CC BY
51Компоненты и технологии, № 4'2002 Тема номера
Твердотельные электронные диски
компании M-Systems
Израильская компания М-БувГетв со времени своего создания была ориентирована на разработку и производство запоминающих устройств, предназначенных для хранения больших объемов информации в экстремальных условиях внешних механических и электромагнитных воздействий, в первую очередь, в секторе военного применения.
Михаил Петров
Немного истории
Работы по созданию постоянных запоминающих устройств с электрической перезаписью информации велись на протяжении многих лет. По мере развития процессорной техники и увеличения областей ее применения вставал вопрос энергонезависимого хранения больших объемов данных и программ. И если в устройствах, предназначенных для бытового и промышленного применения, пока еще можно было обойтись стандартными дисковыми запоминающими устройствами на магнитных носителях, то значительно сложнее обстояли дела в оборудовании для военного применения.
С одной стороны, использование магнитных носителей информации затруднялось чрезвычайно тяжелыми условиями эксплуатации, в первую очередь с точки зрения механического воздействия. Ведь любое дисковое запоминающее устройство содержит прецизионные механизмы перемещения головок чтения и записи. И трудно себе представить надежную работу такого устройства, например, на борту боевого вертолета или танка.
С другой стороны, специфика военного применения требовала наличия режима быстрого уничтожения всей записанной информации в случае попадания устройства в руки противника. Военным был необходим механизм «тотального стирания» информации в случае обнаружения попыток несанкционированного доступа. Как только система обнаруживала какие-либо недопустимые события, она должна была сгенерировать внутренний сигнал стирания, приводящий к немедленной очистке всех ячеек памяти без возможности последующего восстановления записанной в них информации.
Таким образом, еще с середины 70-х годов в оборудова-
нии военного применения начали активно применяться модули электрически программируемого постоянного запоминающего устройства с электрическим стиранием информации.
Одновременно с этим шла непрерывная работа над дальнейшим совершенствованием широко распространенных микросхем ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации. Такие устройства активно применялись в первую очередь в бытовой и промышленной технике для хранения информации, не требующей частой модификации. Естественная борьба за уменьшение размеров ячейки памяти и соответствующее увеличение объема запоминающего устройства, а также связанные с этим изменения технологии производства привели к неожиданному результату. Оказалось, что теперь для стирания информации совсем не обязательно подвергать микросхему ультрафиолетовому облучению, а достаточно только подачи электрического импульса.
Flash-ROM
В 1988 году компанией Intel была разработана и запущена в производство первая микросхема запоминающего устройства нового типа, получившего название Flash-ROM. Собственно, это был только один из вариантов запоминающего устройства, изготовленный по так называемой архитектуре NOR.
Альтернативный вариант организации Flash-памяти был предложен в 1989 году компанией Toshiba. Этот вариант получил название NAND-архитектуры. Название архитектуры не имеет никакого отношения к самой запоминающей ячейке. Все существующие Flash-технологии работают по одному и тому же принципу — для хранения информации используется транзистор с так называемым «плавающим затвором» (рис. 1). Число электронов, инжектированных в область плавающего затвора, определяет проводимость транзистора, а следовательно, и содержимое ячейки памяти.
Не вдаваясь подробно в конкретную организацию ячеек памяти, можно отметить, что в общем случае архитектуры NOR и NAND отличаются друг от друга только организацией доступа микропроцессора к информации, сохраненной в ПЗУ.
Микросхемы Flash-ROM с NOR-архитектурой разрабатывались для непосредственной замены
Компоненты и технологии, № 4'2002
ЭППЗУ в оборудовании, требующем выполнения программного кода непосредственно из ПЗУ. Это устройство произвольного доступа сравнительно небольшого объема, оптимизированное для минимизации времени чтения по произвольным адресам памяти. Поэтому до настоящего времени такие микросхемы используются преимущественно в качестве памяти программ. Типичным примером такого применения является микросхема ВЮв современного персонального компьютера, не требующая частого обновления информации и обеспечивающая выполнение программы непосредственно из микросхемы ПЗУ.
В противоположность этому ЫЛЫБ-архи-тектура была предназначена в первую очередь для хранения больших объемов данных и использует последовательный доступ к ячейкам памяти, аналогичный организации дискового запоминающего устройства. Это обеспечивает минимальные размеры ячейки памяти и максимальную плотность размещения ячеек на кристалле. ЫЛЫБ-память используется для хранения отдельных файлов или потоковой аудио- и видеоинформации. В этом случае время доступа к первой ячейке памяти может быть сравнительно велико, но зато чтение последовательных ячеек в пределах одного блока памяти производится очень быстро. В случае же необходимости хранения программ в запоминающем устройстве с ЫЛЫБ-архитек-турой программы хранятся в виде отдельных файлов, а перед выполнением перезаписываются в системное ОЗУ.
