В этой статье вы узнаете: как компьютеры хранят информацию, что такое флэш-память, как она работает, как долго длится ее срок службы, кто ее изобрел и каково ее будущее.

Представьте, если бы ваша память работала только тогда, когда вы бодрствовали. Каждое утро, когда вы вставали, ваш разум был бы совершенно пуст!

Вам пришлось бы заново выучить все, что когда-либо знали, прежде чем смогли бы что-то сделать.

Это звучит как кошмар, но это именно та проблема, с которой сталкиваются все компьютеры.

Обычные компьютерные чипы "забывают" все (теряют все свое содержимое) при отключении питания.

Персональные компьютеры решают эту проблему, имея мощную магнитную память, называемую жесткими дисками (HDD), которая может запоминать данные независимо от того, включено питание или выключено.

Но небольшие, более портативные устройства, такие как мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты и MP3-плееры, нуждаются в меньших и более портативных запоминающих устройствах.

Они используют специальные чипы, называемые флэш-памятью, для постоянного хранения информации.

Как компьютеры хранят информацию

Компьютеры - это электронные машины, которые обрабатывают информацию в цифровом формате.

Компьютеры, вместо того, чтобы понимать слова и цифры, как это делают люди, превращают слова и цифры в строки нулей и единиц, называемые двоичным кодом.

Внутри компьютера одна буква "А" хранится в виде восьми двоичных чисел: 01000001.

Фактически, все основные символы на вашей клавиатуре (буквы от A до Я и от A до Z в верхнем и нижнем регистре, цифры 0-9 и символы) могут быть представлены различными комбинациями всего из восьми двоичных чисел.

Знак вопроса (?) сохраняется как 00111111, число 7 как 00110111, а левая скобка ([) как 01011011.

Практически все компьютеры знают, как представлять информацию с помощью этого "кода", потому что это согласованный мировой стандарт.

Он называется ASCII (Американский стандартный код для обмена информацией).

Компьютеры могут представлять информацию с помощью шаблонов нулей и единиц, но как именно информация хранится внутри их микросхем памяти?

Это помогает вспомнить немного другой пример.

Предположим, вы стоите на некотором расстоянии, я хочу отправить вам сообщение, и у меня есть только восемь флажков, с помощью которых это можно сделать.

Я могу установить флажки в линию, а затем отправить вам каждую букву сообщения, поднимая и опуская разные флажки.

Если мы оба понимаем код ASCII, отправка информации будет простой. Если я поднимаю флаг, вы можете предположить, что я имею в виду цифру 1, а если я оставляю флаг опущенным, вы можете предположить, что я имею в виду цифру 0.

Какое это имеет отношение к памяти?

Это показывает, что вы можете хранить или передавать символ с помощью чего-то вроде флага, который может находиться в двух положениях, либо поднят вверх, либо опущен вниз.

Компьютерная память - это, по сути, гигантский ящик с миллиардами и миллиардами флажков, каждый из которых может быть поднят как вверх, так и опущен вниз.

Однако на самом деле это не флажки — это микроскопические переключатели, называемые транзисторами, которые могут быть как включены, так и выключены.

Для сохранения символа вам потребуется восемь переключателей. Для хранения каждой двоичной цифры (которая называется битом) требуется один транзистор.

В большинстве компьютеров восемь из этих битов в совокупности называются байтом.

Поэтому, когда вы слышите, как люди говорят, что компьютер имеет столько-то мегабайт памяти, это означает, что он может хранить примерно столько-то миллионов символов информации (Мега означает миллион; Гига означает тысячу миллионов или миллиард).

Что такое флэш-память?

Фото: Обычная USB—карта памяти - и чип флэш-памяти, который вы найдете внутри, если разберете ее (большой черный прямоугольник справа).

Обычные транзисторы — это электронные переключатели, включаемые или выключаемые электричеством, и в этом их сила и слабость.

Их сильная сторона, в том что компьютер может хранить информацию, просто пропуская электрические импульсы через свои схемы памяти.

