Viele berühmte Erfindungen, die in Wissenschaft und Technik Durchbrüche ermöglichen, scheinen zufällige Prozesse zu sein und werden mit den Namen von Wissenschaftlern und Ingenieuren in Verbindung gebracht, die direkt damit verbunden sind. Wenn man jedoch tiefer gräbt, stellt sich heraus, dass ein erheblicher Teil der Entdeckungen von unabhängigen Forschungsgruppen fast gleichzeitig und an verschiedenen Orten gemacht wird, was auf die Unvermeidlichkeit des technischen Fortschritts hinweist. Ja, der Ruhm des Entdeckers gebührt nur einem, aber die Tatsache, dass immer wieder viele Personengruppen an aktuellen technischen Problemen arbeiten, gilt heute als unbestritten. Ein markantes Beispiel ist die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte der Mikroelektronik, die mit der Entdeckung der Halbleiter begann..
Eine der Hauptrichtungen in diesem Bereich ist die Entwicklung und Verbesserung von Speichergeräten. Und es muss gesagt werden, dass sich hier das von uns erwähnte Paradigma in höchstem Maße manifestiert hat und sich weiterhin manifestiert. Wer unter der Jugend kennt sich mit Magnetplatten oder Disketten aus? Auch optische Datenträger (CD/DVD) wurden schnell zum Anachronismus – heute spielen Flashspeicher, Laufwerke, die in unterschiedlichen Ausführungen in fast allen Geräten mit elektronischer Steuerung, von Waschmaschinen bis hin zu USB-Sticks, ihre Hauptrolle.
Aber es wäre falsch zu sagen, dass Flash-Speicher eine neue Erfindung ist. Die Entwicklungsgeschichte dieser Technologie hat sich seit dem Erscheinen der ersten Transistoren verbessert ....
Wie alles begann
Es ist mit Sicherheit bekannt, wann der erste USB-Stick auf den Markt kam, der derzeit als der gebräuchlichste tragbare Speicher für riesige Datenmengen gilt. Aber nur wenige wissen, dass die ersten Prototypen von Flash-Speichern nach heutigen Maßstäben nur ein lächerliches Volumen von mehreren Kilobyte hatten und zum heutigen Massenerfolg weit gekommen sind.
Halbleiterdioden, die Mitte des letzten Jahrhunderts die Röhrendioden ablösten, führten zum Beginn der Ära der Miniaturisierung der Elektronik, und schon 1956 ließ die Bosch Arma Corporation die Erfindung ihres Mitarbeiters, des Ingenieurs Wen Qing Chou, patentieren - einen programmierbaren Speicher vom PROM-Typ. Es ist nicht bekannt, wer dem Flash-Speicher genau den Namen gegeben hat, aber das Patent enthielt bereits das Wort Flash, das verwendet wurde, um das Verfahren zu bezeichnen, das verwendet wurde, um einen solchen Speicher zu erhalten..
Das Wesen der Erfindung bestand darin, ein zweidimensionales Array von Dioden zu schaffen, von denen jede einen Jumper hatte. Der Vorgang des Schreibens von Daten in den Flash-Speicher bestand darin, den erforderlichen Schaltungselementen einen erhöhten Nennstrom zuzuführen, wodurch die Jumper geschmolzen wurden. Somit war es möglich, Daten in einem Binärsystem zu kodieren: 0 - wenn der Jumper intakt ist, 1 - wenn er geschmolzen ist. Die Geräte, die Flash-Speicher brennen, werden Programmierer genannt.
Da die Bosch Arma Corporation vom Militär (US Air Force) beauftragt wurde, wurde diese Erfindung klassifiziert und verwendet, um Daten für die Führung von Atlas-Interkontinentalraketen zu speichern. Erst 1969, als das Patent öffentlich wurde, erschien der erste industrielle nichtflüchtige PROM-Flash-Speicher. Es hatte eine Reihe von Vorteilen, darunter geringe Größe und schnelle Auslesezeit, aber es war nicht frei von Nachteilen, darunter eine geringe Zuverlässigkeit - 10-35% der Produkte waren mit Fehlern programmiert, die nicht korrigiert werden konnten.
Dies war jedoch möglich, aber auf diese Weise war es unmöglich, einen großen Speicher zu erstellen, es musste eine Möglichkeit gefunden werden, die Dichte der gespeicherten Elemente der Mikroschaltung zu erhöhen. Schließlich schränkte die Unmöglichkeit des Umschreibens den Anwendungsbereich dieser Art von nichtflüchtigem Festkörper-Flashspeicher erheblich ein. Der Durchbruch ließ nicht lange auf sich warten.
