Сравнение типов флеш-памяти NAND. Как узнать, сколько времени проработает ваш твердотельный накопитель SSD

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget - устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

NOR

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash , каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи - от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие - архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях:) (а NOR - с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше - площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации. К примеру, для изменения одного байта требуется:

считать в буфер блок информации, в котором он находится
в буфере изменить нужный байт
записать блок с измененным байтом обратно

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение - здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т. п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования - проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

И будет флэш…

Безусловно, флэш - перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas - флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC - error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек - это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит - электромагнитное, физическое (тряска и т. п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC - он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок - чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи - 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) - универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов - 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками - по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что - не взыщите:) Надеюсь, материал был вам интересен.

ВведениеТвердотельные накопители или SSD (solid-state drive), то есть такие, в основе которых лежат не магнитные пластины, а флеш-память, стали одной из самых впечатляющих компьютерных технологий последнего десятилетия. По сравнению с классическими жёсткими дисками они предлагают заметно более высокие скорости передачи данных и на порядки более низкое время отклика, и поэтому их применение поднимает отзывчивость дисковой подсистемы на совершенно новый уровень. В результате, компьютер, в котором используется твердотельный накопитель, предлагает пользователю по-настоящему стремительную реакцию на обычные действия вроде загрузки операционной системы, запуска приложений и игр или открытия файлов. И это значит, что нет никаких причин для того, чтобы игнорировать прогресс и не использовать SSD при сборке новых или при модернизации старых персональных компьютеров.

Появление столь прорывной технологии было по достоинству оценено многими пользователями. Спрос на твердотельные накопители потребительского уровня лавинообразно вырос, а к производству SSD стали присоединяться всё новые и новые компании, старающиеся урвать свою долю на растущем и перспективном рынке. С одной стороны, это хорошо – высокая конкуренция порождает установление выгодных для потребителей цен. Но с другой – на рынке клиентских твердотельных накопителей возникает бардак и путаница. Десятки производителей предлагают сотни различающихся между собой по характеристикам SSD, и найти в таком многообразии подходящее решение для каждого конкретного случая становится очень непросто, особенно без досконального знания всех тонкостей. В этой статье мы попытаемся осветить основные вопросы, касающиеся выбора твердотельных накопителей, и дадим свои рекомендации, которые позволят при покупке SSD осуществить более-менее осознанный выбор и получить в своё распоряжение продукт, который будет вполне достойным вариантом по сочетанию цены и потребительских качеств.

Проповедуемый нами алгоритм выбора не слишком сложен для понимания. Мы предлагаем не зацикливаться на особенностях аппаратных платформ и контроллеров, используемых в различных моделях SSD. Тем более, что их число давно вышло за разумные пределы, а разница в их потребительских свойствах нередко может быть прослежена лишь специалистами. Вместо этого выбор предпочтительнее строить исходя из действительно важных факторов – используемого интерфейса, типа установленной в том или ином накопителе флеш-памяти и того, какая фирма произвела конечный продукт. Говорить же о контроллерах имеет смысл лишь в отдельных случаях, когда это действительно имеет определяющее значение, и мы такие случаи опишем отдельно.

Форм-факторы и интерфейсы

Первое и самое заметное различие между имеющимися на рынке твердотельными накопителями заключается в том, что они могут иметь различное внешнее исполнение и подключаться в систему по разным интерфейсам, использующим для передачи данных принципиально различные протоколы.

Наиболее распространены SSD, обладающие интерфейсом SATA . Это ровно тот же интерфейс, что применяется в классических механических жёстких дисках. Поэтому большинство SATA SSD и выглядят похожим на мобильные HDD образом: они упаковываются в 2,5-дюймовые корпуса с высотой 7 или 9 мм. Такой SSD можно установить в ноутбук на место старого 2,5-дюймового жёсткого диска, а можно без каких-либо проблем использовать его и в настольном компьютере вместо (или рядом с) 3,5-дюймовым HDD.

Твердотельные накопители, использующие интерфейс SATA, стали своего рода правопреемниками HDD, и это обуславливает их повсеместное распространение и широчайшую совместимость с существующими платформами. Однако современная версия SATA-интерфейса рассчитана на максимальную скорость передачи данных лишь на уровне 6 Гбит/с, которая кажется запредельной для механических жёстких дисков, но не для SSD. Поэтому производительность наиболее мощных моделей SATA SSD определяется не столько их возможностями, сколько пропускной способностью интерфейса. Это не особенно мешает массовым твердотельным накопителям раскрывать свою высокую скорость, но наиболее производительные модели SSD для энтузиастов интерфейс SATA стараются обходить стороной. Тем не менее, именно SATA SSD является самым подходящим вариантом для современной общеупотребительной системы.

Широко используется SATA-интерфейс и в SSD, рассчитанных на компактные мобильные системы. В них дополнительные ограничения накладываются на размер комплектующих, поэтому накопители для таких применений могут выпускаться в специализированном форм-факторе mSATA . Твердотельные накопители данного формата представляют собой небольшую дочернюю карту с напаянными микросхемами и устанавливаются в специальные слоты, имеющиеся в некоторых ноутбуках и неттопах. Преимущество mSATA SSD заключается исключительно в миниатюрности, никаких же иных плюсов у mSATA нет – это точно такие же SATA SSD, что и выпускаемые в 2,5-дюймовых корпусах, но в более компактном исполнении. Поэтому, приобретать такие накопители следует лишь для модернизации систем, в которых есть разъёмы mSATA.