Но это так же и слабое место, потому что, как только питание отключается, все транзисторы возвращаются в исходное состояние — и компьютер теряет всю информацию, которую он сохранил. Это похоже на гигантский приступ электронной амнезии!

Память, которая "забывает все" при отключении питания, называется оперативной памятью (ОЗУ).

Существует другой вид памяти, называемый памятью только для чтения (ROM), который не страдает от этой проблемы.

Микросхемы ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) предварительно сохраняют информацию, поэтому они не "забывают" то, что им известно, при включении и выключении питания.

Однако информация, которую они хранят, сохраняется там постоянно: она не может быть переписаны снова.

На практике компьютер использует несколько различных видов памяти для различных целей:

• То, что ему нужно постоянно помнить — например, что делать при первом включении, — хранится на микросхемах ПЗУ.
• Когда вы работаете на своем компьютере и ему нужна временная память для обработки данных, он использует микросхемы оперативной памяти, не имеет значения, что эта информация позже будет потеряна.
• Информация, которую вы хотите, чтобы компьютер запоминал на неопределенный срок, хранится на его жестком диске. Чтение и запись информации с жесткого диска занимает больше времени, чем с микросхем памяти, поэтому жесткие диски обычно не используются в качестве временной памяти.
• В таких устройствах, как смартфоны, сотовые телефоны, ,цифровые фотоаппараты и небольшие MP3-плееры, флэш-память используется вместо жесткого диска. У него есть определенные общие черты как с оперативной памятью, так и с ПЗУ.
• Как и ПЗУ, флэш-память запоминает информацию при выключенном питании, а как в оперативной памяти, ее можно стирать и перезаписывать снова и снова.

Как работает флэш - память, простое объяснение

Электрические контакты на цифровой карте флэш-памяти SD

Флэш память работает с использованием совершенно другого типа транзисторов, который остается включенным (или выключенным) даже при отключении питания.

Как работает обычный транзистор

Обычный транзистор имеет три соединения (провода, которые им управляют), называемые истоком, стоком и затвором.

Представьте себе транзистор как трубу, по которой электричество может течь, как если бы это была вода.

Один конец трубы (куда поступает вода) называется источником — думайте об этом как о кране.

Другой конец трубы называется сливом — там, где вода вытекает.

Между источником и стоком, перекрывающим трубу, есть затвор.

Когда затвор закрыт, труба перекрывается, электричество не может течь, и транзистор выключен.

В этом состоянии транзистор сохраняет ноль.

Когда затвор открыт, течет электричество, транзистор включен, и он сохраняет единицу.

Но когда питание отключается, транзистор тоже выключается.

Когда вы снова включаете питание, он "забывает" любую информацию, которую он хранит.

Как работает флэш-транзистор

Флэш-транзистор отличается тем, что он имеет второй затвор над первым. Когда затвор открываются, некоторое количество электричества просачивается через первый затвор и остается там, между первым затвором и вторым, записывая "единицу".

Даже если питание отключено, электричество все равно остается между двумя затворами.

Именно так транзистор сохраняет свою информацию независимо от того, включено питание или выключено. Информация может быть стерта, если заставить "захваченное электричество" снова "стечь" из транзистора.

Как долго длится срок службы флэш-памяти?

Флэш-память действительно со временем "изнашивается", но это не так критично.

Очень часто цитируется, что флэш-память ухудшается после того, как она была записана и переписана примерно "10 000 раз", но это вводит в заблуждение.

Согласно патенту 1990-х годов на флэш-память Стивена Уэллса из Intel, "переключение транзисторов начинает занимать больше времени примерно после десяти тысяч операций переключения, требуется примерно сто тысяч операций переключения, прежде чем увеличенное время переключения окажет какое-либо влияние на работу системы".

Одним из практических способов обойти "износ транзисторов" - это обеспечение операционной системой того, чтобы при каждом удалении и сохранении информации использовались разные биты флэш-памяти (технически это называется выравниванием износа), поэтому ни один бит не стирается слишком часто.

На практике современные компьютеры могут просто игнорировать и "обходить" неисправные части чипа флэш-памяти, точно так же, как они могут игнорировать поврежденные сектора на жестком диске, поэтому реальный практический предел срока службы флэш-накопителей намного выше: где-то от 10 000 до 1 миллиона циклов.

Были продемонстрированы передовые флэш-устройства, которые выдерживают 100 миллионов циклов и более.

Кто изобрел флэш-память?

Флэш была первоначально разработана инженером-электриком Toshiba Фудзио Масуокой, который подал патент США 4 531 203 на эту идею вместе с коллегой Хисакадзу Иидзукой еще в 1981 году.

Фудзио Масуока - японский инженер, работавший в Toshiba и Университете Тохоку, в настоящее время главный технический директор (технический директор) Unisantis Electronics. Он наиболее известен как изобретатель флэш-памяти.

Первоначально известная как одновременно стираемая EEPROM (Электрически стираемая программируемая память только для чтения), она получила прозвище "Flash" (вспышка), потому что ее можно было мгновенно стереть и перепрограммировать - так же быстро, как вспышку камеры.

В то время ультрасовременным стираемым чипам памяти (обычным EPROM) требовалось около 20 минут, чтобы стереть их для повторного использования лучом ультрафиолетового света.

Более дешевые, электрически стираемые EPROM действительно существовали, но использовали более громоздкую и менее эффективную конструкцию, которая требовала двух транзисторов для хранения каждого бита информации.

Флэш-память решила эти проблемы.

Toshiba выпустила первые флэш-чипы в 1987 году, но большинство из нас не сталкивались с этой технологией еще около десяти лет.

В 1999 году впервые появились карты памяти SD (совместно поддерживаемые Toshiba, Matsushita и SanDisk).

SD-карты позволяли цифровым камерам записывать сотни фотографий и делали их гораздо более полезными, чем старые пленочные камеры, которые были ограничены возможностью делать около 24-36 снимков за раз.

В следующем году Toshiba выпустила первый цифровой музыкальный плеер, использующий SD-карту.

Apple потребовалось еще несколько лет, чтобы догнать и полностью внедрить технологию flash в свой собственный цифровой музыкальный плеер iPod.

Все ранние "классические" iPod использовали жесткие диски, но выпуск крошечного iPod Shuffle в 2005 году ознаменовал начало постепенного перехода, и все современные iPod и iPhone теперь используют вместо них флэш-память.

Каково будущее у флэш-памяти?

Флэш-память быстро обогнала магнитные накопители за последнее десятилетие или около того.

Во всём, от суперкомпьютеров и ноутбуков до смартфонов и iPod, жесткие диски все чаще уступают место быстрым и компактным твердотельным накопителям SSD (твердотельным накопителям) на основе флэш-чипов.

Другой тенденцией был переход от настольных компьютеров и стационарных телефонов к мобильным устройствам (смартфонам и планшетам) и мобильным телефонам, которым нужны ультра компактные, и чрезвычайно надежные запоминающие устройства, способные выдерживать стрессы и нагрузки, возникающие в нашей повседневной жизни.

Эти тенденции в настоящее время благоприятствуют технологии 3D flash ("stacked"), разработанной в начале 2000-х годов и официально запущенной Samsung в 2013 году, в которой на одной кремниевой пластине позволила выращивать десятки различных слоев ячеек памяти для увеличения емкости хранилища (точно так же, как на этажах высотного здания мы можем разместить больше количество офисов, при том, что здание размещено на небольшом участке земли).

Вместо использования плавающих вентилей (как описано выше), 3D flash использует альтернативный (хотя иногда и менее надежный) метод, называемый charge-trap, который позволяет нам создавать память гораздо большей емкости при том же объеме пространства, в масштабе терабит (Тбит) (1 триллион бит = 1 000 000 000 000 бит).

Уважаемые друзья, будем благодарны если вы проявите немного активности, подпишитесь, поставите лайки и оставите свои комментарии к статье.

Любая активность на канале очень приветствуется!

Мы, совместно с вами быстрее сможем развивать этот канал и следить за последними новостями из мира современных информационных технологий.