Информатика. Лекции. Краткая история компьютерной техники Первые компьютеры: Z3, Colossus, eniac
| Вид материала | Лекции |
- Лекция Развитие компьютерной техники, 430.69kb.
- 1. Что такое информатика?, 205.32kb.
- Положение о проведении Всероссийского игрового конкурса «Кит компьютеры, информатика,, 59.05kb.
- Учебной дисциплины «Компьютерная графика» для направления 010400 «Прикладная математика, 36.03kb.
- Урок подготавливается и проводится учителем информатики совместно с учителем предметником, 138.11kb.
- Врассказе «Краткая история парикмахерского дела», 191.64kb.
- Передача информации между компьютерами существует, наверное, с самого момента возникновения, 65.58kb.
- Характеристика предмета «Радиоприемные устройства», взаимосвязь с другими, 3189.29kb.
- Реферат по информатике История вычислительной техники, 158.06kb.
- Общие принципы построения вычислительных сетей, 1480.56kb.
Хранение информации в компьютере
Введение
Проблема эффективного хранения данных в цифровом формате возникла одновременно с появлением первых компьютеров. Ее актуальность росла с каждым годом вместе с ростом требований как к объемам хранимой информации, так и скорости доступа к ней.
Вместе с тем практически сразу одну из ведущих ролей стала играть проблема миниатюризации устройств хранения информации, ведь первые накопители были соразмерны с первыми компьютерами, которые весили не одну тонну. А компактные устройства необходимы не только для «мобильных» пользователей, но и для решения более глобальных проблем. Например, волнующей всерьез научные круги проблемы скорости накопления данных, которая превосходит скорость создания технологий для хранения. Так только в сегменте корпоративных пользователей, прогнозируемый ежегодный прирост объемов хранимой информации по оценкам специалистов сейчас составляет от 50 до 100%.
Поэтому не раз различными лицами уже высказывалось мнение о том, что будущее за альтернативными технологиями. И с каждым разом подобные мнения звучат все более уверенно.
Однако, прежде чем переходить к последним супер современным достижениям в этой области, как обычно, неплохо вернуться на несколько десятилетий назад, чтобы узнать, как все начиналось, кто стоял у истоков создания знакомых нам устройств для хранения информации. А также вспомнить, как они тогда выглядели.
Немного истории
Одним из лидеров разработки систем хранения данных, всегда находившихся на передовых позициях, была и остается корпорация IBM. Именно ее «перу» принадлежат многие революционные открытия и технологии, заложившие самые основы современной компьютерной техники.
Хотя практически все знают, что компания IBM разработала первый жесткий диск, немногим известно, что история жестких дисков началась не в 1973 году с появлением жесткого диска IBM 3340 привычного для нас вида и с названием «винчестер», а почти на 20 лет раньше.
Еще в сентябре 1956 года компания IBM представила публике свою новую разработку — компьютер 305 RAMAC, который стал революционным прорывом в компьютерной области и послужил толчком для дальнейшего развития и повсеместного внедрения компьютерных технологий.
RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control — метод с произвольной выборкой расчетов и контроля) стал индустриальным стандартом, а сам IBM 305 — первым в мире компьютером с использованием запоминающего устройства с жесткими магнитными дисками.
На смену перфокартам и магнитным лентам пришел новый герой — 350 Disk File. Именно так назывался жесткий диск в компьютере 305 (также можно встретить такие названия, как IBM RAMAC, 350 RAMAC Disk File, RAMAC storage device или просто RAMAC).
Чтобы получить представление о 350 Disk File, достаточно сказать, что он весил около тонны и занимал место двух больших холодильников. Конструктивно накопитель состоял из 50-ти алюминиевых дисков, каждый из которых имел диаметр 24 дюйма. Диски с обеих сторон были покрыты оксидом железа. В целом конструкция схожа с современными жесткими дисками. Все 50 дисков крепились на шпинделе и были герметизированными. С помощью рычага выборки две головки чтения/записи могли перемещаться на нужный диск, уже тогда была задействована система сервоконтроля. Диски вращались со скорость 1200 оборотов в минуту. Общая емкость накопителя составляла 5000000 символов, что примерно равно 4.4 Мбайт. Плотность записи — 2000 бит на квадратный дюйм.