По-разному осуществляются и режимы стирания и записи информации в ПЗУ. В любой микросхеме БЫИ-памяти стирание и запись информации осуществляются только поблочно. В микросхемах ЫОИ-архитектуры размер одного блока памяти чаще всего составляет 64-128 Кбайт. Причем перед стиранием весь блок памяти должен быть предварительно заполнен нулями. Это приводит к тому, что для осуществления цикла записи—стирания одного блока памяти требуется продолжительное время, достигающее 5 с. Только после этого в ячейки блока памяти может быть осуществлена запись информации.
В микросхемах ЫЛЫБ-архитектуры, в целях унификации с дисковыми запоминающими устройствами, размеры одного блока памяти составляют обычно 256 или 512 байт. Столь малый объем блока памяти позволяет осуществить быстрое стирание всего блока за время, не превышающее 3-5 мс.
И снова немного истории
Примерно в это же время господин Дов Моран (Dov Moran), будущий президент и председатель правления компании M-Systems, работал в Америке в компании Miltope, значительную часть клиентов которой составляли военные. По роду своей деятельности г-н Моран хорошо представлял себе проблемы надежности работы дисковых запоминающих устройств в военной технике. И несмотря на то что появившиеся в это время на рынке первые микросхемы Flash-памяти обладали
незначительной емкостью, а стоимость их на начальном этапе развития составляла около 3000 долларов за Мбайт, Дов предложил идею использования БЫИ-памяти президенту компании МШоре.
Некоторое время спустя на эти работы были выделены начальные средства и для их выполнения зарегистрирована компания М-8уз1ешз. В 1991 году Дов Моран возвратился в Израиль, и компания М-ву81еш8 продолжила свою работу в Израиле и США.
Компания обрела стратегическое направление деятельности на все последующие годы. Из приведенного выше краткого обзора по различным архитектурам ИазЬ-памяти нетрудно понять, что в своей дальнейшей деятельности компания М-8у81еш8 остановилась на использовании запоминающих устройств с ЫЛЫБ-архитектурой. Такие микросхемы идеально подходили для разработки и производства твердотельных аналогов дисковых запоминающих устройств.
Основным недостатком ИазЬ-памяти на этом этапе оставалась ее высокая стоимость. Поэтому пока не могло быть даже речи о применении БЫИ-памяти и электронных дисков на ее основе в бытовой или промышленной технике. Единственными заказчиками, для которых вопрос стоимости менее актуален, чем вопрос надежности, были разработчики и производители военной техники.
Твердотельный Р1авН-диск
Но на пути разработки полноценного твердотельного аналога дискового запоминающего устройства стояло еще много проблем технического характера. Для их решения было положено начало стратегического партнерства компании М-8у81еш8 практически со всеми ведущими производителями микросхем ИазЬ-памяти и, конечно же, с фирмой То8ЫЬа. Только в тесном сотрудничестве с разработчиком и основным производителем памяти с ЫЛЫБ-архитектурой было возможно в предельно сжатые сроки либо устранить, либо каким-то образом скомпенсировать недостатки технологии.
Один из них состоит в том, что малые размеры ячейки ЫЛЫБ-памяти и высокая плотность расположения ячеек на кристалле приводят к высокой вероятности наличия неработоспособных ячеек памяти. Попытка изготовления ИазЬ-ПЗУ со 100 % работающих ячеек привела к столь значительному снижению процента выхода годных изделий и столь значительному удорожанию готового изделия, что его производство стало вообще экономически нецелесообразным. В результате пришлось довольствоваться устройствами памяти, заведомо содержащими неисправные ячейки, а для надежной работы запоминающего устройства воспользоваться методом, аналогичным используемому в жестких дисках. После первого включения устройства подозрительные блоки памяти отмечались как неисправные и в дальнейшем не использовались.
Второй значительный недостаток, присущий всем микросхемам БЫИ-памяти, но гораздо чаще встречающийся в микросхемах
NAND-архитектуры, состоит в эффекте, получившем название «bit flipping». В некоторых случаях отдельные биты информации самопроизвольно изменяют свое состояние на противоположное, иногда с последующим восстановлением первоначального. А это уже совершенно недопустимо для аппаратуры военного применения. Устранение этого эффекта потребовало введения в состав запоминающего устройства области хранения избыточной информации и использование схемы обнаружения и коррекции ошибок.
