Bugsp.ru

Ваша компьютерная помощь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как устроена флешка

Устройство и принцип работы флеш-накопителя

как устроена флешка

На сегодняшний день флешки являются самыми популярными внешними носителями данных. В отличие от оптических и магнитных дисков (CD/DVD и винчестеры соответственно), флеш-накопители более компактны и устойчивы к механическим повреждениям. А за счет чего были достигнуты компактность и устойчивость? Давайте же разберемся!

Из чего состоит и как работает флешка

Первое, что следует отметить — внутри flash-накопителя нет движущихся механических частей, которые могут пострадать от падений или сотрясений. Это достигается за счет конструкции — без защитного корпуса флешка представляет собой печатную плату, к которой припаян USB-разъем. Давайте рассмотрим её составляющие.

Основные компоненты

Составные части большинства флешек можно разделить на основные и дополнительные.

Основные составляющие компоненты флешки

К основным относятся:

  1. чипы NAND-памяти;
  2. контроллер;
  3. кварцевый резонатор.
  4. USB-разъем

Чипы оперативной памяти

NAND-память
Накопитель работает благодаря NAND-памяти: полупроводниковым микросхемам. Чипы такой памяти, во-первых, весьма компактны, а во-вторых — очень ёмкие: если на первых порах флешки по объему проигрывали привычным на тот момент оптическим дискам, то сейчас превышают по ёмкости даже диски Blu-Ray. Такая память, ко всему прочему, еще и энергонезависимая, то есть для хранения информации ей не требуется источник питания, в отличие от микросхем оперативной памяти, созданных по похожей технологии.

Однако у НАНД-памяти есть один недостаток, в сравнении с другими типами запоминающих устройств. Дело в том, что срок службы этих чипов ограничен определенным количеством циклов перезаписи (шагов чтения/записи информации в ячейках). В среднем количество read-write cycles равно 30 000 (зависит от типа чипа памяти). Кажется, это невероятно много, но на самом деле это равно примерно 5 годам интенсивного использования. Впрочем, даже если ограничение будет достигнуто, флешкой можно будет продолжать пользоваться, но только для считывания данных. Кроме того, вследствие своей природы, NAND-память очень уязвима к перепадам электричества и электростатическим разрядам, так что держите её подальше от источников подобных опасностей.

Микроонтроллер флешки на печатной плате

Контроллер
Под номером 2 на рисунке в начале статьи находится крохотная микросхема — контроллер, инструмент связи между флеш-памятью и подключаемыми устройствами (ПК, телевизорами, автомагнитолами и пр.).

Контроллер (иначе называется микроконтроллер) представляет собой миниатюрный примитивный компьютер с собственным процессором и некоторым количеством RAM, используемыми для кэширования данных и служебных целей. Под процедурой обновления прошивки или BIOS подразумевается как раз обновление ПО микроконтроллера. Как показывает практика, наиболее частая поломка флешек — выход из строя контроллера.

Резонатора на печатной плате флешки

Кварцевый резонатор
Данный компонент представляет собой крохотный кристалл кварца, который, как и в электронных часах, производит гармонические колебания определенной частоты. Во флеш-накопителях резонатор используется для связи между контроллером, NAND-памятью и дополнительными компонентами.

Эта часть флешки также подвержена риску повреждения, причем, в отличие от проблем с микроконтроллером, решить их самостоятельно практически невозможно. К счастью, в современных накопителях резонаторы выходят из строя относительно редко.

USB-коннектор
В подавляющем большинстве случаев в современных флешках установлен разъем USB 2.0 типа A, ориентированный на прием и передачу. В самых новых накопителях используется USB 3.0 типа А и типа C.

Типы разъемов USB

Дополнительные компоненты

Кроме упомянутых выше основных составляющих запоминающего flash-устройства, производители нередко снабжают их необязательными элементами, такими как: светодиод-индикатор, переключатель защиты от записи и некоторые специфические для определенных моделей особенности.

Световой индикатор у флешек

Светодиодный индикатор
Во многих flash-накопителях присутствует небольшой, но довольно яркий светодиод. Он предназначен для визуального отображения активности флешки (запись или считывание информации) или же просто является элементом дизайна.

