Флеш память типа nand. NAND флэш-память: особенности строения и функционирования. Заводская маркировка плохих блоков

Что такое флеш-память? | Флеш-память (на англ. Flash Memory ) или флеш-накопитель - вид твердотельной полупроводниковой энергонезависимой и перезаписываемой памяти.

Данный вид памяти может быть прочитан большое количество раз в пределах срока хранения информации, обычно от 10 до 100 лет. Но производить запись в память можно лишь ограниченное число раз (обычно в районе миллиона циклов). В основном в мире распространена флеш память, выдерживающая около ста тысяч циклов перезаписи и это гораздо больше, чем способна выдержать обычная дискета или диск CD-RW.
В отличие от накопителей на жестких дисках (HDD), флеш-память не содержит подвижных механических частей, и поэтому считается более надёжным и компактным видом носителя информации.
Так, благодаря своей компактности, относительной дешевизне и очень низкому энергопотреблению, флеш-накопители широко применяется в цифровом портативном оборудовании – в видео- и фотокамерах, в диктофонах, в MP3-плеерах, в КПК, в мобильных телефонах, смартфонах и коммуникаторах. Более того, данный вид памяти применяется для хранения встроенного ПО в различном оборудовании (модемы, мини-АТС, сканеры, принтеры, маршрутизаторы).
В последнее время широкое распространение получили флеш-накопители с USB входом (обычно говорят «флешка», USB-диск), вытеснившие дискеты и CD-диски.
В наше время основным недостатком устройств на базе флеш-накопителей, является очень высокое соотношение цена-объём, намного превышающий в сравнении с жесткими дисками в 2–5 раз. Поэтому объёмы флеш-дисков не очень велики, но в этих направлениях ведутся работы. Удешевляя технологический процесс и под действием конкуренции, уже многие фирмы заявили о выпуске SSD-дисков объёмом 512 ГБ и более. Например, в феврале 2011 года компания OCZ Technology предложила PCI-Express SSD-накопитель ёмкостью 1,2 ТБ, и позоляющий производить 10 млн. циклов на запись.
Современные SSD-накопители разрабатываются на базе многоканальных контроллеров, обеспечивающих параллельное чтение или запись сразу из нескольких микропроцессоров флеш-памяти. В следствие этого уровень производительности увеличился во столько раз, что ограничивающим фактором стала пропускная способность интерфейса SATA II.

КАК РАБОТАЕТ ФЛЕШ-ПАМЯТЬ

Флеш-накопитель сохраняет данные в массиве состоящий из транзисторов с плавающим затвором, называемые ячейками (на англ. cell). В обычных устройствах с одноуровневыми ячейками (на англ. single-level cell), любая из них может "запомнить" только один бит данных. Но некоторые более новые чипы с многоуровневыми ячейками (на англ. multi-level cell или triple-level cell) могут "запомнить" больше одного бита. В последнем случае на плавающем затворе транзистора может используется разный электрический заряд.

NOR ФЛЕШ-ПАМЯТЬ (NOR FLASH MEMORY)

В основе данного типа флеш-памяти лежит алгоритм ИЛИ-НЕ (на англ. NOR), так как в транзисторе с плавающим затвором слишком малое напряжение на затворе обозначает единицу.
Данный тип транзистора состоит из двух затворов: плавающего и управляющего. Первый затвор полностью изолирован и имеет возможность удерживать электроны до десяти лет. Ячейка также состоит из стока и истока. При подаче напряжения на управляющий затвор образуется электрическое поле и возникает так называемый туннельный эффект. Большая часть электронов переносится (туннелирует) через слой изолятора и проникает на плавающий затвор. Заряд на плавающем затворе транзистора изменяет «ширину» сток-исток и проводимость канала, что используется при чтении.
Запись и чтение ячеек очень сильно различаются в энергопотреблении: так, флеш-накопители потребляют больше тока при записи, чем при чтении (потребляется очень мало энергии).
Для удаления (стирания) данных на управляющий затвор подаётся достаточно высокое отрицательное напряжение, что приводит к обратному эффекту (электроны с плавающего затвора с помощью туннельного эффекта переходят на исток).
В NOR-архитектуре существует необходимость подводить к каждому транзистору контакт, что сильно увеличивает размеры процессора. Эта проблема решается с помощью новой NAND-архитектуры.

NAND ФЛЕШ-ПАМЯТЬ (NAND FLASH MEMORY)

В основе NAND-архитектуры лежит И-НЕ алгоритм (на англ. NAND). Принцип работы аналогичен NOR-типу, и отличается только расположением ячеек и их контактов. Уже нет необходимости подводить контакт к каждой ячейке памяти, так что стоимость и размер NAND-процессора значительно меньше. За счет этой архитектуры, запись и стирание происходят заметно быстрее. Однако эта технология не позволяет обращаться к произвольной области или ячейке, как в NOR.
Для достижения максимальной плотности и емкости, флеш-накопитель, изготовленный по технологии NAND, использует элементы с минимальными размерами. Поэтому, в отличие от NOR-накопителя допускается наличие сбойных ячеек (которые блокируются и не должны быть использованы в дальнейшем), что заметно усложняет работу с такой флеш-памятью. Более того, сегменты памяти в NAND снабжаются функцией CRC для проверки их целостности.
В настоящее время NOR и NAND-архитектуры существуют параллельно и никак не конкурируют друг с другом, поскольку у них разная область применения. NOR используется для простого хранения данных малого объема, NAND - для хранения данных большого размера.

