Прошлое, настоящее и будущее флэш-памяти

Сегодняшнее развитие в области высоких технологий происходит настолько стремительно, что буквально каждый месяц знаменуется каким либо достижением. Это может быть, например, появление новой модели мобильного телефона или смартфона, способа изготовления экрана дисплея или элементов питания и так далее, всего и не перечислишь.

Во всем этом бурном потоке существовала, существует и будет существовать проблема хранения данных. Емкостью жесткого компьютерного диска в 80 гигабайт, уже никого не удивишь. Но это довольно капризный механизм, который не терпит, скажем так, «экстремальных» условий эксплуатации. Уронишь его ненароком и можно быть уверенным процентов на девяносто, что вся информация «весом» в гигабайт так сто сказала «до свидания». Поэтому должно было появиться устройство, которое, во-первых, было бы достаточно мобильным, то есть его можно переносить. Во-вторых, не бояться тряски, влажности и других превратностей судьбы. В-третьих, быть энергонезависимым - данные сохраняются даже при выключенном питании. Ну и, конечно, позволяющая, хранить в себе как можно больше всякой разной разности.

Так вот первой энергонезависимой памятью явилась так называемая ROM (Read Only Memory), у нас более известная как ПЗУ память. Из названия становится понятно, что данный тип имеет единственный цикл записи. Он осуществляется сразу при производстве, путем нанесения алюминиевых дорожек между ячейками ROM литографическим способом. Наличие такой дорожки означает 1, отсутствие 0. Но, несмотря на свою дешевизну, эта память имеет существенный недостаток – записать в нее информацию можно только один раз. Поэтому, естественно, дело этим не ограничилось и была выпущена PROM (перепрограммируемая ПЗУ). Микросхему с такой памятью можно было подвергнуть повторному, правда, единственному прожигу с помощью специального устройства – программатора. В 1971 году Intel выпускает совершенно новую микросхему памяти под аббревиатурой EPROM (Erasable Programmable ROM). Такую микросхему можно было подвергать неоднократной перезаписи путем облучения чипа рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами. Через восемь лет появляется новый вид памяти, которая могла быть перезаписана частями. С помощью электрического тока становилось возможным изменение данных в определенной ячейке памяти, получившей название EEPROM. Для того, чтобы внести информацию в микросхему EEPROM, ее было достаточно подключить к системной шине микропроцессора. Это был прорыв, но, как известно в любой бочке меда всегда найдется ложка дегтя, которой стала довольно высокая цена.

Наконец в 1984 году компания Toshiba разрабатывает принципиально новый вид памяти под названием Flash. По поводу трактовки названия существует несколько версий. Так, например, по мнению некоторых оно характеризует скорость записи/стирания информации в микросхеме флэш-памяти - английское «in a flash» переводится как «в мгновение ока». Есть и другая интерпретация - процесс записи на флэш-память по-английски называется flashing (засвечивание, прожигание), такое название осталось в наследство от предшественников этой памяти. Третьи считают, что раз запись/стирание данных во флэш-памяти производится блоками-кадрами и так как flash, переводится -короткий кадр кинофильма, то отсюда и название. Как бы там не было, а флэш-память сейчас применяется во многих современных устройствах коммуникации, управления и контроля.

Прежде чем рассказывать об области применения, давайте вкратце рассмотрим принцип работы такой памяти. В простейшем случае одна ячейка флэш-памяти содержит один бит и может быть выполнена как на одном, так и на двух полевых транзисторах. Сам транзистор включает в себя специальную электрически изолированную область, называемую «плавающим затвором». Этот термин возник из-за того, что потенциал этой области не является стабильным, что позволяет накапливать в ней электроны, то есть заряд и именно здесь хранится информация. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит – логическая «1» заряда нет, «0» есть.

Выше «плавающего» находится управляющий затвор, который является неотъемлемой частью при процессе записи/стирания данных памяти. При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов, который зависит от типа ячейки: методом инжекции «горячих» электронов или методом туннелирования электронов. Эффект туннелирования использует волновые свойства электрона. Представим себе, что электрону нужно перейти из одной проводящей области в другую, но сами эти области разделены диэлектриком, преодолеть который электрон при обычных условиях не в силах – не хватает энергии. Применив различные ухищрения, например, повысив напряжение можно добиться как бы «телепортации» электрона, вот он был по одну сторону барьера, а вот оказался по другую – туннелировал. Также и термин «горячие» никакого отношения к температуре не имеет. Здесь имеется ввиду, что уже изначально инжектируются электроны обладающие достаточной энергией для преодоления слоя диэлектрика, то есть «горячие». Стирание содержимого ячейки производится методом тунеллирования.

Человек такое существо, которому уже достигнутое кажется недостаточным, поэтому естественно, что через несколько лет после выпуска первых микросхем флэш-памяти появились такие в которых одна ячейка хранила уже два бита, к тому же сейчас ученые рассматривают возможность хранения четырех битов. Секрет работы таких MultiLevel Cell (MLC) микросхем кроется в существовании различия величин заряда, которые накапливаются на «плавающем» затворе. Благодаря этому информация может быть представлена различными комбинациями битов, а MLC микросхема способна их различать.

Сегодня можно выделить по крайней мере семь типов устройств на основе флэш-памяти.

CompactFlash - карточки памяти этого формата, разработанного компанией SanDisk, впервые появились в 1994 году. Карточка содержит довольно сложный контроллер, благодаря которому она совместима с адаптерами PCMCIA. Питание может составлять 3,3 или 5В. Существует два класса CompactFlash-карт. Они различаются только толщиной (3,3 и 5 мм) и количеством чипов памяти, которые могут в них поместиться. Стандартный размер карты 43 x 36 мм.

MultiMediaCard (MMC) - размер карты всего 24 x 32 x 1,4 мм, а максимальная емкость сегодня составляет 64 MB, весят карты всего 1б5 грамма. Скорость передачи данных равняется 20 Мбит/сек. Эти модули памяти работают при напряжениях 3,3 или 2,7 В и токе до 35 мА, что и обусловливает низкое энергопотребление.

SmartMedia (SM) - размеры 37x45x0,76 мм при массе до 2 грамм. Рабочие напряжения - 3,3 В. Максимальная емкость карт составляет 128 Мбайт. Карточки не снабжены встроенным контроллером, поэтому для работы с ними невозможно применить пассивный переходник В то время как считыватели стоят до 50 долларов.

Memory Stick (MS) - 10-контактные устройства размерами 21,5x50x2,8 мм и массой 4 грамм, производства компании Sony, устанавливаются в цифровые плееры, фотоаппараты и видеокамеры, также игрушки и другие устройства.

SecureDigital - каждая SD-карта содержит два контроллера: ввода/вывода и поддержки системы кодирования. Разъем состоит из девяти контактов, четыре из которых предназначены для передачи данных, один используется для передачи команд и еще один отведен под синхросигнал. Карты оснащены механическим переключателем защиты от записи, наподобие защелки «read-only» у флоппи-дисков. Размер карты - 24 x 32 x 2,1 мм.

xD-Picture Card - аббревиатура xD означает eXtreme Digital, то есть экстремально цифровые. Основные преимущества: сниженная себестоимость (экономия на внутреннем контроллере), небольшие размеры (20 x 25 x 1,7 мм) и невысокое энергопотребление.

USB-флэш-память (USB-память) — тип флэш-накопителей, появившийся на рынке в 2001 году. По форме USB-память напоминает брелок внутри него размещаются одна или две микросхемы флэш-памяти и USB-контроллер. Для того чтобы работать с USB-памятью не требуется никаких дополнительных устройств. Достаточно компьютера с ОС Windows и USB-портом, чтобы подключить USB-флэш-память и прочесть ее содержание.

Так, где же нашла свое применение флэш-память? Прежде всего, в системах управления, где условия эксплуатации не способны выдержать другие современные носители информации. Это, во-первых, в горячих цехах, на транспорте, где ее постоянно трясет, в авиации и космонавтике – перепады давления и температуры, жесткое излучение. В этих областях этой памяти на сегодняшний день просто нет замены.

Флэш-память также работает в любом компьютере: BIOS микросхема, прошивки различных устройств - CD-ROM, видеокарта, звуковая карта, модем, а Usb-flash – это идеальная замена дискетам при переноске и хранение данных.

В автомобилях флэш-память используется системах управления двигателями для хранения кодов ошибок и параметров оптимальных режимов работы. Меломаны используют ее в MP3 плеерах, а фотографы в цифровой видео- и фотоаппаратуре.

Известная всем владельцам сотовых телефонов SIM – карточка, это тоже флэш-память, используемая для хранения телефонных номеров, учета времени использования и идентификации пользователя. Ну, а если мобильник с цифровой фотокамерой то использование флэшки, это то что «доктор прописал».

С вводом в широкую эксплуатацию сотовых сетей нового поколения 3G – применение флэш-памяти в мобильном телефоне станет просто необходимым. Поэтому многие фирмы производители сейчас на перебой предлагают свою продукцию привязывая ее именно к развитию средств коммуникации. Так, например, Курт Николс, вице-президент отделения Intel, когда представлял флэш-память StrataFlash Wireless Memory, заявил, что сегодня в сотовых телефонах хранится в основном текстовая информация (различные адреса, телефоны, SMS и т.п.), небольшие игры и мелодии звонков. Новые же сети стандартов 2,5G и 3G позволят использовать на мобильных телефонах различные приложения, требующие повышенной пропускной способности и больших объемов памяти. Потому, именно использование новой флэш-памяти позволит реализовать эти новые возможности и сделать их широкодоступными по умеренной цене. При этом господин Николс подчеркнул, что технология компактного размещения микросхем в карточке StrataFlash Wireless Memory, позволила достигнуть емкости до 1 Гбит.

А вот компания SanDisk Corporation совсем недавно представила SanDisk 256 (MВ) + Wi-Fi SD Combination карточку совмещающее в себе как флэш - память на 256 Мб, так и SD карту для осуществления беспроводного выхода в Интернет, используя WLAN технологию.

Новая карта SanDisk SD Combination, обеспечивает скорость передачи данных до 11 Мбит/сек с уверенной связью с Wi-Fi точкой на расстоянии до 244 метров. Низкое энергопотребление новинки призвано продлить время работы аккумуляторов мобильных устройств, а совмещение флэш – памяти и Wi-Fi доступа на одной карточке понижает расходы потребителей на приобретение подобных устройств. Так как по отдельности они стоят значительно дороже.

В компании Toshiba тоже не намерены выпускать пальму первенства в производстве флэш-памяти, поэтому собираются выпустить модуль с самым большим объемом хранимой информации - 4-гигабита. Массовое производство модулей флэш-памяти начнется в третьем квартале 2004 года, а ее цена будет 114 долларов за штуку. Кроме этого совместно с Samsung Electronics компания собирается резко снизить цены на модули флэш-памяти в целях поддержания спроса и ослабления позиций конкурентов. Тем не менее, аналитики говорят, что, несмотря на снижение цен, производители получат немалые прибыли. Так, по мнению Semico Research, к 2007 годы обороты на рынке флэш-памяти достигнут невероятных значений - 43 миллиардов долларов.

В тоже время специалисты, занимающиеся разработкой флэш-памяти, говорят, что если к тому же 2007 году в этой области не будет найдено новых решений, может наступить застой. Поэтому, многие научные лаборатории университетов и компаний заняты созданием принципиально новых подходов в технологии создания флэш-памяти.

Но как бы то там ни было, а у флэш-памяти, по всей видимости, в ближайшее время не будет серьезных конкурентов. Хотя если судить по темпам развития высоких технологий, когда еще примерно двадцать лет назад быть обладателем IBM 286 было не реальным счастьем, то вполне вероятно, что через год, а может и месяц появиться нечто, против которого не устоит даже самая крутая флэш-память и повторит судьбу своих предшественниц.

Вячеслав Цыганков

Technograd.com