Historia pamięci typu FLASH... 2 Definicja pamięci typu FLASH... 2 Wersje pamięci FLASH... 2 Pamięci NOR... 2 Pamięci NAND... 2 Zasada działania...

Transkrypt

1 Historia pamięci typu FLASH... 2 Definicja pamięci typu FLASH... 2 Wersje pamięci FLASH... 2 Pamięci NOR... 2 Pamięci NAND... 2 Zasada działania... 3 Ograniczenia pamięci FLASH... 5 Główne parametry handlowe pamięci... 5 Pojemność... 5 Prędkość... 6 Zastosowanie pamięci... 6 Lista typów kart pamięci... 6 Podstawowe typy kart pamięci... 7

2 Historia pamięci typu FLASH Pamięć flash (typy NOR i NAND) została wynaleziona przez dr Fujio Masuoka gdy pracował dla Toshiba w 1984 roku. Nazwa flash została zasugerowana przez dr Shoji Ariizum, kolegę dr Masuoka, ponieważ proces kasowania przypominał błysk aparatu. Wynalazek został zaprezentowany na konferencji IEEE podczas IEDM(International Elektron Device Meeting) w San Francisco w Kaliforni, w 1984 roku. Intel zobaczył masowy potencjał wynalazku i wprowadził na rynek w 1988 roku pierwsze komercyjne pamięci flash typu NOR (256-kilobajtowy układ pamięci Flash o wielkości pudełka do butów. Do zaprezentowania zalet pamięci zintegrowanej (embedded memory) Intel wykorzystał wczesny model dyktafonu o wielkości walizki). Rok później w firmie Toshiba powstały pamięci typu NAND. Definicja pamięci typu FLASH Pamięć FLASH to rodzaj pamięci EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory) pozwalającej na zapisywanie lub kasowanie wielu komórek pamięci podczas jednej operacji programowania. Jest to pamięć nieulotna po odłączeniu zasilania nie traci swej zawartości. Standardowe pamięci EEPROM pozwalają zapisywać lub kasować tylko jedną komórkę pamięci na raz, co oznacza, że pamięci Flash są znacznie szybsze, jeśli system je wykorzystujący zapisuje i odczytuje komórki o różnych adresach w tym samym czasie. Wszystkie typy pamięci Flash, jak i EEPROM, mają ograniczoną liczbę cykli kasowania, co powoduje ich uszkodzenie po przekroczeniu tej liczby. Wersje pamięci FLASH Pamięci Flash produkuje się w dwóch wersjach: NOR i NAND. Nazwy odnoszą się do typu bramki logicznej używanej w każdej komórce pamięci. Przykładem urządzeń wykorzystujących pamięć flash są m.in. odtwarzacze mp3, kamery cyfrowe, telefony komórkowe, urządzenia magazynujące USB. Zyskała również popularność w konsolach do gier, gdzie jest często używana zamiast pamięci EEPROM lub zasilanych RAM (SRAM) do zapisu stanu gier. Pamięci NOR Jako pierwszą opracowano pamięć NOR w firmie Intel w roku Ma ona długie czasy zapisu i kasowania, ale umożliwia bezpośredni dostęp do każdej komórki pamięci. Z tego względu nadaje się po przechowywania informacji, które nie wymagają częstej aktualizacji, jak np. firmware różnego rodzaju urządzeń. Wytrzymuje od do cykli kasowania. Stosowano ją w pierwszych wersjach kart pamięci CompactFlash. Pamięci NAND W roku 1989 pojawiły się pamięci NAND produkowane przez firmy Samsung i Toshiba. W stosunku do pamięci NOR pamięć NAND ma krótszy czas zapisu i kasowania, większą gęstość upakowania danych ( komórki pamięci w technologii NAND były o połowę mniejsze od komórek NOR), lepszy współczynnik koszt/pojemność (w kości o tej samej objętości można zmieścić więcej komórek pamięci, co oznacza niższą cenę dla klienta i większy zysk dla producenta) oraz dziesięciokrotnie większą wytrzymałość. Jej główną wadą jest sekwencyjny dostęp do danych, co czyni ją użyteczną jako pamięć masowa, np. w kartach pamięci, lecz bezużyteczną jako pamięć komputera. Pierwszą kartą pamięci używającą pamięci NAND była karta SmartMedia, później zaczęto ich używać w innych typach, jak: MMC, Secure Digital, Memory Stick i xd, dyskach USB. UTK. Pamięci FLASH - 2 -