Стоимость одного мегабайта в то время составляла около 10000 долларов. Также 350 Disk File можно было взять у IBM в аренду «всего» за 35000 долларов в год.
Современные жесткие диски
Жесткие диски — возможно, наиболее распространенные устройства для хранения информации, которые мы используем в настоящее время. Они удовлетворяют всем главным требованиям — физический размер носителя, объем хранимой информации, стоимость. Все вместе позволяет использовать эту технологию в массовом порядке, что так важно в современном мире.
И хотя со времени создания первого жесткого диска и прошло почти 50 лет, а если быть точным — 49, и на смену жесткому диску, весившему почти целую тонну и вмещавшему чуть более четырех мегабайт, пришли компактные устройства емкостью в несколько сот гигабайт, основы технологий, применяющихся в современных жестки дисках, были заложены уже в далеком 1956 году.
Основу любого жесткого диска составляют два блока — механический и электронный. Первый из них — механический — включает в себя непосредственно сами диски (platters, которые еще часто называют «блинами»), двигатель вращения, блок магнитных головок для чтения и записи и привод для их перемещения.
Диски также сгруппированы единым блоком (пакетом) и насажены на шпиндель, который соединен с двигателем вращения. Скорость вращения двигателя для современных моделей обычно составляет 5400, 7200, 10000 или 12000 об/мин.
Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины с магнитным покрытием — тонким слоем окиси железа (в более ранних моделях) или окиси хрома (в более поздних моделях).
Над поверхностью дисков находятся головки для чтения/записи информации. Так как каждый диск имеет две стороны, то, соответственно, на него приходится две головки — по одной с каждой стороны. Форма головкам придается в виде крыла, а крепятся они на серпообразный поводок. При работе они как бы «летят» над поверхностью дисков в воздушном потоке, который создается при вращении самих дисков.
Толщина такой воздушной подушки заметно тоньше человеческого волоса (от единиц до нескольких долей микрона). Очевидно, что подъемная сила зависит от давления воздуха на головки. Оно же, в свою очередь, зависит от внешнего атмосферного давления. Поэтому некоторые производители указывают в спецификации на свои устройства предельный потолок эксплуатации (например, 3000 м).
Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками первоначально были заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке этого модуля на дисковод он автоматически соединялся с системой, подающей очищенный воздух. В современных жестких дисках пакет дисков уже постоянно крепится на дисководе, система не герметична, а принудительная вентиляция отсутствует. Тем не менее, пластины, головки, шпиндель, а также привод закрыты в специальном объеме, называемом гермозоной, или «банкой». Это сделано для того, чтобы гермозона была защищена от пыли, которая может разрушить головки или стать причиной царапин на пластинах. Внутри гермозоны находится воздух (а не вакуум, как считают многие). Более того, сама она связана с внешним миром системой выравнивания давления, в которой имеются воздушные фильтры для предотвращения попадания пыли внутрь гермозоны.
Головки для чтения и записи и электронный блок
Важнейшей частью любого жесткого диска являются головки чтения и записи (read-write head). Как правило, они находятся на специальном позиционере (head actuator). В более ранних моделях жестких дисков применялся шаговый двигатель, поэтому расстояние между дорожками определялось величиной его шага. В современных моделях сейчас используется преимущественно линейный двигатель (типа voice coil — «звуковая катушка»), который не имеет дискретности, характерной для шагового двигателя. Поэтому наведение магнитных головок на дорожку производится точнее, что обеспечивает большую плотность записи на дисках.
В жестких дисках применяется несколько типов головок: монолитные, композитные, тонкопленочные, магниторезистивные (MR, Magneto-Resistive), а также головки с усиленным магниторезистивным эффектом (GMR, Giant Magneto-Resistive).
Магниторезистивная головка, тоже разработанная, как нетрудно догадаться, компанией IBM в начале 1990-х годов, представляет собой комбинацию из двух головок — тонкопленочной для записи и магниторезистивной для чтения. Подобные головки позволяют почти в полтора раза увеличить плотность записи. Еще больше плотность записи позволяют повысить GMR-головки.