ИСТОРИЯ ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

Впервые флеш-память была изобретена в 1984 году инженером Фудзио Масуокой (Fujio Masuoka) работающего в то время в компании Toshiba. Название «flash» было придумано его коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми (Shoji Ariizumi), так как процесс стирания данных из памяти напомнил ему фотовспышку (на англ. flash). Фудзио представил свою разработку на Международном семинаре по электронным устройствам (International Electron Devices Meeting), в Сан-Франциско, в Калифорнии. Компанию Intel заинтересовало данное изобретение и через четыре года в 1988 году она выпустила первый коммерческий флеш-процессор NOR-типа.
NAND-архитектура флеш-памяти была анонсирована спустя год компанией Toshiba в 1989 году на Международной конференции построения твердотельных схем (International Solid-State Circuits Conference). У NAND-чипа была больше скорость записи и меньше площадь схемы.
В конце 2010 года, лидерами по производству флеш-накопителей являются Samsung (32% рынка) и Toshiba (17% рынка).
Стандартизацией процессоров флеш-памяти NAND-архитектуры занимается группа ONFI (NAND Flash Interface Working Group). Настоящим стандартом считается спецификация ONFI 1.0, выпущенная 28 декабря 2006 года. Стандартизацию ONFI при производстве NAND-процессоров поддерживают такие компании, как Samsung, Toshiba, Intel, Hynix и др.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

В настоящее время объём флеш-накопителей измеряется от килобайт до сотен гигабайт.

В 2005 году две компании Toshiba и SanDisk представили NAND-процессоры общим объёмом 1 Гб, использующие технологию многоуровневых ячеек (транзистор может хранить несколько бит данных, используя различный электрический заряд на плавающем затворе).

В сентябре 2006 года компания Samsung представила 4-гигабайтный чип, изготовленный по 40-нм технологическому процессу.

В конце 2007 года Samsung известила о создании первого в мире NAND-чипа, использующего технологию многоуровневых ячеек, выполненного уже по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью накопителя 8 Гб.

В декабре 2009 года, компания Toshiba заявила, что 64 Гб NAND-чип уже поставляется заказчикам и массовый выпуск начался в первом квартале 2010 года.

16 июня 2010 года Toshiba представила первый в истории 128 Гб процессор, состоящий из шестнадцати модулей по 8 Гб.
Для повышения объёма флеш-памяти, в устройствах часто применяется комплексный массив, состоящий из нескольких процессоров.

В апреле 2011 года компании Intel и Micron представили MLC NAND флэш-чип емкостью 8 Гбайт, произведенного по 20-нм технологическому процессу. Самый первый 20-нм NAND процессор имеет площадь 118 мм, что на 35-40% меньше, чем у доступных в настоящее время 25-нм чипов на 8 Гбайт. Серийное производство данного чипа начнется в конце 2011 года.

ВИДЫ И ТИПЫ КАРТ ПАМЯТИ И ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

CF (на англ. Compact Flash ): один из старейших стандартов типов памяти. Первая CF флеш-карта была произведена корпорацией SanDisk еще в 1994 году. Данный формат памяти очень распространён и в наше время. Чаще всего он применяется в профессиональном видео- и фото-оборудовании, так как ввиду своих больших размеров (43х36х3,3 мм) слот для Compact Flash физически проблематично установить в мобильные телефоны или MP3-плееры. Кроме того, ни одна карта не может похвастаться такими скоростями, объемами и надежностью. Максимальный объём Compact Flash уже достиг размера в 128 Гбайт, а скорость копирования данных увеличена до 120 Мбайт/с.

MMC (на англ. Multimedia Card ): карта в формате MMC имеет небольшой размер - 24х32х1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

RS-MMC (на англ. Reduced Size Multimedia Card ): карта памяти, которая вдвое меньше по длине стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24х18х1,4 мм, а вес - порядка 6 гр., все остальные характеристики и параметры не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер.

DV-RS-MMC (на англ. Dual Voltage Reduced Size Multimedia Card ): карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24х18х1,4 мм.

MMCmicro : миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14х12х1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать специальный переходник.

SD Card (на англ. Secure Digital Card ): поддерживается фирмами SanDisk, Panasonic и Toshiba. Стандарт SD является дальнейшим развитием стандарта MMC. По размерам и характеристикам карты SD очень похожи на MMC, только чуть толще (32х24х2,1 мм). Основное отличие от MMC - технология защиты авторских прав: карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи. Несмотря на родство стандартов, карты SD нельзя использовать в устройствах со слотом MMC.

