Как работает флешка в реальной жизни
Было обычное хмурое зимнее утро, мы с коллегами по обыкновению пили утренний кофе, делились новостями, ничто не предвещало беды. Но тут приятель рассказал… далее цитата из скайп чата:
Как-то читал статейку как парень в метро вытянул у чавака из сетчатого кармана сумки флеху, на которой 128 было написано. Пришел домой, вставил в ноут -> спалил пол компа… Написал на флехе 129 и теперь носит в наружном кармане своей сумки.
Картинка для привлечения внимания:
Так как я работаю на предприятии, которое занимается разработкой и производством электроники, то мы с коллегами принялись активно обсуждать варианты реализации такой флешки, — которая “спаливала бы полкомпа.” Было множество хардкорных, фантастических, а также вполне реальных вариантов. И всё бы так и закончилось этим весёлым обсуждением, если бы я не собирался заказывать изготовление печатных плат для других своих проектов.
Итак, USB интерфейс компьютера, как правило, имеет в своём составе USB разъём-> ESD диоды (защита от статики) -> фильтрующие элементы -> защитные элементы в самой микросхеме, содержащей физический уровень интерфейса USB. В современных компьютерах USB “физика” встроена чуть ли не в сам процессор, в компьютерах чуть постарше за USB отвечают североюжные мосты. Задача разработанной флешки всё это дело жэстачайше спалить сжечь, как минимум убить USB порт.
В течение недели мной была разработана вполне конкретная схемотехническая реализация, заказаны компоненты и спустя несколько месяцев ожидания компонентов был собран полностью работоспособный прототип. Была проверена сама идея и “спалено” всё, что только можно.
Далее были разработаны и заказаны печатные платы в Китае, смонтирован боевой образец.
Запаяно вручную мной, монтажник из меня так себе.
Сделано было под корпус от обычной флешки.
Принцип работы самой флешки довольно прост. При подключении к USB порту запускается инвертирующий DC/DC преобразователь и заряжает конденсаторы до напряжения -110в, при достижении этого напряжения DC/DC отключается и одновременно открывается полевой транзистор через который -110в прикладываются к сигнальным линиям USB интерфейса. Далее при падении увеличении напряжения на конденсаторах до -7в транзистор закрывается и запускается DC/DC. И так в цикле пока не пробьётся всё и вся. Пытливый ум читателя знакомого с электроникой уже сообразил, почему используется отрицательное напряжение, для прочих поясню, что отрицательное напряжение коммутировать проще, так как нужен N-канальный полевой транзистор, который в отличие от P-канального может иметь значительно больший ток при одинаковых габаритах.
Про область применения говорить не буду, но бывший коллега говорит что это как атомная бомба, круто иметь, только применить нельзя.
КАК УСТРОЕНА USB-ФЛЕШКА
Наверное, каждому из нас хоть раз в жизни приходилось что-нибудь записывать на usb-флешку. Будь-то семейный фотоальбом, любимый фильм или операционная система. А вы когда-нибудь задумывались о том, как устроена флешка? Ну что же, давайте заглянем внутрь и узнаем, как же устроена эта маленькая хранительница памяти.
Usb-флеш накопитель или попросту флешка, это целый набор чипов и микросхем, которые способны хранить информацию. Эти компактные и быстрые флешки, на сегодняшний день являются самыми популярными внешними носителями данных. Но, несмотря на их достоинства, они также не лишены недостатков. Одним из которых является их относительная ненадежность. Цикл перезаписи может варьироваться от 10 000 до 1 000 000 раз, при условии её качественного изготовления.
Каждая ячейка представляет из себя транзистор с двумя полупроводниками N-типа по краям у которого большой запас электронов. А между ними, находится полупроводник p-типа, у которого наоборот недостаток электронов. Ток не может проходить между N и P проводниками, так как у них разный тип проводимости. Между полупроводников находится электрод, так называемый управляющий затвор на которой можно подать положительное или отрицательное напряжение. Если на него падать положительный заряд, то электроны между N проводниками начинают спокойно двигаться. Это значение в двоичной системе равно нулю.
Между управляющим затвором и проводником, есть металлическая пластина, так называемый плавающий затвор. Если на него подать отрицательный заряд, то ток не сможет проходить между полупроводниками, вне зависимости какой заряд находится направляющим в затворе, это значение равно единице. Чтобы проверить есть ли в ячейке память или произвести её считывание, в направляющий затвор подается положительный заряд. И если на нём есть избыток электронов, то есть отрицательный заряд, ток идти не будет. А если на управляющем затворе избыточных электронов нет, то ток пойдёт.