Этот индикатор чаще всего не несет никакой функциональной нагрузки для самой флешки, и нужен, по сути, только для удобства пользователя или для красоты.

Переключатель защиты от записи накопителя

Переключатель защиты от записи
Этот элемент характерен скорее для SD-карт, хотя порой встречается и на запоминающих устройствах USB. Последние нередко используются в корпоративной среде как носители разнообразной информации, в том числе важной и конфиденциальной. Чтобы избежать инцидентов со случайным удалением таких данных, производителями флеш-накопителей в некоторых моделях применяется переключатель защиты: резистор, который при подключении в цепь питания запоминающего устройства не дает электрическому току добираться к ячейкам памяти.

При попытке записать или удалить информацию с накопителя, в котором включена защита, ОС выдаст такое вот сообщение.

Пример сообщения о защите от записи

Подобным образом реализована защита в так называемых USB-ключах: флешках, которые содержат в себе сертификаты безопасности, необходимые для корректной работы некоторого специфического ПО.

Этот элемент тоже может сломаться, в результате чего возникает досадная ситуация — девайс вроде работоспособен, но пользоваться им невозможно. У нас на сайте есть материал, который может помочь решить эту проблему.

Уникальные компоненты

К таковым можно отнести, например, наличие разъемов Lightning, microUSB или Type-C: флешки с наличием таковых предназначены для использования в том числе на смартфонах и планшетах.

Пример флешки с защитой паролем

Существуют и накопители с максимальной защитой записанных данных — в них встроена клавиатура для ввода цифрового пароля.

По сути, это более продвинутый вариант упомянутого выше переключателя защиты от перезаписи.

Достоинства флешек:

  • надежность;
  • большая ёмкость;
  • компактность;
  • устойчивость к механическим нагрузкам.

Недостатки флешек:

  • хрупкость составляющих компонентов;
  • ограниченный срок службы;
  • уязвимость к перепадам напряжения и статическим разрядам.

Подведем итоги — flash-накопитель, с технической точки зрения, устроен довольно сложно. Однако вследствие твердотельной конструкции и миниатюрности компонентов достигается большая устойчивость к механическим нагрузкам. С другой стороны, флешки, особенно с важными данными, необходимо обезопасить от влияния перепадов напряжения или статического электричества.

ЗакрытьМы рады, что смогли помочь Вам в решении проблемы.

Помимо этой статьи, на сайте еще 12307 инструкций.
Добавьте сайт Lumpics.ru в закладки (CTRL+D) и мы точно еще пригодимся вам.

Отблагодарите автора, поделитесь статьей в социальных сетях.

ЗакрытьОпишите, что у вас не получилось. Наши специалисты постараются ответить максимально быстро.

Как работает флешка

Информация на флешке хранится в ячейках памяти, каждая из которых может запомнить один бит: 0 или 1. Флешка состоит из миллиардов таких ячеек памяти.

Ячейка памяти

Одна ячейка памяти — один бит. Одна буква в тексте — 8 бит или 1 байт. Этот текст занимает примерно 6 тысяч байт, то есть, чтобы сохранить его на флешку, потребуется 48 тысяч ячеек памяти. Для нового эпизода Доктора Хауса в HD потребуется примерно 11 миллиардов ячеек памяти. Трудно представить себе, что они все легко поместятся на площади в 1 квадратный сантиметр.

Читайте так же:
Ошибка Word: закладка не определена

Ячейка памяти — это транзистор. С двух сторон у него находится два полупроводника n-типа, у которых много свободных электронов, которые могут свободно двигаться, то есть переносить ток.

Между этими полупроводниками находится полупроводник p-типа, у которого, наоборот, недостаток электронов. Ток там переносится, соответственно, дырками от недостающих электронов.

Ток не может проходить между n-полупроводниками, потому что между ними находится p-проводник, а у них разный тип проводимости.

Но над p-полупроводником находится управляющий затвор. Это такой электрод, на который можно подать положительное или отрицательное напряжение. Если на него подать положительное напряжение, то он отодвинет дырки в p-полупроводнике и притянет электроны, поскольку противоположные заряды притягиваются.

Плавающий затвор окружен диэлектриком, чтобы электрончики с него не сбежали. Теоретически, ячейка памяти может хранить свое значение бесконечно, ну или по крайней мере десятки лет.

