Многие современные технологии мы уже привыкли принимать как должное, особо не задумываясь о том, как они работают, что за ними стоит, какова история их развития.
Это касается и компьютеров.
я уже написал об истории развития технологий хранения данных , ясно показывая эволюцию в этой отрасли.
На этот раз я решил подробнее рассказать вам об одной из технологий, активно используемых компанией LSI, — о твердотельной, или SSD (Solid State Drive) памяти.
Он используется повсеместно, начиная с чипа, хранящего код BIOS компьютера (те, кто постарше, помнят вирус Win.CIH, выводивший компьютеры из строя, стирая содержимое этого чипа) и заканчивая ультрасовременными гибридными RAID-контроллерами с функцией кэширования.
, например LSI Nytro, о котором мы вам рассказывали).
Не говоря уже о различных внешних накопителях, без которых, возможно, был бы невозможен прогресс современных технологий: какой анахронизм цифровые фотоаппараты Sony Mavica MVC-FD5 (и ряд других моделей), сохранявшие сейчас изображения на 3,5-дюймовых дискетах выглядит как.
История флэш-памяти началась в середине 20-го века, когда в подразделении Arma американской корпорации Bosch Arma ученый-баллистик и пионер цифровых вычислений Вэнь Цин Чоу работал над задачей усовершенствования блоков памяти координат бортовой памяти.
компьютер ракетного комплекса Атлас Е.
/Ф.
Разработанное им решение несколько лет было секретным, поскольку «Атлас» находился на вооружении американского аналога РВСН, но позже технология была рассекречена, и распространение получила технология под названием ПРОМ (программируемое постоянное запоминающее устройство).
Технология по своей сути довольно проста: такая память представляет собой пересечение двух массивов проводников, образующих координатную сетку.
В узлах этой сетки проводники замыкаются специальной перемычкой.
Когда нужно определить значение ячейки по заданным координатам, достаточно проверить, проходит ли ток через пересечение искомых проводников.
Наличие тока означает, что перемычка цела и соответствует значению 1, обратная ситуация кодирует 0. По умолчанию все ячейки имели значение 1. Нетрудно догадаться, что программирование таких микросхем (называемое прожигом) было очень простым: к тем ячейкам, где были нужны нули, подавалось высокое напряжение, выпаивающее перемычку.
Таким образом были получены микросхемы с возможностью однократной записи.
На самом деле «переписать» микросхему можно было, но только в сторону стирания перемычек.
Также из-за несовершенства технологии перемычку можно было восстановить, исказив значения.
Для борьбы с изменением данных в обе стороны использовались контрольные суммы.
Кроме того, к недостаткам микросхем этого типа можно отнести очень маленькую емкость.
Но у ППЗУ (русский перевод аббревиатуры) были и преимущества: высокая скорость доступа к данным и устойчивость к электромагнитным импульсам, столь ценные для мест, где ядерные взрывы не редкость.
Следующий шаг в технологиях постоянного хранения данных сделали в Intel. Исследуя дефекты микросхем, в которых были разрушены затворы транзисторов, Дов Фроман-Бенчковски изобрел новый тип памяти EPROM. Каждая ячейка такой памяти представляет собой полевой транзистор с двумя затворами: первый — управляющий, второй — плавающий, не имеющий связи с другими элементами схемы.
Слой оксида кремния действует как изоляция.
Для хранения данных необходимо выбрать нужные ячейки и подать на них более высокое напряжение, это позволит электронам за счет большей энергии проходить через изоляционный слой и накапливаться на затворе (этот туннельный эффект называется Фаулера-Нордхайма).
).
После снятия управляющего напряжения электроны «запираются» в затворе, сохраняя информацию на долгое время.
Основная проблема в этом случае — невозможность электрического стирания информации.
Для их стирания используются мощные ультрафиолетовые лампы, освещающие микросхему через специальное окно из кварцевого стекла.
Ультрафиолетовый свет вызывает ионизацию изолирующего оксидного слоя, заряд утекает и данные стираются.
Такие чипы использовались в качестве микросхем BIOS в старых компьютерах.
Окно стирания обычно закрывалось наклейкой с логотипом производителя, чтобы защитить чип от самопроизвольного стирания под воздействием солнечных лучей.
Такие микросхемы, например, использовались в компьютерах ZX Spectrum (русские версии Search, Magic).
Именно эти компьютеры (многие помнят скрипучий модемный звук, издаваемый кассетами с записанными на них играми для этих ПК) стали для многих современных инженеров и специалистов первыми компьютерами, с которых начался их путь в IT. В 1978 году инженер Intel Джордж Перлегос представил чип Intel 2816, по технологии схожий со EPROM, но благодаря более тонкому изоляционному слою чип мог стирать свое содержимое без использования ультрафиолетового излучения.
Это было началом технологии EPROM или по-английски EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory).
Основными недостатками микросхем, изготовленных по этой технологии, являются ограниченное количество циклов записи (хотя современные микросхемы увеличили это число где-то до миллиона) и самопроизвольное стирание данных (для нынешних микросхем промышленного уровня гарантированное хранение данных осуществляется не менее 3 года).
Поскольку в микросхемах EPROM для стирания необходимо было создавать электрическое поле высокой напряженности в достаточно тонком слое диэлектрика, это приводило к невозможности создания перезаписываемых микросхем памяти с высокой степенью компоновки.
Это, в свою очередь, привело к разработке двух классов устройств: нестираемых чипов с однократной записью большой емкости и перезаписываемых чипов меньшей емкости.
Проблему решил инженер Toshiba Фудзио Масуока, а свое открытие назвал его коллега Сёдзи Ариизуми, который обнаружил, что процесс стирания напоминает фотографическую вспышку.
Как нетрудно догадаться, они назвали эти чипы флэш-памятью.
Изобретение было представлено публике в 1984 году, а в 1988 году Intel представила коммерческие микросхемы памяти, основанные на принципе флэш-памяти NOR, а в 1989 году Toshiba анонсировала память NAND. В качестве элементов памяти во флеше используются те же полевые транзисторы с плавающим затвором, а для стирания и записи используется повышение напряжения, вызывающее уже знакомый эффект туннелирования.
Основное отличие флэш-чипов в том, что чтение, запись и стирание осуществляются большими блоками, при этом блок записи по размеру не меньше блока чтения, а блок стирания всегда больше блока записи.
Это определяет необходимость объединения ячеек памяти в иерархическую структуру, обычно: блоки – сектора – страницы.
Микросхемы, в которых одна ячейка хранит один бит информации, стали называть Single-Level Cell или SLC, а их альтернативу, в которой каждая ячейка хранит два бита информации за счет способности хранить 4 уровня заряда, стали называть многоуровневыми.
Ячейка уровня или MLC. Таким образом, чипы MLC дешевле SLC, но работают медленнее и менее надежны.
В последнее время также можно увидеть аббревиатуру eMLC (Enterprise class MLC).
Обычно имеется в виду устройства, имеющие более высокие, чем MLC, скоростные характеристики чтения-записи, а также увеличенный срок службы.
Анализируя ценовые характеристики, современные eMLC стоят примерно вдвое дешевле и лишь немного уступают по скорости и надежности устройствам, построенным на основе SLC. Основное различие между NOR и NAND заключается в компоновке микросхем.
NOR использует классическую матрицу из строк и столбцов с ячейками на пересечении, NAND — трехмерный массив.
В этом случае можно сильно увеличить площадь планировки, но за это придется «поплатиться» усложнением алгоритмов доступа к ячейкам.
Скорость доступа также различается, например, для NOR скорость чтения составляет десятки наносекунд, для NAND — десятки микросекунд. 
