Статьи

Твердотельные электронные диски
компании M-Systems

Михаил Петров
Журнал "Компоненты и технологии" N4, 2002 г.
www.compitech.ru

Израильская компания M-Systems 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.

Немного истории...

Работы по созданию постоянных запоминающих устройств с электрической перезаписью информации велись на протяжении многих лет. По мере развития процессорной техники и внедрения ее во все более широкие области применения, актуальнее становилась проблема энергонезависимого хранения больших объемов данных и программ. И если в устройствах, предназначенных для бытового и промышленного применения, для этого 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 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 возможность надежной работы такого устройства, например, на борту боевого вертолета или танка.

С другой стороны специфика военного применения требовала наличие режима быстрого уничтожения всей записанной информации в случае попадания устройства в руки противника. Военным был необходим механизм "тотального стирания" 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 оборудовании 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.

Флэш-ПЗУ

Таким образом в 1988 году компанией Intel была разработана и запущена в производство первая микросхема запоминающего устройства нового типа, получившего название флэш-ПЗУ. Собственно это был только один из вариантов запоминающего устройства, изготовленный по так называемой NOR архитектуре.

Альтернативный вариант организации флэш-памяти был предложен в 1989 году компанией Toshiba. Этот вариант получил название NAND архитектуры. Надо отметить, что различие архитектур не имеет никакого отношения к самой запоминающей ячейке. Все существующие флэш-технологии работают по одному и тому же принципу: для хранения информации используется транзистор с так называемым "плавающим затвором". Число электронов, инжектированных в область плавающего затвора через тонкий слой диэлектрика, определяет проводимость транзистора, а значит и содержимое ячейки памяти.

Не вдаваясь подробно в конкретную организацию ячеек памяти можно отметить, что в общем случае NOR и NAND архитектура отличаются друг от друга только различной блочной организацией и способом доступа микропроцессора до информации сохраненной в ПЗУ.

Микросхемы флэш-ПЗУ с NOR архитектурой разрабатывались для непосредственной замены 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 BIOS современного персонального компьютера, не требующая частого обновления информации и обеспечивающая выполнение программы непосредственно из микросхемы ПЗУ.

В противоположность этому NAND архитектура была предназначена в 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. NAND память используется в первую очередь для хранения отдельных файлов или потоковой аудио- и видеоинформации. В этом случае время доступа до первой ячейки памяти может быть сравнительно велико, но зато чтение последовательных ячеек в пределах одного блока памяти производится очень быстро. В случае же необходимости хранения исполняемого кода в запоминающем устройстве с NAND архитектурой, 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 флэш-памяти стирание и запись информации осуществляются только поблочно. В микросхемах NOR 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 ячейки блока памяти может быть осуществлена запись информации.

В микросхемах NAND 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...

В конце 80-х годов 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 флэш-памяти обладали незначительной емкостью, а стоимость их на начальном этапе развития составляла около 3000 долларов за мегабайт, Дов предложил идею использования флэш-памяти в твердотельных аналогах жестких дисков президенту компании Miltope. Некоторое время спустя на эти работы были выделены начальные средства и для их выполнения зарегистрирована компания M-Systems. В 1991 году Дов Моран возвратился в Израиль и компания M-Systems продолжила свою работу в Израиле и США.

Таким вот образом компания и обрела стратегическое направление деятельности на все последующие годы. Из приведенного выше краткого обзора по наиболее распространенным архитектурам флэш-памяти нетрудно понять, что в своей дальнейшей деятельности компания M-Systems остановилась на использовании запоминающих устройств с NAND архитектурой. Такие микросхемы идеально подходили для разработки и производства твердотельных аналогов дисковых запоминающих устройств.

Основным недостатком флэш-памяти на этом этапе оставалась ее высокая стоимость. Поэтому пока не могло даже быть речи о применении флэш-памяти и электронных дисков на ее основе в бытовой или промышленной технике. Единственными заказчиками, для которых вопрос стоимости стоял значительно ниже вопроса надежности, были разработчики и производители военной техники.

Твердотельный флэш-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 M-Systems практически со всеми ведущими производителями микросхем флэш-памяти и в первую очередь, конечно же, с фирмой Toshiba. Только в тесном сотрудничестве с разработчиком и основным производителем памяти с NAND 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 NAND памяти и высокая плотность расположения ячеек на кристалле приводят к высокой вероятности наличия неработоспособных ячеек памяти. Попытка изготовления флэш-ПЗУ со 100% долей 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 флэш-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 состояния. А это уже совершенно недопустимо для аппаратуры военного применения. Устранение этого эффекта потребовало введения в состав запоминающего устройства области хранения избыточной информации и использования схемы обнаружения и коррекции ошибок.

