Dyski do zadań specjalnych. Przemysłowe dyski SSD i karty pamięci Flash

Moduły pamięci Flash, które po raz pierwszy wyprodukowano w latach 80. zeszłego wieku w laboratoriach firmy Toshiba, składają się z komórek stanowiących połączenie elementu przechowującego informacje oraz obwodów służących do ich odczytu i zapisu. Są to struktury podobne do tranzystorów MOSFET, jednak w przeciwieństwie do nich pojedyncza komórka Flash składa się z dwóch bramek.

Na jednej z nich, tzw. bramce pływającej, gromadzony jest ładunek, który za pośrednictwem drugiej bramki jest interpretowany jako wartość logiczna 1 lub 0. Tą samą drogą do bramki pływającej doprowadza się napięcie, które w zależności od wartości kasuje lub zmienia jej zawartość.

Jednocześnie programować można wiele komórek pamięci tego typu. Dzięki temu, że bramka pływająca jest otoczona izolatorem, po wyłączeniu zasilania jej ładunek, a tym samym zapisana w niej informacja, nie ulega zmianie - jest to zatem pamięć nieulotna (trwała).

KLASYFIKACJA PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Ze względu na rodzaj bramki logicznej w komórkach pamięci Flash dzieli się je na typu NOR oraz NAND. Te pierwsze charakteryzuje znacznie dłuższy czas zapisu i odczytu danych w porównaniu do pamięci typu NAND. Z tego powodu układy Flash NOR są wykorzystywane głównie tam, gdzie nie jest wymagana częsta aktualizacja zapisanych informacji - na przykład do przechowywania systemu operacyjnego w telefonach komórkowych.

W pamięciach NOR można za to uzyskać bezpośredni dostęp do każdej komórki, podczas gdy w tych typu NAND dostęp do danych jest sekwencyjny. Pamięci Flash NAND cechuje z kolei większa gęstość upakowania, dzięki czemu są tańsze. Pamięci Flash dzieli się też pod względem typu na SLC (Single-Level Cell) oraz MLC (Muli-Level Cell).

W tych pierwszych w pojedynczej komórce można zapisać jednocześnie tylko jeden bit informacji, natomiast w pamięciach MLC - dwa lub więcej bitów danych. Dzięki temu w komórkach pamięci MLC przechować można więcej informacji niż w takiej samej liczbie komórek pamięci SLC, przez co w praktyce te pierwsze są tańsze.

Z tego również powodu są one wolniejsze, mniej niezawodne oraz mniej wytrzymałe (na przykład na wysokie temperatury), dlatego wykorzystywane są głównie w przenośnych urządzeniach elektroniki użytkowej, zwłaszcza tych, w których wymagana jest duża pojemność. Pamięci SLC są natomiast preferowane w przemyśle i innych zastosowaniach specjalistycznych.

KARTY PAMIĘCI FLASH

Pamięci Flash używane są do budowy nośników danych różnego typu. Można je podzielić ogólnie na dwie grupy: dyski SSD oraz karty pamięci. Pierwsze urządzenia zaliczane do drugiej grupy pojawiły się na rynku na początku lat 90. ubiegłego wieku. Były to karty pamięci PC Card opracowane przez stowarzyszenie PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association).

Początkowo wykorzystywano w nich 16-bitową magistralę o maksymalnej przepustowości 20 MB/s, a następnie 32-bitowy interfejs CardBus zapewniający prędkość transmisji ponad 130 MB/s. Wyróżnia się trzy typy kart PC Card. Wszystkie mają standardową szerokość i długość - odpowiednio 54mm i 85,6mm, różnią się natomiast grubością.

Fot. 1. Testowanie pamięci Full Metal Stick USB firmy Altec pod kątem odporności na czynniki środowiskowe

Wynosi ona 3,3mm w kartach typu I, 5mm - w typie II i 10,5mm - w typie III. Najczęściej są używane jako karty pamięci (typ I) lub karty rozszerzeń, na przykład karty sieciowe lub modemy (typ II). Urządzenia typu III mogą też pełnić rolę dysków twardych. Kolejnym nośnikiem, w którym wykorzystano pamięci półprzewodnikowe, były wprowadzone na rynek w 1994 roku przez firmę SanDisk karty pamięci CompactFlash.

Podobnie jak karty PC Card dzieli się je na dwa typy w zależności od grubości (3,3mm - typ I, 5mm - typ II), są jednak od nich znacznie mniejsze (42,8 × 36,4mm). Karty CompactFlash są używane w przemyśle jako moduły rozszerzeń (zwłaszcza nośniki typu I), a także w elektronice użytkowej, głównie w profesjonalnych aparatach fotograficznych. Decyduje o tym przede wszystkim ich duża pojemność (64GB, a w przypadku kart typu CFast nawet 128GB), szybkość transmisji (133 MB/s, a nawet 300 MB/s w kartach CFast) oraz przystępna cena w stosunku do pojemności.

KARTY MMC I NOŚNIKI MEMORY STICK

Trzy lata po kartach pamięci CompactFlash firmy SanDisk i Siemens wspólnie opracowały karty MMC (MultiMediaCard). Były to wówczas najmniejsze urządzenia tego typu (24 × 32 × 1,4mm) przeznaczone do wykorzystania głównie w małych urządzeniach przenośnych - na przykład w telefonach komórkowych. Wkrótce na rynku pojawiły się też karty w wersji RS-MMC (Reduced Size MMC) o wymiarach 24 × 18 × 1,4mm.