SDHC (на англ. SD High Capacity , SD высокой ёмкости ): Старые карты SD (SD 1.0, SD 1.1) и новые SDHC (SD 2.0) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 4 Гб для SD и 32 Гб для SDHC. Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SD, то есть SD-карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SD карта SDHC не будет читаться вовсе. Оба варианта могут быть представлены в любом из трёх форматов физических размеров (стандартный, mini и micro).

miniSD (на англ. Mini Secure Digital Card ): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5х20х1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер.

microSD (на англ. Micro Secure Digital Card ): в 2011 году являются самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11х15х1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD. Максимальный объём карты microSDHC, выпущенной SanDisk в 2010 году, равен 32 Гб.

Memory Stick Duo : данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией Sony. Корпус достаточно прочный. На данный момент - это самая дорогая память из всех представленных. Memory Stick Duo был разработан на базе широко распространённого стандарта Memory Stick от той же Sony, отличается малыми размерами (20х31х1,6 мм).

Memory Stick Micro (M2) : данный формат является конкурентом формата microSD (по размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.

xD-Picture Card : карта используются в цифровых фотоаппаратах фирм Olympus, Fujifilm и некоторых других.

В 1989 году состоялся анонс Nand Flash памяти, данная разработка была представлена компанией Toshiba на International Solid-State Circuits Conference. До этого существовали только разработки NOR памяти, основными недостатками которой были: скорость работы и большая площадь чипа. Основным отличием NAND Flash от Nor Flash являются особенности адресации, если в NOR Flash можно адресовать произвольную ячейку, то в NAND Flash применена страничная адресация (обычно размер страницы 528, 2112, 4224, 4304, 4320, 8576 байт).

На сегодня существует масса устройств, где используются микросхемы NAND Flash в том числе и в различных носителях информации, таких как SSD накопители, USB Flash, различные Flash card (MMC, RS-MMC, MMCmicro, SD, miniSD, MicroSD, SDHC, CF, xD, SmartMedia, Memory Stick и т.д.)

Принципиально носители информации на NAND Flash из себя представляют микроконтроллер, который обеспечивает работу с микросхемами памяти, а также работу с различными устройствами по заданному стандартами интерфейсу. В большинстве устройств это выглядит как небольшая плата, на которой размещены одна или несколько микросхем NAND Flash памяти в конструктивном исполнении TSOP-48, short TSOP-48 или TLGA-52 и микроконтроллер. Миниатюрные устройства, как правило выполнены в виде одного чипа в который интегрированы как микросхема Nand Flash, так и микроконтроллер.

Основные недостатки NAND Flash памяти - это недостаточно высокая скорость и не очень большое количество циклов записи, которые способна выдержать микросхема. Для обхода этих проблем, производители контроллеров идут на некоторые ухищрения, такие как организация записи в NAND Flash в несколько потоков, для поднятия быстродействия и организация логических банков разбитых на достаточно крупные блоки и организация сложной системы трансляции.

Для равномерного износа NAND Flash практически во всех контроллерах организованно разделение адресного пространства на логические банки, которые в свою очередь разделяются на блоки (состоящие из нескольких страниц памяти), обычно на 256-2048 блоков. Контроллером ведется учет количества записей в каждый из блоков. Для того чтобы данные пользователя можно было свободно перемещать внутри банка, для этого имеется логическая нумерация блоков т.е. на практике при чтении микросхемы в дамп видим картину что данные пользователя в виде достаточно крупных блоков (16кб – 4Мб) хаотично перемешаны. Порядок работы с пользовательскими данными отражен в трансляторе в виде таблицы в которой указан порядок построения блоков для того чтобы получить упорядоченное логическое пространство.

Для увеличения операций чтения/записи производители контроллеров реализуют функции распараллеливания данных, то есть прямая аналогия с RAID массивом уровня 0 (stripe), только немного более сложная реализация. На практике это выглядит либо в виде внутриблочного распараллеливания (интерлива), на более мелкие подблоки (как правило от 1 байта, до 16Кб), также симметричное распараллеливание (страйп) между физическим банками микросхемы NAND Flash и между несколькими микросхемами.

Стоит понимать, что при таком принципе работы, транслятор накопителя – постоянно изменяющаяся таблица, практически при каждой записи в NAND Flash. Исходя из принципа работы с NAND Flash – чтение блока в буфер, внесение изменений и запись блока на место, очевидно, что наиболее опасны для данных являются незавершенные операции записи; например, когда происходит запись измененного транслятора. В результате необдуманного обращения с накопителями: внезапного извлечения их из USB разъема или из разъема кардридера во время записи, чревато разрушением служебных данных, в частности таблицы трансляции.