Получится так называемый n-переход, по которому может пройти электричество с одного полупроводника n-типа на другой и транзистор сможет проводить ток.

Между управляющим затвором и p-полупроводником есть металлическая пластинка — это плавающий затвор. Если ее зарядить отрицательно, то она будет мешать работе управляющего затвора, и транзистор не будет проводить ток вне зависимости от того, есть на управляющем затворе положительное напряжение или нет.

Как читаются данные

Чтобы проверить, что записано в ячейке памяти, ноль или единица, на управляющий затвор подают напряжение и проверяют, может ли идти по транзистору ток:

  • — Если на управляющем затворе есть избыток электронов, то ток идти не будет, значит это единица.
  • — Если на управляющеи затворе избытка электронов нет, то ток пойдет, значит это ноль.

Как записываются

Чтобы записать единичку в ячейку памяти, надо на плавающий затвор закинуть электронов. Но это не так-то просто сделать, потому что плавающий затвор окружен диэлектриком, который, как известно, не проводит ток.

Туннельный эффект — явление, возможное только в квантовой механике, когда, благодаря своим волновым свойствам, электрон перепрыгивает с одного места на другое. То есть он оказывается по ту сторону диэлектрика, не проходя через него. В классической механике такое невозможно.

Для того, чтобы поместить электроны в плавающий затвор, на управляющий затвор подают положительное напряжение — гораздо выше, чем при чтении. Часть проходящих электронов запрыгивают на плавающий затвор благодаря туннельному эффекту.

Стирание данных происходит точно так же, только вместо положительного напряжение на управляющий затвор подается отрицательное, и электроны спрыгивают с плавающего затвора.

Принцип работы и устройство USB-флешки

Принцип работы и устройство USB-флешки

В этой статье мы с Вами рассмотрим принцип работы и устройство USB-флешки, а также я расскажу об особенности USB-флэш-накопителя перед другими запоминающими устройствами. C появление USB-флэшки произошел некий переворот в ПЗУ устройствах и большое количество людей по всему миру оценило удобство транспортировки данных в компактном и емком флэш-накопителе, который к тому же устойчив к воздействиям окружающей среды.

Первым делом, я хотел бы дать определение флэш-накопителю, а уж потом рассказать о его особенности перед другими запоминающими устройствами.

USB-Flash Drive (флешка, флэшка) — устройство для накопления и хранения информации. Переданные устройству данные располагаются и хранятся во флэш-памяти. Для получения информации usb флешку необходимо подключить к телевизору (Smart), компьютеру, планшету или любому другому считывающему устройству.

К основным недостаткам USB флэш-накопителя можно отнести ограниченный цикл записи/стирания, но хранящуюся в устройстве можно считать бесконечное количество раз. Цикл перезаписи современными стандартами на сегодняшний день ограничен от 10000 и до 100000 раз. Если взять во внимание минимальный цикл перезаписи (10000) то может показаться, что для эксплуатации такое количество более чем достаточно. Но на самом деле это не так.

Представьте себе ситуации, когда вы интенсивно используете флэшку перезаписывая на ней данные по нескольку раз в день. Согласитесь, что при такой эксплуатации, такое количество циклов (10000) для обновления информации уже не кажется таким уж большим. Хотя, справедливости ради, стоит сказать, что для рядового пользователя флэш-накопитель с минимальным ограничением перезаписи прослужит немало времени.

К сожалению не все USB накопители отрабатывают свой положенный срок честно. Как правило, виной этому производители мало известных фирм и компании с неизвестным происхождением, которые не соблюдают технологических норм при создании постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Очень часто наши китайские «друзья», которые любят делать подделки именитых брендов, не соблюдают технологию (не качественные детали) и создают дешевые накопительные устройства, которые раньше положенного времени выходят из строя.

На что нужно обратить внимание при выборе USB-флэш-накопителя.

  • Производитель (компания). Чтобы свести к минимуму преждевременный выход из строя USB-флэш-накопителя , делайте свой выбор в пользу зарекомендовавших себя компаний, которые работаю на рынке не один год. Например, это могут быть такие компании как: Kingston, Transcend, Corsair, Apacer…
  • Так же при выборе usb-флэш-накопителя обратите внимание на каком типе памяти она построена. Хорошо если в ней установлена флэш-память типа NAND, потому что именно этот тип памяти может выполнить около 100000 циклов записи/стирания информации.

