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.