3 Zasada działania Moduł pamięci Flash to połączone ze sobą liczne komórki pamięci, które zawierają dodatkowe kontrolery sterujące operacjami: zapisu, odczytu czy detekcji i kontroli błędów. Pamięć Flash gromadzi informacje w komórkach pamięci złożonych z tranzystorów MOS z bramką swobodną (floating gate). Każda taka komórka gromadzi bit informacji. Nowsze urządzenia flash (tzw. multi-level cell device) mogą gromadzić więcej niż jeden bit w jednej komórce (zazwyczaj są to 2 bity) poprzez użycie więcej niż dwóch wartości napięcia przykładanego na bramkę swobodną w komórce. W pamięciach flash każda komórka wygląda podobnie jak standardowy MOSFET, z wyjątkiem tego, że posiada dwie bramki zamiast jednej. Jedna to bramka kontrolna (control gate - CG) jak w innych tranzystorach MOS, druga to bramka swobodna (floating gate - FG) odizolowana warstwą tlenku. FG znajduje się pomiędzy CG i podłożem. Ponieważ FG jest izolowana poprzez warstwę tlenku, elektrony zgromadzone na niej są uwięzione przez co gromadzą informacje. Kiedy elektrony znajdują się na FG modyfikują (częściowo usuwają) pole elektryczne pochodzące od CG, co zmienia napięcie progowe U T komórki. Dlatego też, kiedy komórka jest czytana poprzez przyłożenie określonego napięcia na CG, prąd UTK. Pamięci FLASH - 3 -

4 elektronowy albo popłynie, albo nie, zależnie od napięcia U T komórki, które jest kontrolowane poprzez liczbę elektronów na FG. Ta obecność lub brak napięcia jest odczytywana jako tłumaczona jako jedynki i zera odtwarzające zgromadzoną informację. W urządzeniach multi-level cell, które gromadzą więcej niż 1 bit informacji w pojedynczej komórce, wielkość prądu będzie odczytana w przeciwieństwie do wcześniejszego stanu, gdzie prąd był lub go nie było aby zdeterminować liczbę elektronów zgromadzonych na FG. Pamięć typu NOR jest programowana poprzez przyłożenie napięcia niezbędnego do przepływu elektronów od źródła do drenu. Później duże napięcie przyłożone do CG zapewnia wytworzenie wystarczająco mocnego pola elektrycznego, które zasysa je do FG. Proces ten nosi nazwę iniekcji gorących elektronów (hot-electron iniection) gorące elektrony przebijają się przez barierę potencjału do bramki swobodnej i zostają w niej zatrzymane. Następuje zapis danych w komórce pamięci wpisanie logicznego 0. Po odcięciu zasilania znika napięcie na drenie i bramce sterującej, lecz nadal zachowana jest informacja w komórce, gdyż elektrony są zatrzymywane w bramce swobodnej. Aby skasować informacje (ustawić wszystkie wartości na 1 ) pomiędzy CG i źródło przykłada się wysokie napięcie, które powoduje tunelowanie elektronów, a przez co usunięcie ich z FG tzw. zjawisko Fowlera-Nordheima. To wysokie napięcie jest generowane poprzez pompę napięciową obwód posiadający kondensator mogący generować wysokie lub niskie napięcia. UTK. Pamięci FLASH - 4 -

