Твердотельные накопители, развитие в новых технологиях

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Периферийные устройства»

На тему:

 

 «ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ НАКОПИТЕЛИ»

Кафедра КСС 2007-2008 уч. Год

 

Выполнил  студент  группы  IOT-615      ВАТАЖОК И. А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Наверняка многие из нас теряли информацию в результате выхода из строя или сбоев в работе жесткого диска. Винчестер – это дамоклов меч, висящий над головой каждого пользователя, настоящий сплав механики и электроники, состоящий из вращающихся с огромной скоростью пластин, перемещающихся из стороны в сторону головок чтения-записи, микросхем и увесистого металлического корпуса. Там, где есть движущиеся части, всегда существует риск их неожиданного выхода из строя, и зачастую избежать этого невозможно. Если говорить об альтернативных накопителях, которые способны заменить собой привычные жесткие диски, то наибольший интерес здесь представляют устройства Solid State Drive (SSD).

 

 

 

Существуют два типа твердотельных  накопителей: в одном используется флэш-память, в другом – SDRAM. Устройства на основе динамической памяти заметно быстрее традиционных винчестеров, но для хранения информации им требуется постоянное обеспечение электроэнергией. Если произойдет перебой в питании, то все записанные данные будут безвозвратно утеряны. Цена подобных SSD довольно высока, а объем ограничивается устанавливаемыми модулями памяти. Один из продуктов этого класса – Gigabyte i-RAM (рис.2)– но это устройство вряд ли можно воспринимать как замену винчестера, оно скорее дополнение к дисковой подсистеме.

 

Более привлекательными в данном отношении являются накопители на основе энергонезависимой флэш-памяти. С продуктами на ее основе, кстати, мы сталкиваемся уже довольно давно. Чипы флэш-памяти имеются в составе USB-накопителей, медиаплееров, мобильных телефонов, КПК и прочих портативных устройств. Теперь же флэш-память начинает активно использоваться в накопителях для ноутбуков и настольных систем, заменяя магнитные пластины. Хотя слово «теперь» не совсем точно передает суть и означает лишь то, что только сейчас эта технология вышла на потребительский рынок.

 

 

История появления

 

Предок твердотельного винчестера представлен еще в далеком 1980 году компанией Santa Clara Systems. Продукт, названный BatRam, был 1-мегабитным кластером, состоящим  из чипов DIP RAM. Он имел специальный контроллер, эмулирующий работу винчестера, благодаря чему компьютер распознавал BatRam, как обычный жесткий диск. В 1984 году сотрудником компании Toshiba доктором Фуджио Масуока (Fujio Masuoka) была изобретена флэш-память (оба варианта NAND и NOR). Первый коммерческий чип NOR-флэш-памяти представила компания Intel в 1988 году. Через год Samsung и Toshiba вывели на рынок более дешевую разновидность энергонезависимой памяти, в которой применялась флэш-технология NAND.

 

Первые твердотельные винчестеры на основе NAND-флэш-памяти, представленные в формфакторе 2,5 и 3,5 дюйма, появились в 1995 году. Вначале производством таких накопителей занималась Msystems, к которой затем присоединился ряд других фирм, таких как Adtron, Bitmicro Net-works и Memtech. В прошлом веке из-за своей заоблачной цены твердотельные винчестеры использовались лишь в военной и аэрокосмической индустрии, а также других сферах, где требовалась устойчивость оборудования к вибрации, ударам и критическим температурам, а его стоимость большого значения не имела. Теперь же цена микросхем флэш-памяти значительно упала, и накопители SSD начинают постепенно осваивать массовый потребительский рынок.

 

 

 

 

Использование SSD

 

Энергонезависимая память широко используется в телефонах и коммуникаторах, портативных аудио- и видеоплеерах, фотоаппаратах и видеокамерах, карманных компьютерах и миниатюрных накопителях USB Flash Drive. Кому не знакомы миниатюрные брелоки с интерфейсом USB (в просторечье — флэшки), которые вытеснили наконец архаичные флоппи-диски, дошедшие до нас практически без изменений чуть ли не с первых персональных компьютеров! Слотами для сменных флэш-карт оснащается все больше мобильных и даже стационарных устройств, таких, например, как DVD-проигрыватели и фотопринтеры, — это расширяет их функциональность и предоставляет пользователям гибкость и удобство неограниченной внешней памяти.

 

Благодаря расширению возможностей портативных  устройств, способных накапливать  и переносить данные, спрос на компактные модули хранения информации постоянно растет. И тон в этой области до сих пор задавали решения на базе флэш-памяти — технологии производства легких, компактных, надежных и сравнительно недорогих в производстве носителей.

 

Это, конечно же, не случайно — ведь по практичности применения с флэш-памятью сегодня ничто не может сравниться. Большой и постоянно растущий объем информации, измеряемый уже десятками гигабайт, высокое быстродействие, отсутствие подвижных деталей и надежность хранения данных, непревзойденная компактность, неприхотливость к внешней среде, низкое энергопотребление и, наконец, удобство подключения и использования — вот секреты успеха флэшек. Отсюда и массовый выпуск, и повсеместная доступность этих высокотехнологичных изделий. Потребителей не может не радовать непрекращающееся снижение цен, которые в ряде случаев достигли уже 25-30 коп. за мегабайт.

 

 

 

 

 

Распространенная сегодня флэш-память создается на однотранзисторных  элементах (с «плавающим» затвором), что обеспечивает даже несколько  большую плотность хранения информации, чем в динамической оперативной памяти (SDRAM), использующей, как известно, минимум два транзистора и конденсаторный элемент. В настоящее время на рынке сосуществует немало различных технологий построения базовых элементов флэш-памяти, разработанных основными ее производителями (Intel, Toshiba, AMD, Sharp, Samsung и др.). Технологии отличаются количеством слоев, методами стирания и записи данных, а также организацией структуры, указанными в их названиях.

 

Однако самыми распространенными  в настоящее время остаются два типа микросхем флэш-памяти — NOR и NAND. Запоминающие транзисторы в обоих типах подключены к разрядным шинам — соответственно параллельно и последовательно. Первый тип — NOR — имеет относительно большие размеры ячеек и быстрый произвольный доступ (порядка 70 нс), что позволяет выполнять программы непосредственно из такой памяти. У второго типа — NAND — меньшие размеры ячеек и быстрый последовательный доступ со скоростью передачи до 16 Мбайт/с, что гораздо удобнее для построения устройств блочного типа, которые используются для хранения больших объемов информации.

 

Флэш-памяти типа NOR по-прежнему отдается предпочтение во многих портативных  устройствах (таких, например, как мобильные  телефоны), однако рост популярности карт памяти и накопителей с интерфейсом USB, где применяется флэш-память типа NAND, постепенно выводит в лидеры именно ее. Скажем, если в 2000 году на долю NOR-памяти приходился 91% от всех продаж и она была безоговорочным лидером, то к 2006-му в лидеры вышла NAND-память, на долю которой приходится около 60% продаж, а к 2009 году, по прогнозам аналитиков, ее доля вырастет еще на 10%, оставив памяти типа NOR чуть более четверти рынка.

 

Сегодня на рынке NAND-микросхем флэш-памяти лидируют компании Samsung и Toshiba, которые занимают там 58,5 и 24,2% соответственно. Однако такие компании, как Hynix, Infineon, Micron и STMicroelectronics, пришедшие в NAND-сегмент чуть позже лидеров, также показали достаточно быстрые темпы роста. Что касается рынка NOR, то здесь лидирующую позицию удерживает компания Intel, однако Spansion (совместное предприятие AMD и Fujitsu) уже буквально наступает ей на пятки.

 

Проблема надежности твердотельных накопителей

 

Первые серийные образцы флэш-носителей  не радовали пользователей скоростью  обмена информацией, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет даже смотреть полноформатный фильм или запускать операционную систему. Некоторые производители уже представили компьютеры, в которых вместо жесткого диска используется флэш-память, и чересчур оптимистичные пользователи поторопились отказаться не только от флоппи-дисков, но и от винчестеров.

 

Однако у флэш-памяти есть один очень неприятный недостаток, препятствующий тому, чтобы этот тип носителя заменил  все существующие оптические и магнитные накопители: ненадежность и недолговечность. Дело в том, что в силу своего устройства флэш-память допускает ограниченное количество циклов стирания и записи, вполне достижимое даже для владельцев цифровых фотоаппаратов и USB-брелоков, используемых для переноса информации, не говоря уже о более «тяжелых» способах применения типа загрузки с подобного носителя операционной системы или использования ее в качестве рабочего твердотельного диска.

 

Дело в том, что флэш-накопители построены на свойстве полевых транзисторов хранить электрический заряд в «плавающем» затворе. Наличие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. Для записи и стирания данных в NAND-памяти используется туннелирование электронов методом Фаулера — Нордхейма через диэлектрик (FN-туннелирование), что не требует высокого напряжения и позволяет сделать ячейки минимального размера. Однако именно процесс туннелирования заряда физически изнашивает эти ячейки, поскольку при помощи электрического тока заставляет электроны проникать в затвор, проходя сквозь барьеры из диэлектрика. Собственно, срок хранения информации в такой памяти декларируется достаточно длительный — 10 лет, но изнашивает микросхему памяти не чтение информации, а процессы стирания и записи, ведь для чтения через канал просто пропускается электрический ток, не изменяющий его структуры.

 

 Причем по мере роста емкости  чипов и удешевления процесса  производства заявленный ресурс  заметно снижался: от примерно 1 млн циклов записи в один блок, что декларировалось еще несколько лет назад, до 50-100 тыс. в новых моделях. А в дешевой памяти MLC (Multi-Level Cell) ограничение на количество циклов записи еще меньше — до 10 тыс.

 

Разумеется, производители памяти принимают меры для увеличения срока службы твердотельных накопителей этого типа: в первую очередь они стремятся обеспечить равномерность процессов записи/стирания по всем ячейкам массива, чтобы какие-то из них не подвергались большему износу, чем другие. Равномерность нагрузки обеспечивается различными путями, причем в основном программными. Например, для борьбы с этим явлением применяется технология «выравнивания износа» (wear leveling) — часто изменяемые данные перемещаются по адресному пространству флэш-памяти, так что запись производится по разным физическим адресам. В каждый контроллер заложен свой алгоритм выравнивания, и сравнивать их эффективность у тех или иных моделей затруднительно, поскольку подробности реализации не разглашаются.

 

Одним из таких путей является резервирование некоторого объема памяти, за счет которого при интенсивной работе с флэшкой обеспечивается равномерная нагрузка и коррекция возникающих ошибок при помощи специальных алгоритмов «подмены» физических блоков в логической адресации. А в целях предотвращения потери информации вышедшие из строя ячейки выводятся из работы — заменяются на «резервные» или блокируются. В результате подобного программного распределения блоков и обеспечения равномерности нагрузки количество циклов удается поднять в 3-5 раз, но этого все равно недостаточно.

 

Отметим также, что в служебную  область любого накопителя записывается таблица файловой системы, чтобы  предотвратить сбои чтения данных на логическом уровне, возможные, к примеру, при некорректном отключении накопителя или при внезапном отключении электроэнергии. А поскольку в случае применения сменных устройств система не использует кэширования записи (на случай, если пользователь решит выдернуть флэшку сразу после обращения к ней), то от частой перезаписи особенно страдают области оглавления каталогов и таблицы размещения файлов. Например, если пользователь при однократном обращении переписал тысячу файлов и вроде бы всего лишь по разу использовал на запись те блоки, где они размещаются, то служебные области переписывались при каждом обновлении любого из файлов, то есть таблицы размещения файлов переписывались тысячу раз, а следовательно, занимаемые ими блоки выйдут из строя в первую очередь. Технология «выравнивания износа», конечно, работает и с такими блоками, но ее эффективность ограниченна.

 

К сожалению, с увеличением  емкости микросхем флэш-памяти снижается  и общее количество циклов записи, поскольку ячейки становятся все  более миниатюрными и для рассеивания  оксидных перегородок, изолирующих «плавающий» затвор, требуется все меньшее напряжение. Поэтому с увеличением емкости используемых флэш-накопителей проблема надежности только усугубляется.

 

 Причем надежность работы  флэш-памяти определяется не только  техническими особенностями ее  конструкции, но и ситуацией на рынке. Жесткая конкуренция вынуждает производителей любыми путями снижать себестоимость продукции, в том числе за счет упрощения конструкции, перехода на более дешевые комплектующие, ослабления контроля при производстве и т.д. Все это однозначно отражается на надежности. Проблемы при эксплуатации возникают даже у модулей от известных компаний-производителей, что уж говорить об изделиях категории no name, которых с ростом популярности этого типа носителей развелось великое множество.

 

Практика показывает, что гигабайтная  флэш-карточка при интенсивном ежедневном использовании в цифровом фотоаппарате может начать выходить из строя уже  через год-два после начала применения.

 

Миниатюрные флэшки (особенно это  касается дешевых моделей) нередко страдают и от грубого обращения. Брелоки зачастую имеют непрочный корпус, тонкую плату и слабое крепление разъема USB, а карты памяти выходят из строя из-за деформации: у них может расслаиваться корпус, выпадать задвижка разрешения записи, смещаться или истираться разделители контактов или сами контакты. Нагрузки на корпус вызывают микротрещины на плате, приводят к нарушению контактов и растрескиванию деталей. От ударов и падений страдает кварцевый резонатор. Большинство устройств имеют негерметичный корпус, допускающий попадание влаги, а некоторые — ненадежную пайку элементов. Карты с открытыми контактами часто страдают от повреждения статическим разрядом в процессе вставки или извлечения из слота.