Flash память для промышленных компьютеров

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ  ПРЕДПРИЯТИЙ  
 
 
 
 
 
 

Реферат 

«Flash память для промышленных компьютеров» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст. гр. АЭ - 07            А.Н. Сирик

Проверил: преподаватель        Р.З. Юсупов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Уфа 2011

      Содержание          С. 

1. Введение          3
2. История появления         4
3. Принцип действия флеш–памяти       5
4. Способы организации записи информации в ячейку     6
5. Типы флеш памяти         7
6. Скорость и объем памяти        8
7. Серии промышленных флеш-памятей      9
8. Заключение          14

 

   Список  используемой литературы       15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1.   Введение

 

     Следует признать тот факт, что цифровые технологии все шире входят в нашу жизнь. За последние 5 лет появилось множество различных МРЗ-плееров, камер, карманных компьютеров и другой цифровой аппаратуры. А все это стало возможным благодаря созданию компактных и мощных процессоров. Однако при покупке какого-либо устройства, помещающегося в кармане, не стоит ориентироваться лишь на процессорную мощность, поскольку в списке приоритетов она стоит далеко не на первом месте.

     При выборе портативных устройств самое  важное, на мой взгляд - время автономной работы при разумных массе и размерах элемента питания. Во многом это от памяти, которая определяет объем  сохраненного материала, и, продолжительность  работы без подзарядки аккумуляторов. Возможность хранения информации в  карманных устройствах ограничивается скромными энергоресурсами. Память, обычно используемая в ОЗУ компьютеров, требует постоянной подачи напряжения. Дисковые накопители могут сохранять информацию и без непрерывной подачи электричества, зато при записи и считывании данных тратят его за троих. Хорошим выходом оказалась флэш-память, не разряжающаяся самопроизвольно. Носители на ее основе называются твердотельными, поскольку не имеют движущихся частей.

     Жесткие промышленные условия накладывают  определенные ограничения на выбор  технических средств и комплектующих  к ним. Относительно средств хранения, к ним предъявляются очень  высокие требования по надежности хранения и защиты информации, а так же скорости обмена данными. Повышенные (или  слишком низкие) температуры, вибрация, влажность и т.д. так же являются немаловажными, а порой и решающими, факторами при выборе таких устройств.[1]

 

2.   История появления

 

     Прежде  всего ответим на очень распространенный вопрос: откуда появилось название «флэшка»? Существует два основных перевода английского слова flash: «вспышка» (варианты «блеск», «яркий свет») и «короткий  промежуток времени». На первый взгляд название вытекает именно из второго  перевода. Оказывается, совсем наоборот. В далеком 1984 году сотрудник компании Toshiba Фудзио Масуоко разработал первый образец флэш-памяти EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) -- электрически программируемой  стираемой памяти. Название flash-памяти дал коллега разработчика, отметив, что процесс стирания флэш-памяти напоминает ему фотовспышку (flash). Существует и другая версия, согласно которой flash-память получила свое название из-за быстрой  скорости записи, которой характеризовалась  вновь полученная память. Первый продукт  на основе flash-памяти появился четырьмя годами позже -- в 1988 году, а первый коммерческий образец - только в конце 2000 года. Первая USB флэш-карта имела объем 8 Мбайт. Сейчас подобный объем вызовет лишь усмешку, но тогда это была хорошая альтернатива единственному мобильному перезаписываемому носителю -- 3,5-дюймовой дискете, которая использовалась повсеместно. После внедрения стандарта USB 2.0 флэш-карты постепенно наращивали свое присутствие на рынке и сегодня получили широкое распространение.[2]

 

3.   Принцип действия флеш-памяти

 

     Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками (англ. cell). В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками (англ. single-level cell, SLC), каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками (англ. multi-level cell, MLC; triple-level cell, TLC) могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.[3] 

 

Рисунок 1 - Программирование флеш-памяти. 

Рисунок 2 - Стирание флеш-памяти. 

 

4. Способы организации записи информации в ячейку

 

     Таких способов два -- SLC и MLC, SLC (Single-level cell) -- одноуровневая  ячейка, то есть ячейка памяти, способная  хранить 1 бит информации. MLC (Multi-level cell) -- ячейка, которая хранит сразу  несколько бит информации. Преимущества есть у обеих типов памяти: SLC характеризуется  меньшим количеством ошибок, большей  скоростью записи/чтения и большим  временем жизни ячеек. Но из-за низкой плотности записи информации решения  на базе SLC NAND-чипов памяти становятся ощутимо дороже, поэтому флэш-карты, основанные на такой памяти, выпускаются  нечасто. Исключения составляют карты  для профессиональной фотовидеотехники. MLC-память гораздо дешевле SLC-варианта, а кроме того, позволяет хранить  большее количество информации, поэтому MLC-чипы используются в большинстве  современных флэш-карт и почти  во всех USB-флэшках.[3]

 

5. Типы  флеш памяти
1. Флеш-памяти типа NOR

     В основе этого типа флеш-памяти лежит  ИЛИ-НЕ элемент (англ. NOR), потому что в транзисторе с плавающим затвором низкое напряжение на затворе обозначает единицу.

Транзистор имеет два затвора: управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Часть электронов туннелирует сквозь слой изолятора и попадает на плавающий затвор. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении.

Программирование  и чтение ячеек сильно различаются  в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток  при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы.

