Многие известные изобретения, делающие прорыв в науке и технологиях, кажутся случайными процессами и ассоциируются с именами учёных и инженеров, имеющих к этому непосредственное отношение. Но если копнуть глубже, то оказывается, что значительная часть открытий делается независимыми группами исследователей практически одновременно и в разных локациях, что указывает на неотвратимость технического прогресса. Да, слава первооткрывателя достаётся только одному, но тот факт, что над актуальными техническими проблемами всегда работают многие группы людей, сегодня считается бесспорным. Яркий пример – история становления и развития микроэлектроники, начавшейся с открытия полупроводников.
Одним из основных направлений в этой области считается создание и совершенствование устройств хранения памяти. И нужно сказать, что именно здесь в максимальной степени проявилась и продолжает проявляться та парадигма, о которой мы упомянули. Кто из молодёжи знает о магнитных дисках или дискетах? Оптические диски (CD/DVD) тоже быстро стали анахронизмом – сегодня на первых ролях флеш-память, накопители, которые в разных вариантах исполнения используются практически во всех устройствах с электронным блоком управления, от стиральных машин до USB-флешек.
Но было бы неправильным утверждать, что флеш-память – это недавнее изобретение. История развития этой технологии совершенствуется с тех самых пор, когда появились первые транзисторы…
Доподлинно известно, когда появилась первая USB-флешка, которая в настоящее время считается самым распространённым носимым устройством хранения огромных массивов данных. Но мало кто знает, что первые прообразы флеш-памяти имели просто смехотворный по нынешним меркам объём в несколько килобайт и прошли долгий путь к нынешнему массовому успеху.
Полупроводниковые диоды, сменившие в середине прошлого столетия ламповые, привели к началу становления эпохи миниатюризации электроники, и уже в 1956 году компания Bosch Arma Corporation запатентовала изобретение своего сотрудника, инженера Вен Цин Чоу – программируемую память типа PROM. Неизвестно, кто именно дал название флеш-памяти, но в патенте уже тогда присутствовало слово flash, которым обозначили способ, используемый для получения такой памяти.
Суть изобретения состояла в том, чтобы создать двумерный массив из диодов, каждый из которых имел перемычку. Процесс записи данных на флеш-память заключался в подаче увеличенного номинала тока на нужные элементы схемы, в результате чего перемычки расплавлялись. Таким образом, предоставлялась возможность кодирования данных в двоичной системе: 0 – если перемычка целая, 1– если расплавленная. Устройства, осуществляющие прожиг флеш-памяти, назвали программаторами.
Поскольку Bosch Arma Corporation работала по заказу военных (ВВС США), это изобретение было засекреченным и использовалось для хранения данных для наведения МБР Atlas. И только в 1969 году, когда патент стал общедоступным, появилась первая индустриальная энергонезависимая флеш-память типа PROM. Она обладала целым рядом достоинств, в том числе малыми размерами, быстрым временем считывания, но и не была лишена недостатков, одним из которых оказалась низкая надёжность – 10-35% изделий программировались с ошибками, исправить которые было невозможно.
Впрочем, с этим можно было смириться, но таким способом нельзя было создать память большого объёма, нужно было придумать способ увеличения плотности хранимых элементов микросхемы. Наконец, невозможность перезаписи существенно ограничивала сферу применения этого типа энергонезависимой твердотельной флеш-памяти. Прорыва пришлось ждать недолго.
В 1971 году инженер компании Intel Дов Фроман в ходе работ по исследованию причин большого количества выпуска дефектных интегральных схем выявил, что наличие металлических примесей в полупроводниках влияет на свойства транзисторов, что позволило ему изобрести прообраз флеш-памяти типа EPROM с возможностью стирания данных. Для изменения состояния транзистора нужно было облучить его ультрафиолетом. Принцип программирования остался прежним – подача повышенных токов на транзисторы, каждый из которых кодировал 1 бит, но логически они были объединены в блок из 8 транзисторов, кодируя 1 байт информации.
Для облучения микросхемы флеш-памяти в её верхней части делали прозрачное окошко, а чтобы исключить влияние дневного света, его заклеивали логотипом компании-изготовителя. При использовании мощной ультрафиолетовой лампы процесс стирания данных занимал несколько часов, при этом вся матрица стиралась одновременно. Количество циклов считывания флеш-памяти было неограниченным, в отличие от процедуры стирания, которое приводило к постепенному разрушению затвора транзистора.
Ограничения, связанные с необходимостью использования источника ультрафиолетового излучения для стирания информации, были преодолены инженерами Intel в 1978, когда Джордж Перлегос усовершенствовал структуру транзисторного блока флеш-памяти, добавив в него тонкий слой изоляции. Новый тип носителя данных получил название EEPROM и был использован для изготовления микросхемы Intel 2816. К сожалению, и у этой технологии был существенный недостаток – из-за технических сложностей правильной подачи тока через тонкий слой диэлектрика перезапись данных оказалась нереализуемой, если речь шла о флеш-памяти большого объёма.