При разрушение служебных данных, накопитель не может функционировать или в некоторых случаях функционирует неверно. Извлечение данных программными средствами, как правило, не представляется возможным по многим причинам. Одно из решений – это выпаивание микросхем NAND Flash с последующим чтением на соответствующем считывателе (программаторе). Учитывая, что оригинальный транслятор отсутствует, либо поврежден, предстоит работа по разбору дампа извлеченного из микросхемы NAND Flash. Многие, наверное, обратили внимание на кажущийся странным размер страниц памяти в NAND Flash. Это объясняется тем, что в каждой странице, кроме данных пользователя имеются служебные данные обычно это представлено в виде 512/16; 2048/64; 4096/128; 4096/208 (существуют и значительно более сложные варианты организации данные/служебка). В служебных данных присутствую различные маркеры (маркер, номера блока в логическом банке; маркер ротации блока; ECC; и т.п.) Восстановление пользовательских данных сводится к устранению распараллеливания данных внутри блоков, между банков и между микросхемами памяти для получения цельных блоков. Если есть необходимость, то устраняются внутриблочные ротации, ренумерации и т.п. Дальнейшая задача, состоит в поблочной сборке. Для того чтобы ее осуществить необходимо четко уяснить количество логических банков, количество блоков в каждом логическом банке, количество используемых блоков в каждом банке (задействованы не все) местонахождение маркера в служебных данных, алгоритм нумерации. И только потом производить сбор блоков в конечный файл-образ из которого можно будет произвести чтение пользовательских данных. В процессе сбора подстерегают подводные камни в виде нескольких блоков-претендентов на одну позицию в конечный файл-образ. После решение данного круга задач, получаем файл-образ с пользовательской информацией.

В случаях, когда данные не играют никакой роли, но есть желание восстановить работоспособность самого накопителя, то лучшие вариант коррекции проблем со служебными данными – это выполнение процедуры форматирования фирменной утилитой с сайта производителя накопителя. Многие утилиты фактически переписывают всю служебную информацию, создают чистый транслятор, и выполняют процедуру форматирования с созданием новой файловой системы. Если же производитель не удосужился выложить Recovery-утилиту, тогда выход в виде поиска утилит форматирования накопителей на NAND Flash «по контроллеру», единственно, что покажется сложным пользователю – это обилие производителей контроллеров и сложности с идентификацией последнего.

Павел Янчарский

Перепечатка материалов разрешена только с указанием активной ссылки на оригинал статьи

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!

Потребность в энергонезависимой флэш-памяти растет пропорционально степени продвижения компьютерных систем в сферу мобильных приложений. Надежность, малое энергопотребление, небольшие размеры и незначительный вес являются очевидными преимуществами носителей на основе флэш-памяти в сравнении с дисковыми накопителями. С учетом постоянного снижения стоимости хранения единицы информации в флэш-памяти, носители на её основе предоставляют все больше преимуществ и функциональных возможностей мобильным платформам и портативному оборудованию, использующему такую память. Среди многообразия типов памяти, флэш-память на основе ячеек NAND является наиболее подходящей основой для построения энергонезависимых устройств хранения больших объемов информации.

В настоящее время можно выделить две основных структуры построения флэш-памяти: память на основе ячеек NOR и NAND. Структура NOR (рис.1) состоит из параллельно включенных элементарных ячеек хранения информации. Такая организация ячеек обеспечивает возможность произвольного доступа к данным и побайтной записи информации. В основе структуры NAND (рис.2) лежит принцип последовательного соединения элементарных ячеек, образующих группы (в одной группе 16 ячеек), которые объединяются в страницы, а страницы – в блоки. При таком построении массива памяти обращение к отдельным ячейкам невозможно. Программирование выполняется одновременно только в пределах одной страницы, а при стирании обращение производится к блокам или к группам блоков.


рис.1 Структура NOR	рис.2 Структура NAND

В результате различия в организации структуры между памятью NOR и NAND находят свое отражение в их характеристиках. При работе со сравнительно большими массивами данных процессы записи/стирания в памяти NAND выполняются значительно быстрее памяти NOR. Поскольку 16 прилегающих друг другу ячеек памяти NAND соединены последовательно друг с другом без каких-либо контактных промежутков, достигается высокая площадь размещения ячеек на кристалле, что позволяет получить большую емкость при одинаковых технологических нормах. В основе программирования флэш-памяти NAND лежит процесс туннелирования электронов. А поскольку он используется как для программирования, так и для стирания, достигается низкое энергопотребление микросхемы памяти. Последовательная структура организации ячеек позволяет получить высокую степень масштабируемости, что делает NAND-флэш лидером в гонке наращивания объемов памяти. Ввиду того, что туннелирование электронов осуществляется через всю площадь канала ячейки, интенсивность захвата заряда на единицу площади у NAND-флэш ниже, чем в других технологиях флэш-памяти, в результате чего она имеет более высокое количество циклов программирования/стирания. Программирование и чтение выполняются посекторно или постранично, блоками по 512 байт, для эмуляции общераспространенного размера сектора дисковых накопителей.