В основе USB флэш-накопителя находится флэш-память типа NAND и небольшой микроконтроллер со встроенным ROM или RAM. Флэш-память (Flash Memory) относится к классу EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — электрически стираемое перепрограммируемое запоминающее устройство ПЗУ или ЭСППЗУ.

Основное достоинство этого устройства в том, что оно энергонезависимо, а значит ему не нужно электричество для хранения данных. Стоит сказать, что основная особенность EEPROM в том, что хранящуюся информацию в устройстве (mini SD, MMC, SD, USB-флешка…) можно считать бесконечное количество раз, а вот количество записи к сожалению ограничено (мы уже с вами говорили о том как выбрать SD карту).

Как правило на упаковке указывают и то и другое. Но и не редки случай, когда указывают только число циклов или тип памяти.

  • Тип ячеек памяти. В рядовых флэшках (USB-Flash-Drive) используют два типа ячеек памяти MLC и SLC. Как правило более дешевые модели USB флэш-накопителей комплектуют MLC (Multi-level cell — многоуровневые ячейки памяти)ячейками, которые могут выдержать около 10 тысяч циклов. Ну и как вы уже догадались SLC (Single-level cell — одноуровневые ячейки памяти) ячейками комплектуют более дорогие модели, которые выдерживают до 100000, а то и более циклов записи/стирания.
Читайте так же:
Как узнать, что ищут в Яндексе

Если вы в ближайшее время планируете покупать такой накопитель (USB-Flash-Drive), то рекомендую прочитать статью о том как выбрать надежную USB флешку.

Принцип работы USB -флеш-накопителя и его компоненты.

Как я уже писал выше, что в основе USB-накопителя лежит флэш-память типа NAND или NOR. В свою очередь флэш-память содержит в себе кристалл кремния на котором размещены полевые транзисторы с плавающими и управляющими изолированными затворами. Стоит сказать, что полевые транзисторы имеют сток и исток. Так вот плавающий затвор транзистора способен удерживать заряд (электроны).

Во время записи данных на управляющий затвор подается положительное напряжение и некоторая часть электронов направляется (двигается) от стока к истоку, отклоняясь к плавающему затвору. Часть электронов преодолевает тонкий слой изолятора и проникают в плавающий затвор, где и остаются на продолжительный срок хранения. Время хранения информации измеряется годами, но так или иначе оно ограничено.

Устройство USB flash довольно компактны, мобильны и дают возможность подключиться к любому компьютеру, который имеет USB-разъем. На что только не идут производители чтобы угодить потенциальным покупателям совмещая USB накопитель со всевозможными брелками, украшениями, игрушками и авторучками…

Устройство USB Flash накопителя состоит из следующих электронных компонентов:

Устройство USB Flash накопителя

  1. Разъем USB.
  2. Микроконтроллер.
  3. Контрольные точки.
  4. Чип (микросхема) флэш-памяти.
  5. Кварцевый резонатор.
  6. Светодиод.
  7. Переключатель (защита от записи).
  8. Место для микросхемы памяти (дополнительное место).

Далее я хотел бы более подробно остановиться на основных компонентах usb flash накопителя и описать некоторые характерные симптомы нестабильной работы USB Flash накопителя.

Компоненты и симптомы нестабильной работы USB Flash накопителя.