В тех же случаях, когда пропускной способности, предлагаемой SATA-интерфейсом, кажется недостаточно, обратить внимание можно на твердотельные накопители с интерфейсом PCI Express . В зависимости от того, какая версия протокола и сколько линий используется накопителем для передачи данных, пропускная способность этого интерфейса может доходить до значений, впятеро превосходящих возможности SATA. В таких накопителях обычно используются самая производительная начинка, и они существенно обходят по скорости более привычные SATA-решения. Правда, PCIe SSD существенно дороже, поэтому чаще всего они попадают в наиболее высокопроизводительные системы высшей ценовой категории. А поскольку PCIe SSD обычно выпускаются в виде карт расширения, устанавливаемых в слоты PCI Express, подходят они исключительно для полноразмерных настольных систем.

Стоит отметить, что в последнее время становятся популярны накопители c интерфейсом PCI Express, работающие по протоколу NVMe . Это – новый программный протокол работы с устройствами хранения данных, который дополнительно увеличивает быстродействие системы при взаимодействии со скоростной дисковой подсистемой. За счёт сделанных в нём оптимизаций этот протокол действительно обладает лучшей эффективностью, но сегодня к NVMe-решениям нужно относиться с осторожностью: они совместимы лишь с самыми новыми платформами и работоспособны только в новых версиях операционных систем.

В то время как пропускной способности интерфейса SATA становится недостаточно для скоростных моделей SSD, а PCIe-накопители громоздки и требуют для своей установки отдельного полноразмерного слота, на сцену постепенно выходят накопители, выполненные в форм-факторе M.2 . Похоже, что именно M.2 SSD имеют шанс стать следующим общепринятым стандартом, и они будут не менее популярны, чем SATA SSD. Однако нужно иметь в виду, что M.2 – это не ещё один новый интерфейс, а лишь спецификация типоразмера карт и разводки необходимого для них разъёма. Работают же M.2 SSD по вполне привычным интерфейсам SATA либо PCI Express: в зависимости от конкретной реализации накопителя допускается как один, так и другой вариант.

Карты M.2 представляют собой небольшие дочерние платы с напаянными на них элементами. Необходимые для них слоты M.2 сегодня можно найти на большинстве современных материнских плат, а также во многих новых ноутбуках. Учитывая, что M.2 SSD могут работать в том числе и через интерфейс PCI Express, наиболее интересны с практической точки зрения как раз именно такие M.2-накопители. Однако на данный момент ассортимент подобных моделей не слишком велик. Тем не менее, если речь идёт о сборке или модернизации современной высокопроизводительной системы, в частности, игрового десктопа или ноутбука, мы советуем обращать внимание в первую очередь именно на M.2-модели SSD с интерфейсом PCI Express.

Кстати, если ваша настольная система не оборудована разъёмом M.2, а установить такой накопитель всё-таки хочется, сделать это всегда возможно с помощью платы-переходника. Такие решения выпускаются как производителями материнских плат, так и многочисленными мелкими производителями всякой периферии.

Типы флеш-памяти и надёжность накопителей

Второй важный вопрос, с которым в любом случае придётся разобраться при выборе, касается типов флеш-памяти, которые можно встретить в актуальных моделях твердотельных накопителей. Именно флеш-память определяет основные потребительские характеристики SSD: их производительность, надёжность и цену.

Ещё совсем недавно разница между различными типами флеш-памяти состояла лишь в том, сколько бит данных хранится в каждой ячейке NAND, и это подразделяло память на три разновидности: SLC, MLC и TLC. Однако теперь производители осваивают в своих полупроводниковых технологиях новые подходы к компоновке ячеек и к повышению их надёжности, и ситуация стала значительно сложнее. Тем не менее, мы перечислим основные варианты флеш-памяти, которые можно встретить в современных твердотельных накопителях для обычных пользователей.

Начать следует с SLC NAND . Это самый старый и самый простой тип памяти. Он предполагает хранение одного бита данных в каждой ячейке флеш-памяти и благодаря этому имеет высокие скоростные характеристики и заоблачный ресурс перезаписи. Проблема лишь в том, что хранение по одному биту информации в каждой ячейке активно расходует транзисторный бюджет, и флеш-память такого типа получается очень дорогой. Поэтому SSD на базе такой памяти уже давно не выпускаются, и на рынке их попросту нет.

Разумной альтернативой SLС-памяти с более высокой плотностью хранения данных в полупроводниковых NAND-кристаллах и более низкой ценой является MLC NAND . В такой памяти в каждой ячейке хранится уже по два бита информации. Скорость работы логической структуры MLC-памяти остаётся на достаточно хорошем уровне, но выносливость снижается примерно до трёх тысяч циклов перезаписи. Тем не менее, MLC NAND используется сегодня в подавляющем большинстве высокопроизводительных твердотельных накопителей, а уровень её надёжности вполне достаточен для того, чтобы производители SSD не только давали на свои продукты пятилетнюю или даже десятилетнюю гарантию, но и обещали возможность перезаписи полной ёмкости накопителя несколько сотен раз.

Для тех же применений, где интенсивность операций записи очень высока, например, для серверов, производители SSD собирают решения на базе специальной eMLC NAND . С точки зрения принципов работы это – полный аналог MLC NAND, но с повышенной устойчивостью к постоянным перезаписям. Такая память изготавливается из самых лучших, отборных полупроводниковых кристаллов и может без проблем переносить примерно втрое большую нагрузку, чем ординарная MLC-память.

В то же время стремление к снижению цен на свою массовую продукцию заставляет производителей переходить на более дешёвую по сравнению с MLC NAND память. В бюджетных накопителях последних поколений нередко встречается TLC NAND – флеш-память, в каждой ячейке которой хранится по три бита данных. Эта память примерно в полтора раза медленнее, чем MLC NAND, а её выносливость такова, что перезаписать в ней информацию до деградации полупроводниковой структуры удаётся около тысячи раз.

