Флеш память на материнской плате для чего нужна

Технологии флэш-памяти

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget — устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

Поскольку память с такой организацией считается первой представительницей семейства Flash, с нее и начнем. Схема логического элемента, собственно давшего ей название (NOR — Not OR — в булевой математике обозначает отрицание «ИЛИ»), приведена на рисунке.Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал — поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, — нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash, каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи — от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND — Not AND — в той же булевой математике обозначает отрицание «И». Отличается такая память от предыдущей разве что логической схемой.Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие — архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях 🙂 (а NOR — с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше — площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение — здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т. п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования — проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

И будет флэш…

Безусловно, флэш — перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas — флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC — error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек — это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит — электромагнитное, физическое (тряска и т. п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна
Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC — он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок — чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи — 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) — универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов — 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками — по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что — не взыщите 🙂 Надеюсь, материал был вам интересен.

Источник

Флеш память на материнской плате для чего нужна

Зачем и о чем эта статья

В очередной раз наткнувшись на оффтопик в форуме «что такое флэш?», «где находится BIOS?» и т. д., я не выдержал. Решил попробовать прояснить эту тему, а также и себя проявить в новом качестве. Из нее можно извлечь информацию для создания вредоносного кода, поэтому, надеюсь, что таких желающих будет немного. В данной статье я рассмотрю следующие вопросы:

Начальные сведения.

Микросхема Флэш-памяти (EEPROM) присутствует в любом современном компьютере (начиная с 486). Как правило, она предназначена для постоянного хранения начального исполняемого кода загрузки компьютера, хранения кода и данных BIOS. Сама микросхема присутствует в системе как устройство, подключенное к адресному пространству памяти (как DIMM или RDR RAM) и управляемое чипсетом материнской платы. Именно программирование чипсета позволяет (или наооборот, запрещает) получить доступ к флэш-памяти. Флэш подключена в общее пространство памяти и находится в самых верхних ее адресах. Поскольку i386+ позволяет обращаться к 4Gb памяти и если, к примеру, объем флэшки составляет 1 мегабит ( 128 килобайт), то адрес начала флэш памяти равен 4Gb-128 Kb ( 0FFFC0000h). По адресу 0FFFFFFF0h находится первая исполняемая инструкция загрузочного кода BIOS. Данный факт одинаков для любых IBM совместимых компьютеров начиная с 386. Возникает вопрос: «каким образом процессор получает доступ к данному участку памяти при начале работы?» Ответ дает М. Гук в книге “Процессоры Pentium-lll, Athlon и другие”: Сброс (при включении питания) переводит процессор в реальный режим и устанавливает ряд регистров в определенное состояние. В частности устанавливаются следующие значения регистров:

При вышеуказанном сочетании регистров CS:EIP, находясь в реальном режиме, процессор начинает выполнение инструкции, считанной по физическому адресу 0FFFFFFF0h. Это происходит потому, что в скрытых регистрах кодового сегмента устанавливается база 0FFFF0000h и лимит 0FFFFh, а именно они и определяют реальное местоположение сегмента.Такое определение действует до первой перезагрузки CS при команде межсегментного перехода или вызова, либо при обслуживании прерывания или исключения.

После того как BIOS проинициализирует основные компоненты компьютера, будут запрограммированы регистры чипсета так, чтобы затенить (shadow) адресное пространство флэш- памяти. Теперь данный диапазон памяти устанавливается как read-only.

