Флэш-память и системы хранения данных
Главный недостаток как SRAM, так и DRAM – то, что информация в них пропадает в случае, если им отключить питание. Но, сами понимаете, никогда не отключать питание довольно затруднительно, поэтому всю историю вычислительной техники использовались какие-нибудь системы для постоянного хранения данных – начиная от перфокарт. Большую часть времени в качестве систем постоянного хранения данных использовались магнитные носители – лента или жесткий диск. Жесткие диски – сложные электромеханические системы, которые прошли огромный путь от первого образца IBM размером с небольшой холодильник, до 2.5-дюймовых HDD для ноутбуков. Тем не менее, прогресс в микроэлектронной технологии был быстрее, и сейчас мы с вами наблюдаем процесс практически полного замещения жестких дисков полупроводниковыми SSD. Последним годом денежного роста для рынка HDD был 2012, и сейчас он составляет уже не более трети от рынка флэш-памяти.
Разные поколения жестких дисков.
Ячейка флэш-памяти устроена как МОП-транзистор с двумя затворами, один из которых подключен к схемам управления, а второй – “плавающий”. В обычной ситуации на плавающем затворе нет никакого заряда, и он не влияет на работу схемы, но если подать на управляющий затвор высокое напряжение, то напряженности поля будет достаточно для того, чтобы какое-то количество заряда попало в плавающий затвор, откуда ему потом некуда деться – даже если питание чипа отключено! Собственно, именно так и достигается энергонезависимость флэш-памяти – для изменения ее состояния нужно не низкое напряжение, а высокое.
Структура ячейки флэш-памяти
Чтение из флэш-памяти происходит следующим образом: на сток транзистора подается напряжение, после чего измеряется ток через транзистор. Если ток есть, значит на одном из двух затворов есть напряжение, если тока нет – на обоих затворах ноль.
На практике структура чипов флэш-памяти несколько сложнее, потому что, кроме самого транзистора, есть еще металлизация управляющих линий, и инженерам пришлось пойти на некоторые ухищрения, чтобы уменьшить ее площадь. Изначально типов флэш-памяти было два – NOR Flash и NAND Flash, различающихся как раз способом доступа к ячейкам. Названы они так по подобию соединения ячеек с соответствующими логическими элементами – в NAND последовательно, в NOR параллельно.
Сравнение архитектур NOR Flash и NAND Flash
Чтение из NOR Flash происходит ровно так, как описано выше, и позволяет удобно добраться до любого интересующего нас куска памяти. Чтение из NAND Flash несколько более занятно: для того, чтобы узнать значение интересующего нас бита в последовательно включенном стеке, нужно открыть управляющие затворы всех остальных транзисторов – тогда на состояние выхода будет влиять только интересующий нас бит. Согласитесь, заряжать-разряжать множество управляющих затворов ради того, чтобы узнать значение только одного бита – это как-то чересчур расточительно? Особенно с учетом того, что мы должны открыть управляющие затворы всех транзисторов не только в интересующем нас стеке, но и во всех соседних стеках, подключенных к тем же word line. Именно поэтому на практике NAND Flash читается не побитно, а целыми страницами. Это может показаться неудобным, ведь мы, по сути, делаем нашу память не совсем random-access.
Любые рассуждения на тему того, что лучше – NAND Flash или NOR Flash, неизбежно натыкаются на мнение рынка, сделавшего однозначный выбор: объем рынка NAND – 40-60 миллиардов долларов, а NOR – около четырех. Почему же побеждает менее удобная память? Дело на самом деле не в удобстве или неудобстве, а в целевых приложениях и в стоимости. NOR Flash удобнее и быстрее читается, но очень медленно записывается, зато ячейка NAND Flash в два с лишним раза меньше, что, разумеется, критично в ситуации, когда вам нужно БОЛЬШЕ ПАМЯТИ.
Кроме того, если немного подумать над главным недостатком NAND Flash – чтением только большими кусками, то в обычной вычислительной системе чтение из долгосрочной памяти в любом случае происходит большими кусками – чтобы оптимизировать работу кэш-памяти и минимизировать число кэш-промахов. То есть этот недостаток на самом деле и не недостаток вовсе. Так что по факту единственное настоящее преимущество NOR Flash – быстрота чтения, и ее основные применения – как раз те, где требуется быстрое чтение, но не нужна частая и быстрая запись. Например, прошивки разнообразных embedded девайсов, где NOR Flash активно заменяет другие виды EEPROM.