И, наконец, остался еще главный недостаток Flash-памяти — как и любое другое постоянное запоминающее устройство с электрической перезаписью, она имеет ограниченное число циклов стирания-записи информации. И хотя по этому параметру микросхемы, выполненные по NAND-технологии, более чем на порядок опережают устройства NOR-архитектуры, но все равно допустимое число циклов стирания-записи для NAND-микросхем обычно не превышает 106.
На этом этапе стало понятно, что проблемы производства твердотельных дисков на основе Flash-памяти не могут быть решены только аппаратным путем. Сколько бы не совершенствовался технологический процесс производства микросхем, это никогда не позволит до конца решить проблемы, вытекающие непосредственно из физического принципа работы ячейки запоминающего устройства.
Продолжение истории
Решение проблемы эмуляции жесткого диска теперь пошло параллельно по двум направлениям, тесно связанным между собой. С одной стороны, продолжалось дальнейшее плодотворное сотрудничество с разработчиками и производителями Flash-памяти, направленное как на совершенствование самого запоминающего устройства, так и на интеграцию на одном кристалле с ЗУ схемы обнаружения и коррекции ошибок. С другой стороны, велась активная работа по совершенствованию программного обеспечения, предназначенного для эмуляции жесткого диска на уровне файловой системы.
После отработки первых вариантов программы, наконец, стало понятным основное направление дальнейшего продвижения вперед. И в 1992 году началась работа над новой концепцией, получившей название TrueFFS и запатентованной в США. Концепция оказалось настолько удачной, что в настоящее время стала стандартом де-факто для твердотельных Flash-дисков. Развернутое на этом направлении сотрудничество с ведущими разработчиками программного обеспечения обеспечила интеграцию файловой системы TrueFFS в большинство современных операционных систем, включая Windows, MacOS, Linux, встраиваемые операционные системы и системы реального времени.
TrueFFS
Так что же представляет собой TrueFFS? Это программное обеспечение на уровне драйве-
Компоненты и технологии, № 4'2002
ра операционной системы, позволяющее обращаться к данным на Иа8Ь-диске как к обычным файлам. Драйвер обеспечивает необходимую трансляцию виртуальной блочной структуры файла в конкретные физические адреса запоминающего устройства. Прикладная программа может просто производить чтение и запись в запоминающее устройство, будто бы она работает с обыкновенным жестким диском. Всю остальную работу берет на себя ТгаеРРв. А работы остается еще много...
Обнаружение и коррекция ошибок
Исходя из физических принципов работы запоминающего устройства, запись и чтение информации сопровождаются сравнительно высокой вероятностью возникновения ошибок. Поэтому в состав программного обеспечения входит модуль обнаружения и коррекции ошибок с использованием кода Рида—Соломона. Программный модуль работает в тесной связи с контроллером запоминающего устройства и обеспечивает обнаружение отдельных ошибок и их коррекцию путем сохранения в запоминающем устройстве избыточной информации. Кроме этого, после окончания записи каждого блока информации осуществляется его чтение и сравнение с исходными данными. В случае их несовпадения осуществляется повторный цикл записи данных в другой области запоминающего устройства, а первоначальный блок отмечается как потенциально неисправный. В случае возникновения повторяющихся сбоев при записи информации в какой-либо из блоков он отмечается как неисправный и не принимает участия в дальнейшей работе устройства.
Равномерное использование блоков памяти
В результате сравнительно жестких ограничений на допустимое число циклов стирания—записи, информацию, сохраняемую во ИазЬ-КОМ, желательно как можно равномернее распределять по всей области памяти. Для обеспечения необходимой равномерности распределения используется статистический подход, при котором стираемые блоки максимально равномерно распределяются по области памяти и используются для записи приблизительно равновероятно. Это, в свою очередь, положительно сказывается на сроке службы всего устройства. По мере достижения предельного числа циклов использования неисправные блоки выводятся из работы подсистемой коррекции ошибок и не приводят к нарушению целостности сохраняемых данных.
Упреждающее стирание
Для записи информации в любую ячейку ИазЬ-устройства эта ячейка должна быть предварительно очищена. Причем стирание ячеек ЗУ осуществляется только поблочно. В результате при попытке изменения информации в каком-либо блоке данных необходимо осуществить достаточно продолжительный цикл стирания целого блока, и только после этого можно будет записать новые данные. Алгоритм записи с предварительным стиранием таит в себе потенциальные опасности в случае неожиданного отключения питания устройства.
Поэтому в окончательном варианте программного обеспечения используется алго-
ритм «упреждающего стирания». Непосредственно после окончания цикла записи какого-либо блока данных осуществляется стирание того блока памяти, который будет использоваться следующим для записи. В результате запись обновленных данных ни при каких условиях не может быть осуществлена поверх старой информации. Информация о распределении блоков, в свою очередь, также записывается в ИазЬ-память режиме «упреждающего стирания». Поэтому даже в случае неожиданного отключения питания можно потерять только последние изменения данных, но никогда — сами данные.
И снова история
Теперь уже, кажется, все было преодолено, и производство твердотельных дисков было налажено в полной мере. Но жизнь не перестает преподносить свои сюрпризы. С одной стороны, стремительное развитие электронной промышленности привело к кардинальному снижению цен на микросхемы ИазЬ-па-мяти. С другой стороны, стремительно развивающийся рынок мобильной техники потребовал оснащения мобильных устройств запоминающими устройствами больших объемов.
Компания М-8у81еш8 оказалась готова и к такому повороту событий. Наличие достаточного количества разработчиков и программистов высокого класса и налаженные крепкие связи с ведущими разработчиками и производителями запоминающих устройств и программного обеспечения позволили в короткие сроки переориентироваться в соответствии с требованиями рынка.
И хотя генеральное направление деятельности фирмы оставалось все тем же — твердотельные ИазЬ-диски, была выбрана новая стратегическая цель: Э18к0пСЫр — твердотельный электронный диск на одном кристалле. Причем разработка не ограничилась просто переносом всей схемы контроллера на один кристалл с самим запоминающим устройством. Применение однокристального диска в мобильной технике потребовало введения в состав микросхемы дополнительной области памяти с произвольным доступом, предназначенной для сохранения программы начального загрузчика. Это позволило отказаться от использования в системе отдельного ПЗУ загрузчика и привело к дополнительной миниатюризации системы. Теперь все функции и постоянного и энергонезависимого запоминающего устройства могут выполняться одной микросхемой.
Здесь снова пригодились старые добрые связи с фирмой То8ЫЬа, совместно с которой была разработана микросхема Э18к0пСЫр. По ходу разработки устройства был успешно решен ряд непростых технических проблем, связанных с изготовлением контроллера и области ИавЬ-ПЗУ в едином технологическом цикле, допускающем наличие только одного слоя металлизации.
И наконец, последняя разработка компании М-ву81еш8 была связана с разработкой устройства Э18к0пКеу. Это все то же твердо-
тельное запоминающее устройство, но на этот раз оснащенное ШБ-контроллером и встроенным процессором. Выпускается в малогабаритном пластмассовом корпусе размером с зажигалку и весом около 20 грамм. Для его подключения не требуется ни выключения компьютера, ни даже его перезагрузки. Сразу после установки в порт ШБ персонального компьютера ОівкОпКеу автоматически опознается большинством современных операционных систем как дополнительное сменное дисковое запоминающее устройство, которое уже готово к работе. Вы просто записываете на него любые файлы или читаете их как с обыкновенного жесткого диска.
А встроенный процессор позволяет разбить всю память устройства на две области — область общего доступа, не требующую авторизации и шифровки данных, и область для хранения персональной информации, требующую обязательной авторизации перед использованием и сохраняющую данные в зашифрованном виде. Причем использование встроенного процессора позволяет осуществить шифровку данных «на лету» и не использует для этого вычислительных ресурсов компьютера.
Поддержка БівкОпКеу уже встроена в большинство современных операционных систем, включая Windows, МасО8 и Ьіпих. Это позволяет легко переносить информацию как с одного компьютера на другой, так и между компьютерами с различными операционными системами.
Ассортимент выпускаемой продукции
FFD — высокопроизводительные Flash-диски с интерфейсом IDE, SCSI и Ultra Wide SCSI В данную серию входят наиболее производительные твердотельные Flash-диски. Высокие технические параметры дисков основываются на технологии TrueFFS, обеспечивающей высокую скорость чтения и записи при минимальном количестве ошибок, и повышенный срок службы. Устройства предназначены для прямой замены жестких дисков в системах, требующих надежного хранения больших объемов информации в сочетании с тяжелыми условиями окружающей среды. Платой за
Компоненты и технологии, № 4'2002
это является, конечно же, высокая стоимость таких изделий. Поэтому основным потребителем такого рода устройств по-прежнему остается военная техника, авиация, транспорт и системы промышленной автоматизации. Для обеспечения полной совместимости со стандартными жесткими дисками все устройства семейства РРЭ выпускаются в корпусах шириной 2,5 и 3,5 дюйма с унифицированными посадочными размерами и стандартным кабельным интерфейсом.
