Välkmälu

Allikas: Vikipeedia
Mälupulk. Vasak kiip on välkmälu. Parem kiip on välkmälu kontroller.

Välkmälu (inglise keeles flash memory) on säilmälu, mis on elektriliselt kustutatav ja programmeeritav. Välkmälu kasutavad mälupulgad, mälukaardid, MP3-mängijad ja teised seadmed. See on EEPROM (inglise keeles electrically erasable programmable read-only memory – elektriliselt ümberprogrammeeritav püsimälu), mida programmeeritakse ümber suurte plokkidena. Vanadel seadmetel kustutati ja programmeeriti ümber kogu kiip korraga. Välkmälu maksab palju vähem kui EEPROM, mida saab programmeerida ühe baidi haaval, ja on seetõttu saanud domineerivaks tehnoloogiaks seadmetel, kus on vaja palju säilmälu. Näiteks kasutatakse välkmälu sülearvutites, digikaamerates, mobiiltelefonides ja mängukonsoolides mänguseisude salvestamiseks.

Kuna välkmälu on säilmälu, säilivad andmed ka pärast toite väljalülitamist. Lisaks on välkmälul suur lugemiskiirus (kuigi väiksem kui muutmälul) ja parem löögikindlus kui kõvaketastel. Nende omaduste tõttu on välkmälu saanud väga populaarseks kaasaskantavates seadmetes. Mälukaardis pakendatud välkmälu on väga vastupidav, võimeline taluma tugevat survet ja äärmuslikke temperatuure ning on veekindel.[1]

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välkmälu leiutas dr Fujio Masuoka, töötades 1980. aastatel Toshibas.[2] Välkmälu nime "flash" (ingl.k 'välklamp') mõtles välja Masuoka kolleeg Shoji Ariizumi, kuna mälu kustutamisprotsess meenutas talle fotoaparaadi välklampi. Masuoka esitles oma leiutist Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituudi 1984. aasta konverentsil International Electron Devices Meeting San Franciscos.

CompactFlash mälukaart

Intel nägi Masuoka leiutises suurt potentsiaali ja esitles esimest kättesaadavat NOR-tüüpi välkmälukiipi 1988. aastal.[3] NOR-tüüpi välkmälul on madal kustutamis- ja kirjutamiskiirus, aga see on varustatud täielike aadressi– ja andmesiinidega, mis tähendab, et on võimalik pöörduda suvalise aadressi poole. See omadus teeb välkmälu heaks asenduseks püsimälukiipidele, millel salvestatakse programme, mida harva uuendatakse, nagu BIOS või seadme püsivara. NOR-tüüpi mälu kasutati esimestel välkmälupõhistel andmekandjatel. Esimestel CompactFlash mälukaartidel tarvitati NOR-tüüpi mälu, hiljem hakati kasutama odavamat NAND-tüüpi mälu.

Toshiba tutvustas NAND-tüüpi välkmälu 1987. aastal konverentsil International Electron Devices Meeting. Sellel mälul on vähendatud kustutamis- ja kirjutamisajad, iga mälurakk vajab vähem kiibi pindala, mis võimaldab rakke tihedalt pakkida, mille tõttu on hind biti kohta madalam. Kuid NAND-tüüpi mälu puhul ei ole võimalik pöörduda suvalise aadressi poole. Andmeid on vaja lugeda plokkides, igas plokis sadu või isegi tuhandeid bitte. Seepärast on NAND-tüübi mälu sobimatu püsimälu asendusena, sest enamik protsessoreid ja mikrokontrollereid vajasid suvapöördust baidi tasemel. Selles suhtes on NAND-tüüpi mälu sarnane teistele sekundaarsalvestitele nagu kõvakettad ja optilised andmekandjad. Esimene NAND-tüüpi välkmälu kasutatav andmekandja oli SmartMedia mälukaart, mis ilmus 1995. aastal. Pärast seda ilmusid MultiMediaCard, Secure Digital, Memory Stick ja xD-Picture Card. Uue põlvkonna mälukaartidel, nagu RS-MMC, miniSD ja microSD, on üliväike pakend. Näiteks, microSD kaardi pindala on umbes 1,5 cm2 ning see on õhem kui kui 1 mm. Sellest hoolimata on microSD kaartidel mahud 64 MB–32 GB.[4]

Tööpõhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välkmälu salvestab andmeid ujuva paisuga transistoritest mälurakkudes. Traditsioonilistes ühetasandilistes mälurakkudes hoiab iga rakk ainult ühte bitti informatsiooni. Mõned uued välkmälu kiibid mitmetasandiliste rakkudega võivad hoida rohkem kui üks bitt igas rakus, kasutades mitut erineva tasandiga elektrilaengut.

