Как работает флеш накопитель

Устройство и принцип работы флеш-накопителя

На сегодняшний день флешки являются самыми популярными внешними носителями данных. В отличие от оптических и магнитных дисков (CD/DVD и винчестеры соответственно), флеш-накопители более компактны и устойчивы к механическим повреждениям. А за счет чего были достигнуты компактность и устойчивость? Давайте же разберемся!

Из чего состоит и как работает флешка

Первое, что следует отметить — внутри flash-накопителя нет движущихся механических частей, которые могут пострадать от падений или сотрясений. Это достигается за счет конструкции — без защитного корпуса флешка представляет собой печатную плату, к которой припаян USB-разъем. Давайте рассмотрим её составляющие.

Основные компоненты

Составные части большинства флешек можно разделить на основные и дополнительные.

К основным относятся:

1. чипы NAND-памяти;
2. контроллер;
3. кварцевый резонатор.
4. USB-разъем

NAND-память
Накопитель работает благодаря NAND-памяти: полупроводниковым микросхемам. Чипы такой памяти, во-первых, весьма компактны, а во-вторых — очень ёмкие: если на первых порах флешки по объему проигрывали привычным на тот момент оптическим дискам, то сейчас превышают по ёмкости даже диски Blu-Ray. Такая память, ко всему прочему, еще и энергонезависимая, то есть для хранения информации ей не требуется источник питания, в отличие от микросхем оперативной памяти, созданных по похожей технологии.

Однако у НАНД-памяти есть один недостаток, в сравнении с другими типами запоминающих устройств. Дело в том, что срок службы этих чипов ограничен определенным количеством циклов перезаписи (шагов чтения/записи информации в ячейках). В среднем количество read-write cycles равно 30 000 (зависит от типа чипа памяти). Кажется, это невероятно много, но на самом деле это равно примерно 5 годам интенсивного использования. Впрочем, даже если ограничение будет достигнуто, флешкой можно будет продолжать пользоваться, но только для считывания данных. Кроме того, вследствие своей природы, NAND-память очень уязвима к перепадам электричества и электростатическим разрядам, так что держите её подальше от источников подобных опасностей.

Контроллер
Под номером 2 на рисунке в начале статьи находится крохотная микросхема — контроллер, инструмент связи между флеш-памятью и подключаемыми устройствами (ПК, телевизорами, автомагнитолами и пр.).

Контроллер (иначе называется микроконтроллер) представляет собой миниатюрный примитивный компьютер с собственным процессором и некоторым количеством RAM, используемыми для кэширования данных и служебных целей. Под процедурой обновления прошивки или BIOS подразумевается как раз обновление ПО микроконтроллера. Как показывает практика, наиболее частая поломка флешек — выход из строя контроллера.

Кварцевый резонатор
Данный компонент представляет собой крохотный кристалл кварца, который, как и в электронных часах, производит гармонические колебания определенной частоты. Во флеш-накопителях резонатор используется для связи между контроллером, NAND-памятью и дополнительными компонентами.

Эта часть флешки также подвержена риску повреждения, причем, в отличие от проблем с микроконтроллером, решить их самостоятельно практически невозможно. К счастью, в современных накопителях резонаторы выходят из строя относительно редко.

USB-коннектор
В подавляющем большинстве случаев в современных флешках установлен разъем USB 2.0 типа A, ориентированный на прием и передачу. В самых новых накопителях используется USB 3.0 типа А и типа C.

Дополнительные компоненты

Кроме упомянутых выше основных составляющих запоминающего flash-устройства, производители нередко снабжают их необязательными элементами, такими как: светодиод-индикатор, переключатель защиты от записи и некоторые специфические для определенных моделей особенности.

Светодиодный индикатор
Во многих flash-накопителях присутствует небольшой, но довольно яркий светодиод. Он предназначен для визуального отображения активности флешки (запись или считывание информации) или же просто является элементом дизайна.

Этот индикатор чаще всего не несет никакой функциональной нагрузки для самой флешки, и нужен, по сути, только для удобства пользователя или для красоты.