  1. PCB — это многослойная печатная плата, которая служит основой для всех размещенных (распаянных) деталей электроники. Имеет следующие типичные неисправности: некачественно выполненный монтаж деталей электроники при деформации (изгибы, удары) платы приводит к внутренним разрывам около проводников и нестабильной работе usb-флэш накопителя.
  2. USB разъем — предназначен для подключения флэш-накопителя к устройствам чтения. При некачественном монтаже разъем отрывается от дорожек и в месте пайки. Не так давно я сталкивался с данным явлением.
  3. Микроконтроллер — микросхема, в обязанности которой входит управление памятью типа NAND и передача информации. Содержит в себе данные о производителе и типе памяти, а также хранит в себе необходимую служебную информацию для правильного функционирования флэш-накопителя. По вине контроллера чаще всего происходит выход из строя флэш-накопителя.
  4. Симптомы характеризующие его выход из строя: флэш-накопитель определяется как «неизвестное устройство», показывает не правильный размер (объем) накопителя или просит вставить чистый диск в устройство чтения. Причиной выхода из строя контроллера (сгорает) — служит некачественное питание, плохая работа стабилизатора и неправильное извлечение флэш-накопителя.
  5. Микросхема памяти типа NAND — это энергонезависимая память, которая отвечает за хранение информации. По истечении N-го количества времени, при сбое или повреждении в памяти могут образоваться поврежденные блоки (бэд блоки). Возможны и другие причины появления испорченных блоков, в которые больше не представляется возможным записывать/считывать информацию. Устранить такую неисправность можно с помощью узкоспециализированных программ, что в конечном итоге уменьшит объем памяти, но восстановит работоспособность.
  6. Кварцевый резонатор — используется для построения опорной частоты, которая необходима для функционирования логики контроллера и флэш-памяти. При выходе из строя, USB флэш-накопитель определяется как «неизвестное устройство» или не определяется вовсе(не видит считывающее устройство).

Преимущества USB-флешек:

  • Небольшой размер, вес, портативность.
  • Накопитель можно подключить к любому устройству считывания (практически везде есть USB).
  • Практически нет влияния от внешней окружающей среды (пыль, царапины, загрязненность).
  • USB флешка может работать в широком диапазоне температур.
  • Малые габариты позволяют хранить большой объем информации.
  • Низкое энергопотребления.
  • В сравнении с жестким дискам, она устойчивее к внешним воздействиям, вибрациям и ударам.
  • Удобство подключения к устройству.
  • Высокая скорость доступа к данным.

Недостатки USB-флешек:

  • Ограниченное число циклов записи и стирания перед выходом из строя.
  • Ограниченный срок автономного хранения данных.
  • Скорость записи и чтения ограничены пропускной способностью шины USB и самой флеш-памяти.
  • Чувствительны к радиации и электростатическому разряду (обычно наблюдается в быту, чаще всего зимой).

В заключении статьи предлагаю Вам посмотреть тематическое видео по производству USB Flash накопителей на заводе Kingston Production.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Взгляд изнутри: Flash-память и RAM

Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям (1, 2, 3, 4). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.

Теоретическая часть

Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…

Какая память бывает?

На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.

Читайте так же:
Как создать PDF файл онлайн

Тут можно подробнее ознакомиться с ниже приведённой схемой и сравнением характеристик различных типов «твердотельной памяти». Или тут – жаль, что я был ещё ребёнком в 2003 году, в таком проекте не дали поучаствовать…


Современные типы «твердотельной памяти». Источник

Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах.

Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?

Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно подробная статья о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память (тут тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.


Схематическое представление транзистора с плавающим затвором. Источник

Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано тут. Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.

NB: «практически» — ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.

Там же, на ixbt, есть ещё одна статья, которая посвящена возможности записи на один транзистор с плавающим затвором нескольких бит информации, что существенно увеличивает плотность записи.

В случае рассматриваемой нами флешки память будет, естественно, NAND и, скорее всего, multi-level cell (MLC).

Если интересно продолжить знакомиться с технологиями Flash-памяти, то тут представлен взгляд из 2004 года на данную проблематику. А здесь (1, 2, 3) некоторые лабораторные решения для памяти нового поколения. Не думаю, что эти идеи и технологии удалось реализовать на практике, но, может быть, кто-то знает лучше меня?!

Что такое DRAM?

Если кто-то забыл, что такое DRAM, то милости просим сюда.

Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:

Устройство ячейки RAM. Источник

Опять-таки на ixbt есть неплохая статья, посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.

Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да, но всё-таки…

Часть практическая
Flash

Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:


Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти. Источник

Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы тут). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.


Корпус кварцевого генератора

Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:


Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита

А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:


Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий

Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.