Основные отличия в параметрах флэш-памяти, изготовленной по различным технологиям, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики модулей памяти на основе ячеек NAND и NOR

Параметр	NAND	NOR
Емкость	~ 1 Гбит (2 кристалла в корпусе)	~ 128 Мбит
Напряжение питания	2.7 – 3.6 В	2.3 – 3.6 В
Ввод/вывод	х8 / х16	х8 / х16
Время доступа	50 нС (цикл последовательного доступа) 25 мкС (случайный доступ)	70 нС (30 пФ, 2.3 В) 65 нС (30 пФ, 2.7 В)
Скорость программирования (типовая)	- 200 мкС / 512 байт	8 мкС / байт 4.1 мС / 512 байт
Скорость стирания (типовая)	2 мС / блок (16 кБ)	700 мС / блок
Совокупная скорость программирования и стирания (типовая)	33.6 мС / 64 кБ	1.23 сек / блок (основной: 64 кБ)

Ведущим лидером в производстве NAND-флэш микросхем является фирма Hynix. Она производит несколько разновидностей микросхем памяти, различающихся по следующим ключевым параметрам:

емкость (256 Мбит, 512 Мбит и 1 Гбит);
ширина шины, 8 или 16 бит (х8, х16);
напряжение питания: от 2.7 до 3.6 В (3.3 В устройства) или от 1.7 до 1.95 В (1.8 В устройства);
размер страницы: в х8 устройствах (512 + 16 запасных) байт, в 16х – (256 + 8 запасных) слов;
размер блока: в х8 устройствах (16 К + 512 запасных) байт, в 16х – (8 К + 256 запасных) слов;
время доступа: случайный доступ 12 мкС, последовательный 50 нС;
время программирования страницы 200 мкС;

Все микросхемы NAND-флэш от Hynix характеризуются типичным временем стирания блока 2 мС, имеют аппаратную защиту данных при переходных процессах по питанию и позволяют выполнять 100000 циклов записи/стирания. Гарантированное время сохранности данных составляет 10 лет. Важной особенностью микросхем памяти Hynix является их повыводная совместимость вне зависимости от емкости. Это позволяет очень легко улучшать потребительские характеристики конечного изделия. В таблице 2 приведены базовые параметры всех микросхем NAND-флэш фирмы Hynix.

Таблица 2. Сравнительный перечень микросхем NAND-флэш фирмы Hynix

Об"ем	Тип	Организаця	Напряжение питания	Диапазон рабочих температур*	Сккорость (ns)	Корпус
256Mbit		32Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		16Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		16Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
512Mbit		64Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		32Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
1Gb		128Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		128Mx8	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	1.8V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA
		64Mx16	3.3V	C,E,I	50	TSOP/WSOP/FBGA

* - Диапазоны температур
C - Коммерческий диапазон рабочих температур 0...+70°C
E - Расширенный диапазон рабочих температур -25...+85°C
I - Индустриальный диапазон рабочих температур -40...+85°C

Более детально особенности микросхем памяти Hynix можно рассмотреть на примере кристаллов серии HY27xx(08/16)1G1M. На рис.3 показана внутренняя структура и назначение выводов этих приборов. Линии адреса мультиплексированы с линиями ввода/вывода данных на 8-ми или 16-ти разрядной шине ввода/вывода. Такой интерфейс уменьшает количество используемых выводов и делает возможным переход к микросхемам большей емкости без изменения печатной платы. Каждый блок может быть запрограммирован и стерт 100000 раз. Для увеличения жизненного цикла NAND-флэш устройств настоятельно рекомендуется применять код корректировки ошибок (ECC). Микросхемы имеют выход «чтение/занят» с открытым стоком, который может использоваться для идентификации активности контроллера PER (Program/Erase/Read). Поскольку выход сделан с открытым стоком, существует возможность подключать несколько таких выходов от разных микросхем памяти вместе через один «подтягивающий» резистор к положительному выводу источника питания.

Рис.3 Внутренняя организация микросхем NAND-флэш Hynix

Для оптимальной работы с дефектными блоками доступна команда «Copy Back». Если программирование какой-либо страницы оказалось неудачным, данные по этой команде могут быть записаны в другую страницу без их повторной отправки.

Микросхемы памяти Hynix доступны в следующих корпусах:

48-TSOP1 (12x20x1.2 мм) – рис.4;
48-WSOP1 (12х12х0.7 мм)
63-FBGA (8.5х15х1.2 мм, 6х8 массив шаровых контактов, 0.8 мм шаг)

Рис.4 NAND-флэш Hynix

Массив памяти NAND-структуры организован в виде блоков, каждый из которых содержит 32 страницы. Массив раздел на две области: главную и запасную (рис.5). Главная область массива используется для хранения данных, в то время как запасная область обычно задействована для хранения кодов коррекции ошибок (ECC), программных флагов и идентификаторов негодных блоков (Bad Block) основной области. В устройствах х8 страницы в главной области разделены на две полустраницы по 256 байт каждая, плюс 16 байт запасной области. В устройствах х16 страницы разделены на главную область объемом 256 слов и запасную объемом 8 слов.