Тем не менее, даже такую хлипкую TLC NAND в сегодняшних накопителях можно встретить достаточно часто. Число моделей SSD на её основе уже перевалило далеко за десяток. Секрет жизнеспособности таких решений заключается в том, что в них производители добавляют небольшой внутренний кеш, основанный на скоростной и высоконадёжной SLC NAND. Именно таким образом решается сразу обе проблемы – как с производительностью, так и с надёжностью. В результате, SSD на базе TLC NAND получают скорости, достаточные для насыщения SATA-интерфейса, а их выносливость позволяет производителям давать на конечные продукты трёхлетнюю гарантию.

В погоне за снижением себестоимости продукции производители стремятся к уплотнению данных внутри ячеек флеш-памяти. Именно этим был обусловлен переход на MLC NAND и начавшееся теперь распространение в накопителях TLC-памяти. Следуя этой тенденции, в скором времени мы могли бы столкнуться и с SSD на базе QLC NAND, в которой каждая ячейка хранит по четыре бита данных, однако какова бы была надёжность и скорость работы такого решения, остаётся только догадываться. К счастью, индустрия нашла другой путь повышения плотности хранения данных в полупроводниковых кристаллах, а именно – их перевод на трёхмерную компоновку.

В то время как в классической NAND-памяти ячейки расположены исключительно планарно, то есть в виде плоского массива, в 3D NAND в полупроводниковой структуре введено третье измерение, и ячейки располагаются не только по осям X и Y, но и в несколько ярусов друг над другом. Этот подход позволяет решить главную проблему – плотность хранения информации в такой структуре можно наращивать не увеличением нагрузки на имеющиеся ячейки или их миниатюризацией, а простым добавлением дополнительных слоёв. Успешно решается в 3D NAND и вопрос выносливости флеш-памяти. Трёхмерная компоновка позволяет применять производственные технологии с увеличенными нормами, которые с одной стороны дают более устойчивую полупроводниковую структуру, а с другой – устраняют взаимное влияние ячеек друг на друга. В результате, ресурс трёхмерной памяти по сравнению с планарной удаётся улучшить примерно на порядок.

Иными словами, трёхмерная структура 3D NAND готова совершить настоящую революцию. Проблема лишь в том, что изготавливать такую память несколько сложнее, чем обычную, поэтому старт её производства значительно растянулся по времени. В итоге, на данный момент налаженным массовым выпуском 3D NAND может похвастать лишь компания Samsung. Остальные производители NAND пока лишь готовятся к запуску серийного производства трёхмерной памяти и смогут предложить коммерческие решения только в следующем году.

Если же говорить о трёхмерной памяти Samsung, то на сегодняшний день она использует 32-слойный дизайн и продвигается под собственным маркетинговым именем V-NAND. По типу организации ячеек в такой памяти она подразделяется на MLC V-NAND и TLC V-NAND – и то, и другое – это трёхмерная 3D NAND, но в первом случае каждая отдельная ячейка хранит по два бита данных, а во втором – по три. Хотя принцип действия в обоих случаях схож с обычной MLC и TLC NAND, за счёт использования зрелых техпроцессов её выносливость выше, а значит, SSD на базе MLC V-NAND и TLC V-NAND несколько лучше по надёжности, чем SSD с обычной MLC и TLC NAND.

Впрочем, говоря о надёжности твердотельных накопителей, необходимо иметь в виду, что от ресурса применяемой в них флеш-памяти она зависит лишь опосредовано. Как показывает практика, современные потребительские SSD, собранные на качественной NAND-памяти любого типа, в реальности способны перенести запись сотен терабайт информации. И это с лихвой покрывает потребности большинства пользователей персональных компьютеров. Выход же накопителя из строя при исчерпании им ресурса памяти – это скорее из ряда вон выходящее событие, которое может быть связано лишь с тем, что SSD используется при слишком интенсивной нагрузке, для которой он на самом деле не предназначался изначально. В большинстве случаев поломки SSD происходят по совершенно другим причинам, например, от перебоев питания или ошибок в их микропрограмме.

Поэтому вместе с типом флеш-памяти очень важно обращать внимание и на то, какая компания изготовила конкретный накопитель. Крупнейшие производители имеют в своём распоряжении более мощные инженерные ресурсы и лучше заботятся о своей репутации, чем небольшие фирмы, вынужденные конкурировать с грандами, используя в первую очередь ценовой аргумент. Вследствие этого SSD крупных производителей в целом более надёжны: в них используются заведомо качественные компоненты, а доскональная отладка микропрограммы является одним из важнейших приоритетов. Это подтверждаются и практикой. Частота обращений по гарантии (по общедоступной статистике одного из европейских дистрибуторов) меньше у тех SSD, которые произведены более крупными компаниями, о которых мы подробнее поговорим в следующем разделе.

Производители SSD, о которых следует знать

Рынок потребительских SSD очень молод, и на нём ещё не успела произойти консолидация. Поэтому число производителей твердотельных накопителей очень велико – как минимум их не меньше сотни. Но большинство из них – это мелкие компании, которые не имеют ни собственных инженерных команд, ни полупроводникового производства, а фактически занимаются лишь сборкой своих решений из закупаемых на стороне готовых компонентов и их маркетинговой поддержкой. Естественно, SSD, выпущенные такими «сборщиками», уступают продукции настоящих производителей, которые инвестируют в разработку и производство огромные средства. Именно поэтому при рациональном подходе к выбору твердотельных накопителей обращать внимание стоит лишь на решения, выпускаемые лидерами рынка.