5 Większość nowoczesnych pamięci flash typu NOR jest podzielona na elementy zawierające bloki i sektory, które muszą być kasowane w tym samym czasie. Jakkolwiek programowanie pamięci flash może następować bit po bicie, lub słowo po słowie. Pamięci typu NAND wykorzystują zarówno przy zapisie jak i kasowaniu tunelowanie elektronów. Ograniczenia pamięci FLASH By można było zapisać komórkę pamięci Flash, należy ją wcześniej skasować. Nie jest możliwe ponowne zapisanie danych do już zapisanej komórki. Jakkolwiek można odczytać i zapisać dowolną komórkę pamięci, to operacja kasowania umożliwia skasowanie tylko całych bloków komórek. Nie można skasować pojedynczej komórki. Z tego powodu zapis danych nie jest w pełni swobodny. Pamięci te umożliwiają odczyt i zapis dowolnej komórki, ale już nie swobodne kasowanie i nadpisanie zawartości. Powyższe ograniczenia powodują pewne trudności w obsłudze dostępu do danych w pamięciach masowych. Zapis plików musi być skoordynowany z operacją kasowania bloków pamięci. Zazwyczaj jeśli plik ma zostać zaktualizowany lub nadpisany, system zarządzania pamięcią tworzy nową kopię pliku w innym miejscu, oznaczając tylko poprzednią wersję jako bezużyteczną. Taka wersja pliku nadal zajmuje wolne miejsce, jest ono zwalniane jeśli operacja kasowania jest możliwa, czyli w danym bloku pamięci nie ma fragmentu innego pliku. W celu efektywniejszego kasowania bloków pamięci możliwe jest też przenoszenie części innych plików (nie wymagających modyfikacji) w inne miejsce, tak by blok nadawał się do skasowania. Dodatkową komplikacją jest fakt, że operacja kasowania jest znacznie dłuższa niż operacja zapisu i odczytu. Główne parametry handlowe pamięci Pojemność Zazwyczaj pojemność pamięci flash waha się od kilobitów do kilku gigabajtów. Pojemność chipów flash zmienia się mniej więcej zgodnie z prawem Moore a ponieważ są produkowane w ten sam sposób jak inne układy scalone. W 2005 roku Toshiba i San Disk rozwinęły chipy typu NAND zdolne pomieścić 1 gigabajt danych w technologii MLC(multi-level-cell) gromadząc 2 bity informacji w jednej komórce. We wrześniu 2005 roku Samsung Electronics ogłosił, że wyprodukował pierwszy na świecie 2 gigabajtowy chip. W marcu 2006 roku Samsung ogłosił dyski flash o pojemności 4 gigabajtów, czyli o wielkości jaką początkowo miały mniejsze dyski laptopów, a we wrześniu ogłosił wyprodukowanie dysku 64 gigabajtowego wyprodukowanego w technologii 40 nm. Na przełomie 2005 i 2006 roku produkty jak karty pamięci lub pamięci USB o pojemności 256 megabajtów i mniejsze przestały być produkowane. Pamięci o pojemność 1 gigabajta zaczęły być optymalnymi dla zwykłych użytkowników wykorzystujących ten typ gromadzenia informacji. Obecnie coraz więcej użytkowników wybiera pamięci 2 lub 4 gigabajtowe. Firma Hitachi proponuje dysk twardy w oparciu o technologię flash o nazwie MICRODRIVE o pojemności 8 GB. Zaś fima BiTMicro oferuje 155 GB 3,5 dysk o nazwie EDISK. UTK. Pamięci FLASH - 5 -

6 Prędkość Są dostępne karty pamięci flash o różnej prędkości. Niektóre są określane poprzez szybkość przesyłanych danych w czasie 1 sekundy np. 2 MB, 12 MB itp. Dokładna prędkość zależy od zdefiniowania pojęcia megabajt jakie przyjmuje producent. Wiele kart jest oznaczanych symbolem 100x, 130x, 200x, itp. Dla tych kart przelicznik jest typu 1x = 150 kb/s. Jest to prędkość z jaką pierwsze napędy CD mogły przesyłać informacje. Np. karta 100x (150 kb x 100 = kb = 14,65 MB), jest szybsza od karty 12 MB. Zastosowanie pamięci W ostatnich latach w niezwykłym tempie rośnie popularność zastosowań pamięci Flash. Od przenośnych urządzeń PenDrive z interfejsem USB (często wzbogaconym o odtwarzacz muzyki w formatach MP3, WMA czy AAC), poprzez standardowe karty pamięci (początkowo wykorzystywane w aparatach cyfrowych), po karty pamięci w formacie mini używane w telefonach komórkowych. Na rynku istnieje obecnie bardzo wiele standardów kart pamięci. Największy udział w nim przypada obecnie formatowi SD Secure Digital. Dość dużą popularnością cieszą się karty: Compact Flash, Sony Memory Stick, xd-picture Card czy MultiMediaCard. Wykres 1. Zapotrzebowanie na pamięci NAND Flash (obecne i prognoza) źródło: Lista typów kart pamięci High Speed CompactFlash CompactFlash Type I IBM Microdrive CompactFlash Type II Hitachi Microdrive Extreme CompactFlash MagicStor Extreme III CompactFlash XS Xtreme Speed Compact Flash Ultra II CompactFlash Compact Flash Elite Pro UTK. Pamięci FLASH - 6 -

