Как работает Flash-память технические особенности и принципы хранения данных
С момента первого коммерческого использования Flash-памяти компанией Toshiba не прошло и 40 лет. Уже в 90-х годах карты памяти стали повсеместно использоваться. К настоящему времени они подешевели примерно в 50 раз, а их максимальный объём увеличился почти в тысячу. SSD-диски, построенные на Flash-памяти, окончательно и бесповоротно вытесняют жёсткие диски, позиционируя скоростью работы, надёжностью и компактностью. Слово «flash» означает «вспышка», названа по методу стирания информации встроенными светоизлучателями. Вместе с экспертами «ЗУМ-СМД» рассмотрим принцип работы и технические характеристики микросхем Flash-памяти.
Содержание:
- Свойства сегментов Flash-памяти
- Как устроена Flash-память
- Особенности Flash-памяти
- От чего зависит скорость обмена данными с Flash-накопителем
Свойства сегментов Flash-памяти
Flash-память относится к разряду энергонезависимых, т.е. для хранения записанных в неё данных не требуется питание. Технология флеш-памяти прошла эволюцию от постоянно запоминающих устройств ПЗУ. ROM (память только для чтения) была самой ранней формой такой памяти. Содержащиеся в ней данные не могут быть изменены.
Flash-память использует уникальную архитектуру на основе полевого КМОП-транзистора, которая обеспечивает энергонезависимое хранение информации высокой плотности. В основе флеш-памяти лежит Mosfet-транзистор с флеш-эффектом или с плавающим затвором. Он может хранить заряд, управляя потоком электронов в транзисторе. Изменив заряд на плавающих затворах, проводящие свойства транзистора меняются, что позволяет хранить данные до 20 – 100 лет.
Существует два вида энергонезависимой перезаписываемой флеш-памяти:
- NOR Flash — используется в устройствах, где требуется быстрое чтение, например, для хранения программ и изменчивых данных. В ней обеспечивается прямой доступ к отдельным ячейкам памяти, что позволяет проводить операции случайного доступа. Этот тип имеет быстрое время чтения по сравнению с другими типами Flash-памяти, но обладает медленной скоростью стирания и, как правило, дороже.
- NAND Flash — распространен в устройствах, которые требуют хранения высокой плотности, таких как смартфоны, твердотельные диски (SSD) и карты памяти. В отличие от аналогов работает методом последовательного доступа, чтением и написанием данных в больших блоках. NAND Flash предлагает более низкую стоимость за бит, более высокую емкость и лучшую выносливость по сравнению с NOR Flash. Тем не менее, он имеет медленное время чтения.
Как устроена Flash-память
Флеш-память выстроена в иерархическую структуру, включающую секторы, блоки и страницы. Страницы представляют собой самую маленькую единицу, которая может быть запрограммирована. Это как правило, несколько килобит. Блоки — это наименьшая единица, которую можно стереть за раз. Они, обычно, состоят из нескольких страниц. А их размер варьируется от нескольких килобитов до нескольких мегабайт.
Секторы относятся к отдельным слоям схемы в пределах флеш-чипа, которые включают параллельные операции ввода/вывода данных, повышая таким образом производительность. Flash Die состоит из одного или нескольких плоскостей, которые объединяются для формирования микросхемы флеш-памяти. Каждый её чип управляется специализированным отдельным или встроенным контроллером.
Особенности Flash-памяти
Флеш-память давно уже стала важным компонентом в широком спектре устройств, включая смартфоны, планшеты, цифровые камеры, игровые приставки и многое другое. Она обеспечивает более быстрое время загрузки, более скоростное выполнение задач и непрерывистое открытие/проигрывание мультимедийных файлов, по сравнению с её предшественниками — жёсткими дисками. Своим появлением она изменила будущее хранения данных для всевозможных цифровых потребностей.
Поскольку технологии продолжают развиваться, спрос на более высокую емкость и скорость флеш-памяти будет продолжать расти. Производители активно исследуют и разрабатывают новые технологии, такие как четырехсторонние ячейки и элементы уровня Penta. Новые разработки в реализации улучшенной структуры флеш-памяти направлены также на дальнейшее увеличение плотности хранимой информации и повышение производительности всей системы.
От чего зависит скорость обмена данными с Flash-накопителем
Скорость записи и считывания в сегментах Flash-памяти обусловлена необходимостью предварительного стирания блоков, что происходит сравнительно медленно. Это обстоятельство не позволяет, на данное время, заменить flash-технологией динамическую память, которая пока лидирует по скорости записи и перезаписи.
Флеш-накопитель имеет ограничение по скорости из-за типа разъёма и версии используемого протокола. Разъёмы SATA, mSATA 2.5, NVMe, M.2, PCIe, U.2 и SAS имеют линейки протоколов с постоянно улучшающимися характеристиками скорости и объёма передаваемых данных.
Память 3D NAND делится на типы, отличающиеся числом бит, хранящихся в одной ячейке, скоростью обработки данных и стоимостью самих чипов:
- SLC — имеет максимальную скорость и надёжность, хранит 1 бит в ячейке, но из-за малой плотности имеет самое невыгодное соотношение цены к объёму;
- MLC — помещает 2 бита в 1 ячейку, всё ещё остаётся довольно скоростным и надёжным;
- TLC — хранит 3 бит в 1 ячейке, позиционируется выгодным соотношением емкости к цене в ущерб скорости и надёжности сохранённых данных;
- QLC — в ячейке записывается 4 бит, медленная скорость восполняется быстрым кэшем. Используется в недорогих приложениях, где требуется хранение большого объёма данных.
Для реализации функций накопителя в Flash-памяти применяют специальные контроллеры. Они имеют классификацию по скорости обработки и стоимости. Для дешёвых приложений нет смысла использовать дорогие компоненты, выполненные на высокотехнологичном оборудовании по передовым технологиям, за которые производитель платит патентные отчисления. Естественно дешёвые микросхемы памяти обладают худшими скоростными характеристиками и имеют меньшую надёжность.
Но если требуется память с высокой надёжностью сохранности информации, то Flash-технология и здесь имеет свою категорию чипов. А так как сегменты флеш-памяти имеют определённый ресурс записи, то специальный контроллер высоконадёжных микросхем отслеживает этот параметр. При достижении значений, близких к предельным, устройство Flash-памяти переходит в режим «только чтение». Таким образом, пользователь вовремя может произвести замену диска, избежав потери сохранённых в нём данных.