Основные параметры дисков семейства РРБ приведены в таблице 1.
ние разработки семейства БізкОпСЬір содержат область памяти для выполнения программы начального загрузчика и используют 16-битную шину данных для повышения скорости обмена. Панельки для установки БізкОпСЬір входят в состав многочисленных промышленных компьютеров.
Основные параметры микросхем и модулей семейства БізкОпСЬір приведены в таблице 2.
DiskOnKey
Устройство БізкОпКеу выходит далеко за рамки традиционных запоминающих устройств. Не требуя для своей работы ни драйверов, ни соединительных кабелей, ни специальных считывающих устройств, оно обеспечивает преодоление границ между различными компьютерами и различными операционными системами. Малые размеры устройства позволяют переносить информа-
цию с места на место просто в кармане или на связке ключей. Стандартный интерфейс ШБ с возможностью «горячего подключения» и встроенная поддержка различными операционными системами обеспечивают максимальную простоту использования. Необходимо только вставить устройство в гнездо порта ШБ персонального компьютера — и можно немедленно пользоваться им для чтения и записи файлов. Встроенный в Э18к0пКеу процессор обеспечивает возможность выполнения программ непосредственно в самом устройстве. Одна из таких программ, обеспечивающая авторизованный доступ к области хранения данных и их шифровку, записывается в процессе производства в память устройства и становится доступной при первом же его включении.
Основные параметры устройств Э18к0пКеу приведены в таблице 3.
Продукты семейства DiskOnChip Продукты семейства DiskOnChip представляют собой высокопроизводительные Flash-диски различного объема, выпускаемые в корпусах DIP, TSOP, BGA или в виде модуля DIMM. Современные технологии TrueFFS и DiskOnChip обеспечивают высокую скорость чтения-записи, высокую надежность и модульный принцип построения запоминающих устройств различной емкости. Послед-
Таблица1
Тип Емкость, Мбайт Форм-фактор Интерфейс Пиковая скорость передачи, Мбайт/с Средняя скорость чтения-записи, Мбайт/с Габаритные размеры, мм Напряжение питания, В
FFD Ultra Wide SCSI 256-10240 3,5" SCSI-3/SCSI-2 40,0 28,5/23,5 146,1 x 101,5 x 25,4 5
FFD SCSI 32-5376 3,5" SCSI-2 9,7 2,8/2,0 146,1 x 101,5 x 25,4 5
32-5376 2,5" SCSI-2 9,7 3,6/3,4 100,2 x 69,8 x 17,0 5
FFD IDE 64-4096 2,5" ATA-3 16,7 3,6/3,4 100,2 x 69,8 x 17,0 5
Таблица 2
Тип Емкость, Мбайт Тип корпуса Средняя скорость чтения-записи, Мбайт/с Габаритные размеры, мм Напряжение питания, В
DiskOnChip Millenium 8 DIP-32 1,4/0,5 24,5 x 14 x 4,5 3,3/5
TSOP-32 21,35 x 11,78 x 1,2
DiskOnChip Millenium Plus 32 TSOP-48 3,0/1,5 20,2 x 12,4 x 1,2 3,3
DiskOnChip 2000 DIP 16-96 DIP-32 1,4/0,5 43,7 x 17,9 x 5,5 3,3/5
72-288 DIP-32 1,4/0,5 43,7 x 17,9 x 12,8 3,3/5
DiskOnChip 2000 TSOP 16 TSOP-48 1,4/0,5 20,2 x 12,4 x 1,2 3,3
Mobile DiskOnChip 16 BGA-63 1,4/0,5 9 x 11 x 1,4 3,3
DiskOnChip DIMM2000 16-256 DIMM-144 3,0/1,5 67,75 x 31,9 x 3,8 3,3/5
Таблица З
Емкость, Мбайт Интерфейс Средняя скорость чтения-записи, Мбайт/с Габаритные размеры, мм Вес, г Поддерживаемые операционные системы
8-256 USB 1 98,1 x 25,3 x 18,4 20 Windows ME/XP/2000 MacOS 9.0 и выше Linux 2.4.0 и выше Windows 98 (с установкой драйвера)
