Флэш-память: не так долговечна, как хотелось бы

К сожалению, в силу самого принципа работы, флэш-память способна выдержать конечное число циклов стирания и записи, но правильное использование этих носителей позволяет продлить им жизнь.

За какие-то три года, буквально у нас на глазах флэш-память превратилась из экзотического и дорогостоящего средства хранения данных в один из самых массовых носителей. Твёрдотельная память этого типа широко используется в портативных плеерах и карманных компьютерах, в фотоаппаратах и миниатюрных накопителях "флэш-драйвах".

Первые серийные образцы работали с низкой скоростью, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет смотреть хранящийся в миниатюрной микросхеме полноформатный фильм или запускать "тяжёлую" операционную систему класса Windows XP. Некоторые крупные производители уже продемонстрировали компьютеры, в которых место жёсткого диска занимают чипы флэш-памяти, а чересчур оптимистичные наблюдатели и вовсе торопятся полностью похоронить винчестеры, так же, как и флоппи-диски.

Однако у флэш-памяти есть один очень неприятный недостаток, препятствующий тому, чтобы этот тип носителя заменил все существующие оптические и магнитные накопители, и этот недостаток связан с надёжностью и долговечностью. Дело в том, что в силу самой конструкции флэш-память имеет конечное число циклов стирания и записи, достигающее, с чем уже столкнулись владельцы цифровых фотоаппаратов и флэш-драйвов, интенсивно эксплуатирующие эти носители.

По оценкам сами производителей, современная флэш-память, в среднем, способна выдержать порядка 100000 циклов стирания/записи, хотя в ряде случаев заявляются куда более впечатляющие показатели - до миллиона циклов. Чтобы понять, почему возникает такое ограничение, необходимо хотя бы в первом приближении познакомиться с принципами работы этого типа носителей.

Все флэш-накопители построены на свойстве полевых транзисторов хранить в "плавающем" затворе электрический заряд в течение многих лет. Присутствие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. В современных накопителях применяется память типа НЕ-И или NAND, которая обеспечивает высокую скорость последовательного доступа к данным и отличается невысокой себестоимостью производства в сочетании с высокой ёмкостью. Недостатки NAND-памяти - поблоковый доступ и, следовательно, относительно низкая скорость произвольного доступа, - нивелируются высокой ёмкостью и высокой скоростью последовательного доступа, которая требуется в таких устройствах, как фотокамеры, плееры или съёмные накопители.

Для записи и стирания данных в NAND-памяти используется туннелирование электронов методом Фаулера-Нордхейма (FN-туннелирование) через диэлектрик, что не требует высокого напряжения и позволяет сделать ячейки миниатюрнее. Однако именно процесс туннелирования заряда физически изнашивает ячейки, поскольку при помощи электрического тока заставляет электроны проходить сквозь барьеры из диэлектрика и проникать в затвор. Поэтому больше всего изнашивают микросхему процессы стирания и записи - для чтения же через канал просто пропускается ток.

Разумеется, производители памяти принимают меры для увеличения срока службы твёрдотельных накопителей: в первую очередь, они связаны с обеспечением равномерности процессов записи/стирания по всем ячейкам массива, чтобы какие-то из них не были подвержены большему износу, чем другие. Один из способов - наличие резервного объёма памяти, за счёт которого при помощи специальных алгоритмов обеспечивается равномерная нагрузка и коррекция возникающих ошибок. Кроме того, выводятся из работы вышедшие из строя ячейки в целях предотвращения потери информации. В служебную область записывается также таблица файловой системы, что предотвращает сбои чтения данных на логическом уровне, возможные, к примеру, при некорректном отключении накопителя или при внезапном отключении электроэнергии.

К сожалению, с увеличением ёмкости микросхем флэш-памяти снижается и количество циклов записи/стирания, поскольку ячейки становятся всё более миниатюрными и для рассеивания оксидных перегородок, изолирующих плавающий затвор, требуется всё меньшее напряжение. Поэтому с проблемам сталкиваются не только владельцы флэш-накопителей очень маленького, но и очень большого объёма.

Практика показывает, что гигабайтная флэш-карточка при интенсивном ежедневном использовании в цифровом фотоаппарате может начать выходить из строя уже через год-два после после начала применения. Некоторые фотолюбители прекращают пользоваться такими картами, но хранят на них части своих архивов. Это тоже довольно опрометчивое решение, ведь, несмотря на реализованные в контроллерах карточек системы защиты от стирания, в том числе, аппаратные, при чтении архивов возможна подача повышенного (или пониженного) напряжения на изношенные ячейки, что чревато самопроизвольным стиранием записанных на карточку данных. Иными словами, придётся смириться с тем, что флэш-карта исчерпала свой ресурс и полностью отказаться от её использования.

В результате прочтения этой статьи у вас могло сложиться мнение о вопиющей ненадёжности флэш-памяти, но оно, конечно же, ошибочно. Износ флэш-памяти ускоряется лишь в случае неправильного её использования - постоянного стирания и удаления небольших файлов. Кстати, в этом кроется причина якобы более низкой надёжности USB-флэш-драйвов по сравнению с карточками различных форматов. Всё дело в том, что, к примеру, в фотоаппаратах или в плеерах ёмкость карты заполняется полностью и постепенно, в то время как у флэш-драйвов нередко более "рваный" режим эксплуатации - "записал - стёр - записал". При этом в последнем случае, несмотря на все алгоритмы и технологии, повышенному износу подвергаются одни и те же участки микросхемы. Совет здесь может быть только один: старайтесь по возможности полностью заполнять флэш-драйвы и не удалять немедленно ставшие ненужными файлы - тем самым вы продлите срок службы накопителя.

Кроме того, обычные карточки флэш-памяти не рассчитаны на использование в качестве постоянного накопителя: не рекомендуется редактировать документы, базы данных непосредственно на "флэшке", работать с операционной системой, записанной в карточку памяти. Помимо преждевременного износа из-за постоянных процессов записи/стирания и постоянного обновления таблицы файловой системы возможен выход накопителя из строя по причине банального перегрева! Разумеется, если вы используете флэш-карту только для чтения, подобных проблем не возникнет. Для описанных же случаев больше подходят традиционные механические магнитные внешние накопители различных форм-факторов, изначально рассчитанные на подобные режимы работы.

Конечно, разработчики продолжают совершенствовать конструкцию и технологические процессы для изготовления флэш-памяти, которые бы позволили максимально увеличить число циклов стирания/записи и ещё больше нарастить ёмкость этого носителя, однако проводятся исследования и в области альтернативных твёрдотельных носителей.

Например, в Intel уже несколько лет занимается разработкой твёрдотельной памяти на аморфных полупроводниках (Ovonic Unified Memory, OUM). В основу работы такой памяти положена технология фазового переход, аналогичная принципу записи на перезаписываемые диски CD-RW или DVD-RW, при котором состояние регистрирующего слоя изменяется с аморфного на кристаллическое, и одно из этих состояний соответствует логическому нулю, а другое - логической единице. Принципиальное отличие - способ записи: если в оптических носителях применяется нагрев лазером, то в OUM нагрев производится непосредственно электрическим током.

Как заявляют в Intel, в отличие от флэш-памяти, OUM теоретически обладает повышенной надёжностью и плотностью хранения данных, а также повышенным быстродействием - до 100-200 нс. И, самое главное, максимальное число циклов записи/стирания в OUM превышает 10 триллионов - на несколько порядков больше, чем у флэш-памяти. Несмотря на то, что в Intel заявляют о работах над OUM-памятью уже в течение более пяти лет, промышленное производство таких чипов, по оценкам специалистов, начнётся не раньше следующего десятилетия.

Еще одна альтернативная флэш-памяти и куда более близкая к серийному производству технология - магниторезистивная память (MRAM), существенно опережающая по быстродействию OUM-память: время доступа этих чипов на сегодня составляет не более 10-15 нс. Благодаря этому память типа MRAM может применяться не только для длительного хранения данных, но и в качестве оперативной памяти.

Чипы MRAM построены на базе элементов магнитной памяти, укреплённых на кремниевой подложке, и теоретически поддерживают бесконечное число циклов записи и стирания. Кроме того, важным свойством MRAM-памяти является возможность мгновенного включения, что особенно ценится в мобильных устройствах.

Значение ячейки в этом типе памяти определяется магнитным полем, а не электрическим зарядом, как в обычной флэш-памяти. Важное достоинство этой разработки - совместимость технологии производства с техпроцессом по выпуску КМОП-чипов, а также возможности использования материалов, применяемых в традиционных магнитных носителях, в частности, ферромагнитных плёнок.

Гибридная технология обладает и рядом ограничений: пока подобные микросхемы рассчитаны на слишком "грубый" по сегодняшним меркам 0,18-микронный техпроцесс, что не позволяет добиться сравнимых с флэш-памятью размеров ячеек. Кроме того, себестоимость производства MRAM-памяти пока непозволительно высока.

Разработкой технологии MRAM занимается один из крупнейших мировых производителей памяти, компания Infineon, а также "голубой гигант" IBM, начавший исследования в этой области ещё в семидесятых годах прошлого столетия. Свои средства в развитие технологии MRAM инвестировали также такие компании, как Toshiba, Freescale Semiconductor и NEC, поэтому есть все основания полагать, что этот тип памяти появится на рынке в качестве серийной продукции гораздо раньше OUM.

Пока же все альтернативные технологии хранения данных остаются в проектах, производители продолжают совершенствовать традиционную флэш-технологию, переходят на более тонкие техпроцессы и повышают ёмкость микросхем. Можно не сомневаться в том, что фирмы, выпускающие флэш-память, намерены использовать весь потенциал этого типа носителей перед переходом на накопители другого типа. Поэтому число устройств, снабжённых флэш-памятью, в ближайшее время будет увеличиваться, и рекомендации по использованию такой памяти вряд ли скоро потеряют актуальность.