Рис.5 Организация массива NAND-памяти

NAND-флэш устройства со страницами 528 байт / 264 слова могут содержать негодные блоки, в которых может быть одна и более неработоспособных ячеек, надежность которых не гарантируется. Помимо этого, дополнительные негодные блоки могут появиться в ходе эксплуатации изделия. Информация о плохих блоках записывается в кристалл перед отправкой. Работа с такими блоками выполняется по процедуре, детально описанной в справочном руководстве по микросхемам памяти Hynix.

При работе с микросхемами памяти выполняются три основных действия: чтение (рис.6), запись (рис.7) и стирание (рис.8).

Процедура чтения данных

Рис.6 Диаграмма процедуры чтения

Процедуры чтения данных из NAND-памяти могут быть трех типов: случайное чтение, постраничное чтение и последовательное построчное чтение. При случайном чтении для получения одной порции данных нужна отдельная команда.

Чтение страницы выполняется после доступа в режиме случайного чтения, при котором содержимое страницы переносится в буфер страницы. О завершении переноса информирует высокий уровень на выход «Чтение/занят». Данные могут быть считаны последовательно (от выбранного адреса столбца до последнего столбца) по импульсу сигнала на Read Enable (RE).

Режим последовательного построчного чтения активен, если на входе Chip Enable (CE) остается низкий уровень, а по входу Read Enable поступают импульсы после прочтения последнего столбца страницы. В этом случае следующая страница автоматически загружается в буфер страниц и операция чтения продолжается. Операция последовательного построчного чтения может использоваться только в пределах блока. Если блок изменяется, должна быть выполнена новая команда чтения.

Процедура записи данных

Рис.7 Диаграмма процедуры записи

Стандартной процедурой записи данных является постраничная запись. Главная область массива памяти программируется страницами, однако допустимо программирование части страницы с необходимым количеством байт (от 1 до 528) или слов (от 1 до 264). Максимальное число последовательных записей частей одной и той же страницы составляет не более одной в главной области и не более двух в резервной области. После превышения этих значений необходимо выполнить команду стирания блока перед любой последующей операцией программирования этой страницы. Каждая операция программирования состоит из пяти шагов:

Один цикл на шине необходим для настройки команды записи страницы.
Четыре шинных цикла требуются для передачи адреса.
Выдача данных на шину (до 528 байт / 264 слов) и загрузка в буфер страниц.
Один цикл на шине необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.
Выполнение контроллером PER записи данных в массив.

Процедура стирания блока

Рис.8 Диаграмма процедуры стирания

Операция стирания выполняется за один раз над одним блоком. В результате её работы все биты в указанном блоке устанавливаются в «1». Все предыдущие данные оказываются утерянными. Операция стирания состоит из трех шагов (рис.8):

Один цикл шины необходим для установки команды стирания блока.
Только три цикла шины нужны для задания адреса блока. Первый цикл (A0-A7) не требуется, поскольку верны только адреса с А14 по А26 (старшие адреса), А9-А13 игнорируются.
Один цикл шины необходим для выдачи команды подтверждения для старта контроллера PER.

Помимо Hynix микросхемы NAND-памяти выпускаются еще несколькими производителями, среди которых весьма большую номенклатуру и объем продаж изделий имеет компания Samsung. Она производит две базовые линейки микросхем памяти NAND Flash и One NAND™. Модули памяти семейства One NAND™ представляют собой одиночный кристалл памяти со стандартным интерфейсом NOR-флэш, основанный на массиве ячеек NAND-флэш.

Ассортимент выпускаемых компанией Samsung изделий более широк, чем у Hynix. Представлены модули емкостью от 4 Мбит до 8 Гбит, работающие в коммерческом и индустриальном температурных диапазонах. Доступны как 8-ми, так и 16-разрядные модификации на разные диапазоны питающих напряжений: 1,65…1,95 В или 2,7…3,6 В. Выпускаемые Samsung изделия имеют развитые аппаратные возможности защиты данных: защиту от записи для BootRAM, защитный режим для Flash-массива и защиту от случайной записи при включении и выключении.

В остальном устройство микросхем памяти Hynix и изделий семейства NAND Flash от Samsung практически идентично. В этой ситуации предпочтительным для потребителя вариантом является продукция того производителя, рыночная стоимость изделий которого наиболее приемлема.

Высокое быстродействие при считывании последовательных потоков данных предопределяет широкую сферу применимости NAND-флэш. Весьма популярным и перспективным рынком для памяти такого типа является рынок твердотельных накопителей для шины USB. В таблице 3 отражены возможности производимых в настоящее время микросхем NAND-флэш применительно к этой сфере. Помимо этого, наиболее выгодным оказывается использование такой памяти в MP3-плеерах, цифровых фотоаппаратах, компьютерах - наладонниках и в другом подобном оборудовании.