В числе таких «столпов», на которых держится весь рынок твердотельных накопителей, можно назвать лишь несколько имён. И в первую очередь это – Samsung , которая на этот момент владеет весьма внушительной 44-процентной рыночной долей. Иными словами, почти каждый второй проданный SSD сделан именно Samsung. И такие успехи совсем не случайны. Компания не только самостоятельно делает флеш-память для своих SSD, но и обходится вообще без какого-либо стороннего участия в проектировании и производстве. В её твердотельных накопителях используются аппаратные платформы, от начала и до конца сконструированные собственными инженерами и производимые на собственных мощностях. В результате, передовые накопители Samsung нередко отличаются от конкурирующих продуктов своей технологической продвинутостью – в них можно встретить такие прогрессивные решения, которые в продукции других фирм появляются существенно позже. Например, накопители, основанные на 3D NAND, в настоящее время присутствуют исключительно в ассортименте компании Samsung. И именно поэтому на SSD этой компании следует обратить внимание энтузиастам, которым импонирует техническая новизна и высокая производительность.

Второй по величине производитель SSD потребительского уровня – Kingston , владеющий примерно 10-процентной рыночной долей. В отличие от Samsung эта компания не занимается самостоятельным выпуском флеш-памяти и не ведёт разработок контроллеров, а опирается на предложения сторонних производителей NAND-памяти и решения независимых инженерных команд. Однако именно это позволяет Kingston конкурировать с гигантами вроде Samsung: умело подбирая партнёров в каждом конкретном случае, Kingston предлагает весьма разностороннюю линейку продукции, хорошо отвечающую потребностям разных групп пользователей.

Также мы бы посоветовали обращать внимание на те твердотельные накопители, которые выпускаются компаниями SanDisk и Micron, использующей торговую марку Crucial . Обе эти фирмы имеют собственные мощности по выпуску флеш-памяти, что позволяет им предлагать высококачественные и технологичные SSD с отличным сочетанием цены, надёжности и быстродействия. Немаловажно и то, что при создании своих продуктов эти производители опираются на сотрудничество с компанией Marvell – одним из лучших и крупнейших разработчиков контроллеров. Такой подход позволяет SanDisk и Micron стабильно добиваться достаточно высокой популярности их продукции – их доля на рынке SSD достигает 9 и 5 процентов соответственно.

В завершение рассказа об основных игроках рынка твердотельных накопителей упомянуть следует и о компании Intel. Но, к сожалению, не в самом положительном ключе. Да, она тоже самостоятельно производит флеш-память и имеет в своём распоряжении отличную инженерную команду, способную проектировать весьма интересные SSD. Однако Intel сосредоточена в первую очередь на разработках твердотельных накопителей для серверов, которые рассчитаны на интенсивные нагрузки, имеют достаточно высокую цену и потому малоинтересны для обычных пользователей. Её же клиентские решения основываются на совсем старых аппаратных платформах, закупаемых на стороне, и заметно проигрывают в своих потребительских качествах предложениям конкурентов, о которых мы говорили выше. Иными словами, использовать в современных персональных компьютерах твердотельные накопители компании Intel мы не советуем. Исключение для них можно делать лишь в одном случае – если речь идёт о высоконадёжных накопителях с eMLC-памятью, которые микропроцессорному гиганту удаются на отлично.

Быстродействие и цены

Если вы внимательно ознакомились с первой частью нашего материала, то осмысленный выбор твердотельного накопителя кажется очень простым. Совершенно очевидно, что выбирать следует из основанных на V-NAND или MLC NAND моделей SSD, предлагаемых лучшими производителями – лидерами рынка, то есть Crucial, Kingston, Samsung или SanDisk. Однако даже если сузить круг поиска до предложений только этих компаний, то окажется, что их всё равно очень много.

Поэтому к критериям поиска придётся привлечь дополнительные параметры – производительность и цену. На сегодняшнем рынке SSD произошла чёткая сегментация: предлагаемые продукты относятся к нижнему, среднему или верхнему уровню и от этого прямо зависит их цена, производительность, а также и условия гарантийного обслуживания. Наиболее дорогие твердотельные накопители основываются на самых производительных аппаратных платформах и используют самую качественную и быструю флеш-память, более же дешёвые – базируются на урезанных платформах и NAND-памяти попроще. Накопители же среднего уровня характеризуются тем, что в них производители пытаются соблюсти баланс между производительностью и ценой.

В результате, продающиеся в магазинах бюджетные накопители предлагают удельную цену на уровне $0,3-0,35 за каждый гигабайт. Модели среднего уровня подороже – их стоимость составляет $0,4-0,5 за каждый гигабайт объёма. Удельные же цены флагманских SSD вполне могут доходить до $0,8-1,0 за гигабайт. В чём же разница?

Решения верхней ценовой категории, которые в первую очередь ориентированы на аудиторию энтузиастов, это – высокопроизводительные SSD, использующие для своего включения в систему шину PCI Express, которая не ограничивает максимальную пропускную способность при передаче данных. Такие накопители могут быть выполнены в виде M.2 или PCIe-карт и обеспечивают скорости, в разы превышающие быстродействие любых SATA-накопителей. При этом в их основе используются специализированные контроллеры Samsung, Intel или Marvell и самая качественная и быстродействующая память типов MLC NAND или MLC V-NAND.

В среднем ценовом сегменте играют SATA-накопители, подключаемые по SATA-интерфейсу, однако способные при этом задействовать (почти) всю его пропускную способность. Такие SSD могут использовать разные контроллеры разработки Samsung или Marvell и различную качественную MLC либо V-NAND память. Однако в целом их производительность примерно одинакова, поскольку больше зависит от интерфейса, чем от мощности начинки накопителя. Выделяются такие SSD на фоне более дешёвых решений не только производительностью, но и расширенными условиями гарантии, срок которой устанавливается в пять или даже десять лет.