7 Compact Flash PRO Memory Stick Memory Stick PRO Memory Stick Duo Memory Stick PRO Duo Memory Stick MagicGate Memory Stick MagicGate PRO Memory Stick MagicGate Duo Memory Stick MagicGate PRO Duo Extreme Memory Stick PRO Extreme III Memory Stick PRO Ultra II Memory Stick PRO High Speed Memory Stick MagicGate PRO High Speed Memory Stick MagicGate PRO Duo High Speed Memory Stick PRO High Speed Memory Stick PRO Duo Memory Stick Rom Memory Stick Select SD minisd Extreme SD Extreme III SD Ultra II SD SD PRO SD Elite Pro MultiMediaCard MultiMediaCard 4.0 High Speed MultiMediaCard Reduced Size MultiMediaCard (RS MMC) High Speed Reduced Size MultiMediaCard TransFlash Memory SmartMedia SmartMedia ROM xd-picture Card Nowe standardy kart, pojawiające się w ostatnich kilku latach bazują na wymienionych powyżej, a różnią się od swoich pierwowzorów głównie rozmiarami i złączami. Podstawowe typy kart pamięci SD (ang. Secure Digital) jeden ze standardów kart pamięci opracowany przez firmy Panasonic, SanDisk i Toshiba w 2000 roku. Karty SD charakteryzują się niewielkimi wymiarami (24 x 32 x 2,1mm) i masą (ok. 2 gramy). Poza grubością, ich wymiary są identyczne jak kart MMC. Karty SD posiadają 9 wyprowadzeń oraz rzadko używaną funkcję zabezpieczenia danych chronionych prawami autorskimi przed kopiowaniem. Dodatkowo posiadają mały przełącznik zabezpieczający zapisane na karcie dane przed przypadkowym skasowaniem. Pojemności kart SD wahają się od 8 MB do 8 GB. Karta SD 512 MB firmy Kingston Technology Karty pamięci SD są powszechnie stosowane w: aparatach cyfrowych palmtopach niektórych odbiornikach GPS niektórych telefonach komórkowych Inne standardy zgodne z SD: minisd microsd SDIO UTK. Pamięci FLASH - 7 -

8 CompactFlash - karta pamięci, w której zastosowano pamięć Flash EEPROM, znalazła zastosowanie w takich urządzeniach jak aparaty cyfrowe, przenośne odtwarzacze muzyki i in. Standard został przedstawiony w 1994 r. - są to pierwsze dostępne na rynku karty flash. Posiadają rozmiar 42.8 x 36.4 mm i grubość 3.3 mm (typ I) lub 5 mm (typ II). Zasilane są napięciem odpowiednio 3.3 i 5.0 V. Największa pojemność to 8GB. Dodatkową cechą kart CF jest fakt, iż interfejs elektroniczny jest prawie identyczny z interfejsem IDE stosowanych w komputerach osobisych do obsługi dysków - to umożliwia stosowanie kart Compact Flash jako dysków o bardzo dużej wytrzymałości mechanicznej, niskim poborze prądu oraz małym wydzielaniu ciepła, nawet ze standardowymi płytami głównymi (wymagana jest jedynie odpowiednia przelotka). Sony Memory Stick - karta pamięci, w której zastosowano pamięć Flash EEPROM opracowana przez firmę Sony. Używana głównie w aparatach cyfrowych Sony, konsolach do gier Playstation i telefonach komórkowych marki Sony Ericsson oraz NEC. Karta pamięci Memory Stick marki Sony - 256MB Pojemność kart Memory Stick: 16 MB 32 MB 64 MB 128 MB 256 MB (Tylko w wersji Pro) 512 MB (Tylko w wersji Pro) 1 GB (Tylko w wersji Pro) 2 GB (Tylko w wersji Pro) 4 GB (wersja duo produkowana przez San Disk; tylko w wersji Pro) 8 GB (Niedługo wejdzie do sprzedaży) 32 GB (Wersja testowa stworzona wspólnie z San Disk'iem) Wersja Memory Stick Pro charakteryzuje się zwiększoną prędkością przesyłu danych oraz większą pojemnością. Wersja Memory Stick Duo oraz Memory Stick Pro Duo to wersje kart pamięci, w których wielkość zredukowano o połowę. Prędkość transferu danych: Standard: Maksymalna prędkość zapisu: 14,4 Mbit/s (1,8 MB/s) Maksymalna prędkość odczytu: 19,6 Mbit/s (2,5 MB/s) UTK. Pamięci FLASH - 8 -