Wadą tych nośników była jednak mała prędkość transmisji (2,5 MB/s), dlatego przy opracowywaniu kolejnej wersji priorytetem był właśnie ten parametr. W efekcie w 2005 roku udostępniono karty typu MMCPlus, w przypadku których teoretyczna maksymalna szybkość transmisji to 52 MB/s. W tamtym czasie na rynku pojawiły się też karty Dual Voltage RS-MMC, które mogły być zasilane napięciem 1,8V lub 3,3V, a wkrótce także ich wersja o szybkości transmisji zwiększonej do 52 MB/s.

Niedługo potem wprowadzono też układy typu MMCmicro o wymiarach 12 × 14 × 1,1mm. Obecnie dostępne karty MMC mają pojemność maksymalnie kilku GB. W 1998 roku Sony zaprezentowało z kolei pierwsze karty typu Memory Stick o wymiarach 21,5 × 50 × 2,8mm, które były przeznaczone głównie do wykorzystania w cyfrowych aparatach fotograficznych i innych urządzeniach przenośnych tej firmy. Ich głównymi wadami były mała pojemność (maksymalnie 128MB) oraz wolna transmisja danych (2,45 MB/s).

Pierwsze ograniczenie próbowano ominąć, wprowadzając karty typu Memory Stick Select. Zawierały one dwa układy pamięci 128MB, z których użytkownik mógł korzystać naprzemiennie. Ponieważ rozwiązanie to nie zyskało popularności, w 2003 roku Sony udostępniło opracowane wspólnie z SanDiskiem karty Memory Stick Pro o maksymalnej pojemności 4GB oraz prędkości transmisji 20MB/s.

Oprócz tego firma wprowadziła też na rynek karty Memory Stick Duo o podobnych parametrach (pojemność 128MB, prędkość transmisji 2,45 MB/s), ale mniejszym rozmiarze (20 × 31 × 1,6mm) niż w wypadku standardowych pamięci Memory Stick, pamięci z serii Memory Stick Pro Duo oraz Memory Stick Micro.

KARTY SD I PAMIĘCI USB

Karty pamięci SD (Secure Digital) zostały zaprojektowane przez firmy SanDisk, Matsushita (Panasonic) i Toshiba w oparciu o standard kart typu MMC. Są do nich podobne też pod względem wymiarów, różniąc się jedynie grubością (24 × 32 × 2,1mm). W przeciwieństwie do kart MMC w SD dostępny jest też przełącznik zabezpieczający dane przed przypadkowym skasowaniem. W 2003 i w 2005 roku wprowadzono karty SD w wersjach odpowiednio miniSD i microSD.

Od wersji standardowej różnią się one wymiarami, który w pierwszym wypadku wynoszą: 20 × 21,5 × 1,4mm, natomiast w przypadku kart microSD: 11 × 15 × 1 mm. Pojemność standardowych kart SD wynosi maksymalnie kilka GB. Przewidziano jednak też dwie wersje standardu SD: SDHC (high capacity) i SDXC (extended capacity), w przypadku których pojemność kart pamięci wynosić ma 32GB i więcej.

Maksymalna prędkość transmisji w kartach SD wynosi 25 MB/s (w kartach SDXC - 300 MB/s). Pamięci Flash są też używane w nośnikach danych z interfejsem USB (popularne pamięci typu pendrive). Wprowadzono je jako alternatywę dla dyskietek magnetycznych, które obecnie praktycznie zniknęły z rynku.

DYSKI SSD

Dyski SSD są traktowane jako oddzielna grupa nośników danych z pamięciami Flash, ponieważ inne jest ich przeznaczenie. Są one projektowane przede wszystkim pod kątem wykorzystania jako zamiennik albo moduł rozszerzający funkcjonalność magnetycznych dysków twardych. Dlatego, chociaż dostępne są wersje mniejsze lub tylko cieńsze, w większości kształt, rozmiar (dostępne są przeważnie w formacie 1,8", 2,5" i 3,5"), sposób montażu oraz interfejs komunikacyjny (zwykle SATA lub PATA) dysków półprzewodnikowych są zgodne z analogicznymi parametrami dysków twardych.

Ze względu na funkcję jaką pełnią, dyski SSD z reguły są w urządzeniu docelowym instalowane na stałe. Wyjmuje się je tylko w przypadku wymiany lub konieczności oddania do naprawy, natomiast przez resztę czasu pozostają niedostępne dla użytkownika. Pierwotnym przeznaczeniem kart pamięci Flash były z kolei urządzenia przenośne elektroniki użytkowej (aparaty fotograficzne, telefony komórkowe, konsole gier itp.).

W efekcie z powodu konieczności dostosowania się do ograniczonych warunków przestrzennych większość kart jest znacznie mniejsza niż dyski SSD. Ponadto w przeciwieństwie do dysków półprzewodnikowe karty pamięci są często wyjmowane i ponownie wkładane do urządzenia docelowego, co również uwzględnia się w ich konstrukcji.