NOR flash[muuda | redigeeri lähteteksti]

NOR-tüüpi mälu struktuur ränil

NOR-tüüpi välkmälus on iga raku üks pool ühendatud otse maandusega ja teine pool on ühendatud otse andmeliini.

Seda asetust nimetatakse NOR-tüüpi mäluks sellepärast, et see käitub nagu NOR loogika element.

NAND flash[muuda | redigeeri lähteteksti]

NAND-tüübi mälu struktuur ränil

NAND-tüüpi välkmälu kasutab ka ujuva paisuga transistoreid, aga need on ühendatud nagu NAND loogika element. Mitu transistori on jadaühenduses ja need rühmad vajavad lisatransistore, et ühendada rühma biti liinile.

Vaatamata sellele, et kasutatakse rohkem transistoreid, võimaldab maandusjuhtmete ja bitiliinide vähenemine paigutada rakke tihedamalt ja valmistada suurema mahuga kiipe. Lisaks võib NAND-tüüpi välkmälu sisaldada teatud arvu defekte, kuid NOR-tüüpi mälus defekte olla ei tohi. Tootjad püüavad mälu mahtu võimalikult palju suurendada transistorite suurust vähendades.

NAND-tüüpi välkmälu on enimkasutatud mälu USB andmekandjates. Peaaegu kõikides praegustes mälupulkades, mälukaartides ja SSD-tüüpi ketastes kasutatakse NAND-tüüpi välkmälu.

Piirangud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Plokkidena kustutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

NOR-tüüpi välkmälu saab ühe baidi haaval lugeda suvaliselt aadressilt/kirjutada ühele suvalisele aadressile, aga seda võib kustutada ainult tervete plokkidena. Tavaliselt seatakse kõik bitid plokkis väärtusele "1". Kui hakatakse kirjutama tühjale plokile, on iga bitt selles plokis programmeeritav. Kuid pärast seda, kui bitt seatakse väärtusele "0", võib seda seada väärtusele "1" ainult pärast terve plokki kustutamist. Teisisõnu pakub NOR-tüüpi välkmälu võimalust lugeda ja kirjutada suvalisele aadressile, aga kustutada on võimalik ainult terve plokkidena. Ühe biti võib kirjutada üle, aga ainult siis, kui sellel on veel väärtus "1". Näiteks, kui olemas plokk 1111, võib sellesse kirjutada 1011, siis 1001, siis 0001, ja lõpuks 0000. Pärast seda on kirjutamiseks vaja terve plokk kustutada. Spetsiaalsed välkmälu failisüsteemid oskavad seda omadust kasutada.

Kahjuks on tavalistel välkmälu seadmetel, näiteks mälupulkadel ja mälukaartidel ainult plokk-taseme kasutajaliides, või FTL (inglise keeles Flash Translation Layer), mis kirjutab erinevatele rakkudele, et vältida seadme kulumist. See tähendab, et ei saa plokki kirjutada üle ilma kustutamiseta, aga see kaitseb seadmeid halvasti kuvandatud riistvarast või tarkvarast. Näiteks, peaagu kõik olmeseadmed on vormindatud MS-FAT failisüsteemiga, mis oli loodud varem kui välkmälu ja oli optimeeritud mehaaniliste seadmete jaoks.

Mälu kulumine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Veel üheks välkmälu piiranguks on piiratud arv kustutamis- ja kirjutamistsükleid. Enamik välkmälu kasutavatest seadmetest on garanteeritud vastu pidama umbes 100 000 kustutamise ja kirjutamise tsüklit enne kui seadme terviklikkus hakkab halvenema.[5] Micron Technology ja Sun Microsystems esitlesid 2008. aasta detsembris välkmälukiipi, mis on garanteeritud vastu pidama 1 000 000 kustutamis- ja kirjutamistsüklit.[6]

See piirang on mõttetu seadmetes, kus välkmälu kasutatakse püsimäluna, nagu BIOS ja ruuterites, mida programmeeritakse ainult paar korda oma eluaja jooksul.

Välkmälu kõvaketaste asendusena[muuda | redigeeri lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Pooljuhtketas
Intel SATA SSD 80 GB

Üks hiljutine välkmälu rakendus on selle kasutamine kõvaketaste asenduseks. Välkmälul ei ole kõvaketaste mehaanilisi– ja kiiruse– piiranguid, seepärast SSD-tüüpi (inglise keeles Solid-State Drive ehk pooljuhtketas) seade on hea asendus kõvakettale, kui on vaja kiirust, madalat mürataset, energiasäästu ja usaldusväärsust. SSD-tüüpi kettad hakkavad olema populaarsed sekundaarsalvestid kaasaskantavatel seadmetel. Lisaks on nad kasutusel kõvaketastena suure jõudlusega arvutites ja serverites, kus kasutatakse RAID ja SAN arhitektuure.

SSD-tüüpi ketastel on siiski paar halba aspekti. Kõige märgatavam on see, et välkmälul on gigabaidi hind praegu oluliselt kõrgem, kui kõvaketastel. Kuigi see vahe väheneb välkmälu puhul, ei ole veel teada, kas välkmälu jõuab kõvaketaste mahtudele ja kättesaadavusele järgi. Kuna teadus- ja arendustegevus on väga aktiivne, ei saa samas öelda, et seda ei juhtu.

On veel mure, et välkmälu piiratud arv kustutamis- või kirjutamistsüklit teeb selle kasutamatuks. See on siiski väiksem probleem, sest SSD-tüüpi kettaste garantiid lähenevad praeguste kõvaketaste garantiidele.[7][8]

2006. aasta juunis Samsung Electronics esitles esimeseid SSD-tüüpi ketastega arvuteid: Q1-SSD ja Q30-SSD. Mõlemad kasutasid 32 GB SSD kettaid ja olid saadaval algselt ainult Lõuna-Koreas.[9] Alates 2007. aasta aprillist oli Dell sülearvutidel Latitude D430 ja D620 ATG võimalik valida 32 GB SSD ketas, mis maksis 549 dollarit rohkem, kui kõvakettaga versioon.[10]

2007. aastal esitles A-DATA SSD kettaid mahtudega 32 GB, 64 GB ja 128 GB.[11] OLPC programmi sülearvuti XO-1 kasutab SSD ketast.[12]

On olemas hübriidsed tehnoloogiad hybrid drive ja ReadyBoost, mis kasutavad SSD ja HDD paremaid omadusi samaaegselt, kasutades välkmälu vahemäluna failide jaoks, mida sageli loetakse, aga harva muudetakse.

Esimesed Asus Eee versioonid kasutasid 2–20 GB mahuga SSD kettast, kuid hilisemad versioonid kasutavad tavalist kõvaketast. Apple Inc. MacBook Air kasutab 64–256 GB mahuga SSD ketast.[13] Apple iPad kasutab 16–64 GB mahuga SSD ketast.[14]

Maht[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mitu kiipi on tavaliselt seatud ritta, et saavutada kõrgemaid mahte olmeelektroonika seadmetel, nagu MP3 mängijatel või GPS seadmetel. Välkmälu kiipide mahud järgivad Moore'i seadust, sest neid valmistatakse samade töötamisviide ja varustuse abil, nagu teisi mikrokiipe.

Välkmälu seadmetel on mahud tavaliselt astmelised arvud alusega 2 (näiteks, 512 MB, 8 GB). See siiski mõnikord, aga ainult harva, ei kehti SSD ketaste puhul.[15]

2005. aastal Toshiba ja SanDisk arendasid NAND-tüübi välkmälukiipi 1 GB mahuga. Sama aasta septembris, esitles Samsung Electronics esimese 2 GB kiibi.[16]

2006. aasta märtsis, esitles Samsung välkmälu kettaid 4 GB mahuga ja septembris 8 GB mahuga kiipi 40-nm rakkudega.[17]

2008. aasta jaanuaris esitles SanDisk 16 GB mahuga MicroSDHC ja 32&GB mahuga SDHC Plus mälukaarte.[18]

2009. aastal Kingston esitles 256 GB mahuga mälupulga.[19]

Siiski valmistatakse praegugi veel välkmälukiipe mahuga umbes 1 MB või vähem, näiteks BIOS jaoks.

Edastuskiirused[muuda | redigeeri lähteteksti]

NAND-tüübi välkmälu kasutatavatel mälukaartidel on lugemiskiirused palju kõrgemad kui kirjutamiskiirused. Seepärast reklaamitakse tavaliselt maksimaalset lugemiskiirust. Kui loetakse või kirjutatakse mitmeid väikseid faile, kus iga fail on väiksem, kui kiibi ploki suurus, võib edastuskiirus väheneda.

Kiirust antakse MB/s (megabaiti sekundis) või ühekiiruselise CD-ROMi kiiruse suhtes, nagu 60×, 100× või 150×, kus 1× on ekvivalentne 150 KB/s. Näiteks, 100× mälukaardil on kiirus 150 KB/s × 100 = 15000 KB/s = 14,65 MB/s.

Edastuskiirused sõltuvad veel mälukontrolleri kvaliteedist. Isegi, kui ainuke muutus tootmises on transistori suuruse kokku tõmbumine, võib sobiva kontrolleri puudumine põhjustada edastuskiiruste vähenemist.[20]

Tööstus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Üks allikas väidab, et välkmälu turu maht 2008. aastal on hinnanguliselt 9,1 miljardit dollarit. Apple Inc. on kolmas suurim välkmälu ostja, kasutades umbes 13% kogu välkmälu tootmisest.[21] Teised allikad väidavad, et välkmälu turu maht 2006. aastal oli hinnanguliselt rohkem kui 20 miljardit dollarit, mis on rohkem, kui 8% kogu pooljuhtide turust ja rohkem, kui 34% kogu pooljuhtide mälu turust.[22]

Välkmälu skaleerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna välkmälul on lihtne struktuur ja on olemas suur vajadus suure mahu järele, püütakse pidevalt vähendada välkmälus kasutatavate komponentide suurust. Seejuures on NAND-tüübi välkmälu kõige agressiivsemalt skaleeritud elektrooniliste seadmete tehnoloogia ning protsessi kiirendab veelgi suur konkurents kõige suuremate tootjate vahel. Kui välkmälu raku suurus jõuab minimaalsele piirile (praegu hinnanguliselt ~20 nm), hakkavad järgnevad tiheduse suurenemised baseeruma suurenevatel MLC tasemetel. Isegi nende edenemistega on võimalik, et rohkem ei ole otstarbekas välkmälu skaleerida. Paljud uued tehnoloogiad (näiteks, FeRAM (ferroelektriline mälu), MRAM (magneeto-resistiivne mälu)) on uurimisel ja tulevikus võimalikud asendused välkmälule.[23]

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. "Owners of QM2 seabed camera found". BBC News. 2010-12-11. 
  2. Benjamin Fulford: "Unsung hero" Forbes. 24. juuni 2002
  3. Tal, Arie (Veebruar 2002). "NAND vs. NOR flash technology: The designer should weigh the options when using flash memory". Vaadatud 2010-12-11. 
  4. "SanDisk ships 32GB mobile memory card". Computerworld. 22. märts 2010. Vaadatud 2010-12-11. 
  5. "NAND Flash Solid State Storage for the Enterprise, An In-depth Look at Reliability)". Vaadatud 2010-12-11. 
  6. "Micron Collaborates with Sun Microsystems to Extend Lifespan of Flash-Based Storage, Achieves One Million Write Cycles". Vaadatud 2010-12-11. 
  7. "Flash Memory vs. HDD – Who Will Win?". STORAGEsearch. Vaadatud 2010-12-11. 
  8. "Flash Solid State Disks – Inferior Technology or Closet Superstar?". STORAGEsearch. Vaadatud 2010-12-11. 
  9. "Samsung Electronics Launches the World’s First PCs with NAND Flash-based Solid State Disk". Vaadatud 2010-12-11. 
  10. "Dell joins the fray, offers SSD in Latitude D420, D620". Engadget. 24. aprill 2007. Vaadatud 2010-12-11. 
  11. "Future of Flash revealed". Vaadatud 2010-12-11. 
  12. "Future of ne Laptop per Child (OLPC): Laptop Hardware > Specs". Vaadatud 2010-12-11. 
  13. "Apple – MacBook Air – Compare both models of MacBook Air.". Vaadatud 2010-12-11. 
  14. "Apple – iPad – View the technical specifications for iPad.". Vaadatud 2010-12-11. 
  15. "4.1-Way SSD Shootout". Vaadatud 2010-12-11. 
  16. Shilov, Anton (12. september 2005). "Samsung Unveils 2GB Flash Memory Chip". X-bit labs. Vaadatud 2010-12-11. 
  17. Gruener, Wolfgang (11. september 2006). "Samsung announces 40-nm Flash, predicts 20 nm devices". TG Daily. Vaadatud 2010-12-11. 
  18. "SanDisk Announces 32 and 16 GB SDHC Cards". Vaadatud 2010-12-11. 
  19. "Kingston unveils 256GB thumb drive for well-heeled memory fiends". Vaadatud 2010-12-11. 
  20. "Samsung Confirms 32nm Flash Problems, Working on New SSD Controller". Vaadatud 2010-12-11. 
  21. "Apple sneezes, flash industry gets sick". Vaadatud 2010-12-11. 
  22. Yinug, Christopher Falan (Juuli 2007). "The Rise of the Flash Memory Market: Its Impact on Firm Behavior and Global Semiconductor Trade Patterns" (PDF). Journal of International Commerce and Economics. Vaadatud 2010-12-11. 
  23. Kim, Kinam; Koh, Gwan-Hyeob (2004-05-16). Future Memory Technology including Emerging New Memories. Serbia and Montenegro: Proceedings of the 24th International Conference on Microelectronics (avaldatud 2004-05). pp. 377–384. Vaadatud 2010-12-11. 

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]