Таблица 3. Преимущества и недостатки использования NAND-флэш в твердотельных накопителях

Категория		Содержимое
Возможности	Преимущества	Хранилище данных, которые могут быть переданы через USB
		Малый размер, легкость создания портативных устройств
		Нет ограничений в объеме памяти
		Безопасное хранение данных, физически более надежное в сравнении в HDD
		Поддержка функции «горячей» установки Plug&Play
		Быстрая скорость передачи: USB 1.1: максимум до 12 Мбод, USB 2.0: максимум 480 Мбод
		Превосходная совместимость со стандартизованным USB интерфейсом
		Возможность питания от USB порта (500 мА, 4,5…5,5 В)
	Недостатки	Необходимость в программном обеспечении в операционной системе хост-контроллера
		Необходимость в использовании чипсета USB-хоста
		Высокая стоимость в сравнении с HDD сравнимой емкости
Емкость продукта		От 16 Мбит до 8 Гбит
Скорость передачи	Запись	До 13 Мб/с под USB 2.0 у карты CF от SanDisk
	Чтение	До 15 Мб/с под USB 2.0 у SanDisk
Применение		ПК (настольные, переносные), DVC,PDA, сотовые телефоны и пр.
Ведущие производители, использующие флэш-память		M-Systems, Lexar Media, SanDisk и др.
Ассоциации		USB-IF (форум конструкторов USB), UTMA (ассоциация универсальной транспортабельной памяти)

MLC или TLC — что лучше выбрать для своего компьютера? Все пользователи, которые когда-либо использовали твердотельный накопитель (память SSD), отзываются о нем положительно. Благодаря ему, любимые приложения загружаются быстрее, а общая эффективность системы повышается. Кроме того, эти накопители гораздо более износоустойчивые и прочные по сравнению с традиционными жесткими дисками. Но почему некоторые типы памяти дороже, чем другие? Для ответа на этот вопрос нужно понять внутреннее устройство накопителей такого типа.

Плату SSD можно условно разделить на 3 основных блока:

3D NAND-память (не путать с NOR Flash). Эта часть используется для хранения данных в энергонезависимых блоках, которые не требуют постоянного питания от электросети.
DDR. Небольшое количество энергозависимой памяти, которой нужно питание для сохранения данных. Используется с целью кэширования информации для будущего доступа. Эта опция доступна не на всех накопителях.
Контроллер. Выступает в качестве посредника, соединяя 3D NAND-память и компьютер. Контроллер также содержит встроенное программное обеспечение, которое помогает управлять SSD.

NAND-память, в отличие от NOR, построена из множества ячеек, содержащих биты, которые включаются или выключаются за счет электрического заряда. Организация этих отключаемых ячеек представляет данные, хранящиеся на SSD. Количество битов в этих ячейках также определяется разновидностью памяти. Например, в Single Level Cell (SLC) ячейка содержит 1 бит. Накопители NOR обычно используются в сетевых устройствах.

Причина, по которой флешка SLC располагает малым объемом памяти, заключается в ее небольшом физическом размере по сравнению с другими элементами Printed Circuit Board (PCB). Не стоит забывать, что PCB включает контроллер, память DDR и 3D NAND-память, которые нужно как-то разместить внутри системного блока персонального компьютера. Память MLC NAND удваивает количество бит на ячейку, а TLC — утраивает. Это положительно сказывается на объеме памяти. Накопители NOR предоставляют доступ к случайной информации, из-за чего их не используют, как жесткий диск.

Есть определенные причины, по которым производители продолжают выпускать флеш-память с 1 битом на ячейку. Накопители SLC считаются самыми быстрыми и надежными, но они относительно дорогие и обладают ограниченным объемом памяти. Вот почему такое устройство наиболее предпочтительно для компьютеров, которые подвергаются сильным нагрузкам.

Что такое SLC

В противостоянии SLC vs MLC или TLC 3D всегда побеждает первый тип памяти, но он и стоит значительно дороже. Он также располагает большим объемом памяти, но работает медленнее и больше склонен к поломкам. MLC и TLC — это типы памяти, которые рекомендуется применять для обычного повседневного использования компьютера. NOR обычно используется в мобильных телефонах и планшетах. Осознание своих собственных потребностей поможет пользователю выбрать наиболее подходящий из всех SSD-дисков.

Single Level Cell получила свое название благодаря единственному биту, который включается или выключается в зависимости от питания электроэнергией. Преимущество SLC в том, что она наиболее точная при чтении и записи данных, а ее цикл непрерывной работы может быть более продолжительным. Количество допустимых перезаписей составляет 90000-100000.

Эта разновидность памяти хорошо прижилась на рынке, благодаря высокой продолжительности жизни, точности и общей производительности. Такой накопитель редко устанавливается в домашних компьютерах из-за большой стоимости и малого объема памяти. Он больше подходит для промышленного использования и больших нагрузок, связанных с непрерывным чтением и записью информации.