Основная область применения NOR – микросхемы малого объема, но с повышенными требованиями к надежности хранения: микросхемы загрузки компьютеров, встроенная память однокристальных контроллеров и т.п.
NAND – традиционные хранилища данных максимальной емкости: карты памяти, SSD-накопители и так далее.
В случаях использования NAND для защиты от сбоев обычно используются избыточность хранилища данных и контрольные суммы.
Также микросхемы обычно комплектуются «запасными» блоками, вступающими в работу взамен уже «изношенных».
Современные флэш-накопители невозможны без использования сервисных микросхем, управляющих хранением данных на чипах NAND. Эти микросхемы называются FSP (Flash Storage Processor) или процессорами, которые управляют флэш-памятью.
SandForce (ныне подразделение LSI) является лидером в производстве чипов этого класса.
Интересно, что вычислительная мощность таких процессоров очень и очень высока.
Современное поколение имеет 2 ядра, имеет возможность защиты (с подсчетом контрольных сумм) данных, аналогично тому, что мы обычно называем RAID 50/60 и управляет процессами сбора цифрового «мусора», следит за равномерным износом ячеек памяти, и выполняет другие сервисные функции.
Благодаря внедрению такого интеллектуального управления памятью NAND современные устройства имеют предсказуемый срок службы и программируемую надежность.
Имея статистические данные, очень легко изготовить SSD, обладающий заданными параметрами производительности и надежности.
Такие сервисные чипы имеют длительные циклы разработки, и сейчас разрабатываются чипы, которые будут работать с чипами флэш-памяти, которые не будут производиться еще 2-3 года.
Кстати, до сих пор можно столкнуться с довольно распространенным заблуждением, что при достижении лимита записи SSD-устройства умирают с потерей данных.
Это не верно.
При достижении определенных лимитов перезаписи администратору сервера сначала отправляются предупреждения о скором окончании срока службы устройства, а при достижении критического порога запись на устройство прекращается, а само устройство переходит в режим READ ONLY, чтение -только.
Все современные контроллеры хранения могут работать с этой функциональностью SSD, а пользователям SSD достаточно лишь приобретать устройства, предназначенные для их класса задач.
Если это сервер, то нужно покупать SSD промышленного класса, рассчитанные на работу в режиме 24х7; если это ноутбук или настольный компьютер, подойдут и более дешевые устройства.
Итак, современные SSD или флэш-устройства представлены сегодня в форматах SD, USB-flash, SATA (SAS) SSD — в тех же форм-факторах 2,5’’ и 3,5’’, что и жёсткие диски HDD. В мире серверов набирает обороты PCIe-SSD — формат, в котором твердотельные накопители монтируются на плату, подключаемую напрямую к слоту PCI. 
Нитро-варп-двигатель
Для кэширования и бездисковой загрузки твердотельные накопители устанавливаются на платы RAID-контроллера.
Нитро МегаРАИД
Внешние системы хранения данных уже несколько лет предлагаются в качестве опции SSD вместо HDD. Кроме того, существуют специальные внешние системы хранения данных на основе флэш-технологий, например, Violin и Ramsan.
Вот краткий обзор истории флэш-памяти.
«За бортом» осталось немало интересных вопросов, начиная с современных файловых систем, разработанных с учетом особенностей флэш-памяти, и заканчивая будущими разработками, обещающими много интересного.
Надеемся, вам понравился рассказ, и мы вернемся к этой теме в будущем.
На основе личного опыта, внутренних ресурсов LSI (SandForce), ресурсов How Staff Works, Википедии, курсов MIT. Теги: #ssd #lsi #SandForce #Nytro WarpDrive #Nytro MegaRAID #флэш-память #флэш-технологии #Adobe Flash
-
Intel Снова В Графической Игре
19 Oct, 24 -
Советы Для Компании Цифрового Маркетинга
19 Oct, 24 -
Трудности На Пути К Профессии Программиста
19 Oct, 24 -
Семафор На Событиях C++
19 Oct, 24