Чтобы записать единицу ячейки памяти, нужно подать электроны на плавающий затвор. Сделать это не просто, так как он окружён диэлектриком который не проводит ток. Чтобы это сделать, на управляющий затвор подают положительное напряжение, гораздо больше чем при считывании, в результате часть электронов благодаря туннельному эффекту попадает на плавающий затвор ну и диэлектрик.
Стирание происходит также, только вместо положительного напряжения в направляющий затвор подается отрицательное и электроны с плавающего затвора слетают. На флешке нет движущихся частей в отличие от жесткого диска или устаревшей дискете. Ей не нужны батарейки или аккумуляторы. Всё это сделало usb флеш-накопитель одним из самых популярных, среди внешних носителей.
ТОП-5 интересных фактов о флешках
USB флешка — полезное и практически незаменимое чудо, каждый день облегчающее жизнь современного человека. Она хранит в себе тонны текста, любимые фильмы, музыку, которые всегда под рукой, будто личный секретарь. В наши дни ими могут пользоваться все — от академика до первоклассника, от менеджера крупной компании до бабушек и дедушек. Также кажется, что об этих помощниках мы знаем всё. Мы докажем обратное и расскажем ТОП-5 интересных и малоизвестных фактов о флешках .
Они сохранят больше информации, чем вы вообразите
Пока мы с вами довольствуемся середнячками от четырех до 16 гигабайт, Kingston ещё в 2013 году сломали все стереотипы и представили два экземпляра: флешка на один терабайт и флешка 512 Гб . Это фантастическая цифра, однако, цена вполне демократичная.
Одноразовая посуда есть, разовые карты — почему нет?
Было такое, когда надо срочно скинуть важный документ, а некуда? С GIGS.2.GO таких ситуаций можно избежать. Экологичные девайсы выглядят как картонные брусочки, а вмещают 1 гиг и более. Удобно, сердито, но практично и поможет не попасть впросак.
Запоминайте хорошие моменты, чтобы не пришлось перезаписывать!
У каждого девайса есть своеобразный "лимит". Оригинальные USB-флешки способны выдерживать до 10 000 перезаписей, но подделки — умирают, в среднем, после тысячи перезаливов. Также вместимость угасает в зависимости от того, сколько раз перезаписывались данные.
Почему USB-накопители так быстро и надолго заняли рынок?
Вопрос в цене. Флешки намного выгоднее для компаний-производителей, чем, например, гибкие диски. В случае с нашими карманными ассистентами, производство 1 Гб памяти обходится в 50-70 центов, в то время как за тот же объём на втором варианте носителя нужно заплатить от 90 центов до 1,1 доллара.
Сколько живёт USB-накопитель
Если отбросить очевидные факторы по типу "потерял", "уронил", "утопил" и говорить о естественной смерти, она наступит как минимум через 10 лет. При использовании в нормальных температурных условиях, срок эксплуатации, разумеется, будет дольше.
В эксперименте доказано, что при температуре 100°C накопитель сможет прожить ещё около половины суток.
Бонус!
Слышали про La Maison Shawish ? Это ювелирка из Швейцарии, выпустившая одну из самых дорогих сувенирных флешек в истории. Она подходит для любой ОС, ёмкость флешки 32 ГБ , выполнена в форме гриба (есть вариации с разными драгоценными металлами и камнями). За такой грибочек придется отдать около $37000. Мало кто захочет за такую скромную по возможностям модель платить целое состояние, но их, богатых, не поймёшь.
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям (1, 2, 3, 4). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.
Теоретическая часть
Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…
Какая память бывает?
На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.
Тут можно подробнее ознакомиться с ниже приведённой схемой и сравнением характеристик различных типов «твердотельной памяти». Или тут – жаль, что я был ещё ребёнком в 2003 году, в таком проекте не дали поучаствовать…
Современные типы «твердотельной памяти». Источник
Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах.
Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?
Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно подробная статья о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память (тут тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.
Схематическое представление транзистора с плавающим затвором. Источник
Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано тут. Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.
NB: «практически» — ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.
Там же, на ixbt, есть ещё одна статья, которая посвящена возможности записи на один транзистор с плавающим затвором нескольких бит информации, что существенно увеличивает плотность записи.
В случае рассматриваемой нами флешки память будет, естественно, NAND и, скорее всего, multi-level cell (MLC).
Если интересно продолжить знакомиться с технологиями Flash-памяти, то тут представлен взгляд из 2004 года на данную проблематику. А здесь (1, 2, 3) некоторые лабораторные решения для памяти нового поколения. Не думаю, что эти идеи и технологии удалось реализовать на практике, но, может быть, кто-то знает лучше меня?!
