Флэш-память представляет собой тип долговечной памяти для компьютеров, у которой содержимое можно перепрограммировать или удалить электрическим методом. В сравнении с Electrically Erasable Programmable Read Only Memory действия над ней можно выполнять в блоках, которые находятся в разных местах. Флэш-память стоит намного меньше, чем EEPROM, поэтому она и стала доминирующей технологией. В особенности в ситуациях, когда необходимо устойчивое и длительное сохранение данных. Ее применение допускается в самых разнообразных случаях: в цифровых аудиоплеерах, фото- и видеокамерах, мобильных телефонах и смартфонах, где существуют специальные андроид-приложения на карту памяти. Кроме того, используется она и в USB-флешках, традиционно применяемых для сохранения информации и ее передачи между компьютерами. Она получила определенную известность в мире геймеров, где ее часто задействуют в промах для хранения данных по прогрессу игры.

Общее описание

Флэш-память представляет собой такой тип, который способен сохранять информацию на своей плате длительное время, не используя питания. В дополнение можно отметить высочайшую скорость доступа к данным, а также лучшее сопротивление к кинетическому шоку в сравнении с винчестерами. Именно благодаря таким характеристикам она стала настольно популярной для приборов, питающихся от батареек и аккумуляторов. Еще одно неоспоримое преимущество состоит в том, что когда флэш-память сжата в сплошную карту, ее практически невозможно разрушить какими-то стандартными физическими способами, поэтому она выдерживает кипящую воду и высокое давление.

Низкоуровневый доступ к данным

Способ доступа к данным, находящимся во флэш-памяти, сильно отличается от того, что применяется для обычных видов. Низкоуровневый доступ осуществляется посредством драйвера. Обычная RAM сразу же отвечает на призывы чтения информации и ее записи, возвращая результаты таких операций, а устройство флеш-памяти таково, что потребуется время на размышления.

Устройство и принцип работы

На данный момент распространена флэш-память, которая создана на однотранзисторных элементах, имеющих «плавающий» затвор. Благодаря этому удается обеспечить большую плотность хранения данных в сравнении с динамической ОЗУ, для которой требуется пара транзисторов и конденсаторный элемент. На данный момент рынок изобилует разнообразными технологиями построения базовых элементов для такого типа носителей, которые разработаны лидирующими производителями. Отличает их количество слоев, методы записи и стирания информации, а также организация структуры, которая обычно указывается в названии.

На текущий момент существует пара типов микросхем, которые распространены больше всего: NOR и NAND. В обоих подключение запоминающих транзисторов производится к разрядным шинам - параллельно и последовательно соответственно. У первого типа размеры ячеек довольно велики, и имеется возможность для быстрого произвольного доступа, что позволяет выполнять программы прямо из памяти. Второй характеризуется меньшими размерами ячеек, а также быстрым последовательным доступом, что намного удобнее при необходимости построения устройств блочного типа, где будет храниться информация большого объема.

В большинстве портативных устройств твердотельный накопитель использует тип памяти NOR. Однако сейчас все популярнее становятся приспособления с интерфейсом USB. В них применяется память типа NAND. Постепенно она вытесняет первую.

Главная проблема — недолговечность

Первые образцы флешек серийного производства не радовали пользователей большими скоростями. Однако теперь скорость записи и считывания информации находится на таком уровне, что можно просматривать полноформатный фильм либо запускать на компьютере операционную систему. Ряд производителей уже продемонстрировал машины, где винчестер заменен флеш-памятью. Но у этой технологии имеется весьма существенный недостаток, который становится препятствием для замены данным носителем существующих магнитных дисков. Из-за особенностей устройства флеш-памяти она позволяет производить стирание и запись информации ограниченное число циклов, которое является достижимым даже для малых и портативных устройств, не говоря о том, как часто это делается на компьютерах. Если использовать этот тип носителя как твердотельный накопитель на ПК, то очень быстро настанет критическая ситуация.

Связано это с тем, что такой накопитель построен на свойстве полевых транзисторов сохранять в «плавающем» затворе отсутствие или наличие которого в транзисторе рассматривается в качестве логической единицы или ноля в двоичной Запись и стирание данных в NAND-памяти производятся посредством туннелированных электронов методом Фаулера-Нордхейма при участии диэлектрика. Для этого не требуется что позволяет делать ячейки минимальных размеров. Но именно данный процесс приводит к ячеек, так как электрический ток в таком случае заставляет электроны проникать в затвор, преодолевая диэлектрический барьер. Однако гарантированный срок хранения подобной памяти составляет десять лет. Износ микросхемы происходит не из-за чтения информации, а из-за операций по ее стиранию и записи, поскольку чтение не требует изменения структуры ячеек, а только пропускает электрический ток.

Естественно, производители памяти ведут активные работы в направлении увеличения срока службы твердотельных накопителей данного типа: они устремлены к обеспечению равномерности процессов записи/стирания по ячейкам массива, чтобы одни не изнашивались больше других. Для равномерного распределения нагрузки преимущественно используются программные пути. К примеру, для устранения подобного явления применяется технология «выравнивания износа». При этом данные, часто подвергаемые изменениям, перемещаются в адресное пространство флеш-памяти, потому запись осуществляется по разным физическим адресам. Каждый контроллер оснащается собственным алгоритмом выравнивания, поэтому весьма затруднительно сравнивать эффективность тех или иных моделей, так как не разглашаются подробности реализации. Поскольку с каждым годом объемы флешек становятся все больше, необходимо применять все более эффективные алгоритмы работы, позволяющие гарантировать стабильность функционирования устройств.

Устранение проблем

Одним из весьма эффективных путей борьбы с указанным явлением стало резервирование определенного объема памяти, за счет которого обеспечивается равномерность нагрузки и коррекция ошибок посредством особых алгоритмов логической переадресации для подмены физических блоков, возникающих при интенсивной работе с флешкой. А для предотвращения утраты информации ячейки, вышедшие из строя, блокируются или заменяются на резервные. Такое программное распределение блоков дает возможность обеспечения равномерности нагрузки, увеличив количество циклов в 3-5 раз, однако и этого мало.

И другие виды подобных накопителей характеризуются тем, что в их служебную область заносится таблица с файловой системой. Она предотвращает сбои чтения информации на логическом уровне, например, при некорректном отключении либо при внезапном прекращении подачи электрической энергии. А так как при использовании сменных устройств системой не предусмотрено кэширование, то частая перезапись оказывает самое губительное воздействие на таблицу размещения файлов и оглавление каталогов. И даже специальные программы для карт памяти не способны помочь в данной ситуации. К примеру, при однократном обращении пользователь переписал тысячу файлов. И, казалось бы, только по одному разу применил для записи блоки, где они размещены. Но служебные области переписывались при каждом из обновлений любого файла, то есть таблицы размещения прошли эту процедуру тысячу раз. По указанной причине в первую очередь выйдут из строя блоки, занимаемые именно этими данными. Технология «выравнивания износа» работает и с такими блоками, но эффективность ее весьма ограничена. И тут не важно, какой вы используете компьютер, флешка выйдет из строя ровно тогда, когда это предусмотрено создателем.

Стоит отметить, что увеличение емкости микросхем подобных устройств привело лишь к тому, что общее количество циклов записи сократилось, так как ячейки становятся все меньше, поэтому требуется все меньше и напряжения для рассеивания оксидных перегородок, которые изолируют «плавающий затвор». И тут ситуация складывается так, что с увеличением емкости используемых приспособлений проблема их надежности стала усугубляться все сильнее, а class карты памяти теперь зависит от многих факторов. Надежность работы подобного решения определяется его техническими особенностями, а также ситуацией на рынке, сложившейся на данный момент. Из-за жесткой конкуренции производители вынуждены снижать себестоимость продукции любым путем. В том числе и благодаря упрощению конструкции, использованию комплектующих из более дешевого набора, ослаблению контроля за изготовлением и иными способами. К примеру, карта памяти "Самсунг" будет стоить дороже менее известных аналогов, но ее надежность вызывает гораздо меньше вопросов. Но и здесь сложно говорить о полном отсутствии проблем, а уж от устройств совсем неизвестных производителей сложно ожидать чего-то большего.

Перспективы развития

При наличии очевидных достоинств имеется целый ряд недостатков, которыми характеризуется SD-карта памяти, препятствующих дальнейшему расширению ее области применения. Именно поэтому ведутся постоянные поиски альтернативных решений в данной области. Конечно, в первую очередь стараются совершенствовать уже существующие типы флеш-памяти, что не приведет к каким-то принципиальным изменениям в имеющемся процессе производства. Поэтому не стоит сомневаться только в одном: фирмы, занятые изготовлением этих видов накопителей, будут стараться использовать весь свой потенциал, перед тем как перейти на иной тип, продолжая совершенствовать традиционную технологию. К примеру, карта памяти Sony выпускается на данный момент в широком диапазоне объемов, поэтому предполагается, что она и будет продолжать активно распродаваться.

Однако на сегодняшний день на пороге промышленной реализации находится целый комплекс технологий альтернативного хранения данных, часть из которых можно внедрить сразу же при наступлении благоприятной рыночной ситуации.

Ferroelectric RAM (FRAM)

Технология ферроэлектрического принципа хранения информации (Ferroelectric RAM, FRAM) предлагается с целью наращивания потенциала энергонезависимой памяти. Принято считать, что механизм работы имеющихся технологий, заключающийся в перезаписи данных в процессе считываниям при всех видоизменениях базовых компонентов, приводит к определенному сдерживанию скоростного потенциала устройств. А FRAM - это память, характеризующаяся простотой, высокой надежностью и скоростью в эксплуатации. Эти свойства сейчас характерны для DRAM - энергонезависимой оперативной памяти, существующей на данный момент. Но тут добавится еще и возможность длительного хранения данных, которой характеризуется Среди достоинств подобной технологии можно выделить стойкость к разным видам проникающих излучений, что может оказаться востребованным в специальных приборах, которые используются для работы в условиях повышенной радиоактивности либо в исследованиях космоса. Механизм хранения информации здесь реализуется за счет применения сегнетоэлектрического эффекта. Он подразумевает, что материал способен сохранять поляризацию в условиях отсутствия внешнего электрического поля. Каждая ячейка памяти FRAM формируется за счет размещения сверхтонкой пленки из сегнетоэлектрического материала в виде кристаллов между парой плоских металлических электродов, формирующих конденсатор. Данные в этом случае хранятся внутри кристаллической структуры. А это предотвращает эффект утечки заряда, который становится причиной утраты информации. Данные в FRAM-памяти сохраняются даже при отключении напряжения питания.

Magnetic RAM (MRAM)

Еще одним типом памяти, который на сегодняшний день считается весьма перспективным, является MRAM. Он характеризуется довольно высокими скоростными показателями и энергонезависимостью. в данном случае служит тонкая магнитная пленка, размещенная на кремниевой подложке. MRAM представляет собой статическую память. Она не нуждается в периодической перезаписи, а информация не будет утрачена при выключении питания. На данный момент большинство специалистов сходится во мнении, что этот тип памяти можно назвать технологией следующего поколения, так как существующий прототип демонстрирует довольно высокие скоростные показатели. Еще одним достоинством подобного решения является невысокая стоимость чипов. Флэш-память изготавливается в соответствии со специализированным КМОП-процессом. А микросхемы MRAM могут производиться по стандартному технологическому процессу. Причем материалами могут послужить те, что используются в обычных магнитных носителях. Производить крупные партии подобных микросхем гораздо дешевле, чем всех остальных. Важное свойство MRAM-памяти состоит в возможности мгновенного включения. А это особенно ценно для мобильных устройств. Ведь в этом типе значение ячейки определяется магнитным зарядом, а не электрическим, как в традиционной флеш-памяти.

Ovonic Unified Memory (OUM)

Еще один тип памяти, над которым активно работают многие компании, - это твердотельный накопитель на базе аморфных полупроводников. В его основу заложена технология фазового перехода, которая аналогична принципу записи на обычные диски. Тут фазовое состояние вещества в электрическом поле меняется с кристаллического на аморфное. И это изменение сохраняется и при отсутствии напряжения. От традиционных оптических дисков такие устройства отличаются тем, что нагрев происходит за счет действия электрического тока, а не лазера. Считывание в данном случае осуществляется за счет разницы в отражающей способности вещества в различных состояниях, которая воспринимается датчиком дисковода. Теоретически подобное решение обладает высокой плотностью хранения данных и максимальной надежностью, а также повышенным быстродействием. Высок здесь показатель максимального числа циклов перезаписи, для чего используется компьютер, флешка в этом случае отстает на несколько порядков.

Chalcogenide RAM (CRAM) и Phase Change Memory (PRAM)

Эта технология тоже базируется на основе фазовых переходов, когда в одной фазе вещество, используемое в носителе, выступает в качестве непроводящего аморфного материала, а во второй служит кристаллическим проводником. Переход запоминающей ячейки из одного состояния в другое осуществляется за счет электрических полей и нагрева. Такие чипы характеризуются устойчивостью к ионизирующему излучению.

Information-Multilayered Imprinted CArd (Info-MICA)

Работа устройств, построенных на базе такой технологии, осуществляется по принципу тонкопленочной голографии. Информация записывается так: сначала формируется двумерный образ, передаваемый в голограмму по технологии CGH. Считывание данных происходит за счет фиксации луча лазера на краю одного из записываемых слоев, служащих оптическими волноводами. Свет распространяется вдоль оси, которая размещена параллельно плоскости слоя, формируя на выходе изображение, соответствующее информации, записанной ранее. Начальные данные могут быть получены в любой момент благодаря алгоритму обратного кодирования.

Этот тип памяти выгодно отличается от полупроводниковой за счет того, что обеспечивает высокую плотность записи, малое энергопотребление, а также низкую стоимость носителя, экологическую безопасность и защищенность от несанкционированного использования. Но перезаписи информации такая карта памяти не допускает, поэтому может служить только в качестве долговременного хранилища, замены бумажного носителя либо альтернативы оптическим дискам для распространения мультимедийного контента.

В основу зарождения NAND-памяти легла появившаяся намного раньше флеш-память, используемая в твердотельных накопителях с явно меньшей скоростью работы, долговечностью и большей площадью чипа, чем у NAND-памяти. Флеш-память изобрел Fujio Masuoka в 1984 году, работая в компании Toshiba. После представления разработки Fujio Masuoka на IEEE 1984 (International Electron Devices Meeting) в Сан-Франциско (Калифорния) компания Intel в 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип типа NOR. Появление NAND-типа флеш-памяти было анонсировано Toshiba в 1989 году на Международной конференции, посвященной твердотельным дискам (International Solid-State Circuits Conference).

Flash-память, типы NAND-памяти

Принципиальным отличием флеш-памяти является хранение ею одного бита информации в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками. Существует два типа NAND-памяти, используемой в SSD дисках – SLC и MLC. Чем же отличаются SLC и MLC типы памяти? SLC-устройства имеют одноуровневые ячейки, которые хранят в каждом транзисторе только один бит, а многоуровневые MLC могут хранить в каждой ячейке несколько бит информации. Это следствие использования разных уровней электрического заряда на плавающем затворе транзистора. Принцип кодирования (логического 0 или 1) информации во всех случаях одинаков, он будет описан нами ниже. Различается лишь строение ячейки. Глубина уровней MLC может доходить до 4-х, то есть хранить до 4-х бит информации, в то время как SLC является более простой единицей и хранит 1 бит.

Технология MLC позволяет за счет наращивания уровней существенно увеличить объем диска, оставив его физические размеры неизменными, что уменьшает себестоимость каждого гигабайта. На этом положительные качества данной технологии заканчиваются. С каждым дополнительным уровнем усложняется задача распознавания уровня сигнала, не говоря уже об уменьшении ресурса работы SSD-диска, увеличивается время поиска адреса ячейки, повышается вероятность ошибок. Контроль за ошибками осуществляется аппаратно, что в случае технологии MLC ведет к удорожанию управляющей электроники и соответственно увеличивает конечную стоимость SSD. Диски SSD, массово продающиеся на мировом рынке, используют MLC-технологию с четырехуровневой записью. При этом данные кодируются как (11), (10), (01), (00). Для SLC одноуровневая ячейка может принимать лишь значения 0 или 1.

Решения с ячейками SLC при тех же размерах и цене явно проигрывают MLC в объеме хранимой на них информации, но при этом являются более быстрыми и долговечными. Поэтому производителям приходится использовать большее количество микросхем при меньшем суммарном объеме диска, что в конечном итогу повышает цену диска SLC более чем в два раза по сравнению с такого же объема диском MLC.

Механизмы записи и чтения элементарной ячейки NAND-память

Постараемся более подробно описать работу транзистора для NAND-памяти, которым является полевой транзистор с изолированным затвором или MOSFET.

Главной особенность полевого транзистора, которая позволила его использование для хранения информации, стала возможность удерживать электрический заряд на «плавающем» затворе до 10 лет. Сам «плавающий» затвор выполнен из поликристаллического кремния и полностью окружен слоем диэлектрика, что обеспечивает ему полное отсутствие электрического контакта с элементами транзистора. Он расположен между управляющим затвором и подложкой из p-n переходов. Управляющий электрод полевого транзистора называется затвором. В данном случае проводимость p-n перехода, обусловленная электрическим сопротивлением, управляется разностью потенциалов, которая создает электрическое поле, воздействующее на состояние p-n переходов.

Немаловажными элементами транзистора являются также сток и исток. Для изменения бита записываемой информации в ячейку, напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Это позволяет некоторым электронам перейти через слой диэлектрика на плавающий затвор, обеспечив его зарядом, а значит и наполнение элементарной ячейки битом информации.

Накопленный заряд на плавающем затворе влияет на проводимость канала сток-исток, что используется при чтении.

Такая разность механизма записи и чтения явно сказывается на различном энергопотреблении этих режимов. NAND-память потребляет достаточно большой ток при записи, а при чтении затраты энергии наоборот малы. Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят на исток. Именно из таких элементарных ячеек объединенных в страницы, блоки и массивы и состоит современный твердотельный накопитель.

Срок жизни NAND-памяти

Главной особенностью NAND-памяти, позволяющей ее использование в SSD-дисках, стало ее умение хранить данные без внешнего источника энергии. Однако такая технология накладывает ограничения на число изменений логического состояния ячейки, что приводит к конечному числу циклов перезаписи этой ячейки. Это связанно с постепенным разрушением диэлектрического слоя. Данный эффект наступает намного быстрее у ячеек MLC ввиду их малого резерва изменения заряда плавающего затвора из-за конструктивных особенностей. Чтение ячейки тоже влияет на срок ее жизни, но это воздействие намного менее значительно, чем при записи/стирании, что позволяет считать циклы чтения не ограниченными, а срок жизни SSD-диска измеряется количеством возможных циклов перезаписи.

На всех SSD-дисках присутствует недоступная для стандартных операций записи/чтения часть. Она необходима как резерв в случае износа ячеек, по аналогии с магнитными накопителями HDD, который имеет резерв для замены bad-блоков. Дополнительный резерв ячеек используется динамически, и по мере физического изнашивания основных ячеек предоставляется резервная ячейка на замену.

Приведем приблизительную сравнительную таблицу основных характеристик, отличающих работу SSD-дисков с технологией SLC и дисков с ячейками MLC.

Таблица явно говорит обо всех преимуществах и недостатках этих технологий. В ней видно превосходство SLC решений над MLC, но не указан главный критерий популярности SSD-дисков – их цена. Указывать ее и нет смысла ввиду быстрого удешевления таких решений. Скажем лишь, что MLC диски хоть и уступают во всем SLC, но они более чем в два раза выигрывают в цене и могут быть компактнее при тех же объемах хранимых данных.

Структура SSD-диска: размер ячейки, страницы, блока NAND-памяти

Для более эффективного использования элементарных ячеек памяти они были объединены в массивы с несколько уровневой структурой. Одна ячейка хранящая один (для SLC) или, как правило, два (для нынешнего поколения MLC) бита данных, объединена в группу названную страницей и вмещающую 4 КБ данных.

Специальные алгоритмы для работы с SSD-дисками

Ввиду ограниченности циклов записи/стирания ячеек флеш-памяти разработчикам пришлось составить правильный алгоритм работы SSD-диска, позволяющий равномерно «изнашивать» всё его запоминающее пространство. Как уже было нами отмечено, весь объем диска делится на блоки размером 512 КБ, а они в свою очередь на страницы емкостью 4 КБ, на которые осуществляются операции чтения и записи. Но как только вы записали информацию на страницу, она не может быть перезаписана до тех пор, пока не будет очищена. Проблема заключается в том, что минимальный размер записываемой информации не может быть меньше 4 КБ, а стереть данные можно минимум блоками по 512 КБ. Для этого контроллер группирует и переносит данные (этот алгоритм мы опишем ниже) для освобождения целого блока. Эта операция приводит к увеличению времени отклика и сокращению ресурс SSD, но чем-то приходится жертвовать.

Поговорим об алгоритме записи/удаления.

После запроса на запись от операционной системы, контроллер носителя определяет размер и структуру информации. При наличии достаточного числа пустых блоков выделяется новый блок, на который и копируются переданные ОС для записи данные. Однако по мере заполнения диска и уменьшению достаточного числа пустых блоков данная операция существенно усложняется. Контроллер все чаще ищет максимально подходящий (по количеству свободных страниц), частично занятый блок и переписывает его в пустой блок, совмещая его с данными, пришедшими от ОС для записи, что полностью заполняет его. Старый блок затем очищается. При таком алгоритме мы получаем один полностью заполненный блок и один пустой, который зачисляется в группу пустых блоков, доступных для записи. При запросе на запись, контроллер использует только блоки из этой группы.

В своем оснащении контроллер обычно имеет 10 каналов, в частности таким количеством каналов обладает контроллеры SSD-дисков от Intel. Весь пул микросхем равномерно закреплен за каждым каналом обмена данных. На данном этапе развития технологий работы SSD-дисков, микросхемы памяти, взаимодействующие с первым каналом, не могут пересекаться на операциях со вторым, третьим и последующими каналами, но данная проблема вполне может разрешиться в недалеком будущем. Вполне логично бы было использовать «плавающие» связи для всей памяти, размещенной на диске. Часто возникает необходимость записи очереди из мелких данных, тогда контроллер автоматически распределяет весь блок по всем каналам, но связь между ячейками сохраняется, т.к. этот кусок данных является одной логической единицей.

Операция удаления данных тоже напрямую зависит от объема и размещения удаляемых данных. Если вся информация, записана в одном блоке или в группе блоков, полностью занимая их, то блок/блоки попросту очищаются и помечаются как пустые и готовые для последующей записи с максимально возможной скоростью. Но данный идеальный случай встречается не всегда.

Если необходимо удалить не весь блок, а несколько страниц, находящихся в нем, то контроллер удаляет данные логически, не стирая их, а просто помечая данные страницы как удаленные. В дальнейшем оставшаяся информация будет скомпонована с новой, пришедшей для записи, и записана в пустой блок, а исходный блок, как уже было описано в алгоритме записи, будет полностью удален и помечен как пустой.

Зачем нужен Тримминг?

Это еще одна немаловажная технология, обеспечивающая более равномерный износ SSD-диска и более быструю работу с данными за счет команды TRIM. Она позволяет выстроить цепочку и определить приоритет освобождаемых блоков. Раньше данная операция была возложена на ОС, но современные SSD-контроллеры уже поддерживают данную функцию аппаратно в прошивках накопителей. Время выполнение операции по «зачистке» блоков связано по экспоненте со свободным объемом на диске. Чем меньше информации и больше свободного места, тем быстрее происходит «тримминг» на SSD. По мере заполнения диска до 75% функция очистки все еще не сильно выражена относительно простоя. Но, как только остаётся менее 15% свободного места, «триммирование» становится затруднительным. Естественно, часть зависимости полностью обуславливается типом информации (статичная, т.е. редко перемещаемая и в основном только читаемая, или динамическая). Согласно исследованию IBM идеальные условия работы SSD, когда он заполнен менее, чем на 75% и соотношения статической и динамической части информации 3 к 1.

TRIM является неотъемлемой частью современных твердотельных накопителей. Он обеспечивает прирост производительности при заполнении данными дисков более чем на 2/3, за счет правильной сортировки блоков и подготовке их к записи. Это позволяет сократить разницу в скорости работы нового и уже заполнено на 75% диска до 2-3%.

Не стоит забывать, что по умолчанию операционная система настроена на работу с обычным HDD диском, а значит пользователю обязательно необходимо, отключить «старые» механизмы увеличения скорости работы магнитного диска, а так же алгоритмы дефрагментации. Кроме того, важно побеспокоиться о неполном использовании всего пространства своего SSD-диска.

Для чего используется кэш-буфер на SSD-дисках?

Кэш-буфер на SSD-дисках не применяется для ускорения процедуры записи/чтения как это принято для HDD-накопителей. Его объем даже не указывается в технических спецификациях SSD основной массой производителей. Он и не может считаться обычной кэш-памятью, как мы это привыкли понимать. Кэш-память на SSD дисках используется динамически, для хранения таблиц размещения и занятости ячеек диска. Параллельно в ней может храниться временная информация со стираемых ячеек, при нехватке пустого места на диске. Таблицы представляют собой трехмерную матрицу, и являются основным помощником для контроллера SSD. Основываясь на этих данных, диск принимает решения о стирании дополнительных ячеек. В нем так же хранится информация о частоте и интенсивности использования каждого доступного блока на диске. Кроме того, здесь записаны адреса «мест», где невозможно осуществить запись, ввиду физического износа.

Контроллер SSD-диска

Очень важным и постоянно усовершенствуемым элементом SSD-накопителя является его контроллер. Главной задачей контроллера является обеспечение операций чтения и записи, но в виду массы физических особенностей SSD-накопителя, контроллер также отвечает за управление структурой размещения данных. Основываясь на матрице размещения блоков, в какие ячейки уже проводилась запись, а в какие еще нет, контроллер оптимизирует скорость записи и обеспечивает максимально длительный срок службы вашего SSD-диска. Вследствие особенностей построения NAND-памяти, работать с ее каждой ячейкой отдельно нельзя. Как мы уже говорили выше, они объединены в страницы объемом по 4 Кбайта, и записать информацию можно только полностью заняв страницу. Стирать данные можно по блокам, которые равны 512 Кбайт. Все эти ограничения накладывают определенные обязанности на правильный интеллектуальный алгоритм работы контроллера. Поэтому правильно настроенный и оптимизированный контролер может существенно изменить как скоростные показатели, так и долговечность работы SSD-диска.

Итоги

На данный момент пока еще рано говорить о полной победе SSD-накопителей над магнитными дисками. Если учитывать объем и скорость работы SSD-накопителя, сравнивая их с аналогичными параметрами для традиционных HDD, то главным сдерживающим фактором перехода на твердотельные диски все еще останется их цена. Анализ нескольких последних лет показал нежелание производителей снижать цену на NAND-память. Только последние полгода можно наблюдать небольшую тенденцию по снижению цены на SSD, и то это, скорее всего, обусловлено спадом потребительского спроса, что вызвано мировым кризисом. Твердотельные накопители уже несколько лет представлены в широком ассортименте на мировом рынке, но даже такой значительный для цифровых технологий срок не смог повлиять на их конкурентоспособность по критерию «цена за ГБ хранимой информации» по отношению к магнитным дискам. Плотность записи на один магнитный диск постоянно увеличивается, что способствует выпуску все более емких моделей (на данный момент широко доступны HDD емкостью 2 ТБ). Такое распределение рынка может заставить покупателя отдать предпочтение SSD накопителю только в случае острой необходимости в скорости чтения или стойкости к вибрации/удару, но основной объем информации все равно будет храниться на классических жестких дисках.

Достоинства и недостатки SSD по сравнению с магнитными дисками HDD:

Достоинства:

• намного большая скорость чтения;
• полное отсутствие шума;
• надежность ввиду отсутствия движущихся частей;
• малое энергопотребление;
• высокая устойчивость к вибрационным нагрузкам.

Недостатки:

• высокая стоимость за каждый ГБ сохраняемой информации;
• ограниченное количество циклов записи и удаления данных.

Статья прочитана 10888 раз(а)

Подписаться на наши каналы

Продолжаем обсуждать устройство и принцип работы запоминающих устройств на нашем сайте. В прошлый раз мы обсуждали Flash-память (), а сегодня сконцентрируем внимание на одном из типов уже упомянутой Flash-памяти, а именно на NAND-памяти. Частично мы уже разобрались с устройством и работой NAND, так что перейдем к рассмотрению основных алгоритмов, способов подключения и некоторых тонкостей, о которых нельзя забывать, работая с NAND.

Начнем с того, что рассмотрим два типа NAND-памяти – а именно SLC-(single-level cell ) и MLC-(multi-level cell ) устройства. В SLC приборах одна ячейка памяти хранит один бит информации – именно такие устройства мы обсуждали в предыдущей статье. Возможно только два состояния ячейки памяти (полевого транзистора с плавающим затвором). Первое состояние соответствует заряженному затвору, а второе, соответственно, разряженному. Тут все просто – подаем пороговое напряжение и по наличию или отсутствию тока стока можем определить, какой бит записан в данную ячейку памяти.

MLC приборы отличаются тем, что одна элементарная ячейка может хранить несколько бит информации, чаще всего два бита. В таких устройствах различают 4 уровня заряда плавающего затвора, что соответствует 4 возможным сохраненным состояниям:

Для чтения информации из такой ячейки, в отличии от SLC-устройств, необходимо следить за током стока при нескольких разных значениях порогового напряжения на затворе транзистора.

MLC-память имеет меньшее количество максимально возможных циклов перезаписи по сравнению с SLC. Кроме того, SLC быстрее – то есть операции чтения/записи/стирания выполняются за меньшее количество времени. А поскольку для определения состояния ячейки памяти используется только одно пороговое значение напряжения, при использовании SLC-памяти меньше вероятность возникновения ошибки. Но это не значит, что MLC хуже. MLC-память, во-первых позволяет сохранять большее количество информации, а во-вторых дешевле. То есть с точки зрения отношения цена/качество MLC, в принципе, выглядит предпочтительнее.

Переходим к структуре NAND-памяти 😉

Как мы помним, в отличие от NOR-памяти, при использовании NAND мы не имеем доступа к произвольной ячейке памяти. Все ячейки объединены в страницы. А страницы объединены в логические блоки. Каждая страница помимо сохраненной пользователем информации содержит некоторые дополнительные данные – информация о “плохих” блоках, дополнительная служебная информация для коррекции ошибок.

Сложность при работе с NAND заключается в том, что невозможно получить доступ к какой-то конкретной ячейке информации. Запись данных можно производить только постранично, то есть если мы хотим изменить какой-то бит, то нам нужно перезаписать все страницу целиком. А стирать данные и вовсе можно только блоками. Вот для примера характеристики микросхемы NAND-памяти NAND128W3A: размер страницы – 512 байт + 16 байт дополнительной служебной информации, размер блока – 16 кБайт, то есть 32 страницы.

Еще одной проблемой при использовании NAND является то, что количество циклов перезаписи не бесконечно. Таким образом, если запись всегда будет производиться в одну и ту же страницу, она рано или поздно окажется поврежденной. И для того, чтобы обеспечить равномерный износ всех ячеек памяти, контроллер NAND-памяти ведет учет количества циклов записи в каждый отдельный блок памяти. Если контроллер видит, что блок “плохой”, то он может пропустить его и произвести запись в следующий блок. Благодаря этому срок службы носителей информации значительно увеличивается. Если мы хотим записать большой массив данных, то внутри микросхемы памяти все данные будут перемешаны по блокам (работает алгоритм записи в наименее изношенные блоки), а когда встает задача чтения этих данных, контроллер NAND-памяти упорядочит данные и выдаст их нам в первозданном виде.

Со структурой разобрались, напоследок я бы еще хотел немного рассказать о том, как осуществляется подключение микросхем NAND-памяти.

А для этого используется параллельная шина передачи данных, Ширина шины – 8 или 16 байт, в зависимости от конкретного устройства. Линии данных объединены с линиями адреса, что позволяет уменьшить количество занятых выводов. Вот тут хорошо описаны управляющие сигналы и их назначение:

Если мы хотим подключить память к микроконтроллеру, то лучше всего выбрать контроллер, в котором есть аппаратная поддержка передачи данных по параллельному интерфейсу. Например, многие STM32 оснащены модулем FSMC, который позволяет подключить внешнее устройство памяти. Но в это мы сейчас не будем углубляться, лучше оставим эту тему до будущих статей 😉 Возможно, в ближайшее время как раз и попробуем соорудить небольшой пример для STM32, в котором будем записывать и считывать данные из NAND-памяти, так что до скорых встреч!)

Привет друзья! На днях один наш постоянный читатель задал хороший вопрос. Он спросил, к ак узнать, сколько ещё времени проработает его или к ак узнать рабочий ресурс его SSD. Также на прошлой неделе другими пользователями были заданы ещё вопросы на эту тему, например:

Какой тип флэш-памяти для SSD лучше: NAND, 3D NAND, 3D V-NAND и NOR ?

Как узнать, из каких чипов памяти состоит купленный SSD (SLC, MLC или TLC ) и какая память лучше?

Что такое - количество циклов перезаписи или TBW?

На все эти интересные вопросы мы ответим в сегодняшней статье.

Как узнать, сколько времени проработает ваш твердотельный накопитель SSD

Не побоюсь повториться и скажу, что в компьютере важно всё, в том числе и твердотельный накопитель. Перед его покупкой обязательно узнайте производительность и срок службы своего будущего SSD. Начинающему пользователю здесь легко запутаться, так как вместо срока службы SSD, в интернете все твердят о каком-то количестве циклов перезаписи . Объясню. Ц икл перезаписи, это перезапись всего объёма (всех ячеек) твердотельного диска, но контроллер равномерно перезаписывает ячейки. Для нашего удобства производители указывают (рассчитывают по формуле) не циклы перезаписи, а суммарный объем данных в терабайтах, который можно записать на накопитель . Называется такой объём - TBW (Total Bytes Written - Всего байт написано ). Ч ем больше объём диска, тем больше у него TBW. Зная TBW, вы можете точно рассчитать срок службы своего твердотельника. Лимит TBW может отличаться на разных SSD в разы!

• Ресурс перезаписи SSD или TBW можно узнать только на официальном сайте производителя устройства, но далеко не все производители указывают такие данные, поэтому твердотельный накопитель лучше приобрести у тех производителей, которые его указывают.

Производительность и срок службы SSD зависят от двух слагаемых - типа чипов флеш-памяти NAND: (SLC, MLC, TLC) и контроллера с прошивкой. Именно от них напрямую зависит и цена накопителя.

В твердотельных накопителях существует два основных типа Flash-памяти: NOR и NAND . Технология NAND является более быстрой и она дешевле. Память NAND на сегодняшний день усовершенствовали. Появилась память 3D NAND и 3D V- NAND. Если брать рынок предлагаемых на данный момент на рынке SSD, то 5 процентов принадлежит 3D V-NAND, 15 процентов 3D NAND, остальные 80 процентов NAND. Д анные эти с погрешностью, но небольшой.

В свою очередь Flash-память: NAND может иметь три типа чипов памяти: SLC, MLC и TLC. На сегодняшний день в основном продаются SSD на основе флеш-памяти MLC и TLC. По TLC и MLC предлагаемых SSD на рынке 50 на 50. У памяти TLC лимит TBW меньше.

1. SLC - Single Level Cell - является самой старой и быстрой из трех технологий. Имеет высокую производительность, низкое потребление электроэнергии, наибольшую скорость записи и большой лимит TBW (суммарный объем данных, который можно записать на накопитель). Стоимость твердотельника на основе чипов памяти SLC очень дорогая и с ней очень трудно найти современный SSD.
2. MLC - Multi Level Cell – обладает меньшей стоимостью, меньшей скоростью работы и меньшим TBW .
3. TLC - Three Level Cell – обладает ещё меньшей стоимостью, меньшей скоростью работы и меньшим TBW, по сравнению с чипами MLC . Память TLC всегда широко использовалась в обычных флешках, но с приходом новых технологий удалось использовать её и в твердотельных накопителях.

В какой программе можно увидеть тип памяти твердотельного накопителя: TLC и MLC

Показать тип памяти SSD сможет программа AIDA64, официальный сайт разработчика https://www.aida64.com/

В главном окне программы выбираем «Хранение данных»,

затем выбираем модель SSD, например у меня в системе установлено три SSD и я выберу первый - Samsung 850 Evo 250GB. Как видим, тип флеш-памяти накопителя TLC.

У второго накопителя Kingston SHSS37A/240G тип флеш-памяти MLC.

Как узнать ресурс твердотельного накопителя

Для примера узнаем ресурс Kingston SHSS37A/240G.

Переходим на официальный сайт изготовителя устройства https://www.hyperxgaming.com/ru

Выбираем «Твердотельные накопители» --> «Savage».

Ёмкость 240 Гб

и видим суммарный объем данных (TBW) , который можно записать на накопитель Kingston SHSS37A объёмом 240 Гб - 306 Тб.

Давайте сравним его с накопителем Samsung 850 Evo 250GB.

Переходим на официальный сайт изготовителя http://www.samsung.com/ru/ssd/all-ssd/

Отмечаем пункт - Накопитель SSD 850 Evo Sata III.

Ёмкость 240 Гб и жмём левой кнопкой мыши на изображение SSD.

«Показать все характеристики»

Видим в самом низу показатель. Ресурс записи: 75 Тб.

Получается, что у SSD Kingston SHSS37A/240G ресурс количества циклов перезаписи TBW больше в четыре раза.

Если у вас SSD-накопитель OCZ, то идём на сайт https://ocz.com/us/ssd/

Как узнать суммарный объем данных, который уже записан на твердотельный накопитель

Для этого воспользуемся программой CrystalDiskInfo.

В главном окне программы выберем мой SSD Samsung 850 Evo 250GB. В пункте «Всего хост-записей» видим объем записанных на накопитель данных 41,088 ТБ. Если сравнить эту цифру с указанным на официальном сайте Ресурсе записи: 75 Тб, то можно сделать вывод, что на SSD можно ещё записать 33 ТБ данных.

В случае с SSD Kingston SHSS37A/240G, программа CrystalDiskInfo не может показать суммарный объем записанных на накопитель данных.

В этом случае воспользуемся программой SSD - Z.

Официальный сайт разработчика http://aezay.dk/aezay/ssdz/

Скачиваем и запускаем программу.

В главном окне, в пункте «Bytes Written» видим объем записанных на накопитель данных 43,902 ТБ.

Если сравнить эту цифру с указанным на официальном сайте Ресурсе записи: 306 Тб, то можно сделать вывод, что на SSD можно ещё записать 262 ТБ данных.

CrystalDiskInfo начиная с версии 7_0_5 может работать с новыми дисками, использующими новейший новый протокол NVM Express (Toshiba OCZ RD400, Samsung 950 PRO, Samsung SM951). Предыдущая версия программы такие диски тупо не видела.