Электронный блок или попросту электронная плата — вторая составная часть любого жесткого диска. Электронный блок расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения. А главное — получает и передает данные, которые хранятся на жестком диске, компьютеру.
Структура хранения данных на жестком диске
С точки зрения структуры хранения данных обе поверхности всех магнитных дисков в пакете содержат дорожки. BIOS (Basic Input Output System — базовая система ввода-вывода) не определяет, к какому конкретно «блину» относится та или иная дорожка, поэтому все поверхности пронумерованы общей сквозной нумерацией. Каждой рабочей поверхности соответствует своя головка, по которым, собственно говоря, поверхности и нумеруются (параметр heads). Физически максимально допустимое число головок за всю историю производства жестких дисков было равно 11, но в современных накопителях более 6 головок обычно не используется. Дорожки, также как и магнитные головки, идентифицируются номером (внешняя дорожка и верхняя головка имеет нулевой номер). Количество дорожек на диске определяется поверхностной плотностью записи.
В свою очередь, дорожки разбиваются на сектора (sector), являющие минимально возможной единицей хранения информации на диске. Размер сектора равен 512 байтам.
Чаще всего сектора на каждой дорожке имеют фиксированный угловой размер, благодаря чему на всех дорожках располагается одинаковое количество секторов. Реально на дорожке современного жесткого содержится около 100 секторов, а максимальное их количество равно 256. Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, а не с нуля, в отличие от головок и цилиндров.
Сектора, находящие друг над другом в пакете дисков, на которые одновременно может быть спозиционирован пакет головок, называются цилиндром. Говоря проще, все дорожки с одним номером на всех сторонах всех дисков образуют цилиндр.
Каждый сектор несет не только данные, но и служебную информацию. В начале каждого сектора записывается его заголовок (prefix), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (suffix), в котором находится контрольная сумма (checksum, CRC), необходимая для проверки целостности данных. Заголовок сектора включает в себя идентификатор (ID) сектора, первую контрольную сумму и интервал включения записи. Идентификатор содержит информацию о номере цилиндра, головки и сектора. Далее следует интервал включения записи, после которого следует 512 байт данных.
За данными располагается вторая CRC и интервал между секторами, необходимый для того, чтобы застраховать сектор от записи на его место следующего сектора. Подобное может произойти из-за неравномерной скорости вращения диска. Таким образом, размер сектора увеличивается до 571 байта, из которых 512 байт составляют данные.
Вся эта информация записывается изначально на заводе и только при низкоуровневом (Low Level) форматировании, используя специальные программные средства (например, Speed Store или Disk Manager) или команды DOS. Кроме промежутков между секторами существуют еще и промежутки между самими дорожками. Префиксы, суффиксы и промежутки как раз и составляют то пространство диска, которое «теряется» при форматировании.
Общая схема работы жесткого диска
Первый шаг доступа к диску — вычислением точного места поиска запрошенных данных:
- преобразование адреса данных в файле в адрес на логическом диске;
- преобразование адреса на логическом диске в адрес сектора на диске (все это производится в компьютере, и только затем в работу вступает сам жесткий диск).
- преобразование адреса данных в файле в адрес на логическом диске;
- Управляющая программа жесткого диска проверяет наличие запрашиваемой информации в кэше. В случае обнаружения контроллер сразу же ее выдает без доступа к поверхности диска.
- В подавляющем большинстве случаев жесткий диск уже крутится. В противном случае (например, в случае активизации процесса сохранения энергии) производится раскрутка пластин.
- Контроллер переводит полученный адрес сектора в физический адрес на диске: номер головки, номер цилиндра, номер сектора. Это производится с помощью специальной подпрограммы контроллера жестких дисков, называемой транслятором.
- Котроллер выдает команду позиционеру на перемещение головок к нужному цилиндру.
- Когда головки находятся над нужным цилиндром, выбирается необходимая головка и производится ожидание момента, когда под (или над) головкой «пройдет» нужный сектор. Затем происходит считывание сектора.