Переключатель защиты от записи
Этот элемент характерен скорее для SD-карт, хотя порой встречается и на запоминающих устройствах USB. Последние нередко используются в корпоративной среде как носители разнообразной информации, в том числе важной и конфиденциальной. Чтобы избежать инцидентов со случайным удалением таких данных, производителями флеш-накопителей в некоторых моделях применяется переключатель защиты: резистор, который при подключении в цепь питания запоминающего устройства не дает электрическому току добираться к ячейкам памяти.

При попытке записать или удалить информацию с накопителя, в котором включена защита, ОС выдаст такое вот сообщение.

Подобным образом реализована защита в так называемых USB-ключах: флешках, которые содержат в себе сертификаты безопасности, необходимые для корректной работы некоторого специфического ПО.

Этот элемент тоже может сломаться, в результате чего возникает досадная ситуация — девайс вроде работоспособен, но пользоваться им невозможно. У нас на сайте есть материал, который может помочь решить эту проблему.

Уникальные компоненты

К таковым можно отнести, например, наличие разъемов Lightning, microUSB или Type-C: флешки с наличием таковых предназначены для использования в том числе на смартфонах и планшетах.

Существуют и накопители с максимальной защитой записанных данных — в них встроена клавиатура для ввода цифрового пароля.

По сути, это более продвинутый вариант упомянутого выше переключателя защиты от перезаписи.

Достоинства флешек:

• надежность;
• большая ёмкость;
• компактность;
• устойчивость к механическим нагрузкам.

Недостатки флешек:

• хрупкость составляющих компонентов;
• ограниченный срок службы;
• уязвимость к перепадам напряжения и статическим разрядам.

Подведем итоги — flash-накопитель, с технической точки зрения, устроен довольно сложно. Однако вследствие твердотельной конструкции и миниатюрности компонентов достигается большая устойчивость к механическим нагрузкам. С другой стороны, флешки, особенно с важными данными, необходимо обезопасить от влияния перепадов напряжения или статического электричества.

Как устроена и работает флеш-память?

Что было бы, если бы ваша память работала только тогда, когда вы не спите? Каждое утро вы бы просыпались совершенно новым человеком, которому нужно было бы заново учиться ходить и говорить! Схожая проблема есть и у компьютеров — обычные чипы памяти «забывают» всю информацию, когда отключается питание. Решается эта проблема накопителями данных — например, магнитными жесткими дисками. Последние, правда, давно устарели — сейчас повсеместно используется флеш-память, которую устанавливают и в обычные ПК в виде SSD, и в смартфоны, и во множество других устройств.

Как же устроена и работает эта флеш-память, которая есть практически во всех девайсах, которые мы используем? Расскажем в этом материале!

Как компьютеры хранят информацию

Любое устройство с процессором внутри обрабатывает информацию в цифровом виде. Слова и цифры компьютеры преобразовывают в бесконечную строку нолей и единиц — бинарный код. К примеру, буква «A» в нем записывается в виде «01000001», а знак вопроса — в виде «00111111». Это касается любых букв, цифр и символов. Как разные устройства «понимают» все эти коды? Очень просто — благодаря давно установленному международному стандарту ASCII.

Как же информация хранится в чипах памяти? Для этого представьте себе немного другой пример. Один человек стоит неподалеку от другого и использует восемь флагов, с помощью которых передает второму некие сведения. Оба человека знают ASCII-код, поднятый флаг означает единицу, а опущенный — ноль.

Именно так любые файлы и хранятся в памяти компьютеров, только «флагов» во флеш-чипах (или на магнитных дисках) — многие и многие миллиарды. На самом деле это микроскопические переключатели, которые называются транзисторами, и каждый из них может быть либо «включенным», либо «выключенным».

Таким образом, с помощью восьми транзисторов устройство может «запомнить» цифру или букву. Каждый ноль или каждая единица — это бит, а каждый набор из восьми транзисторов — байт. Обычный 500-гигабайтный SSD-диск может хранить примерно 500 миллиардов символов.

Что такое флеш-память

Обычные транзисторы — это простейшие электронные переключатели, на состояние которых влияет электрический ток. Это одновременно и преимущество, и недостаток. Преимущество — потому, что изменить данные в таких транзисторах относительно просто. Недостаток — потому, что в момент отключения тока обычные транзисторы принимают оригинальное состояние, а вся сохраненная в них информация теряется.