После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:


«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)

Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый» < 2 диаметров человеческого волоса, так что всё в мире относительно:


СЭМ-изображения контактов, питающих чип памяти

Если говорить о самой памяти, то тут нас тоже ждёт успех. Удалось отснять отдельные блоки, границы которых выделены стрелочками. Глядя на изображение с максимальным увеличением, постарайтесь напрячь взгляд, этот контраст реально трудно различим, но он есть на изображении (для наглядности я отметил отдельную ячейку линиями):


Ячейки памяти 1. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки

Мне самому сначала это показалось как артефакт изображения, но обработав все фото дома, я понял, что это либо вытянутые по вертикальной оси управляющие затворы при SLC-ячейке, либо это несколько ячеек, собранных в MLC. Хоть я и упомянул MLC выше, но всё-таки это вопрос. Для справки, «толщина» ячейки (т.е. расстояние между двумя светлыми точками на нижнем изображении) около 60 нм.

Читайте так же:
Как определить музыку онлайн

Чтобы не лукавить – вот аналогичные фото с другой половинки флешки. Полностью аналогичная картина:


Ячейки памяти 2. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки

Конечно, сам чип – это не просто набор таких ячеек памяти, внутри него есть ещё какие-то структуры, принадлежность которых мне определить не удалось:


Другие структуры внутри чипов NAND памяти

Всю плату SO-DIMM от Samsung я, конечно же, не стал распиливать, лишь с помощью строительного фена «отсоединил» один из модулей памяти. Стоит отметить, что тут пригодился один из советов, предложенных ещё после первой публикации – распилить под углом. Поэтому, для детального погружения в увиденное необходимо учитывать этот факт, тем более что распил под 45 градусов позволил ещё получить как бы «томографические» срезы конденсатора.

Однако по традиции начнём с контактов. Приятно было увидеть, как выглядит «скол» BGA и что собой представляет сама пайка:


«Скол» BGA-пайки

А вот и второй раз пора кричать: «Язь!», так как удалось увидеть отдельные твердотельные конденсаторы – концентрические круги на изображении, отмеченные стрелочками. Именно они хранят наши данные во время работы компьютера в виде заряда на своих обкладках. Судя по фотографиям размеры такого конденсатора составляют около 300 нм в ширину и около 100 нм в толщину.

Из-за того, что чип разрезан под углом, одни конденсаторы рассечены аккуратно по середине, у других же срезаны только «бока»:


DRAM память во всей красе

Если кто-то сомневается в том, что эти структуры и есть конденсаторы, то тут можно посмотреть более «профессиональное» фото (правда без масштабной метки).

Единственный момент, который меня смутил, что конденсаторы расположены в 2 ряда (левое нижнее фото), т.е. получается, что на 1 ячейку приходится 2 бита информации. Как уже было сказано выше, информация по мультибитовой записи имеется, но насколько эта технология применима и используется в современной промышленности – остаётся для меня под вопросом.

Конечно, кроме самих ячеек памяти внутри модуля есть ещё и какие-то вспомогательные структуры, о предназначении которых я могу только догадываться:


Другие структуры внутри чипа DRAM-памяти

Послесловие

Помимо тех ссылок, что раскиданы по тексту, на мой взгляд, довольно интересен данный обзор (пусть и от 1997 года), сам сайт (и фотогалерея, и chip-art, и патенты, и много-много всего) и данная контора, которая фактически занимается реверс-инжинирингом.

К сожалению, большого количества видео на тему производства Flash и RAM найти не удалось, поэтому довольствоваться придётся лишь сборкой USB-Flash-накопителей:

P.S.: Ещё раз всех с наступающим Новым Годом чёрного водяного дракона.
Странно получается: статью про Flash хотел написать одной из первых, но судьба распорядилась иначе. Скрестив пальцы, будем надеяться, что последующие, как минимум 2, статьи (про биообъекты и дисплеи) увидят свет в начале 2012 года. А пока затравка — углеродный скотч:


Углеродный скотч, на котором были закреплены исследуемые образцы. Думаю, что и обычный скотч выглядит похожим образом

Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:

Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.

В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Как устроена флешка

Центр восстановления данных в Ростове-на-Дону. СЦ Олимп-Сервис.

Устройство флешки и карты памяти

Главная » Блог » Про флешки » Устройство флешки и карты памяти

Устройство флешки и карты памяти

Итак, что за зверь эта «флешка».