Что такое DRAM?
Если кто-то забыл, что такое DRAM, то милости просим сюда.
Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:
Устройство ячейки RAM. Источник
Опять-таки на ixbt есть неплохая статья, посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.
Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да, но всё-таки…
Часть практическая
Flash
Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:
Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти. Источник
Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы тут). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.
Корпус кварцевого генератора
Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:
Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита
А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:
Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий
Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.
После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:
«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)
Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый» < 2 диаметров человеческого волоса, так что всё в мире относительно:
СЭМ-изображения контактов, питающих чип памяти
Если говорить о самой памяти, то тут нас тоже ждёт успех. Удалось отснять отдельные блоки, границы которых выделены стрелочками. Глядя на изображение с максимальным увеличением, постарайтесь напрячь взгляд, этот контраст реально трудно различим, но он есть на изображении (для наглядности я отметил отдельную ячейку линиями):
Ячейки памяти 1. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки
Мне самому сначала это показалось как артефакт изображения, но обработав все фото дома, я понял, что это либо вытянутые по вертикальной оси управляющие затворы при SLC-ячейке, либо это несколько ячеек, собранных в MLC. Хоть я и упомянул MLC выше, но всё-таки это вопрос. Для справки, «толщина» ячейки (т.е. расстояние между двумя светлыми точками на нижнем изображении) около 60 нм.
Чтобы не лукавить – вот аналогичные фото с другой половинки флешки. Полностью аналогичная картина:
Ячейки памяти 2. Границы блоков выделены стрелочками. Линиями обозначены отдельные ячейки
Конечно, сам чип – это не просто набор таких ячеек памяти, внутри него есть ещё какие-то структуры, принадлежность которых мне определить не удалось:
Другие структуры внутри чипов NAND памяти
Всю плату SO-DIMM от Samsung я, конечно же, не стал распиливать, лишь с помощью строительного фена «отсоединил» один из модулей памяти. Стоит отметить, что тут пригодился один из советов, предложенных ещё после первой публикации – распилить под углом. Поэтому, для детального погружения в увиденное необходимо учитывать этот факт, тем более что распил под 45 градусов позволил ещё получить как бы «томографические» срезы конденсатора.
Однако по традиции начнём с контактов. Приятно было увидеть, как выглядит «скол» BGA и что собой представляет сама пайка:
«Скол» BGA-пайки
А вот и второй раз пора кричать: «Язь!», так как удалось увидеть отдельные твердотельные конденсаторы – концентрические круги на изображении, отмеченные стрелочками. Именно они хранят наши данные во время работы компьютера в виде заряда на своих обкладках. Судя по фотографиям размеры такого конденсатора составляют около 300 нм в ширину и около 100 нм в толщину.
Из-за того, что чип разрезан под углом, одни конденсаторы рассечены аккуратно по середине, у других же срезаны только «бока»:
DRAM память во всей красе
Если кто-то сомневается в том, что эти структуры и есть конденсаторы, то тут можно посмотреть более «профессиональное» фото (правда без масштабной метки).
Единственный момент, который меня смутил, что конденсаторы расположены в 2 ряда (левое нижнее фото), т.е. получается, что на 1 ячейку приходится 2 бита информации. Как уже было сказано выше, информация по мультибитовой записи имеется, но насколько эта технология применима и используется в современной промышленности – остаётся для меня под вопросом.
Конечно, кроме самих ячеек памяти внутри модуля есть ещё и какие-то вспомогательные структуры, о предназначении которых я могу только догадываться:
Другие структуры внутри чипа DRAM-памяти
Послесловие
Помимо тех ссылок, что раскиданы по тексту, на мой взгляд, довольно интересен данный обзор (пусть и от 1997 года), сам сайт (и фотогалерея, и chip-art, и патенты, и много-много всего) и данная контора, которая фактически занимается реверс-инжинирингом.
К сожалению, большого количества видео на тему производства Flash и RAM найти не удалось, поэтому довольствоваться придётся лишь сборкой USB-Flash-накопителей:
P.S.: Ещё раз всех с наступающим Новым Годом чёрного водяного дракона.
Странно получается: статью про Flash хотел написать одной из первых, но судьба распорядилась иначе. Скрестив пальцы, будем надеяться, что последующие, как минимум 2, статьи (про биообъекты и дисплеи) увидят свет в начале 2012 года. А пока затравка — углеродный скотч:
Углеродный скотч, на котором были закреплены исследуемые образцы. Думаю, что и обычный скотч выглядит похожим образом
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:
В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»
Читайте также: