Välkmälu

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

Välkmälu (inglise keeles flash memory) on säilmälu, mis on elektriliselt kustutav ja programmeeritav. Mälupulgad, mälukaardid, MP3-mängijad ja teised seadmed kasutavad välkmälu. 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 seetõttu on saanud domineerivaks tehnoloogiaks seadmetel, kus on vaja palju säilmälu. Näiteks, välkmälu kasutatakse Sülearvutites, digikaamerates, mobiiltelefonides ja mängukonsoolides mänguseisude salvestamiseks.

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

Ajalugu

Välkmälu leiutas Dr. Fujio Masuoka töötades Toshiba's 1980-ndel.[2] Välkmälu nimi "flash" (ingl. välklamp) mõtles välja Dr. Masuoka kolleeg, Mr. Shoji Ariizumi. Mälu kustutamisprotsess tuletas talle meelde fotoaparaadi välklampi. Dr. Masuoka esitas oma leiutist Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituudi 1984. International Electron Devices Meeting konverentsil San Franciscos.

CompactFlash mälukaart

Intel nägi Dr. Masuoka leiutisel suurt potentsiaali ja esitas esimese kättesaadava NOR-tüübilise välkmälu kiibi 1988. aastal.[3] NOR-tüübi välkmälul on madalad kustutamis– ja kirjutamiskiirused, aga see on varustatud täielike aadress– ja andmesiinidega, see tähendab, et on võimalik pöörduda suvalise aadressi poole. See omadus teeb välkmälu heaks asetuseks püsimälu kiipidele, milledel salvestatakse programme, millede harva uuendatakse, nagu BIOS või seadme püsivara. NOR-tüübi mälu kasutati esimestel välkmälupõhistel andmekandjatel. Esimestel CompactFlash mälukaartidel kasutati NOR-tüübi mälu, aga hiljem hakati kasutama odavamat NAND-tüüpi mälu.

Toshiba kuulutas välja NAND-tüüpi välkmälu 1987. International Electron Devices Meeting konverentsil. 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-tüübi mälu puhul ei ole võimalik pöörduda suvalise aadressi poole. Andmeid on vaja lugeda plokkides, igas plokkis sadu, või isegi tuhandeid, bitte. Seepärast NAND-tüübi mälu on sobimatu asendusena püsimälule, sest enamus protsessoreid ja mikrokontrollereid vajas suvapöördust baidi tasemel. Selles suhes on NAND-tüübi mälu sarnane teistele sekundaarsalvestitele nagu kõvakettad ja optilised andmekandjad. Esimene NAND-tüübi välkmälu kasutatav andmekandja oli SmartMedia mälukaart, mis ilmus 1995. aastal. Peale 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 kaardil on pindala umbes 1.5 cm2 ning see on õhem kui kui 1 mm. Sellest hoolimata, on microSD kaartidel mahud 64 MB–32 GB.[4]

Tööpõhimõte

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

NOR flash

NOR-tüübi mälu struktuur ränil

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

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

NAND flash

NAND-tüübi mälu struktuur ränil

NAND-tüübi välkmälu samuti kasutab ujuva paisuga transistorid, aga nad 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 transistore, maandusjuhtmete ja bitiliinide vähenemine võimaldab paigutada rakke tihedamalt ja valmistada suurema mahuga kiipe. Lisaks, NAND-tüübi välkmälu võib sisaldada teatud arv defekte, aga NOR-tüübi mälus ei tohi olla defekti. Tootjad püüavad mälu mahtu võimalikult palju suurendada transistorite suurust vähendades.

NAND-tüübi välkmälu on enim kasutatud mälu USB andmekandjates. Peaagu kõikides praegustes mälupulgades, mälukaardides ja SSD-tüübi ketastes kasutatakse NAND-tüübi välkmälu.

Piirangud

Plokkidena kustutamine

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

Kahjuks, tavalistel välkmälu seadmetel, nagu mälupulkadel ja mälukaartidel, on ainult plokk-tase kasutajaliides, või FTL (inglise keeles Flash Translation Layer), mis kirjutab erinevatele rakkudele, et vältida seadme kulutust. See tähendab, et ei saa plokki kirjutada üle ilma kustutamiseta, aga see kaitseb seadmid halvasti kuvandatud riistvarast või tarkvarast. Näiteks, peaagu kõik olmeseadmed on formateeritud MS-FAT failisüüsteemiga, mis oli loodud ennem, kui välkmälu ja oli optimiseeritud mehaaniliste seadmete jaoks.

Mälu kulumine

Veel üheks välkmälu piiranguks, on piiratud arv kustutamis–/kirjutamis tsüklit. Enamik välkmälu kasutavatest seadmetest garanteeritud vastu pidada umbes 100000 kustutamis–/kirjutamis tsüklit, enne kui seadme terviklikkus hakab halvenema.[5] Micron Technology ja Sun Microsystems esitlesid 2008. aasta detsembril välkmälukiipi, mis on garanteeritud vastu pidada 1000000 kustutamis–/kirjutamis tsüklit.[6]

See piirang on mõttetu seadmetel, kus välkmälu kasutatakse püsimäluna, nagu BIOS ja ruuteritel, mis on programmeeritus ainult paar korda oma eluajas.

Välkmälu kõvaketaste asendusena

 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–/kirjutamis tsüklit teeb seda kasutamatuks. See on siiski väiksem probleem, sest SSD-tüüpi kettade 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 maksas 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 hiljemad 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

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

NAND-tüübi välkmälu kasutatavatel mälukaardidel 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 60x, 100x või 150x, kus 1x on ekvivalentne 150 KB/s. Näiteks, 100x mälukaardil on kiirus 150 KB/s x 100 = 15000 KB/s = 14.65 MB/s.

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

Tööstus

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 on 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

Kuna välkmälul on lihtne struktuur ja on olemas suur vajadus suure mahule järele, NAND-tüübi välkmälu on kõige agressiivselt skaleeritud elektrooniliste seadmete tehnoloogia. Suur konkurents kõige suurtemate tootjate vahel lisab veel agressiivsust. Kui välkmälu raku suurus jõuab minimaalsele piirile (praegu hinnanguliselt ~20 nm), järgnevad tiheduse suurenemised hakavad baseerima suurenevatel MLC tasemetel. Isegi nende edenemistega, on võimalik, et rohkem skaleerida välkmälu ei ole majanduslikult otstarbekas. Paljud uued tehnoloogiad (näiteks, FeRAM (ferroelektriline mälu), MRAM (magneeto-resistiivne mälu)) on uurimisel ja arengul võimalikkudena asendustena välkmälule.[23]

Vaata ka

Viited

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

Välislingid

Põhikomponendid
Sisendseadmed
Hiir  • Juhtkuul  • Klaviatuur  • Mikrofon  • Näpuhiir  • Puuteplaat  • Puuteekraan  • Skanner
Väljundseadmed
Kuvar  • Kõlar  • Kõrvaklapid  • Printer
Andmekandjad
Blu-ray  • CD  • DVD  • Diskett  • Magnetoptiline ketas  • Välkmälu (Mälupulk)
Siinid
Ethernet  • FireWire  • Järjestikport  • Rööpport  • Thunderbolt  • USB
Lisaseadmed
Pärit leheküljelt "https://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Välkmälu&oldid=2327075"