Теперь немного о самой микросхеме флэш памяти. Во-первых программная реализация микросхем зависит от производителя. Таких на сегодняшний день много, приведу лишь основных:

Winbond, Intel, Amtel, SST, Imt, Macronix и другие. В связи с этим, команды программирования микросхем зависят от производителя. Далее, сами микросхемы помимо объема памяти различаются еще и способу хранения информации:

Ну, и как я уже говорил, для того чтобы добраться до самой микросхемы флэш-памяти (имеется ввиду программно) требуется соответствующим образом программировать регистры чипсета материнской платы. И вновь, поскольку производителей чипсетов много (основные: Intel, VIA, SiS, AMD, nVidia) программные алгоритмы разрешения доступа к флэш у всех разные. И раз в этой области не существует общих стандартов, спешу разочаровать начинающих вирмейкеров и желающих защитить программы методом привязывания к сигнатуре, оставленной в флэш-памяти. Код придется писать аппаратно-зависимый (т.е. под конкретную материнскую плату и микросхему памяти), а для попытки объединить все существующие материнские платы и флэш микросхемы придется создавать контору наподобие Award или AMI и набирать с добрый десяток программистов. Даже классические программы доступа к флэш (amiflash или awdflash) работают не на всех материнских платах (несмотря на то, что прошит их «родной» BIOS). Ну и общеизвестно, что на большинстве материнских плат теперь есть перемычка, которая аппаратно запрещает работать с флэш-памятью. Ряд производителей пошли еще дальше. Они используют технологии “Dual BIOS” ( Gigabyte), недокументированные способы защиты флэш чипов (VIA), и др.

Пришла пора привести немного кода. Для начала не свой. J

Для начала небольшой комментарий. Во-первых, исходный код вируса можно легко найти в интернете. Поэтому то, что приведено, знает множество людей, я лишь подробно поясню код затирания флэш. Во-вторых, в самом исходном коде допущен ряд неточностей (на мой взгляд), причины которых возможно следующие:

Источник

Прощайте, считывающие головки! Или как работает флэш-память

Привет, Geektimes! Мы часто рассказываем о преимуществах SSD, развенчиваем мифы о твердотельных накопителях, вот недавно даже на производстве побывали. А как же, собственно, работает флэш-память? В чем отличие между разными типами NAND? Всех желающих разобраться в этих вопросах милости просим под кат.

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Взгляд в прошлое

Прежде, чем начать наш разговор, давайте ненадолго вспомним о жестких дисках. Как известно, последние хранят информацию на нескольких магнитных пластинах, которые в народе называют платтерами. В упрощенной форме — актуатор со считывающими головками получает информацию, а для совершении процессов чтения/записи диск все время вращается. Вряд ли есть смысл надолго здесь останавливаться, но важно уловить суть.

Поскольку блок головок диска должен совпадать с определенной областью (дорожкой) для считывания или записи данных, а диск вращается постоянно, необходимо некоторое время, прежде чем они смогут получить доступ к информации, и нужный сектор окажется под головкой, особенно если запросы хаотичны. И хотя задержка у HDD измеряется в миллисекундах, этого достаточно, чтобы заставить ждать CPU, задержка которого измеряется в наносекундах. В одной миллисекунде один миллион наносекунд, а в среднем жесткому диску необходимо от 10 до 15 миллисекунд для поиска информации и начало ее чтения. Да, сейчас есть решения, скорость вращения которых достигает 15 тысяч оборотов в минуту, но даже самый быстрый HDD не будет настолько быстрым, как хотелось бы.

Немного теории

Возможно, так бы мы с вами и довольствовались «очень» быстрыми HDD (как говорил Генри Форд: «если бы я спросил у людей, что они хотят, они бы попросили меня создать быстрых лошадей»), однако производители накопителей, среди которых и ваш покорный слуга, благо не стоят на месте. Появились SSD (Solid-state drives или твердотельные накопители), где информация хранится не на вращающихся дисках, а при помощи флэш-памяти NAND. На ней мы и остановимся подробно.

В случае с NAND информация хранится в массиве ячеек памяти — это транзисторы с плавающим затвором (Floating Gate). В зависимости от направления напряжения происходит перемещение электронов между Control Gate (управляющим затвором) и каналом NAND.