И, наконец, остался еще главный недостаток флэш-памяти - как и любое другое постоянное запоминающее устройство с электрической перезаписью информации она имеет ограниченное число циклов стирания/записи. 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 флэш-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. И здесь начинается

... дальнейшая история

Решение проблемы эмуляции жесткого диска теперь пошло параллельно по двум направлениям, тесно взаимосвязанным между собой. С одной стороны продолжалось дальнейшее плодотворное сотрудничество с разработчиками и производителями флэш-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 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 флэш-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 драйвера операционной системы, позволяющее обращаться к данным на флэш-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 TrueFFS. А работы остается еще много. Еще требуется:

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. При 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 флэш-ПЗУ 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 флэш запоминающего 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 алгоритм "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 флэш-память режиме "упреждающего стирания". Поэтому даже в случае неожиданного отключения питания Вы можете потерять только последние изменения в данных, но никогда - сами данные.

... и снова история

Теперь уже кажется все было преодолено и производство твердотельных дисков, наконец, было налажено в полной мере. Но жизнь не перестает преподносить свои сюрпризы. С одной стороны развитие электронной промышленности привело к кардинальному снижению цен на микросхемы флэш-памяти. С другой стороны стремительно развивающийся рынок мобильной техники потребовал оснащения мобильных устройств запоминающими устройствами больших объемов.

Компания M-Systems оказалась готова и к такому повороту в развитии событий. Наличие достаточного количества разработчиков и программистов высокого класса, 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 флэш-диски, но была выбрана новая стратегическая цель - DiskOnChip - 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, предназначенную для сохранения программы начального загрузчика. Это позволило отказаться от использования 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 и добрые связи с фирмой Toshiba, совместно с которой и была разработана микросхема DiskOnChip. По ходу разработки устройства был успешно решен ряд непростых технологических проблем, связанных с изготовлением контроллера и области флэш-ПЗУ в едином технологическом цикле, допускающим наличие только одного слоя металлизации.

И наконец последняя разработка компании M-Systems была связана с выпуском DiskOnKey. Это все то же твердотельное запоминающее устройство, но на этот раз оснащенное USB-контроллером и встроенным процессором. Такое устройство 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 USB порт персонального компьютера DiskOnKey автоматически опознается большинством современных операционных систем как дополнительное сменное дисковое запоминающее устройство и немедленно готово к работе. Вы просто записываете на него любые файлы или читаете их как с обыкновенного жесткого диска.

Встроенный процессор позволяет разбить всю память устройства на две области: одну область общего доступа, не требующую авторизации и шифровки данных, и вторую 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 DiskOnKey уже встроена в большинство современных операционных систем, включая Windows, MacOS и Linux. Это позволяет легко переносить информацию как с одного компьютера на другой, так и между компьютерами с различными операционными системами.

Ассортимент выпускаемой продукции

Таким образом на настоящий момент сформировался следующий ассортимент продукции, выпускаемой компанией M-Systems:

FFD - высокопроизводительные флэш-диски с интерфейсом IDE, SCSI и Ultra Wide SCSI

В данную серию входят наиболее производительные твердотельные флэш-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 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 FFD выпускаются в корпусах шириной 2.5 и 3.5 дюйма с унифицированными посадочными размерами и стандартным интерфейсом. Основные параметры дисков семейства FFD приведены в таблице.

Продукты семейства DiskOnChip

Продукты семейства DiskOnChip представляют собой высокопроизводительные флэш-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. Последние разработки семейства DiskOnChip содержат область памяти для выполнения программы начального загрузчика и используют 16-битную шину данных для повышения скорости обмена. Твердотельные диски этого семейства нашли широкое применение в системах промышленной автоматизации, в составе малогабаритных компютеров и различной мобильной техники.

Основные параметры микросхем и модулей семейства DiskOnChip приведены в таблице.

DiskOnKey

Устройство DiskOnKey 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 информацию с места на место просто в кармане или на связке ключей. Стандартный USB интерфейс с возможностью "горячего подключения" и встроенная поддержка различными операционными системами обеспечивают максимальную простоту использования. Необходимо только вставить устройство в гнездо USB порта персонального компьютера и можно немедленно пользоваться им для чтения и записи файлов. Встроенный в DiskOnKey процессор обеспечивает возможность выполнение программ непосредственно в самом устройстве. Одна из таких программ, обеспечивающая авторизованный доступ до области хранения данных и их шифровку, записывается в процессе производства в память устройства и становится доступной при первом же его включении. Основные параметры устройств DiskOnKey приведены в таблице.