Компьютерная память, которая работает таким образом, называется Random Access Memory (RAM). Другой тип памяти — Read-Only Memory (ROM), который от этой проблемы не страдает.

Флеш-память устроена таким образом, что ее чипы могут хранить любую необходимую информацию даже при выключенном питании — на протяжении практически бесконечно долгого периода времени.

Как работает флеш-память

Как достигается эффект сохранения данных даже при выключенном питании? Для этого используют другой тип транзисторов, который называется «транзистор с плавающим затвором».

Самый простой транзистор имеет три соединения, через которые им можно управлять — затвор, исток и сток. Представьте себе водопроводную трубу, через которую проходит не вода, а ток. То место, через которое ток попадает в эту «трубу», называется истоком, а то, через которое он выходит, называется стоком. Затвор расположен между ними — когда он открыт, ток свободно проходит через транзистор (это единица), а когда закрыт — нет (это ноль). Если отключить питание, такой транзистор тоже отключится, и при включении будет находиться в исходном состоянии.

Транзистор с плавающим затвором имеет второй, дополнительный затвор. Когда он «открывается», невероятно слабый заряд электричества проникает внутрь, находясь между двумя затворами. Так получается единица. Даже если устройство отключить о тсети, этот заряд останется на месте. Превратить эту единицу в ноль можно, если активировать второй затвор — заряд пройдет дальше.

Технические подробности

Хотите более технически продвинутого описания процесса? В полном объеме это заняло бы слишком много места, но мы попробуем объяснить все вкратце. Для начала порекомендуем ознакомиться со статьей о так называемых МОП-структурах в «Википедии».

Транзисторы во флеш-памяти — почти такие же, как и МОП-структуры, но у них два завтора вместо одного. Это «сэндвич» типа n-p-n, один затвор которого называется управляющим, а второй — плавающим. Отделены они оксидными слоями, через которые электричество пройти не способно.

Как в такой транзистор записать единицу? И в его стоке, и в его истоке много электронов, потому что они изготовлены из кремния n-типа, но перемещаться эти электроны не могут из-за кремния p-типа, который находится между ними. Чтобы активировать процесс, нужно включить положительное напряжение на двух контактах транзистора, в результате чего электроны начнут перемещение — от истока к стоку. Некоторое их количество из-за туннельного эффекта останется на плавающем затворе.

Именно так флеш-память хранит информацию — благодаря электронам на плавающих затворах транзисторов. Эти электроны могут оставаться там очень долгое время и без питания. Удалить их можно, если включить на одном из контактов негативное напряжение.

Как долго служит флеш-память

Со временем любой транзистор в чипе флеш-памяти может отказать — чем больше такие плавающие затворы используются, тем медленнее они работают, а в итоге перестают работать вовсе. На практике это давно перестало быть проблемой и в мобильных устройствах вроде телефонов, и в SSD-накопителях.

Во-первых, речь идет о сотнях тысяч циклов записи и стирания данных — к примеру, для USB-флешки или карты памяти, которую вы используете в своей цифровой камере, это просто слишком большое число.

Во-вторых, флеш-память давно стала «умной» — процесс записи и чтения данных контролируется специализированными чипами-контроллерами, которые учитывают степень износа разных секторов транзисторов и максимизируют их срок службы. Современные девайсы с флеш-памятью могут переживать сотню миллионов циклов перезаписи и даже больше.

В случае с SSD-накопителями при покупке стоит обратить внимание на показатель TBW, который обычно указывается в списке технических характеристик модели. Он сообщает о том, сколько терабайт данных можно записать в память SSD до того момента, когда его флеш-память начнет отказывать, и зависит как от качества самой памяти, так и от ее контроллера. Так, у 1-терабайтного NVMe SSD Samsung 970 Pro этот показатель составляет 1200 — полностью перезаписать все его биты можно 1200 раз. 1200 терабайт! В обычном домашнем ПК этот процесс займет много лет. Современные серверные SSD еще выносливее.