Бюджетные накопители – самая многочисленная группа, в которой находят место совершенно разношёрстные решения. Однако находятся у них и общие черты. Так, контроллеры, которые применяются в недорогих SSD, обычно имеют урезанный уровень параллелизма. Кроме того, чаще всего это процессоры, созданные небольшими тайваньскими инженерными командами вроде Phison, Silicon Motion или JMicron, а не командами разработчиков с мировым именем. По своей производительности бюджетные накопители до решений более высокого класса, естественно, не дотягивают, что бывает особенно заметно при случайных операциях. Кроме того, попадающая в накопители нижнего ценового диапазона флеш-память тоже к самому высокому уровню, естественно, не относится. Обычно здесь встречается либо дешёвая MLC NAND, выпущенная по «тонким» производственным нормам, или вообще TLC NAND. Вследствие этого сроки гарантии на такие SSD сокращены до трёх лет, существенно ниже бывает и декларируемый ресурс перезаписи. Высокопроизводительные SSD

Samsung 950 PRO . Вполне естественно, что лучшие SSD потребительского уровня стоит искать в ассортименте компании, которая занимает на рынке доминирующее положение. Так что если вы хотите получить в своё распоряжение накопитель премиального класса, который заведомо превосходит любые другие SSD по скорости, то можете смело приобретать новейший Samsung 950 PRO. В его основе лежит собственная аппаратная платформа Samsung, в которой задействуется передовая MLC V-NAND второго поколения. Она обеспечивает не только высокую производительность, но и хорошую надёжность. Но следует иметь в виду, что Samsung 950 PRO включается в систему по шине PCI Express 3.0 x4 и выполнен в виде карты форм-фактора M.2. И есть ещё одна тонкость. Этот накопитель работает по протоколу NVMe, то есть совместим лишь с новейшими платформами и операционными системами.

Kingston HyperX Predator SSD . Если же вы хотите получить максимально беспроблемное решение, которое заведомо совместимо не только с самыми новыми, но и со зрелыми системами, то выбор стоит останавливать на Kingston HyperX Predator SSD. Этот накопитель немного медленнее Samsung 950 PRO и использует шину PCI Express 2.0 x4, но зато его всегда и без каких-либо проблем можно сделать загрузочным накопителем в абсолютно любой системе. При этом обеспечиваемые им скорости в любом случае в разы выше, чем выдают SATA SSD. И ещё одна сильная сторона Kingston HyperX Predator SSD заключается в том, что он доступен в двух вариантах: в виде карт форм-фактора M.2, либо в виде PCIe-плат, устанавливаемых в привычный слот. Правда, есть у HyperX Predator и прискорбные недостатки. На его потребительских свойствах сказывается тот факт, что производитель закупает базовые компоненты на стороне. В основе HyperX Predator SSD лежит контроллер разработки Marvell и флеш-память Toshiba. В результате, не имея полного контроля над начинкой своего решения, Kingston вынуждена давать на свой премиальный твердотельный накопитель гарантию, сокращённую до трёх лет.

Тестирование и обзор Kingston HyperX Predator SSD .

Твердотельные накопители среднего уровня

Samsung 850 EVO . Основанный на собственной самсунговской аппаратной платформе, которая включает новаторскую флеш-память типа TLC V-NAND, накопитель Samsung 850 EVO предлагает отличное сочетание потребительских характеристик. При этом его надёжность не вызывает никаких нареканий, а технология SLC-кеширования TurboWrite позволяет полностью задействовать пропускную способность SATA-интерфейса. Особенно привлекательными нам представляются варианты Samsung 850 EVO с ёмкостью от 500 Гбайт и выше, которые обладают SLC-кешем большего размера. Кстати, в этой линейке есть и уникальный SSD с объёмом 2 Тбайт, аналогов которого вообще не существует. Ко всему перечисленному следует добавить, что на Samsung 850 EVO распространяется пятилетняя гарантия, причём владельцы накопителей данного производителя всегда могут обратиться в любой из раскиданных по стране многочисленных сервис-центров этой компании.

SanDisk Extreme Pro . Компания SanDisk сама производит флеш-память для своих накопителей, но контролеры закупает на стороне. Так, Extreme Pro базируется на контроллере разработки Marvell, однако в нём можно найти немало ноу-хау от самой SanDisk. Самое интересное добавление – SLC-кеш nCahce 2.0, который в Extreme Pro реализован внутри MLC NAND. В результате, производительность SATA-накопителя весьма впечатляет, а кроме того, мало кого оставят равнодушными условия гарантии, срок которой установлен в 10 лет. Иными словами, SanDisk Extreme Pro – очень интересный и актуальный вариант для систем среднего уровня.

Тестирование и обзор SanDisk Extreme Pro .

Crucial MX200 . Есть очень неплохой SATA SSD среднего уровня и ассортименте Micron. Crucial MX200 использует произведённую этой фирмой MLC-память и подобно SanDisk Extreme Pro основывается на контроллере Marvell. Однако модель MX200 дополнительно усилена технологией динамического SLC-кеширования Dynamic Write Acceleration, которая поднимает производительность SSD выше среднего уровня. Правда, используется она лишь в моделях с ёмкостью 128 и 256 Гбайт, так что в первую очередь интерес представляют именно они. Также несколько хуже у Crucial MX200 и условия гарантии – её срок установлен лишь в три года, но в качестве компенсации Micron продаёт свои SSD немного дешевле конкурентов.

Бюджетные модели

Kingston HyperX Savage SSD . Компания Kingston предлагает бюджетный SSD, основанный на полноценном восьмиканальном контроллере, чем он и подкупает. Правда, в HyperX Savage используется разработка Phison, а не Marvell, но зато флеш-память – нормальная MLC NAND, которую Kingston закупает у Toshiba. В итоге, уровень производительности, обеспечиваемый HyperX Savage, немного ниже среднего, а гарантия на него – трёхлетняя, но среди бюджетных предложений этот накопитель смотрится достаточно уверенно. Кроме того, HyperX Savage эффектно выглядит и его будет приятно установить в корпус с окном.