Через 6 лет Фудзио Масуока из Toshiba усовершенствовал флеш-память, добившись значительного увеличения объёма, скорости записи и стирания данных, а в 1988 году Intel начала массовое производство первой флеш-памяти типа NOR-flash на основе японского патента. Ещё через год Toshiba сообщила о выпуске NAND-памяти, отличающейся логически структурированной организацией адресуемой архитектуры, в виде блоков и страниц. Для управления этим адресным пространством флеш-память оснащалась специальными сервисными микросхемами, которые используются и поныне. Первые прототипы были относительно простыми и отвечали только за адресацию операций с ячейками памяти. Современные микросхемы FSP – это достаточно мощные и производительные многоядерные чипы, которые служат и для адресации флеш-памяти, и для коррекции ошибок, и для удаления накопившегося в памяти «информационного» мусора.
Именно FSP в настоящее время являются «сердцем» флеш-памяти, внося существенный вклад в длительность сроков разработки новых микросхем.
Сложности со стиранием и перезаписью данных отодвинули флеш-память в достаточно узкую нишу – для записи микропрограмм типа прошивок, изменение которых требовалось нечасто.
Для массового хранения данных в стационарных компьютерах использовались магнитные носители, в качестве носимых накопителей длительное время использовались дискеты, требующие наличия считывающего устройства – дисковода. Появление оптических дисков позволило многократно увеличить объёмы записанных данных, но также требовали использования специального привода, к тому же сама запись была достаточно длительным процессом и не отличалась надёжностью. Впрочем, и сами CD/DVD диски легко царапались, были подвержены отрицательному воздействию многих других внешних факторов.
И вот тогда на сцену вышло новое поколение флеш-памяти. Начало нового тысячелетия, когда появились первые флешки, характеризовалась бурным развитием микроэлектроники. В 2000 году инженеры компании M-Sistems (Израиль) разработали носимый накопитель DiskOnKey объёмом 8 МБ. Примерно в то же время свою разработку USB-флешки такого же объёма, ThumbDrive, анонсировала сингапурская компания M-Sistems.
Параллельно шли разработки флеш-памяти гораздо больших объёмов, но требующих использования считывающего устройства – кард-ридера.
В то же время, когда появились первые USB-флешки, консорциум из нескольких крупных IT-компаний (SanDisk, Panasonic и Toshiba), получивший название SD Association, приступил к разработке флеш-памяти нового поколения увеличенного объёма. Через некоторое время к ассоциации примкнул целый ряд других гигантов отрасли, включая Kingston, Intel, AMD, Apple, HP, Nikon, Canon и др. В результате на свет появились SD-карты ёмкостью 2 ГБ, что стало настоящим прорывом. Такие флеш-карты активно использовались в цифровых фотоаппаратах, и поначалу такого объёма было вполне достаточно. Но по мере увеличения разрешения CMOS-матрицы выросли и размеры файлов, к тому же появилась возможность снимать видео, требующее гораздо больших объёмов флеш-памяти. Удвоение объёма SD-карт проблему не решило, и в 2006 году изобрели формат флешки SDHC, позволивший увеличить ёмкость носителей до 32 ГБ. Несовместимость на уровне кард-ридеров оказалась единственным существенным недостатком нового формата, но вскоре и такого количества памяти стало не хватать.
Начинку флеш-памяти опять подвергли усовершенствованию, так появился формат SDXC с возможностью хранения до 2 ТБ информации, который актуален и по сей день. Надолго ли хватит этого объёма? Если вам кажется, что да, то мы советуем не спешить с выводами…
SD-карты были всем хороши, и по объёму, и по возможности скоростной перезаписи данных. Размеры тоже были такими, что позволяли использовать их в цифровых фотоаппаратах и другой компьютерной технике. Но тут на авансцене появляются смартфоны, где борьба идёт за каждый лишний квадратный миллиметр пространства. И SD-картам места уже не нашлось.
Требовалось кратное уменьшение размеров, чего удалось добиться со следующим поколением флеш-памяти – карт microSD. Они вчетверо меньше при сохранении объёма и скоростных характеристик старшего собрата. В большинстве случаев использование microSD-карт возможно и в слотах для обычных SD-карт, достаточно наличие адаптера-переходника, а вот карту большего размера в маленький слот поместить никак не удастся.
Что касается формата хранимых данных, то он идентичен для обеих технологий, при этом постоянно эволюционирует. Последним внедряемым форматом является microSDUC, позволяющим хранить на носителе до 128 ТБ данных.
Отметим, что история совершенствования флеш-памяти отнюдь не является такой безоблачной, как может показаться. Наряду с прижившимися форматами был и ряд не совсем удачных разновидностей флеш-памяти, на разработку которых было потрачено огромное количество людских и финансовых ресурсов. Достаточно вспомнить так и не получившие широкого распространения форматы флеш-памяти:
Нынешнее поколение однозначно доживёт до времени, когда появится принципиально новый тип флеш-памяти, но будут ли эти изменения революционными или будут иметь эволюционный характер, можно только гадать. Судя по количеству публикаций в специализированных изданиях, разработки в этом направлении ведутся достаточно интенсивно.