- Контроллер считывает сектор в свой буфер, после чего выдает информацию компьютеру с помощью интерфейса.
Первые магнитные ленты
Лишь немногим ранее жестких дисков появилась магнитная лента. Здесь имеется в виду, конечно, не сама лента, а ее использование для хранения компьютерной информации.
Произошло это эпохальное событие весной 1952 года, когда лентопротяжка Model 726 впервые была подключена к машине IBM Model 701, специально предназначенной для научных расчетов. Этот компьютер имел всего 1 Кбайт оперативной памяти на вакуумных лампах, так как память на ферритовых сердечниках как готовый к использованию продукт появилась чуть позже.
Правда, если быть точным, нужно признать, что IBM Model 701 не был первым «компьютерным магнитофоном». Верно то, что в нем впервые использовали магнитную ленту для компьютерных целей. А по-настоящему первый «компьютерным» магнитофон, пишущий на стальную струну, годом раньше был подключен к UNIVAC I.
В Model 726 использовали катушки от кинопленки, соответственно ширина ленты оказалось равной одному дюйму, а диаметр бобины — 12 дюймам. Model 726 была способна сохранять 1.4 Мбайт данных, что соответствует емкости одной современной дискеты. Плотность 9–дорожечной записи составляла 800 бит на дюйм, при движении ленты со скоростью 75 дюймов в секунду в компьютер передавалось 7500 байт в секунду.
Сама магнитная лента для Model 726 была разработана компанией 3M (в настоящее время бренд Imation). Эта компания сохранила положение одного из главных поставщиков лент до сих пор. Плотность записи была столь мала, а надежность считывания столь низка, что в течение длительного времени существовал несколько странный способ аварийного чтения. Вплоть до 80-х годов в комплект поставки лент входил флакон специальных чернил. Утверждалось, что если ими смочить поверхность ленты, то с помощью увеличительного стекла удастся считать информацию... глазами.
Современные магнитные ленты
Магнитная лента радикально отличается от жестких дисков самим характером хранения информации. Дело в том, что в отличие от жестких дисков магнитная лента является устройство последовательного, а не произвольного доступа к информации. Это значит, что для доступа к некоторому блоку данных необходимо «пройти мимо» всех других, предшествующих блоков.
Несмотря на множество различных устройств, представленных на рынке, по существу есть всего две основные технологии, на основе которых можно принципиально выделить три класса устройств.
Технологии — это линейная запись (запись с неподвижной магнитной головкой) и наклонно-строчная запись. Оба метода пришли из аналоговой магнитной записи.
В устройствах с наклонно-строчной записью (Helican Scan, 4mm, 8mm, AIT) лента медленно движется рядом с наклоненным барабаном, на котором установлены головки чтения и записи. Барабан с головками при этом вращается с высокой скоростью.
Подобная технология используется, например, в бытовых видеомагнитофонах.
В устройствах обычно несколько головок чтения/записи, а основным недостатком технологии является физический контакт головок с поверхностью ленты, что приводит к ее изнашиванию.
В устройствах с линейной записью (Linear, QIC/SLR/MLR) информация на ленту записывается в виде непрерывных параллельных треков. В таких устройствах лента движется с большой скоростью, а головка чтения/записи стоит на месте. После позиционирования в конец ленты устройство перематывает ленту в начало для продолжения работы.
Подобные устройства гораздо более надежны, но дороже устройств с технологией Helican Scan.
Есть еще одна технология, основанная на технологии Linear, а именно Linear-Serpentine или Parallel Tracking(DLT). Информация на ленте записывается в виде непрерывных параллельных треков, подобно технологии Linear. Лента также движется с большой скоростью, а головка чтения/записи стоит на месте.
Отличие этой технологии от Linear заключается в том, что при позиционировании головки на конец ленты, лента начинает движение в обратном направлении. При использовании данной технологии гораздо быстрее осуществляется поиск записи на ленте.
Оптика
Своеобразную промежуточную позицию между ленточными накопителями, имеющими наибольший объем и наименьшую скорость, и жесткими дисками занимают появившиеся не так давно оптические диски.