Тестирование и обзор Kingston HyperX Savage SSD .

Crucial BX100 . Этот накопитель попроще, чем Kingston HyperX Savage, и в его основе лежит урезанный четырёхканальный контроллер Silicon Motion, но несмотря на это производительность Crucial BX100 совсем неплоха. Кроме того, Micron использует в этом SSD свою собственную MLC NAND, что в итоге и делает данную модель весьма интересным бюджетным предложением, предлагаемым именитым производителем и не вызывающим претензий пользователей к надёжности.

Всем привет! Буквально на днях встретил своего давнишнего приятеля. Мы разговорились, и он, со словами «Смотри с каким телефоном я сейчас хожу!», продемонстрировал свою старенькую кнопочную Nokia. Выяснилось, что на его iPhone стала постоянно «слетать» прошивка - пришлось отдать смартфон в сервисный центр. Казалось бы, обычное дело...

Однако, для приятеля оказался необычным тот перечь работ, которые будет проводить сервис. Полная диагностика, обновление программного обеспечения (при необходимости) и другие «обычные штуки» - здесь все стандартно и понятно. Главный же вопрос вызвала вот такая фраза мастера - «скорей всего, надо перекатывать Nand Flash».

Я, конечно, в сервисе не показал что не понимаю о чем речь - дескать и так все знаю без вас. Вы главное - делайте. Но пришел домой и сразу полез «гуглить» - а что это вообще такое, Nand Flash? И на фига его куда-то катать внутри iPhone?

Посмеялись с ним, разошлись, а я подумал - почему бы не написать коротенькую заметку на эту тему? Много времени это не займет, а людям, которые столкнулись с той же проблемой что и мой знакомый, станет чуточку понятней, что вообще происходит с их смартфоном. Подумал - сделал. Поехали!:)

Что такое Nand Flash в iPhone?

Это внутренняя память устройства. Да, да, то самое и которого очень часто не хватает владельцам iPhone на 16 GB.

Грубо говоря, Nand Flash в iPhone 7 32 GB это и есть те самые 32 GB внутренней памяти.

Расположена память на основной системной плате устройства и ни чем примечательным не выделяется - самый обычный чип.

Естественно, это никакая не флешка - нельзя разобрать iPhone, легко отсоединить Nand Flash, поставить другую и думать что все будет «ОК». Не будет. Хотя, стоит оговориться, что в некоторых случаях это все-таки возможно. Но об это чуть дальше. А пока переходим к неполадкам...

Причины неисправности

Вариантов не очень много, и все они, как правило «стандартные»:

Падения устройства.
Иные физические повреждения.
Попадание жидкости.
Брак.
Джейлбрейк.

Здесь особо и расписывать нечего - понятное дело, что если устройство бросать и заливать водой, то это скажется на его работоспособности.

Хотя, отдельно все-таки отмечу такой пункт, как заводской брак - такое тоже очень даже возможно. Я был свидетелем подобной ситуации - iPhone только что куплен, а работать толком не работает - перезагружается, при восстановлении показывает ошибки и вообще ведет себя странно. Отдали в сервис, как итог - брак Nand Flash памяти и последующая замена устройства.

Симптомы неисправности Flash памяти iPhone

Каких-то четких и определенных симптомов у этой неисправности нет (на экране не выскакивает надпись - у вашего устройства проблемы с памятью), поэтому обо всем этом можно догадаться только по косвенным признакам:

Кстати, об ошибках...

Ошибки iTunes, указывающие на неисправность Nand Flash

Самый верный способ борьбы с различными неполадками в работе устройства. Однако, если у iPhone существуют проблемы с Nand Flash памятью, то процесс восстановления может прерываться и сопровождаться следующими характерными ошибками:

Но, важно помнить вот о чем - iTunes устроен таким образом, что одна и та же цифра ошибки может иметь несколько причин.

Например, ошибка 4013 может сигнализировать как о проблемах с самой микросхемой, так и о неоригинальности использования провода для подключения к ПК.

Как видите, разброс очень большой - от простого провода, до очень сложного ремонта. Поэтому, использовать этот перечень ошибок для предварительного анализа ситуации можно, а вот слепо доверять - нельзя.

Ремонт Nand Flash памяти - возможно ли это?

Возможно. Но, конечно же, не «в домашних условиях». Более того, далеко не все сервисные центры умеют проделывать эту операцию. Например, «в палатке на рынке» вам с большой долей вероятности помочь не смогут - там просто не будет необходимого оборудования. Да и навык, какой-никакой, должен быть.

В который раз отдельно замечу - если у вашего iPhone не закончился гарантийный срок (), то ничего выдумывать не нужно - . С большой долей вероятности вы получите взамен новое устройство.

Если с гарантией «пролет», а ремонт Nand Flash памяти все-таки необходим, то у сервисного центра есть два варианта исправления ситуации:

Кстати, если говорить про оборудование для прошивки Nand Flash, то подобные программаторы достаточно разнообразны, но одна вещь их все-таки объединяет - цена. Все они стоят приличных денег - далеко не каждый может позволить себе такую штуку.

Какой вывод можно сделать из всего этого? Проблемы с памятью iPhone - это достаточно серьезная поломка, которую очень тяжело исправить самостоятельно. Но и безнадежной ситуацию назвать нельзя. Главное - найти хороший сервисный центр с грамотными специалистами и необходимым оборудованием. И тогда iPhone еще долго будет радовать вас своей работой!

P.S. Да уж, короткой заметки не получилось:) Впрочем, что есть, то есть - не удалять же теперь. Да и информация полезная - кому-нибудь да пригодится. Согласны? Ставьте «лайки», жмите на кнопки социальных сетей - поддержите автора! Он старался, честно. Спасибо!

P.S.S. Остались какие-то вопросы? Есть чем дополнить статью или хочется рассказать свою историю? Для этого существуют комментарии - пишите смело!

Флэш-память NAND использует логический элемент NOT AND, и, как и многие другие типы памяти, хранит данные в большом массиве клеток, где каждая ячейка содержит один или несколько битов данных.

Любой вид памяти может подвергаться влиянию внутренних и внешних факторов, таких как износ, физическое повреждение, ошибки аппаратного обеспечения и прочие. В таких случаях мы рискуем расстаться со своими данными на совсем. Что же делать в таких ситуациях? Не стоит волноваться, поскольку существуют программы восстановления данных , которые восстанавливают данные легко и быстро, без необходимости покупать дополнительное оборудование или, в крайнем случае, начинать работу над утерянными документами заново. Рассмотрим NAND флэш-память детальнее.

Как правило, массив NAND делится на множество блоков. Каждый байт в одном из этих блоков может быть индивидуально написан и запрограммирован, но один блок представляет наименьшую стираемую часть массива. В таких блоках каждый бит имеет двоичное значение 1. Например, монолитное устройство NAND флэш-памяти объемом 2 Гб обычно состоит из блоков по 2048 Б (128 КБ) и 64 на каждый блок. Каждая страница вмещает 2112 Б, и состоит из 2048 байт данных и дополнительной зоны в 64 байта. Запасные области обычно используется для ECC, информации об износе ячеек и другие накладные функции программного обеспечения, хотя физически он не отличается от остальной части страницы. NAND устройства предлагаются с 8-битным или 16-битным интерфейсом. Узел данных подключен к NAND памяти через двунаправленную шину данных 8 или 16 бит. В 16-битном режиме команды и адреса используют 8 бит, остальные 8 бит приходятся на использование во время циклов передачи данных.

Типы флэш-памяти NAND

Флэш-память NAND, как мы уже отмечали, бывает двух типов: одноуровневая (SLC) и многоуровневая (MLC). Одноуровневая флэш-память – SLC NAND (single level cell) хорошо подойдет для приложений, которые требуют высокую и среднюю плотность. Это простейшая в использовании и удобная технология. Как описано выше, SLC NAND хранит один бит данных в каждой ячейке памяти. SLC NAND предлагает относительно высокую скорость чтения и записи, хорошую производительность и алгоритмы коррекции простых ошибок. SLC NAND может быть дороже других технологий NAND в расчете на один бит. Если приложению требуется высокая скорость чтения, например, высокопроизводительная медиа карта, некоторые гибридные диски, твердотельные устройства (SSD) или другие встроенные приложения — SLC NAND может стать единственным подходящим выбором.

Многоуровневая флэш-память – MLC NAND (multilevel cell) предназначена для приложений более высокой плотности и с медленным циклом.

В отличие от SLC NAND многоуровневые ячейки MLC NAND хранят два или больше бит на одну ячейку памяти. Чтобы определить место для каждого бита, применяется напряжение и ток. В устройствах SLC требуется только один уровень напряжения. Если ток обнаружен, то значение бита равно 1; если ток не обнаружен, то бит обозначается как 0. Для устройства MLC для определения значений битов используются три разных уровня напряжения.

Как правило, MLC NAND предлагает объем в два раза больше, чем SLC NAND для одного устройства и стоит также дешевле. Поскольку SLC NAND в три раза быстрее, чем MLC NAND и предлагает производительность выше, более чем в 10 раз; но для многих приложений, MLC NAND предлагает правильное сочетание цены и производительности. В самом деле, MLC NAND представляет почти 80% от всех поставок флэш-памяти NAND. И флэш-память MLC NAND доминирует по выбору потребителя по классу SSD потому, как их производительность превосходит магнитные жесткие диски.

Срок службы твердотельного накопителя зависит от количества байтов, которые были записаны в NAND флэш-память. Большинство устройств на базе MLC имеют гарантию сроком в один-три года. Однако важно понимать, как именно будет использоваться устройство, поскольку SSD на базе MLC могут прослужить меньше если предполагается множественная перезапись на диск. С другой стороны решения на базе SLC прослужат дольше предполагаемых трех лет даже при тяжелых PE циклах.

История NAND-флэш

Флэш-память NAND – это энергонезависимый твердотельный накопитель, что внес значительные изменения в индустрии хранения данных, возраст которой на сегодняшний момент составляет уже 26 лет. Флэш-память была изобретена доктором Фуджио Масуока (Fujio Masuoka) во время работы в компании Toshiba приблизительно в 1980 году. По словам Toshiba имя «флэш» было предложено коллегой доктора Масуока, г-ном Шо Цзи Аризуми (Sho-ji Ariizumi), в виду того, что процесс стирания содержимого памяти напомнил ему вспышку камеры.

Копания Toshiba поставила NAND флэш-память на коммерческую ногу в 1987 году; многое изменилось с тех пор. Рынок NAND флэш-памяти вырос быстро при продажах, в восемь раз превышающих объемы продаж памяти DRAM (Dynamic random access memory — динамическая память с произвольным доступом). NAND память стала высокопрочным устройством хранения данных и выбором многих пользователей. Такая память сегодня используется в различных картах памяти и USB-накопителях, облачных хранилищах встречается у многих пользователей, как в промышленности и предпринимательстве, так и в домашних устройствах. Устройства Apple’s iPhone, iPod и iPad, а также телефоны и планшеты на базе Android также широко используют NAND флэш-память. С тех времен это нововведение пробилось в новую эпоху, в которой потребители могут всегда воспользоваться своими файлами: видео, музыкой, книгами и документами, где бы Вы ни находились.