Erste Erfolge
1971 entdeckte der Intel-Ingenieur Dov Frohman bei der Untersuchung der Gründe für die große Anzahl defekter integrierter Schaltkreise, dass das Vorhandensein von metallischen Verunreinigungen in Halbleitern die Eigenschaften von Transistoren beeinflusst, was es ihm ermöglichte, einen Prototyp eines EPROM-Flash-Speichers mit dem Möglichkeit, Daten zu löschen. Um den Zustand des Transistors zu ändern, musste er mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Das Programmierprinzip blieb gleich - die Zufuhr von erhöhten Strömen zu Transistoren, von denen jeder 1 Bit codierte, aber logischerweise wurden sie zu einem Block von 8 Transistoren zusammengefasst, die 1 Byte an Informationen codierten.
Um die Flash-Speicher-Mikroschaltung zu bestrahlen, wurde im oberen Teil ein transparentes Fenster angebracht, und um den Einfluss von Tageslicht auszuschließen, wurde es mit dem Herstellerlogo versiegelt. Mit einer leistungsstarken UV-Lampe dauerte der Löschvorgang mehrere Stunden, gleichzeitig wurde die gesamte Matrix gelöscht. Die Anzahl der Lesezyklen des Flash-Speichers war im Gegensatz zum Löschvorgang unbegrenzt, der zur allmählichen Zerstörung des Transistorgates führte.
Die Einschränkungen bei der Verwendung einer ultravioletten Lichtquelle zum Löschen von Informationen wurden 1978 von den Intel-Ingenieuren überwunden, als George Perlegos die Struktur der Transistor-Flash-Speichereinheit durch Hinzufügen einer dünnen Isolierschicht verbesserte. Der neue Datenträgertyp hieß EEPROM und diente zur Herstellung des Mikroschaltkreises Intel 2816. Leider hatte diese Technologie auch einen erheblichen Nachteil - aufgrund der technischen Schwierigkeiten, Strom durch eine dünne dielektrische Schicht korrekt zuzuführen, erwies sich das Umschreiben von Daten als schwierig undurchführbar, wenn es darum geht, großen Speicher zu flashen.
Sechs Jahre später perfektionierte Fujio Masuoka von Toshiba den Flash-Speicher, erreichte deutliche Steigerungen bei Kapazität, Schreib- und Löschgeschwindigkeit, und 1988 begann Intel mit der Massenproduktion des ersten NOR-Flash basierend auf einem japanischen Patent. Ein Jahr später kündigte Toshiba die Veröffentlichung des NAND-Speichers an, der sich durch eine logisch strukturierte Organisation der adressierbaren Architektur in Form von Blöcken und Seiten auszeichnet. Um diesen Adressraum zu verwalten, wurde Flash-Speicher mit speziellen Service-Chips ausgestattet, die auch heute noch verwendet werden. Die ersten Prototypen waren relativ einfach und waren nur für Adressierungsoperationen mit Speicherzellen zuständig. Moderne FSP-Mikroschaltungen sind recht leistungsfähige und effiziente Multicore-Chips, die sowohl zur Adressierung von Flash-Speichern als auch zur Fehlerkorrektur dienen.und im Speicher angesammelten "Informations"-Müll zu entfernen.
FSPs sind derzeit das "Herz" von Flash-Speichern und tragen wesentlich zur Dauer der Entwicklung neuer Mikroschaltungen bei.
Schwierigkeiten beim Löschen und Neuschreiben von Daten drängten Flash-Speicher in eine ziemlich enge Nische - zum Schreiben von Firmware wie Firmware, die selten geändert werden musste.
Für die Massenspeicherung von Daten in stationären Computern wurden magnetische Medien verwendet, lange Zeit wurden Disketten als tragbare Laufwerke verwendet, die ein Lesegerät - ein Diskettenlaufwerk - erforderten. Das Aufkommen optischer Discs ermöglichte es, die Menge der aufgezeichneten Daten zu vervielfachen, erforderte jedoch auch die Verwendung eines speziellen Laufwerks. Außerdem war die Aufzeichnung selbst ein ziemlich langwieriger Prozess und unterschied sich nicht in der Zuverlässigkeit. Die CDs/DVDs selbst wurden jedoch leicht zerkratzt und durch viele andere externe Faktoren beeinträchtigt.
Und dann betrat eine neue Generation von Flash-Speichern die Szene. Der Beginn des neuen Jahrtausends, als die ersten Flash-Laufwerke erschienen, war geprägt von der rasanten Entwicklung der Mikroelektronik. Im Jahr 2000 entwickelten Ingenieure von M-Sistems (Israel) ein tragbares 8-MB-DiskOnKey-Laufwerk. Etwa zur gleichen Zeit kündigte das in Singapur ansässige Unternehmen M-Sistems die Entwicklung eines USB-Flash-Laufwerks der gleichen Größe, ThumbDrive, an.