В последнее время широчайшую популярность приобрели носители информации на основе микросхем флеш-памяти. По популярности в наше время им нет равных: карты памяти в фотоаппаратах, сотовых телефонах, плеерах, USB флеш брелоки, а с недавнего времени ещё и SSD диски. Разъемами для карт памяти оснащены многие устройства, такие как принтеры, стационарные DVD проигрыватели, автомагнитолы, и многие другие мультимедийные устройства.

И такая популярность не случайна: по практичности «флешкам» тоже нет равных. Большой, постоянно растущий объем, который исчисляется уже гигабайтами и десятками гигабайт, достаточно высокое быстродействие, а также заявленная надежность и долговечность (на этом вопросе остановимся подробнее в рамках этой статьи).

Для начала рассмотрим устройство флешки.

Flash -память получила свое название благодаря тому, как производится стирание и запись данного вида памяти.

Типовая USB флешка, а также большинство типов карт памяти и SSD диски, устроены следующим образом:

  • на плате имеется микроконтроллер , который предоставляет интерфейс флешки, обрабатывает команды и производит операции с памятью;
  • одна или несколько микросхем памяти;
  • и их электронная «обвязка» из пассивных элементов.

Некоторые карты памяти не имеют встроенного контроллера, и являются по сути микросхемой памяти, упакованной в корпус.

Давайте рассмотрим основные составляющие флешки чуть подробнее.

Микросхемы памяти флеш накопителей

Все современные флеш-накопители построены на основе микросхем энергонезависимой NAND памяти. Сокращение NAND – произошло от словосочетания NOT-AND (логическая функция И-НЕ), лежащая в основе организации элементарной логической ячейки, на которой построена эта память. Элементарные ячейки памяти в этих микросхемах объединены в страницы, а страницы в блоки.

При такой организации обращение к отдельной ячейке памяти невозможно, прочитать можно только страницу целиком, а стереть и перезаписать только целый блок. Из особенностей такой организации можно отметить высокое быстродействие и высокую плотность размещения на кристалле.

Но есть и недостатки.

Например, если во время внесения изменений в определенный блок данных внезапно отключить питание устройства, существует вероятность утери данных в этом блоке, так как он мог быть считан в буфер, стерт в основной матрице памяти, а измененный блок в память записаться, ещё не успел. Это распространенная причина так называемых «логических» повреждений накопителя.

Читайте так же:
Телевизор не видит компьютер через HDMI

Известно, что операционные системы семейства Windows имеют режим «отложенной записи». Это когда данные записываются на накопитель напрямую без задержек, а таблица размещения файлов храниться в оперативной памяти, и обновляется на носителе через некоторое время или при возникновении определенных событий.

Вследствие чего, довольно часто встречается ситуация, когда, записав данные на флешку, пользователь сразу же вынимает её из разъема, не воспользовавшись функцией безопасного отключения, которая как раз обновляет таблицы размещения файлов на носителе, и «правильно» размонтирует его из системы.

В результате, в лучшем случае данные физически будут присутствовать на накопителе, но не будут отображаться в дереве файлов, а в худшем случае логическая структура накопителя будет повреждена, и накопитель может перестать корректно «определяться». Как говорят в подобных случаях, «компьютер не видит флешку».

Во всех подобных случаях данные можно оперативно восстановить, обратившись в наш центр восстановления информации.

Основная проблема флеш-памяти — износ ячеек памяти.

Дело в том, что любая флеш-память имеет ограниченное количество циклов перезаписи каждой ячейки (от 100 000 до 1 000 000 циклов).

Если в фотоаппарате или плеере, где данные обновляются не слишком часто, такое ограничение не критично, то, например, при работе с базами данных на флеш носителе этот ресурс можно выработать достаточно быстро, так как очень часто происходят изменения, в результате которых многократно перезаписываются одни и те-же блоки данных.

В связи с этим не рекомендуется использовать флеш память для работы, постоянного обращения к данным, а также для установки на неё операционной системы, так как ресурс такой флешки будет выработан очень быстро, и флешка придет в негодность.

Никогда не используйте usb флешку для работы в бухгалтерских программах!

Контроллер флешки

Наиболее сложной и загадочной частью флешки является, безусловно, её контроллер.