Первой удачной технологией, получившей массовое распространение, стала система хранения данных на оптических дисках, которую представили в 80-х годах компании Sony и Philips. Этой технологией, как можно было уже догадаться, стал обычный компакт-диск, или Audio-CD, как еще его называют. В будущем, эта же технология стала основой для многих современных оптических систем накопления и хранения информации.
Превосходные технические решения и сами принципы, заложенные в эту систему еще на этапе разработки, позволили практически без изменения использовать ее для хранения и распространения любой информации — от компьютерных программ и баз данных до кинофильмов и художественных библиотек. В 1987 году появилось описание стандарта хранения произвольных данных CD-ROM, являющееся надстройкой над форматом музыкального компакт-диска (CD-DA).
Емкость нового носителя, удобство его использования и транспортировки, все это способствовало стремительному росту популярности компакт-дисков. С ним же связано появившееся в то время понятие «мультимедиа». В настоящее время привод оптических дисков — атрибут стандартной комплектации практически каждого существующего компьютера.
Основы оптики
Информация на оптических дисках записана в виде контрастных штрихов различной длины, следующих друг за другом по спирали на отражающей поверхности диска. При считывании диск быстро вращается, а само считывание производится лазерным лучом, который сфокусирован и удерживается на цепочке.
Отражаясь от штрихов, лазерный луч изменяет свою яркость. После чего отраженный сигнал преобразуется фотоприемником в электрический, а затем проходит несколько стадий декодирования. В результате на выходе получаются данные, которые либо записываются в память компьютера в виде привычных для нас файлов, либо сразу поступают на вход звуковой или видео подсистемы компьютера.
Сам диск изготавливается из прозрачного пластика методом штамповки специальной металлической матрицей с последующим напылением отражающего слоя металла.
Устройство считывания данных с вращающегося диска посредством лазерного луча к моменту появления компакт-дисков уже не было новинкой. Впервые в коммерческом варианте подобная система была реализована компанией Phillips в видеопроигрывателе на двухсторонних 300мм дисках с красным газовым лазером.
Эта система была аналоговой, громоздкой и капризной, отличалась высокой стоимостью и массового распространения не получила. А главным обстоятельством, способствовавшим появлению компакт-дисков, стало создание коммерческих образцов полупроводниковых лазеров с длительным сроком службы.
Развитие оптических технологий
Совершенствование технологии систем оптического хранения информации пошло в основном, по трем направлениям.
Во-первых, когда информационная емкость компакт-дисков казалось огромной (по сравнению с ресурсами компьютеров того времени), а вот производительность процессоров была более чем скромной, наряду с форматом CD-ROM появилось множество других форматов организации данных на компакт-дисках, которые были предназначены для чтения специализированными устройствами.
Это логические форматы CD-I и Video CD (по-прежнему распространенный в странах юго-восточной Азии и Китае), а также распространившийся у нас не так давно формат Karaoke CD. Популярные игровые консоли, например Sony Play Station, также используют собственные форматы для распространения игр на CD. Целям экономии ресурсов служит и формат Kodak Photo CD, предназначенный для хранения фотографий высокого качества.
Для экономии времени на просмотр, наряду с собственно фотографиями, он хранит и уменьшенные их копии. Собственно, стремление создателей мультимедиа-контента объединить на одном диске разнородные материалы привело к созданию целой группы смешанных форматов Mix Mode, CD plus, CD-extra.
Во-вторых, еще одни направлением совершенствования технологии оптических дисков стала известная всем гонка скоростей считывания данных, которая, в конце концов, привела даже к случаям разрыва дисков в приводах из-за чрезмерного увеличения скорости вращения. В результате производители достигли отметку скорости 52x, что соответствует максимальной скорости передачи 7.800 Мб/с (при чтении данных на краю диска).
И, в-третьих, разработка дисков, позволявших пользователю не только читать, но и записывать свою информацию. Техническая сложность этой задачи была обусловлена необходимостью обеспечения совместимости с разработанными и выпущенными ранее устройствами, предназначенными для чтения дисков CD-DA и CD-ROM.
Записываемые и перезаписываемые диски
Решением проблемы стала разработка дисков, содержащих предварительно нанесенную поверх отражающего слоя волнообразную спиральную дорожку из специального красителя, поглощающего излучение считывающего лазера. Запись производится кратковременными импульсами лазера повышенной мощности, от которых краситель становится прозрачным, открывая отражающий слой.
В данной технологии переход красителя в прозрачное состояние необратим, поэтому стереть данные и произвести повторную запись было невозможно. Волнообразная форма дорожки позволяет следящей системе записывающего привода удерживать при записи сфокусированный луч на дорожке. Такие диски называются CD-R (recordable). А используемые для изготовления CD-R дисков красители имеют торговые названия Cyanine, Ftalocyanine, Azo, Metallazo.
Почти одновременно с дисками CD-R появились диски, позволяющие стирать записанную информацию и производить повторную запись. Вместо обычного красителя в них используется специальное вещество, которое обратимо переходит из непрозрачного в прозрачное состояние в зависимости от скорости нагрева. При записи лазер постоянно работает в режиме повышенной мощности, подогревая дорожку и переводя ее в непрозрачное состояние. Собственно, запись, производится импульсами большей мощности. Импульсы приводят к образованию прозрачных участков, открывая отражающий слой диска. Такие диски называются CD-RW (перезаписываемые).
Вследствие меньшего оптического контраста такие диски на приводах ранних выпусков не читались.
DVD
Так как емкость оптических дисков ограничена длиной волны излучения считывающего лазера, возможности ее повышения практически отсутствовали. Несмотря на то, что объем обычного аудио диска CD-DA составляет 746 MB, необходимость для дисков CD-ROM дополнительной защиты от ошибок снижает емкость компакт-диска до стандартных 650 Мб. К этому приводит введение еще одного уровня корректирующего кода и дополнительной адресной информации для произвольного доступа к данным.
За счет некоторого уменьшения расстояния между соседними витками дорожек записи емкость современных CD-R и CD-RW дисков доведена до 700 Мб (80 мин). Очевидно, что потенциальная надежность и долговечность таких дисков еще ниже, чем стандартных. Возможность использования для записи защитной области вблизи края диска (Overburn) позволяет еще несколько увеличить объем записанных данных. Однако, в этом случае производители вообще не дают никаких гарантий сохранности информации.
Размышления производителей о повышении плотности записи привели в итоге к появлению качественно новой технологии. Ей стала технология DVD.
Единственное, что принципиально ограничивало возможности увеличения плотности записи на оптический диск, было отсутствие долговечного полупроводникового лазера с длиной волны менее 740 нм, которая использовалась в технологии CD.
Усилиями технологов долговечность лазерных диодов на 560 нм (желто-красный свет) была доведена до 10000 и более часов. Используя тот же 12 см диск, с применением нового лазера и усовершенствованного способа слежения за дорожкой, создателям нового формата удалось достичь информационной емкости в 4.7 Гб. Коротковолновый лазер позволил использовать для записи еще и дополнительный полупрозрачный слой, который увеличил емкость диска до 8.5 Гб.
Склеивание двух таких дисков позволяет еще раз удвоить емкость носителя, правда в большинстве устройств чтения такой диск требуется переворачивать, что не удобно для работы с данными, требующими произвольного доступа. Таким образом, емкость 1 диска составила 17 Гб.
Сохранение в новом формате основных принципов предыдущего позволило посредством минимальных затрат и используя механику устройств CD-ROM создать универсальные устройства для чтения дисков всех форматов, включая новый. Потребовалось лишь внести некоторые изменения в контроллер и оборудовать оптико-механический узел чтения еще одним лазерным диодом.
Относительно быстро появились и технологии DVD-R и DVD-RW, так как их основы были заложены еще в форматах CD-R и СD-RW. Однако, первое время записываемые и перезаписываемые DVD форматы были ориентированы только на запись видео, поэтому диски записывались сразу целиком и не допускали последовательного добавления информации по примеру многосессионной записи на CD или произвольного доступа, как в формате CD UDF.