Высококачественная NAND запрограммирована на чтение информации небольшими блоками, или страницами, в то время, как флэш-память типа NOR считывает и записывает данные по 1 байту за раз. NOR флэш-память более предпочтительна для устройств, которые хранят и запускают коды, обычно небольших объемов.

Введение твердотельной NAND флэш-памяти и устройств хранения данных в дополнение к обычным магнитным жестким дискам дало предприятиям новые возможности для запуска их сервера и хранения ключевых бизнес-приложений. Поскольку такая память не имеет движущихся частей, NAND флэш может обрабатывать и перемещать данные из одного места в другое значительно быстрее благодаря отличной скорости чтения и записи. Приложения, использующиеся в финансовых услугах, розничной торговле и облачных веб-сервисах, часто эксплуатируют серверы, оснащенные NAND флэш-памятью.

Флэш-память хранит информацию в массиве, состоящем из ячеек памяти и транзисторов с плавающим затвором. В устройствах с ячейками одного уровня (SLC), каждая ячейка хранит только один бит информации. Некоторые более новые типы флэш-памяти, известные как устройства многоуровневых ячеек (MLC), могут хранить больше, чем один бит на ячейку, выбирая между несколькими уровнями электрического заряда с целью применить к транзистору с плавающим затвором и его ячейкам.

Ключевые факты, касающиеся NAND Flash

Эволюция типов флэш-памяти впечатляет. StorageNewsletter.com, уважаемый и общепризнанный источник ежедневных электронных новостей для промышленности, следит за развитием NAND флэш-памяти довольно продолжительное время и имеет целый архив данных по существованию этой технологии.

Флэш-чипы: увеличение объемов и более низкая цена флэш-памяти и твердотельных накопителей напрямую зависят от процесса производства микросхем флэш-памяти NAND. SanDisk и Toshiba теперь предлагают линию MLC на 128 ГБ и чип с ячейкой в 3 бита каждая. Среди крупных мировых производителей флэш-памяти находятся такие компании, как: Intel, Samsung, Seagate, Nvidia, LSI, Micron и Western Digital.

Флэш-ключи (или флэшки): первые USB-флэш были разработаны в конце 1990-х годов компанией M-Systems, которая позже была приобретена компанией SanDisk. В 2001 году в США компания IBM начала производить версию памяти объемом в 8 Мб, называемую «память ключей». Сейчас объем такой памяти достигает 128 ГБ и цены были значительно снижены.

Та же компания M-Systems стала первым производителем SSD в 1995 году. С 1999, SN.com зафиксировали 590 разных моделей, запущенных в производство 97 компаниями. Среди остальных, BiTMICRO Networks в 1999 выпустили модель E-Disk SNX35 размером в 3.5 дюйма и объемами от 128MB до 10GB, временем доступа в 500 мс и со скоростью чтения и записи в 4MБ/с с помощью интерфейса SCSI-2. В следующий год M-Systems произвели FFD SCSI объемом в 3 ГБ, 2,5 дюймовый SSD с максимальной скоростью чтения в 4 МБ/с и записи в 3 МБ/с.

Сегодня же можно получить память объемом 16 ТБ (PCIe SSD от компании OCZ) со скоростью чтения до 4 ГБ/с и записи до 3,8 ГБ/с. Компания OCZ также объявила в 2012 году о максимально малом времени записи и чтения информации: 0.04 мс для чтения и 0.02 мс для операций записи.

Мы часто можем попасть в ситуацию, когда данные удаляются или повреждаются вследствие различных ошибок, как в системе, так и ошибок самого человека. О том, как восстановить данные с карты памяти можно узнать .

Критерии выбора устройства с NAND-флэш

Итак, когда дело доходит до выбора устройства (на примере SSD) с технологией NAND-флэш необходимо учитывать несколько критериев выбора:

Убедитесь в том, что SSD устройство, операционная и файловая система поддерживает TRIM, особенно, если карта использует контроллер жёсткого диска, что усложняет процесс сбора «мусора», ненужных данных:

— узнайте о том, поддерживает ли Ваша ОС трим можно узнать в любом источнике информации; — существуют приложения, которые способствуют добавлению трим-технологии для Вашей ОС, если такова не поддерживается. Но прежде узнайте, не повредит ли это общей производительности устройства. SSD с памятью NAND станет отличным выбором, когда нужна высокая производительность, отсутствие шума, устойчивость к внешним факторам влияния или малое потребление энергии: — непоследовательное считывание даст возможность увеличить производительность по сравнению с HDD; — узнайте о максимально возможной производительности устройства, чтобы не превысить пределы; Для лучшего выполнения операций и круглосуточного их проведения лучше выбирать SLC, чем MLC: — SSD на базе NAND отлично ускоряет работу серверов, но помните, что для этого также понадобиться запасное место для «мусора» и/или трим. — Система RAID с SSD даст высокие показатели производительности и устойчивости, но используйте специально разработанные для SSD рэйд-контроллеры, иначе накопиться столько «мусора», что не справиться даже трим или система сбора. Устройства SSD с большими показателями выносливости, конечно же, прослужат дольше: — Например, выбирайте устройство объемом в 100 ГБ вместо 128 ГБ, 200 ГБ вместо 256 ГБ и так далее. Тогда Вы будете точно знать, что 28 или 56 и так далее гигабайт памяти это, возможно, зарезервированное место для расчета износа, реорганизации файлов и дефектных ячеек памяти. Для использования в промышленности, на производстве или в офисах, лучше выбирать устройства бизнес-класса, например, PCI Express (PCIe) SSD устройство:

Карты PCIe со специально настроенным контроллером SSD может дать очень высокую производительность ввода-вывода данных и хорошую выносливость.

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!)