Основные его функции — работа с микросхемами памяти (выполнение операций постраничного чтения, выборки данных, поблочной записи, размещение и адресация данных в нескольких микросхемах памяти, а также другие специальные функции) и предоставление интерфейса к хост-устройству.

Когда поступает команда на чтение определенной ячейки данных, контроллер должен определить в какой микросхеме находится данная ячейка, в каком блоке этой микросхемы, в какой странице блока, и затем собственно адрес ячейки в странице. Поскольку считывание возможно только страницы целиком, контроллер считывает её в свой буфер, находит в ней нужную ячейку, и отправляет её содержимое хост-устройству.

При поступлении команды на запись также находится нужный блок, но, на этот раз, он считывается не постранично, а – целиком. Затем в буфере производятся необходимые изменения, блок из микросхемы целиком стирается и вновь записывается измененный блок из буфера контроллера.

Кроме того, для выравнивания износа блоков, контроллер периодически переназначает их (по сути — меняет местами). В результате чего достигается достаточно равномерный износ по циклам записи, и микросхемы памяти, таким образом, служат дольше. Контроллер следит за состоянием каждого блока в отдельности, и если какой-либо из блоков превысил допустимое количество циклов перезаписи — контроллер переходит в режим «только чтение» — данные считать с него можно, а записать уже нельзя. Такие накопители не пригодны для дальнейшего использования.

В этом случае следует скопировать данные с носителя, и заменить его.

Контроллер имеет в себе прошивку, таблицы конфигурации, а также некоторые модели хранят внутри себя таблицы износа блоков памяти, а также множество другой служебной информации. Разнообразие контроллеров очень велико, а их версий просто бесчисленное множество. В связи с этим, при любом повреждении контроллера, искать ему замену для восстановления информации бессмысленно.

Для восстановления в таком случае выпаиваются микросхемы памяти, считываются на специальном оборудовании, и данные собираются вручную как мозаика.

Электронная обвязка нужна для питания микросхем и согласования логических уровней. И хотя здесь нет ничего сложного, не редки случаи выхода из строя именно этой самой электронной обвязки, особенно стабилизатора питания. Восстановление данных в таком случае зависит от степени повреждений: либо электроника восстанавливается прямо на флешке, и данные вычитываются в штатном режиме, либо как в случае со сгоревшим контроллером — данные снимаются непосредственно с микросхем памяти и собираются вручную.

Флешки монолиты.

Последнее время встречаются флешки у которых контроллер, память и вся электроника упакована в один чип. Это флешки монолиты. Такая конструкция значительно компактнее классической, но имеет множество недостатков: меньшую надежность, более слабое охлаждение и невозможность получить доступ к микросхеме памяти минуя контроллер.

Флешки монолиты

В случае выхода из строя контроллера, или электронной обвязки в подобной флешке, сложность работ по восстановлению данных увеличивается на порядок.

Вопрос, который часто возникает у потенциальных покупателей — какую флешку выбрать, и как выбрать флешку?

Многие ориентируются на именитые бренды, в надежде что продукция известной фирмы будет лучше и надежнее, но тут дела обстоят несколько иначе. Как правило, торговая марка под которой выпускается тот или иной флеш-накопитель, вообще не имеет отношения к производству устройства, а лишь заказывает партию готовых флешек со своими логотипами и упаковкой, и от торговой марки никоим образом не зависит качество продукции.

Выбрать флешку по конкретному контроллеру или чипам памяти как правило невозможно — даже в одинаковых с виду флешках из разных партий могут применяться различные микросхемы.

Поэтому критерии выбора флешки исключительно субъективные — крепкая конструкция, жесткое крепление разъема USB, отсутствие движущихся частей, желательно металлический корпус (для лучшего охлаждения и защиты от статики) и классическая многочиповая архитектура.

Отличить флешку классической конструкции от одночиповой проще всего по USB разъему — у обычных флешек разъем металлический, как на любом USB кабеле, у однокристальных разъем как правило тонкий, размером в половину порта, без металлической части по периметру.

Как видите не смотря на все плюсы, у флеш-накопителей хватает и недостатков, в свете которых доверять флешкам ценную информацию в единственном экземпляре не стоит.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию