Memoria Flash - Istorie - Memory Stick

I. Ce este memoria Flash?

I.1. Introducere

Complexitatea operatiilor efectuate de un calculator, ca si viteza sa de calcul, depind - in principal - de capacitatea, viteza si organizarea memoriei sale; de fapt istoric vorbind, evolutia calculatoarelor electronice, prin cele patru generatii, a fost determinata in mare masura de cresterea capacitatii si vitezei memoriei lor.

I.2. Generalitati

Memoria flash este o forma de memorie non-volatila pentru calculator care poate sa fie stearsa electric si reprogramata. Este o tehnologie care este in primul rand folosita in cardurile de memorie.

Spre deosebire de EEPROM(Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory), memoria flash este stearsa si programata in blocuri compuse din locatii multiple (in memoria flash timpurie intreg cipul trebuia sa fie sters dintr-o data).Memoria flash costa mai putin decat EEPROM in consecinta a devenit tehnologia dominanta oriunde este nevoie de o cantitate semnificativa, de o categorie solida de depozitare non-volatila.

II. Istorie

Memoria flash (ambele tipuri NOR si NAND) a fost inventata de Dr. Fujio Masuoka in timp ce lucra pentru Toshiba in 1984.Conform celor spuse de Toshiba, numele de flash a fost sugerat de colegul domnului Masuoka, domnul Shoji Arizumi, deoarece procesul de stergere a continutului memoriei i-a amintit de licarirea unui aparat de fotografiat.

Domnul Masuoka a infatisat inventia la IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)1984 International Electron Devices Meeting (IEDM) tinut in San Jose, California. Intel a vazut masivul potential al inventiei si a introdus primul cip flash comercial de tip NOR in 1988.

NOR -based flash are timpi de stergere si scriere lungi, dar are o interfata a adreselor de date intreaga (memorie) care permite acces aleatoriu la orice locatie. Aceasta il face potrivit pentru depozitarea unui program cod care trebuie sa fie rareori actualizat, cum ar fi BIOS-ul calculatorului .Rezistenta sa este de la 10 000 la 1 000 000 de cicluri de stergere. NOR - based flash a fost temeiul pentru timpuriul flash-based ce poate fi indepartat; Compact Flash a fost bazat pe NOR desi cardurile mai tirzii au fost mutate la mai putin costisitorul NAND flash.

A urmat NAND flash, pe care Toshiba l-a anuntat la ISSCC (International Solid-State Circuits Conference) in 1989. Are timpi de stergere si scriere mai rapizi, densitate inalta, si un pret scazut per cifra binara decat NOR flash, si de 10 ori mai multa rezistenta. Oricum interfata sa I/O permite numai acces secvential la date. Aceasta il face potrivit pentru dispozitivele de depozitare in masa cum sunt cardurile PC si diverse carduri de memorie, si intrucatva mai putin folositoare pentru memoria calculatorului.

II.1. Istoria crearii standardului

La aparitia memoriei flash, producatorii de dispozitive electronice au primit posibilitatea, fara mari probleme si cheltuieli, sa-si doteze produsele cu noile tipuri de medii de stocare. Avantajele erau evidente - consumul energetic redus, siguranta inalta (din cauza lipsei pieselor mobile) si rezistenta la mediul inconjurator si sarcini. Insa, principala problema era dimensiunea acestora. In piata se intensifica cererea pentru dispozitive cat mai mici, dimensiunea carora nu permitea utilizarea memoriei flash voluminoase, executat conform standardului ATA-Flash. A aparut ideea de a crea un nou format de memorii flash, care va avea dimensiuni reduse si in acelasi timp, compatibil cu sloturile PCMCIA existente, fapt care in principiu insemna compatibilitatea cu comenzile ATA/ATAPI.

III.     Vedere de ansamblu

Memoria flash este non-volatila ceea ce inseamna ca nu are nevoie de energie pentru a mentine informatia stocata in cip.In plus memoria flash ofera un timp de acces pentru citirea datelor foarte rapid si o mai buna rezistenta la socurile cinetice decat hard disk-urile. Aceste trasaturi explica popularitatea memoriei flash pentru aplicatii ca de exemplu stocarea pe dispozitive baterie-putere. O alta ispita a memoriei flash este faptul ca este aproape indistructibila de un mediu fizic obisnuit fiind in stare sa reziste la presiuni intense si la apa fiarta.