Дальнейшее расширение области применения форматов создало условия для разработки и распространения альтернативных записываемых форматов DVD+R и DVD+RW. Кроме того, был разработан еще и формат DVD-RAM c предварительной адресной разметкой, особенно удобный для перемещения и хранения данных в виде большого количества мелких файлов (фотографий, книг, популярной музыки, электронных книг).
Флэш
Тем не менее, несмотря на гегемонию привычных нам с детства жестких дисков и весьма родных уже оптических дисков, одной из новых технологий все же удалось ворваться в мир хранения данных и занять там свою нишу.
Речь идет о технологиях flash-памяти, которые отличаются некоторыми радикально иными свойствами от всех других технологий. Можно выделить три основных качества новой flash-памяти:
- энергонезависимая — не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи);
- перезаписываемая — допускает изменение (перезапись) хранимых в ней данных;
- полупроводниковая (твердотельная) — не содержит механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или компакт-диски), построена на основе интегральных микросхем (IC-Chip).
В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов — типичная ячейка состоит всего-навсего из одного транзистора специальной архитектуры.
Ячейки флэш-памяти прекрасно масштабируются, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.
Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory) и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш-память хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM. В отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают.
Замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш-память работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10000 до 1000000 для разных типов).
Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков).
Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жестких дисках, кассетах и других механических носителях информации, большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.
История flash
Флэш-память исторически произошла от полупроводниковой ROM, однако, ROM-памятью не является, а всего лишь имеет похожую на ROM организацию.
Среди полупроводниковой памяти только два типа относятся к «чистому» ROM — это Mask-ROM и PROM. В отличие от них EPROM, EEPROM и Flash относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти (английский эквивалент — nonvolatile read-write memory или NVRWM).
Flash, или Flash Erase EEPROM, была разработана компанией Toshiba в 1984 году, хотя многие считают, что это было сделано компанией Intel в 1988 году. Уже В 1995 году было начато производство 256 Кбит микросхем flash-памяти в промышленных масштабах. А в 1988 году Intel разработала собственный вариант флэш-памяти.
Во флэш-памяти используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что стирание содержимого ячеек делается либо для всей микросхемы, либо для определенного блока (кластера, кадра или страницы). Обычный размер такого блока составляет 256 или 512 байт, но в некоторых видах флэш-памяти может достигать и 256 Кб.
Следует заметить, что существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров (для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, для того чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, затем стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость записи небольших объемов данных в произвольные области памяти, однако значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.
Если же обратиться к названию технологии, то оно было дано компанией Toshiba во время разработки первых микросхем (в начале 1980–х) как характеристика скорости стирания микросхемы флэш-памяти “in a flash” — в мгновение ока.
Основные технологии flash
Ячейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах. В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью, называющейся «плавающим» затвором (floating gate) и способной хранить заряд многие годы. Обычно наличие заряда на транзисторе понимается как логический «0», а его отсутствие — как логическая «1».
При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов, который зависит от типа ячейки, — методом инжекции «горячих» электронов (CHE — channel hot electrons) или методом квантомеханического туннелирования электронов Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim [FN]). Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с «плавающего» затвора) производится методом тунеллирования.
Общий принцип работы ячеек можно показать на примере простейшей ячейки флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NOR архитектурой, а также в микросхемах EPROM.
Поведение транзистора зависит от количества электронов на «плавающем» затворе. «Плавающий» затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, то есть хранит запрограммированное значение.
При чтении, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.
Наличие заряда на «плавающем» затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.
При программировании на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение (причем на управляющий затвор напряжение подается приблизительно в два раза выше). «Горячие» электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют «горячими» из-за того, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой пленкой диэлектрика.
При стирании высокое напряжение подается на исток, а на управляющий затвор (что не обязательно) подается высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.
Метод туннелирования не требует большого напряжения. Ячейки, использующие FN, могут быть меньше ячеек, использующих CHE, для которой требуется поддержка двойного питания. Однако, программирование методом CHE осуществляется быстрее, чем методом FN.
Следует заметить, что, кроме FN и CHE, существуют другие методы программирования и стирания ячейки, которые успешно используются на практике, однако они применяются гораздо более редко.
Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку флэш-памяти, чем и обусловлено ограничение по числу циклов чтения/записи. Поэтому все более часто применяются специальные алгоритмы, оптимизирующие процесс стирания-записи, а также алгоритмы, обеспечивающие равномерное использование всех ячеек в процессе функционирования.
Альтернативные технологии
В настоящее время существует несколько интересных технологий хранения данных, которые, однако, пока не доведены до состояния массового применения. Многие из них появились уже достаточно давно, но до сих пор остаются скорее просто интересными теоретическими разработками, не перешедшими в область физической реализации.
Еще в 1999 году научный мир взволновал Джеймс Ла Клэйр (James La Clair), который представил свои флуоресцирующие молекулы SENSI. SENSI — это молекула, которая в присутствии азота способна переизлучать полученную энергию, то есть флуоресцировать. Однако, когда вместо азота в ее состав входит углекислый газ, — возникновение свечения становится невозможным.
Чтобы возбудить флуоресценцию, Клэйр использовал лазер, регистрация проводилась с помощью лавинного детектора (single photon counting silicon avalanche detector). Каким образом производилось «замещение» азота на CO2 не ясно.
Ученый надеется реализовать некую матричную технологию, функционирующую с минимальными объемами газов, в которых одна емкость — один бит. Отличие от других аналогичных методик заключается в компактности элементарной запоминающей ячейки — всего одна молекула (теоретически), в то время как конкуренты предлагают варианты, основанные на сложных молекулярных комплексах.
Несмотря на положительные отзывы некоторых ученых, в частности Фрэзера Стоддарта (Fraser Stoddart) из Лос-Анджелесского подразделения Университета Калифорнии, подтвердившего высокий потенциал разработки, результатов пока нет.
Другой интересной идеей является использование модели ДНК для построения система хранения данных. Достаточно представить, что всего 1 грамм ДНК-молекул в состоянии хранить более 100 Tб информации, и ученые-биологи уже знают, как подступиться к проблеме: запись можно производить стандартными методами генной инженерии, а для считывания давно выпускаются коммерческие устройства.
Остается лишь одна, но существенная проблема. Манипуляции с биологическим материалом проводятся в больших контейнерах, наполненных жидкостью (5 граммов ДНК на литр воды). Здесь не приходится говорить о высокой скорости. Операция распознавания комбинаций генов с помощью приборов вроде чипов 4000A компании Axon Instruments, которые используются в рамках проектов расшифровки генома человека, с точки зрения современной вычислительной техники выполняется невероятно медленно — в течение минут.
Помочь преодолеть данный недостаток может динамический кэш, организованный на более скоростных устройствах. Альтернативный вариант предусматривает использование синтетических молекул ДНК и оптического детектора. Именно на нем остановилась компания Nanotronics, которая по заказу Rome Air Force Research Lab ведет разработку новой технологии.
Nanotronics добилась определенных успехов в манипулировании ДНК. Процесс, благодаря которому удается упорядоченно размещать миллионы молекул на большом пространстве, называется «жидкостная самосборка» (fluidic self-assembly). На базовую пластину с необходимым распределением фрагментов кода ДНК — шаблон — можно «осадить» из раствора дополняющие их цепочки в требуемом порядке. Присоединив к ДНК какой-либо элемент, транзистор или флуоресцентная молекула, мы обеспечим их безошибочную доставку к месту назначения. Чтобы процесс протекал быстрее (в прямом смысле этого слова), исследователи прибегают к помощи электрического поля или тепловой конвекции.
Единственный на сегодня продукт компании Nanotronics, переименованной недавно в Nanogen, — это NanoChip. Задача формирования базовой конфигурации фрагментов ДНК решается матрицей электродов. Синтетически синтезированные фрагменты обладают электрическим зарядом, поэтому они осаждаются на включенных электродах. По очереди включая и выключая электроды, можно упорядоченно разместить на чипе любое количество различных фрагментов.