Как была изобретена флеш-память

Первый патент, связанный с флеш-памятью, был зарегистрирован в США инженером Toshiba по имени Фуцзио Масуока, который придумал эту идею вместе со своим коллегой Хисаказу Иизукой еще в 1981. Изначально такую память называли EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), а слово «flash» («вспышка») к ней прицепилось благодаря быстроте записи и чтения, которую сравнивали с быстротой работы вспышки камеры.

В то время передовые чипы EEPROM стирали с помощью луча ультрафиолетового света, а весь процесс занимал около 20 минут и требовал использования прозрачного корпуса. Придумали и тип EEPROM, информацию в котором можно было стирать электрическим путем, но в нем за каждый бит отвечали два транзистора.

Первые чипы флеш-памяти, которые напоминают современные, выпустила та же Toshiba в 1987 году. Популярными устройства на ее основе, однако, начали становиться лишь в конце девяностых, когда во всевозможных портативных девайсах начали использовать карты памяти от Toshiba, Matsushita и SanDisk. В 2000 году на рынке появился первый цифровой аудиоплеер со слотом для SD-карт. Еще через несколько лет — в 2005 — Apple выпустила первый iPod с флеш-памятью, iPod Shuffle (предыдущие модели использовали миниатюрные жесткие диски). Ну а дальше вы знаете!

Что ждет флеш-память в будущем

В данный момент флеш-память продолжает отбирать у магнитных накопителей их долю рынка — благодаря увеличению скорости, улучшению надежности и удешевлению самих накопителей теперь она повсеместно используется даже в серверах и дата-центрах. Найти современный домашний ПК без SSD-накопителя внутри практически невозможно, а 2.5-дюймовыми HDD оснащаются только самые дешевые ноутбуки.

Миниатюризация электроники сделала использование крохотных чипов памяти попросту необходимым. Кроме того, флеш-память потребляет заметно меньше энергии, чем жесткие диски, и это тоже делает ее гораздо более привлекательной для использования в портативных устройствах. А еще она заметно более устойчива к ударам и перепадам температур!

Сейчас в большинстве случаев для производства чипов флеш-памяти используют технологию 3D NAND, которую начали разрабатывать еще в начале двухтысячных. На одной и той же кремниевой пластине благодаря этой технологии можно «вырастить» множество слоев транзисторов, благодаря чему плотность записи информации увеличивается сразу в несколько раз. Вместо плавающих затворов такая память использует (иногда менее надежную) «ловушку заряда».

Новые достижения скорости и надежности флеш-памяти сейчас в основном достигаются за счет использования все более продвинутых алгоритмов обработки данных и все более быстрых контроллеров. SSD большой емкости даже получают собственную оперативную память! Так, у недавно выпущенного 15.3-терабайтного (!) SATA SSD компании TeamGroup на борту есть не только огромное количество флеш-чипов, но и 4 ГБ RAM. Еще недавно столько получали недорогие лаптопы!

В любом случае, совершенно очевидно то, что дни жестких дисков сочтены — и в домашних ПК, и в серверах их сейчас используют разве что для долгосрочного хранения всякого рода некритичных данных. С каждым годом флеш-память будет становится еще дешевле, и смысла в покупке HDD будет оставаться все меньше. Впрочем, все зависит от множества факторов — например, строительства новых заводов и, соответственно, роста объемов производства нужных чипов. Стоить быть готовыми и к всевозможным форс-мажорам — к примеру, особенно мощное землетрясение в Тайване или Южной Корее, где находится львиная доля этих заводов, могло бы стать причиной заморозки или даже роста цен на продолжительный период.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

OCZ Trion 150

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.

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.

Принцип работы и устройство USB-флешки

В этой статье мы с Вами рассмотрим принцип работы и устройство USB-флешки, а также я расскажу об особенности USB-флэш-накопителя перед другими запоминающими устройствами. C появление USB-флэшки произошел некий переворот в ПЗУ устройствах и большое количество людей по всему миру оценило удобство транспортировки данных в компактном и емком флэш-накопителе, который к тому же устойчив к воздействиям окружающей среды.

Первым делом, я хотел бы дать определение флэш-накопителю, а уж потом рассказать о его особенности перед другими запоминающими устройствами.

USB-Flash Drive (флешка, флэшка) — устройство для накопления и хранения информации. Переданные устройству данные располагаются и хранятся во флэш-памяти. Для получения информации usb флешку необходимо подключить к телевизору (Smart), компьютеру, планшету или любому другому считывающему устройству.

К основным недостаткам USB флэш-накопителя можно отнести ограниченный цикл записи/стирания, но хранящуюся в устройстве можно считать бесконечное количество раз. Цикл перезаписи современными стандартами на сегодняшний день ограничен от 10000 и до 100000 раз. Если взять во внимание минимальный цикл перезаписи (10000) то может показаться, что для эксплуатации такое количество более чем достаточно. Но на самом деле это не так.

Представьте себе ситуации, когда вы интенсивно используете флэшку перезаписывая на ней данные по нескольку раз в день. Согласитесь, что при такой эксплуатации, такое количество циклов (10000) для обновления информации уже не кажется таким уж большим. Хотя, справедливости ради, стоит сказать, что для рядового пользователя флэш-накопитель с минимальным ограничением перезаписи прослужит немало времени.

К сожалению не все USB накопители отрабатывают свой положенный срок честно. Как правило, виной этому производители мало известных фирм и компании с неизвестным происхождением, которые не соблюдают технологических норм при создании постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Очень часто наши китайские «друзья», которые любят делать подделки именитых брендов, не соблюдают технологию (не качественные детали) и создают дешевые накопительные устройства, которые раньше положенного времени выходят из строя.

На что нужно обратить внимание при выборе USB-флэш-накопителя.

• Производитель (компания). Чтобы свести к минимуму преждевременный выход из строя USB-флэш-накопителя , делайте свой выбор в пользу зарекомендовавших себя компаний, которые работаю на рынке не один год. Например, это могут быть такие компании как: Kingston, Transcend, Corsair, Apacer…
• Так же при выборе usb-флэш-накопителя обратите внимание на каком типе памяти она построена. Хорошо если в ней установлена флэш-память типа NAND, потому что именно этот тип памяти может выполнить около 100000 циклов записи/стирания информации.

В основе USB флэш-накопителя находится флэш-память типа NAND и небольшой микроконтроллер со встроенным ROM или RAM. Флэш-память (Flash Memory) относится к классу EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — электрически стираемое перепрограммируемое запоминающее устройство ПЗУ или ЭСППЗУ.

Основное достоинство этого устройства в том, что оно энергонезависимо, а значит ему не нужно электричество для хранения данных. Стоит сказать, что основная особенность EEPROM в том, что хранящуюся информацию в устройстве (mini SD, MMC, SD, USB-флешка…) можно считать бесконечное количество раз, а вот количество записи к сожалению ограничено (мы уже с вами говорили о том как выбрать SD карту).

Как правило на упаковке указывают и то и другое. Но и не редки случай, когда указывают только число циклов или тип памяти.

• Тип ячеек памяти. В рядовых флэшках (USB-Flash-Drive) используют два типа ячеек памяти MLC и SLC. Как правило более дешевые модели USB флэш-накопителей комплектуют MLC (Multi-level cell — многоуровневые ячейки памяти)ячейками, которые могут выдержать около 10 тысяч циклов. Ну и как вы уже догадались SLC (Single-level cell — одноуровневые ячейки памяти) ячейками комплектуют более дорогие модели, которые выдерживают до 100000, а то и более циклов записи/стирания.

Если вы в ближайшее время планируете покупать такой накопитель (USB-Flash-Drive), то рекомендую прочитать статью о том как выбрать надежную USB флешку.

Принцип работы USB -флеш-накопителя и его компоненты.

Как я уже писал выше, что в основе USB-накопителя лежит флэш-память типа NAND или NOR. В свою очередь флэш-память содержит в себе кристалл кремния на котором размещены полевые транзисторы с плавающими и управляющими изолированными затворами. Стоит сказать, что полевые транзисторы имеют сток и исток. Так вот плавающий затвор транзистора способен удерживать заряд (электроны).