IV.     Clasificarea memoriilor de tip Flash

Memoria flash este folosita de mai multi ani ca mediu de stocare principal sau auxiliar pentru calculatoarele notebook. Totusi, aparitia unor dispozitive precum aparatele foto digitale si dispozitivile de redare MP3 au transformat aceasta tehnologie dintr-un produs de nisa intr-un accesoriu necesar.

In prezent sunt folosite mai multe tipuri de dispozitive pentru memorie flash si este important sa stiti de care dintre acestea aveti nevoie. Printre cele mai importante tipuri de memorie flash se numara:

1. Compact Flash

Memoria CompactFlash a fost dezvoltata de SanDisk Corporation in 1994 si foloseste arhitectura ATA pentru a emula o unitate de disc. Ca urmare, un dispozitiv CompactFlash atasat la calculatorul dumneavoastra are asociata o litera de unitate, la fel ca si celelalte unitati de disc.

Dimensiunea originala a acestui dispozitiv a fost Type I (3.3 mm grosime), dar exista si o versiune mai noua, Type II (5 mm grosime), pentru dispozitivele de capacitate mai mare. Ambele tipuri de cartele CompactFlash au latimea de 1.433 inci si lungimea de 1.685 inci si exista adaptoare care permit introducerea acestor memorii in sloturile PC Card ale calculatoarelor notebook. Dezvoltarea acestui standard este coordonata de CompactFlash Association.

2. Smart Media

SmartMedia(numita initial SSFDC, prescurtare de la Solid State Floppy Disk Card - cartela de discheta semiconductoare) este cea mai simpla dintre dispozitivele de memorie flash. Cartelele SmartMedia contin numai memorie flash, fara nici un circuit de control. Aceasta simplitate inseamna ca pentru asigurarea compatibilitatii intre diferitele generatii de cartele SmartMedia este necesara modernizarea dispozitivelor care folosesc memoria SmartMedia. Dezvoltarea acestui standard este coordonata de SSFDF.

3. Multi Media Card

MultiMediaCard (MMC) este cel mai nou si mai mic dispozitiv de stocare cu memorie flash conceput pentru aparatele foto digitale si o mare varietate de alte dispozitive, inclusiv telefoane inteligente, playere MP3 si camere video digitale. Memoria MMC a fost dezvoltata in comun de SanDisk si Infineon Technologies AG (anterior Siemens AG) in noiembrie 1997. Cartelele MMC folosesc o interfata seriala simpla, cu 7 pini, pentru conecatrea dispozitivelor si contine o memorie flash cu tensiune scazuta. A fost propusa pentru dezvoltarea unei versiuni sigure, SecureMultiMediaCard , pentru stocarea in memorie flash a muzicii digitale protejata prin copyright. In 1998 a fost fondata MMC Association, pentru sustinerea standardului MMC si sprijinirea dezvoltarii unor noi produse.

4. Memory Stick

Compania Sony, care produce atat calculatoare notebook, cat si o mare varietate de aparate foto digitale si camere video, are o versiune proprie, brevetata, de memorie flash, numita Sony Memory Stick. Aceste dispozitive au un comutator unic de protectie la stergere, care impiedica stergerea accidentala a fotografiilor. Sony a acordat licenta tehnologiei Memory Stick si altor companii, cum ar fi Leaxer Media.

5. Ata Pc Card (PCMCIA)

Desi tipodimensiunea PC Card (PCMCIA) este acum folosita pentru orice, de la adaptoare pentru jocuri la modemuri si de la interfete SCSI la adaptoare de retea, initial a fost utilizata pentru memoriile de calculator, asa cum arata si vechiul acronym, PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association).

Spre deosebire de modulele RAM obisnuite, memoria Pc Card se comporta ca o unitate de disc, folosind standardul PCMCIA ATA(at Attachament). Cartelele PC Card pot avea trei grosimi, dar toate au lungimea de 3,3 inci si latimea de 2,13 inci.

V.        Memoria Flash

Memoriile Flash permit atat citirea cat si inscrierea informatiei in timpul functionarii normale; sunt memorii cu densitate mare, nevolatile, folosite in cele mai diverse aplicatii de la aparatele de fotografiat digitale la inlocuirea de hard-diskuri.

