Флэш-память на любой вкус

Сергей Пахомов

Устройство ячейки флэш-памяти

Архитектура ПЗУ-памяти

   Структура CMOS-транзистора

   Структура транзистора с плавающим затвором

   Двухтранзисторная ячейка памяти

   Ячейка SST

   MLC-ячейки памяти

   Ячейки Saifun NROM и MirrorBit

Архитектура флэш-памяти

   Архитектура NOR

   Архитектура NAND

Типы флэш-карт

   CompactFlash

   SmartMedia

   MultiMediaCard

   Secure Digital

   Memory Stick

   xD-Picture (XD)

 

Носители, использующие флэш-память, составляют самый многочисленный класс портативных носителей цифровой информации и применяются в подавляющем большинстве современных цифровых устройств. Различные типы карт флэш-памяти все чаще используются в цифровых камерах, карманных компьютерах, аудиоплеерах, мобильных телефонах и других портативных электронных системах.

Использование чипов флэш-памяти позволяет создавать миниатюрные и очень легкие энергонезависимые сменные карты памяти, обладающие к тому же низким энергопотреблением. Важным достоинством карт на основе флэш-памяти является также их высочайшая надежность, обусловленная отсутствием движущихся частей, что особенно критично в случае внешних механических воздействий: ударов, вибраций и т.п.

Основные недостатки таких носителей — довольно большая цена самих карт флэш-памяти и высокая удельная стоимость хранимых на них данных, хотя в настоящее время наблюдается тенденция к значительному снижению цен на сменные карты флэш-памяти.

Самыми распространенными типами флэш-карт сегодня являются CompactFlash (CF), SmartMedia (SM), Securе Digital (SD), MultiMediaCard (MMC) и Memory Stick (MS), которые отличаются друг от друга интерфейсами, габаритами, скоростью чтения/записи и максимально возможной емкостью.

Впрочем, несмотря на разнообразие стандартов, выбор у пользователя не слишком велик. А точнее, этого самого выбора пользователю никто и не предлагает. Если взять такой сегмент рынка, как цифровые фотокамеры, то каждая камера рассчитана на определенный формат флэш-карт и нередко именно тип используемой флэш-памяти влияет на конечный выбор в пользу той или иной камеры.

На физическом уровне у флэш-памяти различных стандартов много общего, и в первую очередь это архитектура массива памяти и устройство самой ячейки памяти. Поэтому, прежде чем переходить к рассмотрению различных типов карт флэш-памяти, остановимся на базовых аспектах ее архитектуры.

Устройство ячейки флэш-памяти

Как известно, естественной для компьютера арифметикой является двоичная логика, когда вся информация кодируется с помощью логических нулей и единиц — информационных битов. С позиции электроники двоичной логике соответствует два дискретных состояния сигнала, одному из которых приписывается значение логического нуля, а второму — логической единицы. Соответственно и память, используемая в цифровой электронике, представляет собой организованное хранилище логических нулей и единиц. В простейшем случае каждая элементарная ячейка памяти хранит один бит информации, то есть либо 0, либо 1. Известные типы памяти различаются между собой лишь конструктивными особенностями элементарной ячейки памяти и принципами организации массива этих ячеек.

Рассмотрим для примера хорошо известную оперативную память с произвольным доступом, именуемую также RAM-памятью (Random Access Memory). По принципам действия RAM-память можно разделить на динамическую и статическую.

В статической памяти ячейки построены на различных вариантах триггеров — на транзисторных схемах с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может находиться в одном из этих состояний и сохранять записанный бит как угодно долго: необходимо только наличие питания. Отсюда и название памяти — статическая, то есть пребывающая в неизменном состоянии. Достоинством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками — высокое энергопотребление и низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггерная ячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает довольно много места на кристалле.

В динамической памяти элементарная ячейка представляет собой конденсатор, способный в течение короткого промежутка времени сохранять электрический заряд, наличие которого можно ассоциировать с информационным битом. Проще говоря, при записи логической единицы в ячейку памяти конденсатор заряжается, при записи нуля — разряжается. При считывании данных конденсатор разряжается через схему считывания, и если заряд конденсатора был ненулевым, то на выходе схемы считывания устанавливается единичное значение. Кроме того, поскольку при считывании конденсатор разряжается, то его необходимо зарядить до прежнего значения. Поэтому процесс считывания сопровождается подзарядкой конденсаторов (регенерацией заряда). Если в течение длительного времени обращения к ячейке не происходит, то постепенно за счет токов утечки конденсатор разряжается и информация теряется. В связи с этим память на основе массива конденсаторов требует периодического подзаряда конденсаторов, поэтому ее и называют динамической. Для компенсации утечки заряда применяется регенерация, основанная на циклическом обращении к ячейкам памяти, восстанавливающим прежний заряд конденсатора.

И статическая, и динамическая RAM-память представляет собой энергозависимую память, которая способна сохранять информационные биты только при наличии внешнего питания. Соответственно при отключении питания вся информация теряется.

Принципиальное отличие флэш-памяти от RAM-памяти заключается в том, что это энергонезависимая память, способная в течение неограниченного времени сохранять информацию при отсутствии внешнего питания.

В принципе, существует несколько типов энергонезависимой памяти, и в этом смысле флэш-память — лишь одна из ее разновидностей.

Архитектура ПЗУ-памяти

Простейшим примером энергонезависимой памяти является ROM (Read-Only Memory), известная также как ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). В такой памяти массив ячеек представляет собой набор проводников, некоторое из которых остаются целыми, а остальные разрушаются. Данные проводники, выполняющие роль элементарных переключателей, организуются в матрицу путем подсоединения к линиям столбцов и строк (рис. 1). Замкнутому состоянию проводника можно присвоить значение логического нуля, а разомкнутому — логической единицы. Если теперь измерить напряжение между одной из линий столбцов и строк (то есть получить доступ к определенной ячейке памяти), то его высокое значение (разомкнутое состояние проводника) соответствует логической единице, а нулевое (замкнутое состояние проводника) — логическому нулю.

 

Рис. 1. Структура ПЗУ

Рис. 1. Структура ПЗУ

Основным недостатком ПЗУ является невозможность обновлять содержимое ячеек памяти, то есть записывать информацию. Когда-то такая память использовалась для хранения BIOS, однако сегодня этот тип памяти уже не применяется.

Другой тип энергонезависимой памяти — перезаписываемое ПЗУ (ППЗУ) или EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory). Такая память может быть перезаписана только с помощью специальных программаторов. В настоящее время из-за сложности процесса перезаписи на смену ППЗУ приходит флэш-память (Flash Memory).

Сейчас уже довольно сложно определить происхождение термина «flash». В буквальном переводе с английского flash — это вспышка, молния. Возможно, таким названием разработчики хотели подчеркнуть, что данная энергонезависимая память позволяет перезаписывать информацию со скоростью молнии. В любом случае название «flash» прочно закрепилось за этим типом памяти, хотя и не имеет никакого отношения ни к архитектуре памяти, ни к технологиям ее производства.

Структура CMOS-транзистора

Между флэш-памятью и динамической RAM-памятью, равно как и ROM-памятью, есть много общего. Принципиальное различие заключается прежде всего в строении самой элементарной ячейки. Если в динамической памяти элементарной ячейкой является конденсатор, то во флэш-памяти роль ячейки памяти выполняет CMOS-транзистор особой архитектуры. И если в обычном CMOS-транзисторе имеется три электрода (сток, исток и затвор), то во флэш-транзисторе (в простейшем случае) добавляется еще один затвор, называемый плавающим.

Обычный CMOS-транзистор может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. Рассмотрим принцип действия обычного транзистора на примере n-p-n-транзистора (рис. 2). В таком транзисторе области стока и истока имеют электронную проводимость (n-области), а область затвора — дырочную проводимость (p-область). Сам транзистор выполнен в полупроводнике p-типа с дырочной проводимостью. Естественно, что за счет диффузии дырок из p-области в n-область и обратной диффузии электронов из n-области в p-область на границах переходов p- и n-областей формируются обедненные слои (слои, в которых отсутствуют основные носители зарядов), препятствующие протеканию тока. В обычном положении, то есть когда к затвору не прикладывается напряжение или подается отрицательный потенциал, транзистор находится в закрытом состоянии, то есть не способен проводить ток от истока к стоку. Ситуация не меняется, даже если приложить напряжение между стоком и истоком (при этом не принимаются во внимание токи утечки, вызванные движением под воздействием формируемых электрических полей неосновных носителей заряда, то есть дырок для n-области и электронов для p-области).

 

Рис. 2. Принцип действия n-p-n-CMOS-транзистора

Рис. 2. Принцип действия n-p-n-CMOS-транзистора

Однако если к затвору приложить положительный потенциал, то ситуация в корне изменится. Под воздействием электрического поля затвора дырки выталкиваются вглубь p-полупроводника, а электроны, наоборот, втягиваются в область под затвором, образуя обогащенный электронами канал между истоком и стоком. Если приложить к затвору положительное напряжение, эти электроны начинают двигаться от истока к стоку. При этом транзистор проводит ток — говорят, что транзистор открывается. Если напряжение с затвора снимается, электроны перестают втягиваться в область между истоком и стоком, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток, то есть закрывается.

В открытом состоянии напряжение между стоком и истоком близко к нулю, а в закрытом состоянии это напряжение может достигать высокого значения. Ситуация в данном случае аналогична ячейкам ПЗУ с замкнутыми и разомкнутыми проводниками. Закрытое состояние транзистора соответствует разомкнутому проводнику и может трактоваться как логическая единица, а открытое состояние транзистора соответствует замкнутому проводнику и может трактоваться как логический нуль. Проблема заключается лишь в том, что для задания транзистору того или иного состояния необходимо подавать управляющее напряжение на затвор, то есть данная структура позволяет записывать информацию (задавать значение нуля или единицы), но не дает возможности эту информацию сохранять, поскольку при отсутствии напряжения на затворе его состояние всегда становится закрытым. Поэтому нужно придумать такой способ, чтобы способность находиться в открытом или закрытом состоянии у транзистора сохранялась как угодно долго. Для этого в транзисторы, используемые во флэш-памяти, добавляется плавающий затвор, который служит для хранения заряда (электронов) в течение неограниченного времени.

Структура транзистора с плавающим затвором

Рассмотрим сначала ситуацию, когда на плавающем затворе нет электронов. В этом случае транзистор ведет себя подобно уже рассмотренному традиционному транзистору. При подаче на управляющий затвор положительного напряжения (инициализация ячейки памяти) он будет находиться в открытом состоянии, что соответствует логическому нулю (рис. 3). Если же на плавающем затворе помещен избыточный отрицательный заряд (электроны), то даже при подаче положительного напряжения на управляющий затвор он компенсирует создаваемое управляющим затвором электрическое поле и не дает образовываться каналу проводимости, то есть транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

 

Рис. 3. Устройство транзистора с плавающим затвором и чтение содержимого ячейки памяти

Рис. 3. Устройство транзистора с плавающим затвором и чтение содержимого ячейки памяти

Таким образом, наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе однозначно определяет состояние транзистора (открыт или закрыт) при подаче одного и того же положительного напряжения на управляющий затвор. Если подачу напряжения на управляющий затвор трактовать как инициализацию ячейки памяти, то по напряжению между истоком и стоком можно судить о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе. Получается своеобразная элементарная ячейка памяти, способная сохранять один информационный бит. При этом важно, чтобы заряд на плавающем затворе (если он там имеется) мог сохраняться там как угодно долго как при инициализации ячейки памяти, так и при отсутствии напряжения на управляющем затворе. В этом случае ячейка памяти будет энергонезависимой. Осталось лишь придумать, каким образом на плавающий затвор помещать заряд (записывать содержимое ячейки памяти) и удалять его оттуда (стирать содержимое ячейки памяти) в случае необходимости.

Помещение заряда на плавающий затвор (процесс записи) реализуется либо методом инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons), либо методом туннелирования Фаулера-Нордхейма (аналогично тому, как это делается при удалении заряда — см. далее).

При использовании метода инжекции горячих электронов на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение (рис. 4), чтобы придать электронам в канале энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонким слоем диэлектрика, и туннелировать в область плавающего затвора (при чтении на управляющий затвор подается меньшее напряжение и эффекта туннелирования не наблюдается).

 

Рис. 4. Процесс записи и стирания информационного бита в транзистор с плавающим затвором

Рис. 4. Процесс записи и стирания информационного бита в транзистор с плавающим затвором

Для удаления заряда с плавающего затвора (процесс стирания ячейки памяти) на управляющий затвор подается высокое (порядка 9 В) отрицательное напряжение, а на область истока — положительное напряжение (рис. 4). Это приводит к тому, что электроны туннелируют из области плавающего затвора в область истока (квантовое туннелирование Фаулера-Нордхейма — Fowler-Nordheim, FN).

Рассмотренный нами транзистор с плавающим затвором может выступать в роли элементарной ячейки флэш-памяти. Однако однотранзисторные ячейки имеют ряд существенных недостатков, главный из которых — плохая масштабируемость. Дело в том, что при организации массива памяти каждая ячейка памяти (транзистор) подключается к двум перпендикулярным шинам: управляющие затворы — к шине, называемой линией слов, а стоки — к шине, называемой битовой линией (в дальнейшем данная организация будет рассмотрена на примере NOR-архитектуры). Вследствие наличия в схеме высокого напряжения при записи методом инжекции горячих электронов все линии — слов, битов и истоков — необходимо располагать на достаточно большом расстоянии друг от друга для обеспечения требуемого уровня изоляции, что, естественно, сказывается на ограничении объема флэш-памяти.

Другим недостатком однотранзисторной ячейки памяти является наличие эффекта избыточного удаления заряда с плавающего затвора, который не может компенсироваться процессом записи. В результате на плавающем затворе образуется положительный заряд и транзистор остается всегда в открытом состоянии.

Двухтранзисторная ячейка памяти

Для того чтобы избежать недостатков однотранзисторных ячеек памяти, используют различные модификации ячеек памяти, однако главный базовый элемент — транзистор с плавающим затвором — остается в любом варианте ячейки памяти. Одним из модифицированных вариантов ячейки памяти является двухтранзисторная ячейка, содержащая обычный CMOS-транзистор и транзистор с плавающим затвором (рис. 5). Обычный транзистор используется для изоляции транзистора с плавающим затвором от битовой линии.

 

Рис. 5. Двухтранзисторная ячейка памяти и ее обозначение

Рис. 5. Двухтранзисторная ячейка памяти и ее обозначение

Преимущество двухтранзисторной ячейки памяти заключается в том, что с ее помощью можно создавать более компактные и хорошо масштабируемые микросхемы памяти, поскольку в данном случае транзистор с плавающим затвором изолируется от битовой линии. Кроме того, в отличие от однотранзисторной ячейки памяти, где для записи информации используется метод инжекции горячих электронов, в данном случае и для записи, и для стирания информации применяется метод квантового туннелирования Фаулера-Нордхейма, что позволяет снизить напряжение, необходимое для операции записи. Как будет показано в дальнейшем, двухтранзисторные ячейки используются в памяти с архитектурой NAND.

Ячейка SST

Описанными ячейками памяти не исчерпывается все многообразие возможных конструкций. Широкое распространение получили и другие типы ячеек памяти, например ячейка SST, разработанная компанией Silicon Storage Technology, Inc.

По принципу действия SST-ячейка во многом напоминает уже рассмотренную однотранзисторную ячейку памяти.

Однако в транзисторе SST-ячейки изменены формы плавающего и управляющего затворов (рис. 6). Управляющий затвор выровнен своим краем с краем стока, а его изогнутая форма дает возможность разместить плавающий затвор частично под ним и одновременно над областью истока. Такое расположение плавающего затвора позволяет, с одной стороны, упростить процесс помещения на него заряда методом инжекции горячих электронов, а с другой стороны, упростить процесс снятия заряда за счет эффекта туннелирования Фаулера-Нордхейма.

 

Рис. 6. Структура SST-ячейки памяти

Рис. 6. Структура SST-ячейки памяти

При снятии заряда туннелирование электронов происходит не в область истока, как у рассмотренной однотранзисторной ячейки, а в область управляющего затвора. Для этого на управляющий затвор подается высокое положительное напряжение. Под воздействием электрического поля, создаваемого управляющим затвором, происходит туннелирование электронов с плавающего затвора, чему способствует его изогнутая к краям форма.

При помещении заряда на плавающий затвор сток заземляется, а к истоку и к управляющему затвору подается положительное напряжение. Управляющий затвор формирует при этом канал проводимости, а напряжение между стоком и истоком «разгоняет» электроны, сообщая им энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, то есть для туннелирования на плавающий затвор.

В отличие от однотранзисторной ячейки памяти ячейка SST имеет и несколько иную схему организации массива памяти.

MLC-ячейки памяти

Все рассматривавшиеся до этого варианты ячеек памяти способны сохранять только один бит информации в расчете на одну ячейку. Однако существуют и такие ячейки, каждая из которых сохраняет по нескольку битов, — это многоуровневые ячейки, или MLC (MultiLevel Cell).

Принцип работы многоуровневой MLC-ячейки памяти достаточно прост и во многом схож с принципом работы однотранзисторной ячейки на базе транзистора с плавающим затвором.

Как уже отмечалось при рассмотрении однотранзисторной ячейки памяти, наличие логической единицы или нуля определяется по значению напряжения на битовой линии и зависит от наличия или отсутствия заряда на плавающем затворе. Если на управляющий затвор подается положительное напряжение, то при отсутствии заряда на плавающем затворе транзистор открыт и напряжение между стоком и истоком мало, что соответствует логическому нулю. Если же на плавающем затворе имеется отрицательный заряд, своим полем экранирующий поле, создаваемое управляющим затвором, то транзистор оказывается в закрытом состоянии, что соответствует высокому напряжению между стоком и истоком (логическая единица). Понятно, что даже при наличии отрицательного заряда на плавающем затворе транзистор можно перевести в открытое состояние, однако для этого придется подать большее напряжение (пороговое напряжение) на управляющий затвор. Следовательно, об отсутствии или наличии заряда на плавающем затворе можно судить по пороговому значению напряжения на управляющем затворе. Поскольку пороговое напряжение зависит от величины заряда на плавающем затворе, то можно не только определить два предельных случая — отсутствие или присутствие заряда, но и по величине порогового напряжения судить о количестве заряда. Таким образом, если имеется возможность размещать на плавающем затворе разное количество уровней заряда, каждому из которых соответствует свое значение порогового напряжения, то в одной ячейке памяти можно сохранять несколько информационных битов. К примеру, для того, чтобы с использованием такого транзистора сохранять в одной ячейке 2 бита, необходимо различать четыре пороговых напряжения, то есть иметь возможность размещать на плавающем затворе четыре различных уровня заряда. Тогда каждому из четырех пороговых напряжений можно поставить в соответствие комбинацию двух битов: 00, 01, 10, 11.

Для того чтобы иметь возможность записывать в одну ячейку 4 бита, необходимо различать уже 16 пороговых напряжений.

Ячейки MLC активно разрабатываются компанией Intel, поэтому технология памяти на основе MLC-ячеек получила название Intel StrataFlash.

Ячейки Saifun NROM и MirrorBit

Intel StrataFlash на базе MLC-ячеек — не единственная технология, позволяющая сохранять несколько информационных битов в одной ячейке. Израильской компанией Saifun разработана еще одна технология — Saifun NROM technology. Аналогичная технология под названием MirrorBit есть и у компании AMD. И хотя сама компания AMD заявляет о технологии MirrorBit как о своей разработке, возникают большие сомнения в ее правоте. Компания Saifun также усомнилась в авторских правах AMD и подала иск в суд, который был удовлетворен. В связи с этим мы будем рассматривать только технологию Saifun NROM technology.

Ячейка NROM (Nitrid ROM) по своей структуре напоминает транзистор с плавающим затвором. Управляющий затвор подключается к линии слов (Word Line), а сток и исток (они, кстати сказать, совершенно одинаковые), подключаются к двум разным линиям бит. Плавающий затвор выполнен из нитрида кремния (Si3N4) (рис. 7).

 

Рис. 7. Структура ячейки NROM

Рис. 7. Структура ячейки NROM

Принцип действия такого транзистора аналогичен принципу работы обычного транзистора с плавающим затвором, но за одним исключением. Дело в том, что нитрид кремния, из которого изготавливается плавающий затвор, препятствует «растечению» заряда, то есть позволяет локализовать его в ограниченном пространстве плавающего затвора. Фактически это позволяет сохранять два информационных бита с использованием одного затвора.

Для записи информационного бита в такую ячейку к управляющему затвору и одному из стоков/истоков подается напряжение. За счет инжекции горячих электронов через слой диэлектрика электроны проникают в плавающий затвор, локализуясь в области, ближайшей к тому стоку/истоку, к которому прикладывалось напряжение.

Удаление заряда с плавающего затвора происходит за счет процесса инжекции дырок, для чего на сток/исток подается положительное напряжение. Дырки, туннелирующие в область плавающего затвора, рекомбинируют с электронами, что приводит к уничтожению заряда.

В начало В начало

Архитектура флэш-памяти

Рассмотренная нами простейшая ячейка флэш-памяти на основе транзистора с плавающим затвором, способная сохранять один бит информации, может использоваться для создания массивов энергонезависимой памяти. Для этого нужно только соответствующим образом объединить в единый массив множество ячеек, то есть создать архитектуру памяти.

Существует несколько типов архитектур флэш-памяти, но наибольшее распространение получили архитектуры NOR и NAND.

Архитектура NOR

Самая простая для понимания архитектура флэш-памяти — архитектура NOR (рис. 8).

 

Рис. 8. Архитектура NOR

Рис. 8. Архитектура NOR

Как уже отмечалось, для инициализации ячейки памяти, то есть для получения доступа к содержимому ячейки, необходимо подать напряжение на управляющий затвор. Поэтому все управляющие затворы должны быть подсоединены к линии управления, называемой линией слов (Word Line). Анализ содержимого ячейки памяти производится по уровню сигнала на стоке транзистора. Поэтому стоки транзисторов подключаются к линии, называемой линией битов (Bit Line).

Своим названием архитектура NOR обязана логической операции ИЛИ-НЕ (английская аббревиатура — NOR). Логическая операция NOR над несколькими операндами дает единичное значение, когда все операнды равны нулю, и нулевое значение во всех остальных случаях. Если под операндами понимать значения ячеек памяти, то в рассмотренной архитектуре единичное значение на битовой линии будет наблюдаться только в том случае, когда значение всех ячеек, подключенных к данной битовой линии, равно нулю (все транзисторы закрыты).

Архитектура NOR обеспечивает произвольный быстрый доступ к памяти, однако процессы записи (используется метод инжекции горячих электронов) и стирания информации происходит достаточно медленно. Кроме того, в силу технологических особенностей производства микросхем флэш-памяти с архитектурой NOR, размер самой ячейки получается весьма большим и потому такая память плохо масштабируется.

Архитектура NAND

Другой распространенной архитектурой флэш-памяти является архитектура NAND, соответствующая логической операции И-НЕ. Операция NAND дает нулевое значение только в том случае, когда все операнды равны нулю, и единичное значение во всех остальных случаях. Как мы уже отмечали, нулевое значение соответствует открытому состоянию транзистора, поэтому архитектура NAND подразумевает, что битовая линия имеет нулевое значение в случае, когда все подсоединенные к ней транзисторы открыты, и единичное значение — когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Такую архитектуру можно организовать, если подключать транзисторы с битовой линии не по одному (как в архитектуре NOR), а последовательными сериями (рис. 9).

 

Рис. 9. Архитектура NAND

Рис. 9. Архитектура NAND

В сравнении с архитектурой NOR данная архитектура в силу особенностей технологического процесса производства позволяет добиться более компактного расположения транзисторов, а следовательно, хорошо масштабируется. В отличие от NOR-архитектуры, где запись информации производится методом инжекции горячих электронов, в архитектуре NAND запись осуществляется методом туннелирования FN, что позволяет реализовать более быструю запись, чем для архитектуры NOR. Чтобы уменьшить негативный эффект низкой скорости чтения, микросхемы NAND снабжаются внутренним кэшем.

Кроме рассмотренных нами архитектур NOR и NAND, во флэш-памяти используются и другие архитектуры, например AND, DiNOR и т.д., но они не получили массового распространения.

В начало В начало

Типы флэш-карт

В настоящее время на рынке присутствуют карты флэш-памяти различных форматов, самые новые из которых — это Secure Digital (SD), Memory Stick (MS), MultiMediaCard (MMC) и xD-Picture Card (XD). Не стоит также забывать и о хорошо зарекомендовавших себя форматах CompactFlash (CF) и SmartMedia (SM).

По оценкам некоторых аналитических изданий, в настоящее время 54% рынка занимают карты CF, на втором месте — Memory Stick (25%), на третьем — Secure Digital (10%), далее следуют SmartMedia (8%) и MultiMediaCard (3%).

CompactFlash

Карты памяти CompactFlash представляют собой высококачественные универсальные перезаписываемые носители информации, ориентированные на бытовую электронику и компьютерное оборудование нового поколения. Компактность и надежность этих носителей делают их идеальным решением для использования в цифровых фотокамерах, персональных цифровых секретарях (PDA), МР3-плеерах, сотовых телефонах, карманных сканерах, фотопринтерах, портативных терминалах, магнитофонах, диктофонах, устройствах глобальной навигации и во многих других устройствах, оснащенных слотом CompactFlash.

 

CompactFlash

CompactFlash является одним из старейших и самым распространенным в настоящий момент стандартом сменных карт флэш-памяти, а также прямым потомком карт PCMCIA. На карты этого стандарта приходится более 54% мирового рынка карт памяти. Первая серийная карта CompactFlash была изготовлена корпорацией SanDisk в 1994 году.

В октябре 1995 года была создана некоммерческая организация Compact Flash Association (CFA), куда помимо компании SanDisk вошли IBM, Canon, Kodak, HP, Hitachi, Epson и Socket Communications.

Размер карты CompactFlash составляет 43Ѕ36Ѕ3,3 мм, а интерфейсный разъем оснащен 50 контактами.

В настоящее время CompactFlash представляет собой наиболее выгодное решение в плане удельной стоимости хранимых носителем данных на основе флэш-памяти при объеме более 32 Мбайт.

Одним из главных достоинств карты CompactFlash является наличие встроенного ATA-контроллера, благодаря которому она совместима с IDE-интерфейсом, что подразумевает возможность эмуляции жесткого диска. На программном уровне карта ничем не отличается от винчестера: она обладает всеми необходимыми параметрами, такими как количество виртуальных цилиндров и головок. Обращение к карте выполняется с помощью стандартного аппаратного прерывания IRQ 14, и зачастую для работы с CompactFlash не нужны специальные драйверы.

Встроенный преобразователь напряжения питания позволяет подключать карты CompactFlash в слоты с напряжением как 3,3 В, так и 5 В.

Существует два типа карт CompactFlash: Type I и Type II, единственное различие между которыми заключается в толщине корпуса: у карт Type I толщина составляет 3,3 мм, а у Type II — 5,5 мм. Однако карты CompactFlash Type I можно использовать в слотах Type I и Type II, а карты CompactFlash Type II — только в слотах Type II.

Карты CompactFlash являются рекордсменами как по скорости чтения/записи, так и по максимальной емкости, что обусловливает их широкое распространение в среде профессиональных цифровых камер. Что касается скорости, то следует отметить, что многие производители выпускают различные как по скорости, так и по цене серии карт CompactFlash. Сегодня в розничной торговле доступны карты CF объемом 4 Гбайт. Если же говорить о скоростях чтения/записи, то здесь все зависит и от производителя, и от серии, и даже от объема карты.

Рассмотрим, к примеру, карты CompactFlash компании Kingston Technology серий Standard (емкость 256, 512 и 1024 Мбайт) и Elite PRO (емкость 2 и 4 Гбайт). Результаты, отражающие скорости последовательного чтения и записи, были получены с помощью тестового пакета IOmeter (рис. 10 и 11).

 

Рис. 10. Зависимость скорости последовательного чтения от размера запроса для карт формата CompactFlash

Рис. 10. Зависимость скорости последовательного чтения от размера запроса для карт формата CompactFlash

Рис. 11. Зависимость скорости последовательной записи от размера запроса для карт формата CompactFlash

Рис. 11. Зависимость скорости последовательной записи от размера запроса для карт формата CompactFlash

Тестирование показало, что скорость линейного чтения у серии Elite PRO более чем в два раза превосходит скорость линейного чтения у серии Standard, причем у карты емкостью 2 Гбайт эта скорость выше, чем у карты емкостью 4 Гбайт, а у всех карт серии Standard скорость последовательного чтения одинакова.

При последовательной записи наблюдается примерно та же закономерность. Исключение составила карта серии Standart емкостью 512 Мбайт, у которой скорость последовательной записи при размере запроса более 32 Кбайт оказалась даже выше, чем у карты серии Elite PRO емкостью 4 Гбайт.

SmartMedia

Спецификация карт SmartMedia была предложена компанией Toshiba в 1996 году. Впрочем, первоначально эти карты имели менее благозвучное название: Solid-State Floppy Disk Card (SSFDC). Карты SmartMedia имеют наименьшую среди существующих сегодня носителей на основе флэш-памяти толщину — всего 0,76 мм (как у кредитной карточки). Этот показатель был достигнут благодаря максимальной простоте устройства: внутри карты SmartMedia отсутствуют контроллеры и дополнительные схемы, а установлен лишь чип NAND-памяти. Такое решение позволило максимально уменьшить как размер (45Ѕ37Ѕ0,76 мм) и вес (около 2 г) самой карты, так и ее цену.

Компактность этих карт памяти позволяет использовать их в цифровых камерах, устройствах PDA, диктофонах, факс-аппаратах, принтерах, сканерах, электронных записных книжках и портативных терминалах. Кроме того, карты памяти этого типа могут применяться в оборудовании, требующем использования съемных микросхем памяти в целях обеспечения портативности, обновления ПО или наращивания объемов памяти для поддержки новых приложений.

Физический интерфейс карт SmartMedia представляет собой плоский разъем с 22 контактами. Передача данных осуществляется по 8-разрядной шине, а максимальное время доступа при чтении и записи в зависимости от емкости карты составляет от 50 до 80 нс.

Существует два вида карт SmartMedia, один из которых рассчитан на напряжение питания 3,3 В, а другой — на 5 В. Вид карты легко определить по положению так называемого ключа — срезанного угла в той части карты, где расположены контакты. Поскольку ключи у них расположены с разных сторон, эти виды карт несовместимы между собой, то есть невозможно подключить карту SmartMedia, рассчитанную на 3,3 В, в слот с напряжением питания 5 В, и наоборот.

MultiMediaCard

Карты стандарта MultiMediaCard появились в 1997 году как результат сотрудничества компаний SanDisk Corporation и Siemens AG/Infineon Technologies AG.

В 1998 году был сформирован альянс MMCA (MultiMediaCard Association), в состав которого вошли компании HP, SanDisk, Kodak, Hitachi, Infineon Technology, Lexar Media, Micron, Sanyo, Siemens и Nokia.

Стандарт был изначально «свободным», то есть лишенным каких-либо лицензионных ограничений.

На момент появления карты MMC были самыми миниатюрными (24Ѕ32Ѕ1,4 мм) и легкими (менее 2 г).

Карты MMC имеют всего семь контактов и осуществляют передачу данных через последовательный интерфейс, что обусловливает максимальную простоту их использования.

Эти карты ориентированы на применение в новейших цифровых видео- и фотокамерах, мобильных телефонах с интеллектуальными функциями и функциями загрузки/воспроизведения музыкальных записей, цифровых портативных аудиоплеерах, игрушках и игровых приставках, карманных ПК и электронных органайзерах.

Карты MultiMediaCard на 100% совместимы со всеми устройствами, использующими карты памяти типа Secure Digital.

В настоящее время начат выпуск Secure MultiMediaCard, имеющих встроенную схему защиты от несанкционированного доступа и копирования и совместимых со спецификацией SDMI.

11 ноября 2002 года было объявлено об утверждении стандарта на карты ММС уменьшенного размера, получившие название Reduced Size MultiMediaCards (RS-MMC). Размеры карт RS-MMC составляют 24Ѕ18Ѕ1,4 мм (полноформатные ММС имеют размеры 24Ѕ32Ѕ1,4 мм). Предусмотрена обратная совместимость карт RS-MMC с полноформатными носителями: при помощи механических переходников они могут быть использованы в изделиях, оснащенных слотами ММС.

По замыслу разработчиков основной сферой применения RS-MMC станут мобильные телефоны, смартфоны и коммуникаторы.

Другая разновидность карт MMC — это HS-MMC (High Speed MMC), то есть высокоскоростные карты MMC, способные обеспечивать скорость передачи данных до 52 Мбит/с.

Присутствующие сегодня на рынке карты MMC имеют максимальный объем до 1 Гбайт, а средняя скорость чтения и записи составляет у них 2 Мбайт/с.

Secure Digital

Карты типа SD были разработаны компаниями Matsushita, San Disk и Toshiba и представляют собой дальнейшее развитие стандарта MultiMediaCard. Эти карты являются представителями третьего поколения флэш-памяти.

 

Secure Digital

Для продвижения нового формата три вышеупомянутые компании основали специальную организацию — SD Association, членами которой в настоящее время являются уже более 200 производителей. Само название Secure Digital ясно указывает на поддержку этим носителем технологии защиты данных от несанкционированного копирования и доступа. В отличие от других типов сменных носителей на флэш-памяти, абсолютно все выпускаемые SD-карты оснащены специальной электронной схемой защиты данных и совместимы со спецификацией SDMI.

На карте может храниться как незащищенная (уровень 1), так и защищенная (уровни 2 и 3) информация. Информация может быть защищена от копирования либо уникальным идентификационным ключом карты (уровень 2), либо активным криптографическим алгоритмом (уровень 3), что дает владельцу карты уверенность в надежности защиты данных.

Несмотря на то что SD-карты появились относительно недавно, они уже широко используются в самых различных электронных приборах: в цифровых диктофонах и портативных плеерах, видеокамерах, автомагнитолах, карманных компьютерах, сотовых телефонах и мультимедийных проекторах.

 

Secure Digital

SD-карты относятся к числу наиболее легких и компактных сменных карт: их размер составляет всего 24Ѕ32Ѕ2,1 мм, а вес — 2 г. Внешне SD-карты очень похожи на MMC и соответствуют их размерам, за исключением большей толщины. Карты имеют девять контактов (у MMC их семь) и миниатюрный переключатель для защиты от случайного уничтожения хранимых данных.

В настоящее время на рынке представлены SD-карты с максимальным объемом до 1 Гбайт. Скорость чтения и записи зависит и от размера карты, и от производителя. Если, к примеру, сравнить две SD-карты емкостью по 512 Мбайт (Kingston и Transcend), то выяснится, что в режиме последовательной записи (рис. 12) производительность карты Transcend почти в четыре раза выше производительности карты Kingston. Так, при размере запроса более 64 Кбайт скорость последовательной записи для карты Transcend составляет 7,8 Мбайт/с, а для карты Kingston — всего 1,75 Мбайт/с. Скорость линейной записи (рис. 13) также выше у карты Transcend и составляет 8,13 Мбайт/с (при размере запроса более 64 Кбайт/с), а у карты Kingston эта скорость равна 6,24 Мбайт/с.

