Флеш-память. 
Файловая система

Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти. Получила повсеместное распространение благодаря дешевизне, простоте, компактности и надежности. Наиболее распространена в виде USB-флешек.

Твердотельный накопитель (англ. SSD, solid-state drive) — компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. В настоящее время твердотельные накопители используются в компактных устройствах: ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах, но могут быть использованы в качестве гибридных или полностью твердотельных жестких дисков в стационарных компьютерах и на серверах для повышения производительности.

История

Предшественниками технологии флеш-памяти можно считать ультрафиолетово стираемые постоянные запоминающие устройства и электрически стираемые ПЗУ (EEPROM).

Усилия инженеров были направлены на решение проблемы плотности компоновки цепей стирания. Они увенчались успехом изобретением инженера компании Toshiba Фудзио Масуокой в 1984 году. Название «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми, потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash).

Принцип работы

Принцип работы полупроводниковой технологии флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры.

В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора. Главной особенностью полевого транзистора, которая позволяет использовать его для хранения информации, стала возможность удерживать электрический заряд на «плавающем» затворе до 10 лет. Сам «плавающий» затвор выполнен из поликристаллического кремния и полностью окружен слоем диэлектрика, что обеспечивает ему полное отсутствие электрического контакта с элементами транзистора.

При записи или стирании содержимого ячейки заряд помещается на плавающий затвор (запись) либо снимается с плавающего затвора (стирание) методом тунеллирования. Эффект туннелирования заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «толщины». При создании определённых условий (соответствующее напряжение) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.

Наличие заряда на «плавающем» затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.

Архитектура SSD

Существует два типа NAND-памяти, используемой в SSD дисках — SLC (single-level cell) и MLC (multi-level cell). SLC-устройства имеют одноуровневые ячейки, которые хранят в каждом транзисторе только один бит, а многоуровневые MLC могут хранить в каждой ячейке несколько бит информации.

Для более эффективного использования элементарных ячеек памяти они были объединены в массивы с несколько уровневой структурой. Одна ячейка хранящая два (для нынешнего поколения MLC) бита данных, объединена в группу названную страницей и вмещающую 4 КБ данных. Далее 128 страниц объединены в блок объемом 512 КБ, а 1024 блока дают массив, представляющий 512 МБ. Управление данными в одном массиве обычно осуществляется одним контроллером.

Алгоритмы для работы с SSD-дисками

Ввиду ограниченности циклов записи / стирания ячеек флеш-памяти разработчикам пришлось составить правильный алгоритм работы SSD-диска, позволяющий равномерно «изнашивать» всё его запоминающее пространство. Как только информация записана на страницу, она не может быть перезаписана до тех пор, пока не будет очищена. Проблема заключается в том, что минимальный размер записываемой информации не может быть меньше 4 КБ, а стереть данные можно минимум блоками по 512 КБ. Для этого контроллер группирует и переносит данные для освобождения целого блока.

Если необходимо удалить не весь блок, а несколько страниц, находящихся в нем, то контроллер удаляет данные логически, не стирая их, а просто помечая данные страницы как удаленные. В дальнейшем оставшаяся информация будет скомпонована с новой, пришедшей для записи, и записана в пустой блок, а исходный блок будет полностью удален и помечен как пустой.

Тримминг — еще одна технология, обеспечивающая более равномерный износ SSD-диска и быструю работу с данными за счет команды TRIM. Она позволяет выстроить цепочку и определить приоритет освобождаемых блоков. Раньше данная операция была возложена на ОС, но современные SSD-контроллеры уже поддерживают данную функцию аппаратно в прошивках накопителей. Время выполнения операции по «зачистке» блоков связано со свободным объемом на диске.

Список ОС поддерживающих TRIM:

Windows 7 — Поддерживается с финального релиза (октябрь 2009).

Linux 2.6.33 — Поддерживается с февраля 2010.

OpenSolaris — Поддерживается с июля 2010.

Mac OS X — Поддерживается (на данный момент — только для SSD, входящих в комплект поставки компьютера) с версии 10.6.6 с соответствующим обновлением.

Преимущества SSD: высокая скорость доступа к данным, низкое энергопотребление, не содержит подвижных частей и устойчив к ударам — в связи с чем используется в мобильных устройствах, отсутствие влияния фрагментации, отсутствие шума в процессе работы, компактность.

Недостатки: ограниченное количество циклов записи в ячейки, дороговизна по сравнению с жесткими дисками, невозможность восстановления удалённой информации recovery-утилитами.