по дисциплине «Периферийные устройства» На тему: «твердотельные накопители» (стр. 2 из 5)
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.
Поэтому реальный ресурс по записи для каждого конкретного модуля памяти зависит не только от технологии, но и от качества его изготовления, а также от условий эксплуатации, так что на практике ресурс может быть гораздо ниже заявленного. В то же время, как мы уже упоминали, число считываний ничем не ограничено и гарантируется хранение единожды записанных данных в течение 10 лет. Так что если обычные карточки флэш-памяти и USB-брелоки не использовать в качестве постоянного накопителя, не редактировать на них документы и изображения, не держать на них базы данных и не работать с операционной системой, записанной непосредственно на карточку памяти, то они будут служить вам достаточно долго и безотказно.
Современный этап и перспективы развития
Итак, несмотря на очевидные достоинства, современная флэш-память имеет серьезные недостатки, препятствующие дальнейшему расширению области ее применения. Поэтому разработчики пытаются найти альтернативные решения в рассматриваемой области. Конечно, их взоры в первую очередь обращены на так называемые наследуемые технологии, то есть на усовершенствование существующих разработок, что не потребует значительных изменений в технологическом процессе производства готовой продукции. Так что можно не сомневаться в том, что фирмы, выпускающие флэш-память, будут стараться использовать весь потенциал этого типа носителей перед переходом на накопители другого типа и продолжат совершенствовать традиционную флэш-технологию.
Однако сегодня на пороге промышленной реализации стоит уже целый ряд альтернативных технологий хранения данных, многие из которых готовы к внедрению и ожидают только благоприятной рыночной ситуации.
Ferroelectric RAM (FRAM)
Для наращивания скоростного потенциала энергонезависимой памяти предлагается технология ферроэлектрического принципа хранения информации (Ferroelectric RAM, FRAM). Считается, что механизм действия существующих технологий, который заключается в перезаписи данных в процессе считывания при любых видоизменениях базовых компонентов, будет сдерживать скоростной потенциал устройств. А у FRAM-памяти будет та же простота, скорость и надежность в эксплуатации, которая свойственна нынешней энергозависимой оперативной памяти (DRAM), но добавятся также энергонезависимость и возможность длительного хранения информации, присущие флэш-памяти. Кроме того, к достоинствам FRAM-технологии относят стойкость к радиации и другим проникающим излучениям, что может быть востребовано в специальных приборах, предназначенных для работы в условиях высокой радиоактивности или в космических исследованиях. Память FRAM для реализации механизма хранения данных использует сегнетоэлектрический эффект — возможность материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Ячейка памяти FRAM создается размещением сверхтонкой пленки сегнетоэлектрического материала в кристаллическом виде между двумя плоскими металлическими электродами, образующими конденсатор. Конструктивно последний очень похож на конденсатор, используемый при построении ячейки DRAM, однако вместо того, чтобы хранить данные как заряд в конденсаторе, подобно DRAM, сегнетоэлектрическая ячейка памяти хранит данные внутри кристаллической структуры, что предотвращает эффект утечки заряда, приводящий к потере информации, а потому FRAM не нуждается в периодической регенерации данных, как DRAM. Более того, при отключении напряжения питания данные во FRAM-памяти сохраняются.