Как только на управляющий затвор подается напряжение, электроны начинают притягиваться вверх — полученное электрическое поле помогает им достичь плавающего затвора, преодолев при этом препятствие из оксида. Последний выступает в качестве изолятора, так как именно благодаря нему электроны не двигаются дальше плавающего затвора. Так происходит программирование ячейки.

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Процесс стирания ячейки выглядит с точностью наоборот — напряжение подается на канал, электроны перемещаются от плавающего затвора через оксид обратно посредством заземления управляющего затвора.

Ячейка с одним транзистором работает следующим образом. В зависимости от наличия или отсутствия заряда на плавающем затворе определяется состояние транзистора — открыт он или закрыт. При рассмотрении подачи напряжения на управляющий затвор в качестве инициализации ячейки памяти можно судить о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе по напряжению между истоком и стоком. Если на плавающий затвор поместить электрон и подать напряжение на управляющий затвор, транзистор будет закрыт. Получим ячейку памяти, которая способна хранить один бит. При использовании метода инжекции горячих электронов происходит подача напряжения на сток и управляющий затвор, что приводит к движению электронов сквозь барьер.

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Ячейка с двумя транзисторами представляет собой модификацию однотранзисторной. В этом случае транзистор (обычный) изолирует битовую линию от транзистора с плавающим затвором.

Удаление заряда с плавающего затвора происходит при помощи подачи отрицательного напряжения на управляющий затвор (на исток — положительное напряжение). В результате имеем туннелирование Фаулера — Нордхейма: электроны перемещаются (туннелируют) из области плавающего затвора в исток.

Цикл перезаписи. Прежде, чем программировать новую ячейку с новыми электронами, необходимо сначала очистить старые. На практике большинству пользователей не приходится обращать внимание на количество циклов перезаписи, поскольку ресурса SSD запросто хватает на любые объемы записываемых данных. Правда, попадаются и досадные исключения, но на то и нужна гарантия от производителя.

В твердотельных накопителях флэш-память состоит из блоков, а последние — состоят из страниц. Запись информации осуществляется именно в эти страницы, а для обновления данных недостаточно просто перезаписать неактуальные страницы. Так что сперва данные перемещаются из старых страниц в новые, затем отправляются в другой блок, и только после этого происходит стирание блока с неактуальными данными. Как только блок будет стерт, он будет свободен для записи новых данных. Такой вот хитрый процесс — в визуальном формате он кажется гораздо более понятным.

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Очевидно, отсутствие движущихся дисков (да и вообще подвижных частей) — одно из главных преимуществ SSD над жесткими дисками, и именно это дает твердотельным накопителям работать на скоростях, заметно превосходящих HDD. Для наглядности — вот сводная таблица по времени задержки различных типов NAND и HDD.

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

SLC, MLC, TLC — не просто аббревиатуры, они обозначают количество бит в каждой ячейке. Для SLC (Single) это один бит, для MLC (Multi) — два бита, для TLC (Triple) — соответственно, три бита. За счет этого MLC хранит в два раза больше информации, чем SLC, и это при том, что количество ячеек то же самое. В целом, принцип работы у этих типов NAND одинаковый, что нельзя сказать о выносливости.

В течение определенного времени физическая структура ячеек может быть подвержена износу за счет уменьшения слоя оксида, вызванного активностью электронов. Как результат — электроны накапливают отрицательный заряд и застревают, подается более высокое напряжение, слой оксида опять уменьшается. Такой вот замкнутый круг получается.

SLC, MLC и TLC отличаются по выносливости. Если, к примеру, взять кристалл NAND плотностью 16 Гбит, получим SLC 16 Гбит при том, что в каждой ячейке один бит. Соответственно, для MLC это будет 32 Гбит, а для TLC — 48 Гбит. Правда, в последнем случае кристалл NAND все равно приходится резать, в итоге получается эквивалент 32 Гбит у MLC. Кто же по-вашему способен выдержаться самые большие изменения в напряжении?

С двумя уровнями (0,1) у SLC по этому параметру самый лучший показатель — этот тип NAND выдерживает широкий диапазон колебаний напряжения. С увеличением уровней этот диапазон уменьшается, поэтому у TLC с ее 8 уровнями и 3 битами в ячейке самое малое количество циклов перезаписи.

Поскольку с уменьшением кристалла уже давно возникли проблемы, на смену современной планарной флеш-памяти NAND приходит 3D NAND. Она меньше подвержена износу за счет отсутствия необходимости в подаче высокого напряжения при записи данных в ячейку. Производители активно развивают данное направление и дают технологии собственные названия (у Samsung — 3D V-NAND, у Toshiba — BiCS 3D NAND и так далее). Смысл в том, что в этом случае мы получаем цилиндр с верхним слоем в роли управляющего затвора, при этом внутренний слой выполняет роль изолятора. Сами Ячейки располагаются друг под другом, образуя стек. Управляющая логика размещается под массивом памяти, освобождается площадь чипа, где впоследствии находят себе «дом» ячейки памяти.

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Немного практики

Все вышеперечисленное мы с вами не можем наблюдать самостоятельно (по крайней мере без специального оборудования). А вот как все это выглядит после изготовления печатных плат, пайки, установки чипов и микросхем:

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Здесь мы видим и микросхемы флэш-памяти и буфера и контроллер, заботливо накрытый терморезинкой. Да, тема у нас не об устройстве SSD, а работе флеш-памяти, но без контроллера здесь никуда. И вот почему.

Контроллер распределяет запись в ячейки флеш-памяти, «руководит» чтение из ячеек памяти и TRIM (об этом чуть позже) — в общем, фраза «незаменимых у нас нет» — это не про него. Именно он контролирует передачу данных, как на SATA, так и на PCIe, распределяет информацию по NAND для меньшего износа. Без помощи прошивки, разумеется, здесь не обойтись.

К флэш-памяти контроллер подключается параллельно и, как видите, выполняет одну из ключевых ролей. В Trion 150, например, используется контроллер Toshiba, а в Vertex 460A 0 уже Barefoot 3 M10 от OCZ.

Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть фото Флеш память на материнской плате для чего нужна. Смотреть картинку Флеш память на материнской плате для чего нужна. Картинка про Флеш память на материнской плате для чего нужна. Фото Флеш память на материнской плате для чего нужна

Ах да, чуть не забыли про кэш. Он является надежным спутником контроллера: как только дается команда изменить файл на SSD, блок сперва попадает в память кэша, где и происходит изменение. В это время неактуальные данные в NAND удаляются, а контроллер находит, куда же поместить информацию, которая была помещена в буфер. Главный принцип — выбрать ячейку с наименьшим износом, чем и занимается контроллер, после его команды измененные данные отправляются в новый «дом».

Сейчас большинство SSD, в том числе от OCZ, также поддерживают TRIM — специальную технологию, которая отмечает неактуальные данные. В этом случае ненужная информация не записывается в другие блоки памяти, что благоприятно влияет не только на количество циклов перезаписи, но и саму скорость записи.

Минутка философии

Очевидно, по сравнению с обычными жесткими дисками NAND — настоящий прорыв, но и у нее есть свои проблемы и недостатки. Да, NAND имеет огромные перспективы в плане емкости накопителей, однако цена за гигабайт оставляет желать лучшего. Вряд ли в ближайшее время по этому параметру удастся «поймать» жесткие диски.

За счет использования SLC-кэшей и быстрых стандартов данных SSD стали еще более производительными, имеют хорошую пропускную способность. Тем не менее в долгосрочной перспективе предполагается, что на смену NAND все же придет что-то другое. И на самом деле, 3D NAND — первый «звоночек», который об этом свидетельствует.

Сейчас NAND, безусловно, на коне — как говорят, true king of the hill. И останется этим королем как минимум ближайшие 4-5 лет.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *