Как устроена и работает флеш-память?

Что было бы, если бы ваша память работала только тогда, когда вы не спите? Каждое утро вы бы просыпались совершенно новым человеком, которому нужно было бы заново учиться ходить и говорить! Схожая проблема есть и у компьютеров — обычные чипы памяти «забывают» всю информацию, когда отключается питание. Решается эта проблема накопителями данных — например, магнитными жесткими дисками. Последние, правда, давно устарели — сейчас повсеместно используется флеш-память, которую устанавливают и в обычные ПК в виде SSD, и в смартфоны, и во множество других устройств.

Как же устроена и работает эта флеш-память, которая есть практически во всех девайсах, которые мы используем? Расскажем в этом материале!

Как компьютеры хранят информацию

Любое устройство с процессором внутри обрабатывает информацию в цифровом виде. Слова и цифры компьютеры преобразовывают в бесконечную строку нолей и единиц — бинарный код. К примеру, буква «A» в нем записывается в виде «01000001», а знак вопроса — в виде «00111111». Это касается любых букв, цифр и символов. Как разные устройства «понимают» все эти коды? Очень просто — благодаря давно установленному международному стандарту ASCII.

Как же информация хранится в чипах памяти? Для этого представьте себе немного другой пример. Один человек стоит неподалеку от другого и использует восемь флагов, с помощью которых передает второму некие сведения. Оба человека знают ASCII-код, поднятый флаг означает единицу, а опущенный — ноль.

Именно так любые файлы и хранятся в памяти компьютеров, только «флагов» во флеш-чипах (или на магнитных дисках) — многие и многие миллиарды. На самом деле это микроскопические переключатели, которые называются транзисторами, и каждый из них может быть либо «включенным», либо «выключенным».

Таким образом, с помощью восьми транзисторов устройство может «запомнить» цифру или букву. Каждый ноль или каждая единица — это бит, а каждый набор из восьми транзисторов — байт. Обычный 500-гигабайтный SSD-диск может хранить примерно 500 миллиардов символов.

Что такое флеш-память

Обычные транзисторы — это простейшие электронные переключатели, на состояние которых влияет электрический ток. Это одновременно и преимущество, и недостаток. Преимущество — потому, что изменить данные в таких транзисторах относительно просто. Недостаток — потому, что в момент отключения тока обычные транзисторы принимают оригинальное состояние, а вся сохраненная в них информация теряется.

Компьютерная память, которая работает таким образом, называется Random Access Memory (RAM). Другой тип памяти — Read-Only Memory (ROM), который от этой проблемы не страдает.

Флеш-память устроена таким образом, что ее чипы могут хранить любую необходимую информацию даже при выключенном питании — на протяжении практически бесконечно долгого периода времени.

Как работает флеш-память

Как достигается эффект сохранения данных даже при выключенном питании? Для этого используют другой тип транзисторов, который называется «транзистор с плавающим затвором».

Самый простой транзистор имеет три соединения, через которые им можно управлять — затвор, исток и сток. Представьте себе водопроводную трубу, через которую проходит не вода, а ток. То место, через которое ток попадает в эту «трубу», называется истоком, а то, через которое он выходит, называется стоком. Затвор расположен между ними — когда он открыт, ток свободно проходит через транзистор (это единица), а когда закрыт — нет (это ноль). Если отключить питание, такой транзистор тоже отключится, и при включении будет находиться в исходном состоянии.

Транзистор с плавающим затвором имеет второй, дополнительный затвор. Когда он «открывается», невероятно слабый заряд электричества проникает внутрь, находясь между двумя затворами. Так получается единица. Даже если устройство отключить о тсети, этот заряд останется на месте. Превратить эту единицу в ноль можно, если активировать второй затвор — заряд пройдет дальше.

Технические подробности

Хотите более технически продвинутого описания процесса? В полном объеме это заняло бы слишком много места, но мы попробуем объяснить все вкратце. Для начала порекомендуем ознакомиться со статьей о так называемых МОП-структурах в «Википедии».

Транзисторы во флеш-памяти — почти такие же, как и МОП-структуры, но у них два завтора вместо одного. Это «сэндвич» типа n-p-n, один затвор которого называется управляющим, а второй — плавающим. Отделены они оксидными слоями, через которые электричество пройти не способно.

Как в такой транзистор записать единицу? И в его стоке, и в его истоке много электронов, потому что они изготовлены из кремния n-типа, но перемещаться эти электроны не могут из-за кремния p-типа, который находится между ними. Чтобы активировать процесс, нужно включить положительное напряжение на двух контактах транзистора, в результате чего электроны начнут перемещение — от истока к стоку. Некоторое их количество из-за туннельного эффекта останется на плавающем затворе.

Именно так флеш-память хранит информацию — благодаря электронам на плавающих затворах транзисторов. Эти электроны могут оставаться там очень долгое время и без питания. Удалить их можно, если включить на одном из контактов негативное напряжение.