Во время записи данных на управляющий затвор подается положительное напряжение и некоторая часть электронов направляется (двигается) от стока к истоку, отклоняясь к плавающему затвору. Часть электронов преодолевает тонкий слой изолятора и проникают в плавающий затвор, где и остаются на продолжительный срок хранения. Время хранения информации измеряется годами, но так или иначе оно ограничено.

Устройство USB flash довольно компактны, мобильны и дают возможность подключиться к любому компьютеру, который имеет USB-разъем. На что только не идут производители чтобы угодить потенциальным покупателям совмещая USB накопитель со всевозможными брелками, украшениями, игрушками и авторучками…

Устройство USB Flash накопителя состоит из следующих электронных компонентов:

1. Разъем USB.
2. Микроконтроллер.
3. Контрольные точки.
4. Чип (микросхема) флэш-памяти.
5. Кварцевый резонатор.
6. Светодиод.
7. Переключатель (защита от записи).
8. Место для микросхемы памяти (дополнительное место).

Далее я хотел бы более подробно остановиться на основных компонентах usb flash накопителя и описать некоторые характерные симптомы нестабильной работы USB Flash накопителя.

Компоненты и симптомы нестабильной работы USB Flash накопителя.

1. PCB — это многослойная печатная плата, которая служит основой для всех размещенных (распаянных) деталей электроники. Имеет следующие типичные неисправности: некачественно выполненный монтаж деталей электроники при деформации (изгибы, удары) платы приводит к внутренним разрывам около проводников и нестабильной работе usb-флэш накопителя.
2. USB разъем — предназначен для подключения флэш-накопителя к устройствам чтения. При некачественном монтаже разъем отрывается от дорожек и в месте пайки. Не так давно я сталкивался с данным явлением.
3. Микроконтроллер — микросхема, в обязанности которой входит управление памятью типа NAND и передача информации. Содержит в себе данные о производителе и типе памяти, а также хранит в себе необходимую служебную информацию для правильного функционирования флэш-накопителя. По вине контроллера чаще всего происходит выход из строя флэш-накопителя.
4. Симптомы характеризующие его выход из строя: флэш-накопитель определяется как «неизвестное устройство», показывает не правильный размер (объем) накопителя или просит вставить чистый диск в устройство чтения. Причиной выхода из строя контроллера (сгорает) — служит некачественное питание, плохая работа стабилизатора и неправильное извлечение флэш-накопителя.
5. Микросхема памяти типа NAND — это энергонезависимая память, которая отвечает за хранение информации. По истечении N-го количества времени, при сбое или повреждении в памяти могут образоваться поврежденные блоки (бэд блоки). Возможны и другие причины появления испорченных блоков, в которые больше не представляется возможным записывать/считывать информацию. Устранить такую неисправность можно с помощью узкоспециализированных программ, что в конечном итоге уменьшит объем памяти, но восстановит работоспособность.
6. Кварцевый резонатор — используется для построения опорной частоты, которая необходима для функционирования логики контроллера и флэш-памяти. При выходе из строя, USB флэш-накопитель определяется как «неизвестное устройство» или не определяется вовсе(не видит считывающее устройство).

Преимущества USB-флешек:

• Небольшой размер, вес, портативность.
• Накопитель можно подключить к любому устройству считывания (практически везде есть USB).
• Практически нет влияния от внешней окружающей среды (пыль, царапины, загрязненность).
• USB флешка может работать в широком диапазоне температур.
• Малые габариты позволяют хранить большой объем информации.
• Низкое энергопотребления.
• В сравнении с жестким дискам, она устойчивее к внешним воздействиям, вибрациям и ударам.
• Удобство подключения к устройству.
• Высокая скорость доступа к данным.

Недостатки USB-флешек:

• Ограниченное число циклов записи и стирания перед выходом из строя.
• Ограниченный срок автономного хранения данных.
• Скорость записи и чтения ограничены пропускной способностью шины USB и самой флеш-памяти.
• Чувствительны к радиации и электростатическому разряду (обычно наблюдается в быту, чаще всего зимой).

В заключении статьи предлагаю Вам посмотреть тематическое видео по производству USB Flash накопителей на заводе Kingston Production.