Parallel dazu war die Entwicklung von Flash-Speichern mit viel größeren Volumen im Gange, die jedoch die Verwendung eines Lesegeräts - eines Kartenlesers - erforderten.
SD-Karten
Zeitgleich mit dem Erscheinen der ersten USB-Sticks begann ein Konsortium mehrerer großer IT-Unternehmen (SanDisk, Panasonic und Toshiba), genannt SD Association, mit der Entwicklung einer neuen Generation von Flash-Speichern mit erhöhtem Volumen. Nach einiger Zeit schlossen sich eine Reihe weiterer Branchengrößen dem Verband an, darunter Kingston, Intel, AMD, Apple, HP, Nikon, Canon usw. Als Ergebnis wurden 2 GB SD-Karten geboren, was ein echter Durchbruch war. Solche Flash-Karten wurden in Digitalkameras aktiv verwendet, und zunächst reichte diese Menge völlig aus. Aber mit der Auflösung der CMOS-Matrizen stiegen auch die Dateigrößen, und außerdem wurde es möglich, Videos aufzunehmen, die viel mehr Flash-Speicher benötigen. Die Verdoppelung der Größe von SD-Karten löste das Problem nicht, und 2006 erfanden sie das SDHC-Flash-Laufwerksformat.wodurch die Speicherkapazität auf bis zu 32 GB erhöht werden konnte. Die Inkompatibilität auf Kartenleserebene erwies sich als einziger wesentlicher Nachteil des neuen Formats, doch bald reichte dieser Speicher nicht mehr aus.
Das Stuffing des Flash-Speichers wurde erneut verbessert, so dass das SDXC-Format mit der Fähigkeit, bis zu 2 TB an Informationen zu speichern, erschien, was auch heute noch relevant ist. Wie lange wird dieses Volumen reichen? Wenn Sie so denken, raten wir Ihnen, keine voreiligen Schlüsse zu ziehen ...
MicroSD-Karten
SD-Karten waren für alle gut, sowohl in Bezug auf das Volumen als auch auf das möglichst schnelle Umschreiben von Daten. Die Abmessungen waren auch so, dass sie in Digitalkameras und anderen Computergeräten verwendet werden konnten. Doch hier treten Smartphones im Vordergrund, wo um jeden zusätzlichen Quadratmillimeter Platz gekämpft wird. Und für SD-Karten war kein Platz.
Es war eine mehrfache Verkleinerung erforderlich, die mit der nächsten Generation von Flash-Speichern - microSD-Karten - erreicht wurde. Sie sind viermal kleiner, behalten aber die Lautstärke- und Geschwindigkeitseigenschaften des älteren Bruders bei. In den meisten Fällen können microSD-Karten auch in Slots für normale SD-Karten verwendet werden, ein Adapteradapter reicht aus, eine größere Karte kann jedoch nicht in einen kleinen Slot gesteckt werden.
Das Format der gespeicherten Daten ist für beide Technologien identisch, wird aber ständig weiterentwickelt. Das neuste implementierte Format ist microSDUC, das die Speicherung von bis zu 128 TB Daten auf einem Medium ermöglicht.
Beachten Sie, dass die Geschichte der Verbesserung des Flash-Speichers keineswegs so wolkenlos ist, wie es scheinen mag. Neben den üblichen Formaten gab es eine Reihe von nicht ganz erfolgreichen Flash-Speichertypen, deren Entwicklung einen enormen personellen und finanziellen Aufwand erforderte. Es genügt, sich an die nicht weit verbreiteten Flash-Speicherformate zu erinnern:
- CompactFlash - erschien 1990, Flash-Speicher zeichnete sich durch einen Rekordwechselkurs für diese Zeit aus - etwa 90 MB / s;
- MemoryStick - das erste Medium dieser Art von Flash-Speicher mit einem Volumen von 128 MB kam 1998 auf den Markt;
- MemoryStick Pro kam 5 Jahre später auf den Markt und war halb so groß wie MS;
- Der 2006 veröffentlichte MemoryStick Pro Duo hatte ein Volumen von 32 GB.
Der Zeit, in der ein grundlegend neuer Typ von Flash-Speicher auftaucht, wird die aktuelle Generation definitiv gerecht, aber ob diese Veränderungen revolutionär oder evolutionär sind, lässt sich nur erahnen. Gemessen an der Zahl der Veröffentlichungen in Fachausgaben werden Entwicklungen in diese Richtung recht intensiv betrieben.