 

Рис. 12. Зависимость скорости последовательной записи от размера запроса для карт формата SD

Рис. 12. Зависимость скорости последовательной записи от размера запроса для карт формата SD

Рис. 12. Зависимость скорости последовательной записи от размера запроса для карт формата SD

Рис. 12. Зависимость скорости последовательной записи от размера запроса для карт формата SD

Для сравнения на рис. 12 и 13 показаны типичные скорости последовательного чтения и записи карты формата MMC, которые и при чтении, и при записи не превышают 1 Мбайт/с.

Memory Stick

Стандарт Memory Stick был разработан компанией Sony, а его массовое внедрение началось в 1998 году. В настоящее время карты стандарта Memory Stick используются во всех без исключения цифровых фотоаппаратах Sony, что, впрочем, отнюдь не способствует их успешному продвижению на рынок. Именно поэтому последняя модель цифровой камеры Sony поддерживает карты уже двух стандартов: Memory Stick и куда более популярные CompactFlash.

 

Memory Stick

Своему названию карты Memory Stick (память в пластинках) обязаны сходству с жевательными пластинками, да и габариты карточки памяти Memory Stick составляют 21,5Ѕ50Ѕ2,8 мм, что примерно соответствует размерам пластинки жевательной резинки.

Выпускается также модификация этого носителя со встроенной системой защиты от несанкционированного копирования и доступа к данным (MagicGate Memory Stick).

Сегодня компания Sony занимается внедрением носителя новой модификации, получившего название Memory Stick Duo. Эта карта совместима с обычной Memory Stick, но имеет меньшие размеры (20Ѕ31Ѕ1,6 мм) и меньший вес (всего 2 г), что позволит использовать ее в самых малых портативных устройствах, особо критичных к размеру сменных модулей памяти, например в мобильных телефонах и микрокомпьютерах. С целью облегчения интеграции нового стандарта в существующие системы предусмотрена полная обратная совместимость: при помощи специального картриджа Memory Stick Duo можно подключать к слотам для полноформатных карт Memory Stick.

В начале января 2003 года на проходившей в Лас-Вегасе выставке Consumer Electronics Show (CES) компания Sony объявила о планах по созданию карт флэш-памяти нового поколения — Memory Stick PRO. Линейка новых носителей будет выпускаться в корпусах тех же форм и размеров, что и обычные Memory Stick. От ставших уже привычными синих карточек Memory Stick новые носители будут отличаться жемчужным цветом. Если же сравнивать технические характеристики, то, кроме увеличения емкости, карты Memory Stick PRO обладают гораздо более высокой скоростью обмена данными и усовершенствованными механизмами защиты данных. Что касается перспектив наращивания объема, то технически возможно создание Memory Stick PRO емкостью до 32 Гбайт. Максимальная скорость обмена, обеспечиваемая конструкцией носителей Memory Stick PRO, составляет 160 Мбит/с, а скорость записи — не менее 15 Мбит/с.

Во всех носителях Memory Stick PRO будет использоваться технология защиты данных MagicGate. Помимо этого в них будет встроена и новая система защиты данных, позволяющая ограничивать доступ к хранимым на носителе файлам, предотвращая просмотр и распространение защищенных данных даже в случае утери или кражи карты.

Еще одно технологическое решение, реализованное при создании карт Memory Stick PRO, позволит избежать потери данных при преждевременном извлечении карты из слота. Даже если пользователь извлечет карту, не дождавшись окончания процесса записи, то после повторной установки носителя можно будет возобновить запись с того места, где она была прервана. При этом гарантируется сохранность не только данного файла, но и всей файловой системы карты.

В настоящее время на рынке представлены модели карт Memory Stick Pro объемом до 1 Гбайт, а также карты Memory Stick PRO DUO объемом до 128 Мбайт.

xD-Picture (XD)

Формат xD-Picture является самым молодым из всех рассмотренных выше форматов. Этот стандарт разработан компаниями Olympus и FujiFilm, но в силу своей новизны пока еще не получил широкого распространения.

Обозначение xD расшифровывается как eХtreme digital, что, по мнению разработчиков, акцентирует внимание на использовании этого носителя для хранения аудиовизуальных данных. Размеры карт xD-Picture составляют всего 20Ѕ25Ѕ1,7 мм, а вес — 2 г, что на данный момент является абсолютным рекордом миниатюрности.

По замыслам разработчиков карты xD-Picture должны заменить морально устаревшие карты SmartMedia, максимальная емкость которых (в силу технологических причин) не превышает 128 Мбайт. Теоретически емкость карт xD может достигать 8 Гбайт. Кроме того, тенденция миниатюризации цифровых любительских камер требует и адекватной миниатюризации карт памяти.

Карты xD-Picture имеют 22-контактный интерфейс, совместимый с интерфейсом SmartMedia Card.

Максимальная скорость чтения данных с карт xD-Picture составляет 5 Мбайт/с, а скорость записи — 3 Мбайт/с (для карт емкостью 16 и 32 Мбайт — 1,3 Мбайт/с); напряжение питания — 3,3 В; потребляемая при работе мощность — 25 мВт. Как и SmartMedia, карты xD-Picture содержат только флэш-память и не оснащаются встроенным контроллером (в отличие, например, от CompactFlash).

В настоящее время максимальная емкость карт xD-Picture составляет 512 Мбайт.

 

Редакция выражает признательность представительству компании Kingston Technology (www.kingston.com) за предоставление для обзора карт Kingston CompactFlash.

КомпьютерПресс 11'2004