Достоинства SLC:

долгий срок службы и большее количество циклов зарядки по сравнению с любым другим типом флеш-памяти;
меньшее количество ошибок чтения и записи;
может работать в более широком диапазоне температур.

Недостатки SLC:

высокая цена по сравнению с другими SSD;
сравнительно небольшой объем памяти.

Тип памяти eMLC

eMLC — это флеш-память, оптимизированная для предпринимательского сектора. Она может похвастаться улучшенной производительностью и долговечностью. Количество перезаписей варьируется от 20000 до 30000. eMLC можно рассматривать как более дешевую альтернативу SLC, которая позаимствовала некоторые преимущества у своего конкурента.

Достоинства eMLC:

намного дешевле, чем SLC;
более высокая производительность и выносливость по сравнению с обычной MLC NAND.

Недостатки eMLC:

проигрывает SLC в плане производительности;
не подходит для домашнего использования.

Флеш-память MLC для твердотельного накопителя

Память Multi Level Cell получила свое название благодаря способности хранить 2 бита данных в одной ячейке. Большим преимуществом является более низкая цена по сравнению с SLC. Меньшая стоимость, как правило, становится залогом популярности продукта. Проблема в том, что количество возможных перезаписей одной ячейки значительно меньше по сравнению с SLC.

Достоинства MLC NAND:

сравнительно низкая цена, рассчитанная на массового потребителя;
большая надежность по сравнению с TLC.

Недостатки MLC NAND:

менее надежная и долговечная, чем SLC или eMLC;
не подходит для коммерческого использования.

TLC память

Triple Level Cell — это самая дешевая разновидность флеш-памяти. Ее самый большой недостаток заключается в том, что она подходит только для домашнего использования и противопоказана к применению в предпринимательской или промышленной деятельности. Жизненный цикл ячейки составляет 3000-5000 перезаписей.

Достоинства TLC 3D:

наиболее дешевая SSD из всех доступных на рынке;
способна удовлетворить потребности большинства пользователей.

Недостатки TLC 3D:

наименьшая продолжительность жизни по сравнению с другими типами;
не годится для коммерческого использования.

Долговечность SSD

Как и все хорошие вещи в этом мире, SSD не может существовать вечно. Как было отмечено выше, жизненный цикл твердотельного накопителя напрямую зависит от того, какую он использует 3D NAND-память. Многих пользователей волнует вопрос, как долго могут функционировать более дешевые виды накопителей. По сравнению с MLC и TLC, память SLC более долговечная, но стоит дороже. Независимые команды энтузиастов провели испытания доступных SSD потребительского класса, большинство из которых составили MLC, а 3D NAND TLC использовался только 1. Результаты оказались многообещающими. Перед выходом из строя, большинство этих устройств успели пропустить через себя 700 Тбайт информации, а 2 из них — даже 1 Пбайт. Это поистине огромное количество данных.

Можно смело отметать любые опасения по поводу того, что SSD выйдет из строя в короткие сроки. Если вы используете MLC или TLC 3D V-NAND для такого повседневного использования, как хранение музыки, фотографий, программного обеспечения, личных документов и видеоигр, то можете быть уверены, что памяти хватит на несколько лет. В домашних условиях невозможно нагрузить компьютер так, как это делают с корпоративными серверами. Тем, кто беспокоится о продолжительности жизни своей памяти, могут пригодиться функции вроде Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.), которые помогают отслеживать состояние SSD.

Выбор подходящего SSD

На самом деле, разница между коммерческими и потребительскими накопителями настолько огромная, что ее сложно осознать. Команды разработчиков начали делать дорогие SSD для удовлетворения более высоких запросов, связанных с высокотехнологичной деятельностью, наукой и военными разработками, которые требуют постоянной обработки информации.

Серверы на больших предприятиях — это хороший пример использования дорогих флеш-накопителей, ведь они работают по 24 часа в сутки 5-7 дней в неделю. Вот почему они нуждаются в продолжительном , быстром чтении/записи и повышенной надежности. Потребительские накопители являются урезанными версиями коммерческих. Они лишены определенных функций, но предлагают больший объем памяти. Кроме того, в мире наблюдается приятная тенденция к увеличению производительности бюджетных НАНД и снижению их стоимости.

Какой тип накопителя выбрать для себя? SLC или MLC и TLC? Можно сделать вывод, что память SLC или eMLC для обычного повседневного использования просто не нужна, так что нет никакого смысла тратить на нее круглую сумму денег. Если же выбирать тип памяти NAND из TLC или MLC, то здесь все будет зависеть от ваших финансовых возможностей.

TLC NAND — это самая бюджетная память, которая способна удовлетворить нужды большинства потребителей. MLC-память можно рассматривать, как более продвинутый вариант NAND-памяти для людей, готовых вкладывать в свой персональный компьютер большие средства. Он подойдет и для тех, кто планирует хранить свои данные в течение многих лет. Если на мониторе появилась надпись «NAND Flash was not detected», значит память, скорее всего, исчерпала свой ресурс и вышла из строя.