Как долго служит флеш-память

Со временем любой транзистор в чипе флеш-памяти может отказать — чем больше такие плавающие затворы используются, тем медленнее они работают, а в итоге перестают работать вовсе. На практике это давно перестало быть проблемой и в мобильных устройствах вроде телефонов, и в SSD-накопителях.

Во-первых, речь идет о сотнях тысяч циклов записи и стирания данных — к примеру, для USB-флешки или карты памяти, которую вы используете в своей цифровой камере, это просто слишком большое число.

Во-вторых, флеш-память давно стала «умной» — процесс записи и чтения данных контролируется специализированными чипами-контроллерами, которые учитывают степень износа разных секторов транзисторов и максимизируют их срок службы. Современные девайсы с флеш-памятью могут переживать сотню миллионов циклов перезаписи и даже больше.

В случае с SSD-накопителями при покупке стоит обратить внимание на показатель TBW, который обычно указывается в списке технических характеристик модели. Он сообщает о том, сколько терабайт данных можно записать в память SSD до того момента, когда его флеш-память начнет отказывать, и зависит как от качества самой памяти, так и от ее контроллера. Так, у 1-терабайтного NVMe SSD Samsung 970 Pro этот показатель составляет 1200 — полностью перезаписать все его биты можно 1200 раз. 1200 терабайт! В обычном домашнем ПК этот процесс займет много лет. Современные серверные SSD еще выносливее.

Как была изобретена флеш-память

Первый патент, связанный с флеш-памятью, был зарегистрирован в США инженером Toshiba по имени Фуцзио Масуока, который придумал эту идею вместе со своим коллегой Хисаказу Иизукой еще в 1981. Изначально такую память называли EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), а слово «flash» («вспышка») к ней прицепилось благодаря быстроте записи и чтения, которую сравнивали с быстротой работы вспышки камеры.

В то время передовые чипы EEPROM стирали с помощью луча ультрафиолетового света, а весь процесс занимал около 20 минут и требовал использования прозрачного корпуса. Придумали и тип EEPROM, информацию в котором можно было стирать электрическим путем, но в нем за каждый бит отвечали два транзистора.

Первые чипы флеш-памяти, которые напоминают современные, выпустила та же Toshiba в 1987 году. Популярными устройства на ее основе, однако, начали становиться лишь в конце девяностых, когда во всевозможных портативных девайсах начали использовать карты памяти от Toshiba, Matsushita и SanDisk. В 2000 году на рынке появился первый цифровой аудиоплеер со слотом для SD-карт. Еще через несколько лет — в 2005 — Apple выпустила первый iPod с флеш-памятью, iPod Shuffle (предыдущие модели использовали миниатюрные жесткие диски). Ну а дальше вы знаете!

Что ждет флеш-память в будущем

В данный момент флеш-память продолжает отбирать у магнитных накопителей их долю рынка — благодаря увеличению скорости, улучшению надежности и удешевлению самих накопителей теперь она повсеместно используется даже в серверах и дата-центрах. Найти современный домашний ПК без SSD-накопителя внутри практически невозможно, а 2.5-дюймовыми HDD оснащаются только самые дешевые ноутбуки.

Миниатюризация электроники сделала использование крохотных чипов памяти попросту необходимым. Кроме того, флеш-память потребляет заметно меньше энергии, чем жесткие диски, и это тоже делает ее гораздо более привлекательной для использования в портативных устройствах. А еще она заметно более устойчива к ударам и перепадам температур!

Сейчас в большинстве случаев для производства чипов флеш-памяти используют технологию 3D NAND, которую начали разрабатывать еще в начале двухтысячных. На одной и той же кремниевой пластине благодаря этой технологии можно «вырастить» множество слоев транзисторов, благодаря чему плотность записи информации увеличивается сразу в несколько раз. Вместо плавающих затворов такая память использует (иногда менее надежную) «ловушку заряда».

Новые достижения скорости и надежности флеш-памяти сейчас в основном достигаются за счет использования все более продвинутых алгоритмов обработки данных и все более быстрых контроллеров. SSD большой емкости даже получают собственную оперативную память! Так, у недавно выпущенного 15.3-терабайтного (!) SATA SSD компании TeamGroup на борту есть не только огромное количество флеш-чипов, но и 4 ГБ RAM. Еще недавно столько получали недорогие лаптопы!

В любом случае, совершенно очевидно то, что дни жестких дисков сочтены — и в домашних ПК, и в серверах их сейчас используют разве что для долгосрочного хранения всякого рода некритичных данных. С каждым годом флеш-память будет становится еще дешевле, и смысла в покупке HDD будет оставаться все меньше. Впрочем, все зависит от множества факторов — например, строительства новых заводов и, соответственно, роста объемов производства нужных чипов. Стоить быть готовыми и к всевозможным форс-мажорам — к примеру, особенно мощное землетрясение в Тайване или Южной Корее, где находится львиная доля этих заводов, могло бы стать причиной заморозки или даже роста цен на продолжительный период.