Performanta memoriei flash depinde de trei parametri: tipul chip-urilor de memorie flash utilizate, tehnologiile lor de productie si capacitatea acestora.
In cardurile de memorie se aplica doua tipuri de chip-uri: MultiLevel Cell (MLC, celule multinivel) si SingleLevel Cell (SLC, celule pe un singur nivel). Datorita tehnologiei de pastrare a datelor, primul tip permite asigurarea unei capacitati mai mari a chip-ului, la dimensiuni mai mici intr-o celula a memoriei. Insa o astfel de tehnologie nu permite atingerea unor performante bune. Utilizarea celulelor de memorie single level, care stocheaza doar o singura valoare, asigura o viteza si o siguranta sporite, insa micsoreaza capacitatea maxima a chip-ului.

Exista doua tipuri de matrite ale memoriei flash: NOR si NAND. NOR-flash este construita pe baza a doua elemente logice de baza, NOT (nu) si OR(sau), si este o dezvoltare relativ recenta a acesteia. Memoria flash, produsa sub aceasta tehnologie este capabila sa asigure aceesul randomizat catre o celula de memorie, fara a citi succesiv toata pagina de memorie. Ca rezultat, viteza de acces spre informatiile 'distribuite' creste, ceea ce face din NOR o alegere buna pentru PDA, playere multimedia etc. Acest tip de memorie este mai scump, insa perfectionarea tehnologiilor vor ieftini acest tip de memorie flash.
NAND-flash se deosebeste de NOR la termenii logici utilizati - NOT(nu) si AND(si) - dar si prin citirea si scrierea succesiva foarte rapida a paginii de memorie. Aceasta particularitate face din acest tip o alegere buna pentru fotografiere si inregistrare video, unde este necesara o viteza mare de transfer al datelor de la procesor la suportul informational.

V.1. Cum functioneaza memoria flash

0 Logic 1 Logic

Revenind la celula de memorare a unui bit, dintr-o memorie flash, consta intr-un singur tranzistor MOS cu grila flotanta. Stocarea propriu-zisa este realizata prin prezenta sau absenta sarcinilor in grila flotanta. O sarcina relativ ridicata acumulata in grila flotanta este echivalenta cu 0 logic, iar o sarcina redusa sau absenta, cu 1 logic.

Programarea

In stare neprogramata, toate celulele memorie sunt 1 logic (sarcini reduse sau nule grila flotanta). Daca in procesul de programare se doreste memorarea unui 0 logic,grila de control se aduce la un potential pozitiv +Vprog. ,prin aceasta fiind atrasi electroni spre grila flotanta, ea incarcandu-se negativ. O data programata, sarcina grilei flotante se mentine un timp indelungat (minim 10 ani). In cazul in care se doreste stocarea unui 1 logic, in timpul programarii, celula respecriva este nemodificata.

Citirea

Pe durata operatiei de citire, la grila de control se aplica o tensiune pozitiva +Vread. Cantitatea de sarcina stocata in grila flotanta va determina in acest caz, daca sub actiunea acestei tensiuni, tranzistorul MOS va conduce sau nu: daca se memoreaza un zero, datorita numarului mare de electroni de pe grila flotanta, tranzistorul ramane blocat. In contrast, daca grila flotanta contine putini electroni, sub influenta tensiunii +V _read tranzistorul Mos va conduce.

Stergerea

Operatiunea de stergere se rezuma la inlaturarea electronilor din grila flotanta - aducand grila de control la potentialul masei si sursa la o tensiune pozitiva (+V _erase), electronii vor fi atrasi spre sursa si prin aceasta, grila flotanta nu va mai contine sarcini negative sau numarul acestora va fi foarte redus. O memorie Flash este intotdeauna stearsa inainte de a fi programata. La memoriile Flash moderne stergerea se realizeaza pe blocuri sau paginat, dar important este ca un singur octet din cadrul unui bloc nu poate fi sters (programat) decat dupa ce este sters impreuna cu intregul bloc din care face parte. Memoriile Flash ofera suplimentar posibilitatea stergerii globale rapide (bulk erase).

Caracteristici generale

Timp de acces 45 - 150 ns

Numarul de stergeri si reprogramari este de 10 ⁴ - 10 ⁵

^{Durata de mentinere a informatiei memorate este de minim 10 ani}

^{Sunt cele mai ieftine memorii nonvolatile}

^{Se pot rescrie in timpul functionarii.}

Capacitatea chip-urilor nu influenteaza decisiv performanta, insa e totusi important: cu cat chipul este mai incapator si modern, cu atat mai mare este viteza de citire si scriere succesiva. In general acest fapt se datoreaza miniaturizarii proceselor tehnologice, utilizate la fabricarea cardurilor.

Un loc important in performantele cardului o are si controller-ul. Insa aici totul ramane la 'preferintele' producatorului.

VI. Unitate flash prin USB

Unitatile flash USB sunt de tip NAND- dispozitive de stocare a datelor in memorie flash cu interfata USB (universal serial bus) integrata. Ele sunt de obicei mici, cu greutate specifica mica, pot fi sterse si rescrise. Capacitatea este limitata numai de densitatile curente ale memoriilor flash, desi costul pe megabyte ar putea sa creasca rapid la capacitati mari datorita componentelor scumpe.

Unitatile flash USB ofera potentiale avantaje peste alte dispozitive de stocare, in special peste floppy disk. Ele sunt mai compacte, in general mai rapide, retin mai multe informatii, si sunt mai de incredere decat dischetele floppy. Aceste tipuri de unitati folosesc standardul de capacitate a memoriei USB, suportat nativ de sistemele de operare moderne cum sunt LINUX, MAC OS X, UNIX si WINDOWS.

O unitate flash se compune dintr-o placuta mica de circuit imprimata, ambalata in plastic sau metal dupa caz, facand ca unitatea sa fie destul de viguroasa ca sa poata fi dusa de colo-colo, intr-un buzunar, ca o cheie. Doar conectorul USB iasa inafara din aceasta protectie si este de obicei acoperit de un capac demontabil. Majoritatea unitatilor flash folosesc tipul de conectare USB permitandu-le sa fie conectate direct la un port pe un calculator personal.

Pentru a accesa informatiile stocate intr-o unitate flash, aceasta trebuie sa fie conectata la un calculator,sau prin conectarea intr-o sectie gazda USB construita in calculator, sau intr-un hub USB. Unitatile flash sunt active numai cand sunt introduse intr-o conexiune USB si isi ia toata energia electrica necesara de la rezerva furnizata de acea conexiune. Oricum unele unitati flash , mai ales cele de viteza mare, care utilizeaza USB-ul 2.0 standard, ar putea necesita mai multa putere decat cantitatea limita furnizata de un bus-powered USB hub, ca si cele construite in unele tastaturi sau monitoare. Aceste unitati nu vor lucra numai daca sunt conectate direct la o gazda conducatoare sau la un hub self-powered.

VI.1. Scurt istoric

Mai multe companii pretind a fi primele care au inventat unitatea USB FLASH in 1998-2000. Diferite companii sustin ca au fost primele care s-au gandit la un astfel de dispozitiv, care au notat o descriere despre unitatea USB flash, au construit-o, au brevetat-o, sau chiar au fost primii care au vandut-o.

Trek a fost prima companie care a vandut unitatea USB flash (ThumbDrive) in timpuriul an 2000. Oricum, autorizatia lor nu descrie intr-adevar unitatea USB flash, ci o foarte larga familie de dispozitive de stocare, dintre care USB FLASH DRIVE este unul. M-Systems lucrau la dezvoltarea unei unitati USB flash inca din 1998.

Pana la urma compania Trek a dat in judecata 4 companii pentru incalcarea autorizatiei sale. Acestea au pretins anularea autorizatiei companiei Trek sub pretext ca aceasta era invalida. Acum totul a ramas in ceata.

VI.2. Componente

Un capat al dispozitivului este un conector prevazut cu un singur conector de tip tata Type-a USB. Inauntrul cutiei de plastic este o mica placuta de circuit imprimata. Montata pe aceasta placuta sunt niste simple scheme electrice de circuit si un mic numar de circuite integrate montate pe suprafata. De obicei una dintre aceste circuite integrate furnizeaza o interfata la portul USB, alta conduce la memoria inclusa pe placa, si alta este memoria flash.

1.a. Partile componente a unei unitati flash tipice:

1. Conectorul USB - 1
2. Controllerul USB de stocare in masa - 2
3. Pini de test - 3
4. Cipul de memorie flash - 4
5. Crystal Oscilator(cuart) - 5
6. LED - 6
7. Comutator Write-protect ("scriere-protectie") - 7
8. Spatiu pentru cel de-al doilea cip de memorie flash - 8

1.b. Componente esentiale

Exista de obicei patru parti ale unitatilor flash:

• Conectorul de tip tata Type-a USB care furnizeaza o interfata calculatorului principal.
• Controllerul USB de depozitare a informatiei pune in aplicare controllerul calculatorului gazda si furnizeaza o interfata lineara a unui bloc-orientare. Controllerul contine un mic microprocesor RISC si o mica cantitate ce cip ROM si RAM.
• Cipurile de memorie flash de tip NAND care depoziteaza informatia.NAND flash sunt folosite de asemenea si la camere digitale.
• Oscilatorul de cristal produce semnalul ceas, al principalului dispozitiv, de 12 MHz si controleaza randamentul informatiei dispozitivului printr-un ciclu bucla-faza.

1.c. Componente aditionale

Dispozitivul tip poate de asemenea sa includa:

• Elemente de legatura si pini de test - pentru teste in timpul fabricarii unitatii flash sau incarcarea codului in microprocesor.
• Led-ul - indica transferele de date sau citirea si scrierea de date.
• Comutatorul Write-protect - indica daca dispozitivul ar trebui sa fie in modulul "scriere-protectie".
• Spatiul nefolosit - furnizeaza spatiu pentru a include un al doilea cip de memorie flash. Avand acest al doilea spatiu i se permite fabricantului sa dezvolte numai o placuta de circuit imprimat care poate fi folosita la mai mult de o dimensiune de stocare pentru a intampina nevoile pietei; astfel incat daca creste nevoia de extindere a capacitatii dispozitivului fabricantul va produce acelasi dispozitiv ca pana acuma dar va mai adauga la acesta un cip de memorie flash.
• Capacul de acoperire a conectorului USB - reduce riscut de deteriorare datorita electricitatii statice si imbunatateste total aparenta dispozitivului. Unele unitati flash nu detin capac dar in schimb au un conector USB retractabil. Alte unitati flash au un capac care se roteste si este in permanenta legat de unitate eliminand sansele de a pierde capacul.

2. Comparatie intre dispozitivele de memorie flash

La fel ca in cazul altor medii de stocare, trebuie sa comparati caracteristicile fiecarui produs cu necesitatile dumneavoastra. Ar trebui sa tineti seama de urmatoarele aspecte inainte de a cumpara dispozitive pentru memorie flash:

• Ce tip de memorie flash accepta aparatul foto sau dispozitivul pe care il aveti? Desi exista adaptoare care va permit sa utilizati alternativ diferite tipuri de memorie flash, pentru obtinerea celor mai bune rezultate este bine sa folositi tipul de memorie flash pentru care a fost proiectat dispozitivul dumneavoastra.
• Ce capacitati accepta dispozitivul dumneavoastra? Memoriile flash sunt disponibile la capacitati din ce in ce mai mari, dar nu toate dispozitivele sunt capabile sa foloseasca memoriile de capacitati mai mari. Puteti gasi informatii referitoare la compatibilitate pe siturile Wrb dedicate dispozitivului si cartelei de memorie flash.
• Unele dispozitive de memorie flash sunt mai bune decat altele? Unii producatori au adus diferite imbunatatiri fata de cerintele de baza ale dispozitivelor de memorie flash. De exemplu Lexar, producatorul memoriei CompactFlash+, ofera doua serii de cartele mai rapide, precum si cateva modele care pot fi afisate la porturile USB, pentru transferarea mai rapida a datelor, folosind un cablu simplu USB, in locul unui cititor de cartele, mai scump si mai mare.

Numai cartelele ATA DataFlash pot fi afisate direct la sloturile PC Card ale unui calculator notebook. Toate celelalte dispozitive au nevoie de un soclu propriu sau de un tip oarecare de adaptor pentru transferarea datelor.

Bibliografie:

[1] "Pc depanare si modernizare" - Scott Mueller - Editia IV - vol. II

[2] "Manualul muncitorului electronist" - I.Ristea, Gh. Constantinescu

[3] www.wikipedia.org : https://en.wikipedia.org/wiki/USB_flash_drive

https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_card

https://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory

https://en.wikipedia.org/wiki/Compact_Flash

https://en.wikipedia.org/wiki/EEPROM

[4] alte adrese de internet: https://www.flashcards-online.co.uk/history.htm

https://electronics.howstuffworks.com/flash-memory.htm

[5] scheme si poze: www.google.ro

[6] traducerea datelor din limba engleza in limba romana a fost posiblila cu micul ajutor oferit de : https://www.etranslator.ro/