     Для стирания информации на управляющий  затвор подаётся высокое отрицательное  напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

     В NOR-архитектуре к каждому транзистору  необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND-архитектуры.[3] 

2.   Флеш-памяти типа NAND

     В основе NAND-типа лежит И-НЕ элемент (англ. NAND). Принцип работы такой же, от NOR-типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND-чипа может быть существенно меньше. Также запись и стирание происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.[3]

     NAND и NOR-архитектуры сейчас существуют  параллельно и не конкурируют  друг с другом, поскольку находят  применение в разных областях  хранения данных.

 

6. Скорость  и объем памяти

 

     Основными характеристиками флэш-карт по праву считаются скорость и объем памяти. Эти два параметра издавна являются соперниками: так уж повелось, что карты с большим объемом памяти всегда работают медленнее аналогов с меньшим объемом памяти С чем была связана такая тенденция, сказать трудно: то ли контроллер не успевал правильно справляться с потоком данных, то ли сама память была тому виной. Так или иначе, но в последнее время мы постоянно получаем подтверждения тому, что скорость и объем памяти больше не враждуют и удачно уживаются вместе. Объем флэш-памяти всегда указан на упаковке, поскольку является ее основной характеристикой. Современные флэшки обладают объемом до 1 Тбайт, однако с покупкой горячих новинок стоит повременить. Оптимальный объем современной флэшки, по нашему мнению, на данный момент должен составлять 16-32 Гбайт. Чуть дороже мегабайт у флэшек на 64 Гбайт, но они тоже успели немного потерять в цене. А вот новинки объемом 128 и 256 Гбайт постигла участь, характерная для российского рынка в целом, - они продаются по завышенной цене. Однако покупать новики не стоит не только из-за высокой цены. В первых партиях компьютерных комплектующих часто попадаются неудачные экземпляры - это, увы, характерно и для флэшек. Производитель, стремясь побыстрее выпустить флэшку для большего объема, зачастую либо прибегает к наращиванию объема старых моделей, либо не проводит для флэшек необходимые испытания и отправляет их на прилавки «сырыми». Если величину объема памяти флэшки принято указывать на упаковке каждой модели, то скоростные характеристики зачастую не приводятся и пользователь не имеет возможности оценить потенциал покупки. Однако некоторые производители все же обозначают упаковку соответствующим маркером. Указывать скорость флэш-карт принято следующим образом: 150х, где х = 150 Кбайт/с. То есть в приведенном нами примере скорость флэшки будет составлять 22,5 Мбайт/с. Данное обозначение обычно говорит о скорости чтения информации с флэшки, в то время как скорость записи практически всегда оказывается меньшей, поэтому ее не приводят. Современные флэшки обеспечивают скорость в диапазоне от 170х до 200х, то есть от 25 до 30 Мбайт/с. Что касается скорости записи, то в большинстве случаев оценить ее удается только после проведения специального тестирования, но современные значения лежат в диапазоне от 17 до 30 Мбайт/с. Иногда скоростные характеристики карты указывают в описании флэшки, но они далеко не всегда соответствуют действительности. На уровне пользователя информация о партии чипов памяти, используемых в той или иной модели флэш-карты, недоступна или, во всяком случае, труднодоступна. Несмотря на отлаженную технологию производства чипов памяти, решения получаются самые различные - от неработоспособного брака до ультрапроизводительных быстрых чипов. Общий процент чипов с хорошими показателями не так высок, поэтому решения на их основе хоть и получаются скоростными и производительными, но стоят гораздо дороже. Разница в стоимости моделей с одинаковым объемом флэш-памяти, но разными скоростными показателями может доходить до 200%.[2]

 

7. Серии промышленных флеш-памятей

 

     Специально  для таких требований компанией Axiomtek разработана flash-память серий FIC, FIM, FID, FIU. Широкий диапазон рабочих температур (для некоторых из них достигает -40 ~ 85С), устойчивость к вибрации и  ударам (30G – вибрация, 1500G – удар), высокая надежность, низкое потребление  энергии делают их идеальным решением для использования в промышленных условиях. Кроме того, использование EDC/ECC (Error Detection Code/Error Correction Code) технологии обеспечивает прекрасную защиту информации от ошибок, а стандартные интерфейсы связи – совместимость этих накопителей  с промышленной вычислительной техникой.[4] 

1.   Серия FIU

     Серия FIU (Flash in USB) полностью совместима с USB интерфейсом и обеспечивает простой и быстрый метод сохранения данных. Этот модуль USB flash памяти может использоваться как дополнительный накопитель для устройств, работающих в жестких промышленных условиях.

     Для устройств USB 2.0 регламентировано три  режима работы:

- Low-speed, 10--1500 Кбит/c

- Full-speed, 0,5--12 Мбит/с

- Hi-speed, 25--480 Мбит/с  

     Характеристики:

-стандартный USB;

-прекрасно работает в жестких условиях;

-устойчив к ударам и вибрации;

-целостность данных с EDC/ECC (код обнаружения/корректировки ошибок);

-высокая надежность и долговечность;

-низкое энергопотребление;

-степень защиты RoHS.

Спецификация: 
-ABS+PC кожух. 
-емкость: 32Мб – 2Гб;

-интерфейс: USB 2.0.

Скорость обмена данными:

-чтение: максимум 22 Мбайт/сек;

-запись: максимум 17 Мбайт/сек.

Условия эксплуатации:

-температура эксплуатации: 0 – 70С;

-температура хранения: 0 – 70С;

-влажность: 8 – 95%;

-вибрация: 15G;

-удар: 1000G.

Надежность  системы:

ECC технология: корректировка  4 случайных символов на 512 бит  информации;

время наработки  на отказ: 1000000 часов.