9 Pro/Pro Duo: Transfer: 160 Mbit/s (20 MB/s) Minimalna prędkość zapisu: 15 Mbit/s Maksymalna prędkość zapisu: 80 Mbit/s (High Speed Pro Duo) Micro (M2): Transfer: 160 Mbit/s (20 MB/s) Karta Memory Stick Pro Duo 1 GB firmy Sony Wymiary: Standard/Pro: 50,0 21,5 2,8 mm Duo/Pro Duo: 31,0 20,0 1,6 mm Micro: 15,0 12,5 1,2 mm Karta pamięci xd-picture - (ang. xd-picture Card) karta pamięci flash stosowana głównie w aparatach cyfrowych Olympus i Fujifilm. xd jest skrótem od extreme Digital. Karty te zadebiutowały na rynku w lipcu 2002 r. Produkują je Toshiba i Samsung dla Olympus i Fujifilm,a sprzedają również pod swoimi markami Kodak, SanDisk oraz Lexar. Z kart pamięci xd korzystają cyfrowe aparaty fotograficzne Olympus oraz Fujifilm, a także cyfrowe dyktafony Olympus. Fujifilm wyprodukował też odtwarzacz MP3 używający tychże kart. W obecnej chwili są dostępne w pojemnościach 16 MB, 32 MB, 64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 GB oraz 2 GB. Karta ma wymiary 20 mm 25 mm 1.78 mm (porównywalne ze znaczkiem pocztowym) i waży 2.8 g. MultiMedia Card (MMC) Karta pamięci nieulotnej typu Flash o rozmiarach 24mm x 32mm x 1,5mm. Karta odznacza się wysoką wytrzymałością na warunki zewnętrzne. Karty MMC mają zastosowanie w różnego rodzaju elektronicznych urządzeniach przenośnych takich jak: cyfrowe aparaty fotograficzne telefony komórkowe przenośne odtwarzacze MP3 RS-MMC firmy SanDisk palmtopy W odróżnieniu od nowszych kart SD karty MMC charakteryzują się brakiem przełącznika zabezpieczania danych przed zapisem. UTK. Pamięci FLASH - 9 -

10 Karty typu M i typu H: Karty typu M wykorzystują architekturę Multi Level Cell (MLC) dla zapewnienia możliwości produkcji kart o pojemnościach do 8 GB. W obecnej chwili są dostępne w pojemnościach od 256 MB do 2 GB, jednakże charakteryzuje je wolniejsza prędkość zapisu i odczytu od standardowych kart xd. Karta pamięci typu M - 2 GB Karta pamięci typu H - 1 GB Karty typu H oferują teoretycznie trzykrotnie wyższe prędkości odczytu i zapisu od kart typu M, lecz obecnie są dostępne jedynie w pojemnościach 512 MB i 1GB. Są także kompatybilne z "efektami specjalnymi" dostępnymi w aparatach cyfrowych Olympus. Z powodu zmian w architekturze, nowsze modele typu M i H mogą być niekompatybilne z niektórymi starszymi aparatami oraz czytnikami kart. Tabela prędkości transferu: Typ Pojemność Zapis (MB/s) Standardowe 16 MB, 32 MB MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB 3 5 Typ M 256 MB, 512 MB, 1 GB, 2 GB Typ H 256 MB, 512 MB, 1 GB 9 15 Zalety: Odczyt (MB/s) Szybsze od kart starszych formatów, tj. SmartMedia (SM), MultiMedia Card oraz Memor Stick. Wady: Mniejsze wymiary w porównaniu do innych formatów (choć karty Memory Stick M2 są mniejsze). Niski pobór mocy. Mała maksymalna teoretyczna pojemność kart. O wiele wolniejsza prędkość od głównego rywala - Secure Digital (SD). Droższe od kart innych formatów identycznej pojemności. Mniejsza liczba akcesoriów obsługujących te karty. Ryzyko zgubienia, przypadkowego zniszczenia lub złego umieszczenia karty z powodu niewielkich rozmiarów. Szczegółowa specyfikacja jest własnością firm Olympus oraz Fujifilm i jest niedostępna dla podmiotów trzecich. UTK. Pamięci FLASH

11 mobilnych urządzeń. microsd to karta pamięci Secure Digital o rozmiarach 11 x 15 x 1 mm. Jest to najmniejsza seryjnie produkowana karta pamięci. Jest dwukrotnie mniejsza od minisd. Karta posiada złącze o ośmiu stykach. 1 Euro MicroSD Dzięki niewielkim rozmiarom, karta jest przeznaczona głównie do małych, Format microsd został stworzony przez firmę SanDisk. Nowa karta (o nazwie TransFlash) została zatwierdzona w lipcu 2005 r. przez Secure Digital Card Association jako nowy standard microsd. Karty TransFlash mają pojemność do 4 GB. SmartMedia - typ karty pamięci wprowadzony na rynek w 1996 r. Moduły te wyglądają jak miniaturowa dyskietka. Karta Smart Media ma wymiary 45x37x0.76 mm, zasilana jest napięciem 3,3 i 5 V, wyposażona jest w 22 styki kontaktowe. Dostępne są moduły o pojemności do 128 MB. SmartMedia UTK. Pamięci FLASH