Важной частью развития цивилизации является информация. В процессе ее обработки особую роль играют носители. От их характеристик зависят скоростные возможности систем, обеспечивающих запись и чтение программ и данных, а также надежность хранения информации. Универсальным и перспективным вариантом сегодня считаются твердотельные накопители (SSD), но обеспечивают ли они требуемые от них скорость и надежность?
Евгений Рудометов
Средства хранения цифровой информации прошли славный путь эволюции. Каждое из этих средств пережило свой этап открытий, многочисленных усовершенствований и, наконец, заката, постепенно уступая пальму первенства своим более совершенным наследникам. Все они были востребованы и выпускались десятками и сотнями миллионов экземпляров. Тем не менее, ни один из вариантов не был идеален, включая даже жесткие диски (HDD — hard disk drive — накопитель на жестких магнитных дисках, жесткий диск, разг. винчестер), чья история с выпуска первого жеского диска в 1956 г. (IBM 350 в составе компьютера IBM 305) насчитывает уже более полувека. Именно из-за ограниченных технических и эксплуатационных возможностей гибких и магнитооптических дисков, магнитных лент в компакт-кассетах, бобинах и картриджах, оптических дисков CD/DVD/BD и жестких дисков 2.5″ и 3.5″ HDD конструкторы и пользователи с энтузиазмом восприняли разработку чипов (1988 г.) и устройств (1984 г.) на основе технологии флеш.
В качестве примера можно привести карты памяти: PC Card, CompactFlash (CF), SmartMedia (SM), MultiMedia Card (MMC), SD (Secure Digital Memory Card, до 4 Гбайт), SDHC (Secure Digital High Capacity, до 32 Гбайт), SDXC (Secure Digital eXtended Capacity, до 2 Тбайт) , SDUC (Secure Digital Ultra Capacity, до 128 Тбайт). К данному набору следует еще добавить популярные карты уменьшенных форм-факторов, к которым относятся Memory Stick, miniSD, MicroSD, MicroSDHC, MicroSDXD и т.п. При этом совместимость устройств, рассчитанных на использование полноформатных карт SD, SDHC, SDXC, с картами MicroSD, MicroSDHC, MicroSDXС осуществляется с помощью специальных переходников. Внешние дизайн и контакты таких переходников полностью совпадают с картами SD, SDHC, SDXC, а внутренние дизайн и контакты — с микрокартами.
Совместимость устройств и флеш-карт MicroSD, MicroSDHC, MicroSDXС
Среди других устройств следует отметить USB-флеш-накопители (USB-флешки или просто флешки) и, конечно, твердотельные накопители (Solid-State Drive, SSD). Они способны во многих случаях заменить жесткие диски и в ноутбуках, и настольных компьютерах, и рабочих станциях, и серверах, и других устройствах и системах, то есть практически везде.
Указанные средства хранения информации не нуждаются в сложных механических узлах, они состоят из печатной платы с набором напаянных на ней микросхем, дополненных интерфейсным разъемом. Такая конструкция обещает для накопителей высокие показатели быстродействия, энергоэкономичности, надежности при компактных размерах.
Однако, давайте разбираться, насколько оправданы эти надежды. Но сначала немного о технологии флеш, которая является разновидностью полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти. Звучит это несколько страшно, но, по сути, все очень просто.
Не вдаваясь в тонкости реализации разных вариантов технологии флеш, можно сказать, конечно, сильно упрощая, что биты цифровых данных в форме зарядов хранятся в миниатюрных конденсаторах с очень низким саморазрядом. Считывание же значений осуществляют схемы на основе транзисторов с изолированными затворами или их аналоги. Это иллюстрирует соответствующая эквивалентная электронная схема (рис.1).
Рис. 1. Хранение одного бита в ячейке накопителя флеш
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
В такой схеме установка «нуля» осуществляется подключением конденсатора к «земле», а «единицы» — к шине питания. А как собственно реализовано хранение заряда в реальных продуктах — это, вообще говоря, не так и важно. По сути, это конденсатор и цепь считывания, формирующие ячейку хранения (Cell). Остается добавить, что для хранения байта потребуется восемь таких ячеек. Можно сказать, что такой подход лежит в основе USB-флеш-накопителей (USB-флешки или просто флешки) и распространенных флеш-карт (SD, SDHC, SDXC и т.п.), и в твердотельных накопителях (Solid-State Drive, SSD), как впрочем, и в чипах флеш-памяти, используемых в различных электронных устройствах. Примеры USB-флеш-накопителя и флеш-карт приведены на рис. 2.
Рис. 2. Примеры USB-накопителя и флеш-карт
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
Очевидно, что время сохранения информации в накопителях зависит от времени сохранения зарядов в ячейках, точнее, пока записанные «единицы» устойчиво считываются именно как «единицы», а не как «нули». Конечно, это касается и записанных «нулей». Для повышения надежности в архитектуре предусмотрены дополнительные ячейки и специальные цепи, реализующие алгоритмы контроля и восстановления информации.
А теперь о некоторых тонкостях. Дело в том, что указанная эквивалентная схема (рис. 1) иллюстрирует способ хранения информации в самых ранних разработках, когда каждый бит требовал свою индивидуальную цепь хранения заряда. Это однобитовые ячейки, их называют одноуровневыми (Single-Level Cell, SLC). Время хранения информации в таких ячейках, по заверениям производителей, достигает 10 и более лет.
С целью повышения информационной емкости накопителей и снижения их стоимости были разработаны технологии хранения нескольких бит в каждой ячейке. Так, например, в ячейке можно хранить два бита, что достигается хранением четырех уровней напряжения на конденсаторе (Multi-Level Cell, MLC), три бита — за счет хранения восьми уровней (Triple-Level Cell, TLC), четырех бит — за счет хранения шестнадцати уровней (Quad-Level Cell, QLC). Анонсирована разработка накопителей с сохранением в каждой ячейке пяти бит (Penta-Level Cell, PLC), что достигается работой электронных схем с тридцатью двумя уровнями напряжения, но реализация этой возможности ждет всех нас, вероятно, в неблизкой перспективе.
Выпуск накопителей с многоуровневым принципом записи/хранения/чтения информации требует очень высокой культуры производства. Из важнейших особенностей таких твердотельных накопителей необходимо отметить, что реализация указанных операций требует наличия в составе архитектуры таких накопителей скоростных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей. Это иллюстрирует схема, приведенная на рис.3.
Рис. 3. Хранение нескольких бит в ячейке SSD
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
Однако указанные технологии повышения плотности информации сокращают время надежного хранения информации. Конечно, с целью компенсации возможных сбоев и, как следствие, искажения и потери информации используются дополнительные ячейки и высокоэффективные алгоритмы, обеспечивающие контроль и восстановление информации. Однако главным результатом является достижение высоких показателей емкости при относительно небольших затратах.
О надежности твердотельных дисков — в следующей части данной статьи.
>> Часть 2