Производительность и срок службы SSD в первую очередь зависят от флэш-памяти NAND и контроллера с прошивкой. Они являются основными составляющими цены накопителя, и при покупке логично обращать внимание именно на эти компоненты. Сегодня мы поговорим о NAND.

Тонкости технологического процесса производства флэш-памяти вы при желании найдете на сайтах, специализирующихся на обзорах SSD. Моя же статья ориентирована на более широкий круг читателей и преследует две цели:

1. Приоткрыть завесу над невнятными спецификациями, опубликованными на сайтах производителей SSD и магазинов.
2. Снять вопросы, которые могут у вас возникнуть при изучении технических характеристик памяти разных накопителей и чтения обзоров, написанных для «железных» гиков.

Для начала я проиллюстрирую проблему картинками.

Что указывают в характеристиках SSD

Технические характеристики NAND, публикуемые на официальных сайтах производителей и в сетевых магазинах, далеко не всегда содержат подробную информацию. Более того, терминология сильно варьируется, и я подобрал для вас данные о пяти различных накопителях.

Вам что-нибудь говорит эта картинка?

Ок, допустим, Яндекс.Маркет — не самый надежный источник информации. Обратимся к сайтам производителей — так легче стало?

Может быть, так будет понятнее?

А если так?

Или все-таки лучше так?

Между тем, во всех этих накопителях установлена одинаковая память! В это трудно поверить, особенно глядя на две последних картинки, не правда ли? Дочитав запись до конца, вы не только в этом убедитесь, но и будете читать подобные характеристики как открытую книгу.

Производители памяти NAND

Производителей флэш-памяти намного меньше, чем компаний, продающих SSD под своими брендами. В большинстве накопителей сейчас установлена память от:

• Intel/Micron
• Hynix
• Samsung
• Toshiba/SanDisk

Intel и Micron не случайно делят одно место в списке. Они производят NAND по одинаковым технологиям в рамках совместного предприятия IMFT .

На ведущем заводе в американском штате Юта одна и та же память выпускается под марками этих двух компаний почти в равных пропорциях. С конвейера завода в Сингапуре, который сейчас контролирует Micron, память может сходить также и под маркой ее дочерней компании SpecTek.

Все производители SSD покупают NAND у вышеперечисленных компаний, поэтому в разных накопителях может стоять фактически одинаковая память, даже если ее марка отличается.

Казалось бы, при таком раскладе с памятью все должно быть просто. Однако существует несколько типов NAND, которые в свою очередь подразделяются по разным параметрам, внося путаницу.

Типы памяти NAND: SLC, MLC и TLC

Это три разных типа NAND, главным технологическим отличием между которыми является количество битов, хранящихся в ячейке памяти.

SLC является самой старой из трех технологий, и вы вряд ли найдете современный SSD с такой NAND. На борту большинства накопителей сейчас MLC, а TLC - это новое слово на рынке памяти для твердотельных накопителей.

Вообще, TLC давно используется в USB-флэшках, где выносливость памяти не имеет практического значения. Новые технологические процессы позволяют снизить стоимость гигабайта TLC NAND для SSD, обеспечивая приемлемое быстродействие и срок службы, в чем логично заинтересованы все производители.

Занятно, что пока широкая публика обеспокоена ограниченным количеством циклов перезаписи SSD, по мере развития технологий NAND этот параметр только снижается!

Как определить конкретный тип памяти в SSD

Вне зависимости от того, приобрели вы твердотельный накопитель или только планируете покупку, после прочтения этой записи у вас может возникнуть вопрос, вынесенный в подзаголовок.

Ни одна программа тип памяти не показывает. Эту информацию можно найти в обзорах накопителей, но есть и более короткий путь, особенно когда нужно сравнить между собой несколько кандидатов на покупку.

На специализированных сайтах можно найти базы данных по SSD, и вот вам пример .

Я без проблем нашел там характеристики памяти своих накопителей, за исключением SanDisk P4 (mSATA), установленного в планшете.

В каких SSD установлена самая лучшая память

Давайте сначала пройдемся по основным пунктам статьи:

• производителей NAND можно пересчитать по пальцам одной руки
• в современных твердотельных накопителях используется два типа NAND: MLC и TLC, только набирающая обороты
• MLC NAND различается интерфейсами: ONFi (Intel, Micron) и Toggle Mode (Samsung, Toshiba)
• ONFi MLC NAND делится на асинхронную (дешевле и медленнее) и синхронную (дороже и быстрее)
• производители SSD используют память разных интерфейсов и типов, создавая разнообразный модельный ряд на любой кошелек
• официальные спецификации редко содержат конкретную информацию, но базы данных SSD позволяют точно определить тип NAND

Конечно, в таком зоопарке не может быть однозначного ответа на вопрос, вынесенный в подзаголовок. Вне зависимости от бренда накопителя, NAND соответствует заявленным спецификациям, иначе ОЕМ-производителям нет смысла ее покупать (они дают на SSD свою гарантию).

Однако… представьте, что лето вас порадовало небывалым урожаем земляники на даче!

Она вся сочная и сладкая, но вам просто не съесть столько, поэтому вы решили продать часть собранных ягод.

Самую лучшую землянику вы оставите себе или выставите на продажу? :)

Можно предположить, что производители NAND устанавливают самую лучшую память в свои накопители. Учитывая ограниченное количество компаний, выпускающих NAND, список производителей SSD получается еще короче:

• Crucial (подразделение Micron)
• Intel
• Samsung

Опять же, это лишь предположение, не подкрепленное достоверными фактами. Но разве вы поступили бы иначе на месте этих компаний?