют в Intel, в отличие от флэш-памяти, OUM теоретически обладает повышенной надёжностью и плотностью хранения данных, а также повышенным быстродействием - до 100-200 нс. И, самое главное, максимальное число циклов записи/стирания в OUM превышает 10 триллионов - на несколько порядков больше, чем у флэш-памяти. Несмотря на то, что в Intel заявляют о работах над OUM-памятью уже в течение более пяти лет, промышленное производство таких чипов, по оценкам специалистов, начнётся не раньше следующего десятилетия.
Еще одна альтернативная флэш-памяти и куда более близкая к серийному производству технология - магниторезистивная память (MRAM), существенно опережающая по быстродействию OUM-память: время доступа этих чипов на сегодня составляет не более 10-15 нс. Благодаря этому память типа MRAM может применяться не только для длительного хранения данных, но и в качестве оперативной памяти.
Чипы MRAM построены на базе элементов магнитной памяти, укреплённых на кремниевой подложке, и теоретически поддерживают бесконечное число циклов записи и стирания. Кроме того, важным свойством MRAM-памяти является возможность мгновенного включения, что особенно ценится в мобильных устройствах.
Значение ячейки в этом типе памяти определяется магнитным полем, а не электрическим зарядом, как в обычной флэш-памяти. Важное достоинство этой разработки - совместимость технологии производства с техпроцессом по выпуску КМОП-чипов, а также возможности использования материалов, применяемых в традиционных магнитных носителях, в частности, ферромагнитных плёнок.
Гибридная технология обладает и рядом ограничений: пока подобные микросхемы рассчитаны на слишком "грубый" по сегодняшним меркам 0,18-микронный техпроцесс, что не позволяет добиться сравнимых с флэш-памятью размеров ячеек. Кроме того, себестоимость производства MRAM-памяти пока непозволительно высока.
Разработкой технологии MRAM занимается один из крупнейших мировых производителей памяти, компания Infineon, а также "голубой гигант" IBM, начавший исследования в этой области ещё в семидесятых годах прошлого столетия. Свои средства в развитие технологии MRAM инвестировали также такие компании, как Toshiba, Freescale Semiconductor и NEC, поэтому есть все основания полагать, что этот тип памяти появится на рынке в качестве серийной продукции гораздо раньше OUM.
Пока же все альтернативные технологии хранения данных остаются в проектах, производители продолжают совершенствовать традиционную флэш-технологию, переходят на более тонкие техпроцессы и повышают ёмкость микросхем. Можно не сомневаться в том, что фирмы, выпускающие флэш-память, намерены использовать весь потенциал этого типа носителей перед переходом на накопители другого типа. Поэтому число устройств, снабжённых флэш-памятью, в ближайшее время будет увеличиваться, и рекомендации по использованию такой памяти вряд ли скоро потеряют актуальность.