Примеры
O(n) — линейная сложность
Такой сложностью обладает, например, алгоритм поиска наибольшего элемента в не отсортированном массиве. Нам придётся пройтись по всем элементам массива, чтобы понять, какой из них максимальный.
O(log n) — логарифмическая сложность
Простейший пример — бинарный поиск. Если массив отсортирован, мы можем проверить, есть ли в нём какое-то конкретное значение, методом деления пополам. Проверим средний элемент, если он больше искомого, то отбросим вторую половину массива — там его точно нет. Если же меньше, то наоборот — отбросим начальную половину. И так будем продолжать делить пополам, в итоге проверим элементов.
O(n2) — квадратичная сложность
Такую сложность имеет, например, алгоритм сортировки вставками. В канонической реализации он представляет из себя два вложенных цикла: один, чтобы проходить по всему массиву, а второй, чтобы находить место очередному элементу в уже отсортированной части. Таким образом, количество операций будет зависеть от размера массива как , т. е. .
Митап On the Way to Success: Salesforce Solution Architect Journey at EPAM
10 августа в 17:00, уже закончилось, Онлайн, Беcплатно
tproger.ru
События и курсы на tproger.ru
Бывают и другие оценки по сложности, но все они основаны на том же принципе.
Также случается, что время работы алгоритма вообще не зависит от размера входных данных. Тогда сложность обозначают как . Например, для определения значения третьего элемента массива не нужно ни запоминать элементы, ни проходить по ним сколько-то раз. Всегда нужно просто дождаться в потоке входных данных третий элемент и это будет результатом, на вычисление которого для любого количества данных нужно одно и то же время.
Аналогично проводят оценку и по памяти, когда это важно. Однако алгоритмы могут использовать значительно больше памяти при увеличении размера входных данных, чем другие, но зато работать быстрее
И наоборот. Это помогает выбирать оптимальные пути решения задач исходя из текущих условий и требований.
Практикум 1.
Вернемся к практикуму в конце шага 2 – определение типов сравнения – и разовьем его до этапа выбора типа диаграммы для донесения каждой из 12 идей.
На следующих страницах сформулировано 12 идей, содержащих уже определенные вами типы сравнения. Выберите подходящий тип диаграммы в соответствии с матрицей и набросайте диаграммы, которые вы бы использовали для иллюстрации соответствующих идей.
Рисуя диаграммы, помните о двух наших важнейших наблюдениях.
1. Главное при определении нужного типа диаграммы – это не данные или единицы измерения, а то, в чем состоит ваша идея. Скажем, можно заметить, что в примерах 4, 6 и 7 мы хотим показать данные по выслуге лет, но в каждом случае мы применяем различные виды сравнения и, соответственно, разные типы диаграмм. Поэтому сконцентрируйтесь на ключевых словах, подчеркивающих идею. В ответах эти слова выделены курсивом.
2. Даже не имея никаких данных, как в нашем случае, мы можем выбрать тип диаграммы простым методом.
Спросите себя: «А вижу ли я то, в чем состоит идея?» Другими словами, передают ли диаграмма и заголовок одно и то же, помогает ли диаграмма понять смысл заголовка, подчеркивает ли заголовок идею диаграммы? Так, если я, формулируя идею, говорю, что «продажи значительно выросли», то, соответственно, хочу увидеть линию, поднимающуюся вверх под острым углом. Если же линия, скажем, параллельна оси абсцисс, то это верный знак того, что диаграмма требует доработки.
В конце задания приведены мои ответы. Не расстраивайтесь, если вы выбрали гистограмму, а я – график для иллюстрации временного или частотного сравнения или если вы начертили точечную диаграмму, а я использую двойную линейчатую диаграмму для отражения корреляционного сравнения. В подобных случаях выбор остается за автором презентации.
1. В течение следующих десяти лет прогнозируется увеличение объема продаж.
Временное.
2. Большинство сотрудников получает от 30 до 35 тыс. долл.
Частотное.
3. Более высокие цены на отдельные марки бензина не означают более высокое качество.
Корреляционное.
4. В сентябре уровень текучести кадров в шести подразделениях был примерно одинаков.
Позиционное.
5. Менеджер по продажам проводит с клиентами лишь 15 % своего времени.
Покомпонентное.
6. Размер прибавки по результатам работы не зависит от выслуги лет.
Корреляционное.
7. В прошлом году наибольшая текучесть кадров наблюдалась в возрастной группе от 30 до 35 лет.
Частотное.
8. Центральный регион занимает последнее место по производительности.
Позиционное.
9. Доходность акций нашей компании падает.
Временное.
10. Большая часть всех фондов задействована в производстве.
Покомпонентное.
11. Наблюдается связь между рентабельностью и зарплатой.
Корреляционное.
12. В августе два завода обогнали по производительности шесть других.
Позиционное.
1. В течение следующих десяти лет прогнозируетсяувеличение объема продаж.
Временное.
2. Большинство сотрудников получает от 30 до 35 тыс. долл.
Частотное.
3. Более высокие цены на отдельные марки бензина не означают более высокое качество.
Корреляционное.
4. В сентябре уровень текучести кадров в шести подразделениях был примерно одинаков.
Позиционное.
5. Менеджер по продажам проводит с клиентами лишь 15 % своего времени.
Покомпонентное.
6. Размер прибавки по результатам работы независит от выслуги лет.
Корреляционное.
7. В прошлом году наибольшая текучесть кадров наблюдалась в возрастной группе от 30 до 35 лет.
Частотное.
8. Центральный регион занимает последнее место по производительности.
Позиционное.
9. Доходность акций нашей компании падает.
Временное.
10. Большаячасть всех фондов задействована в производстве.
Покомпонентное.
11. Наблюдается связь между рентабельностью и зарплатой.
Корреляционное.
12. В августе два завода обогнали по производительности шесть других.
Позиционное.
От роста к падению
Цены на оперативную память для ноутбуков и настольных компьютеров, испытывавшие значительный рост от квартала к кварталу на протяжении 2020 г. и первой половины 2021 г., совсем скоро начнут снижаться. Такой прогноз опубликовали эксперты исследовательской компании TrendForce. Они полагают, что удешевление начнется через несколько недель.
Согласно прогнозам TrendForce, в IV квартале 2021 г. (1 октября – 31 декабря) цены на оперативную память упадут на 5%. Для сравнения, в текущем III квартале (завершится 30 сентября 2021 г.) они выросли на 3-8%, а в I квартале – на 5%. Худшей в этом плане оказалась вторая четверть 2021 г. (период с 1 апреля по 30 июня). За эти три месяца DRAM-чипы выросли в цене на 23-28%.
Совсем скоро оперативная память перестанет быть роскошью
Таким образом, в IV квартале 2021 г. цены на оперативную память не смогут вернуться к январским значениям. Однако в TrendForce полагают, что их снижение продолжится в 2022 г., хотя прогнозы дальше последней четверти 2021 г. они предпочитают пока не делать.
Небольшое отступление: PROM
И, раз уж я упомянул EEPROM, нелишне обсудить и экстремальный случай – когда память только читается, но не перезаписывается – то есть Read-Only Memory или ROM. Такая память гораздо чаще используется в промышленных применениях и для разнообразных прошивок. Такая память может быть запрограммирована на этапе производства с помощью наличия или отсутствия металлических соединений (или транзисторов, как это было сделано в Intel 8086. Но что, если раз-другой записать память все-таки нужно, причем уже после того, как чип произведен? На этот случай существует довольно много разновидностей PROM (P – programmable), довольно часто встраиваемых на кристалл вычислительной системы, например, микроконтроллера, но продолжающих активно использоваться и в качестве отдельных чипов.
Самый простой вариант – это однократно программируемая память типа Antifuse, она же память на пережигаемых перемычках. Идея очень проста: у нас есть структура (транзистор или резистор), которая может быть необратимо разрушена, превратившись в короткое замыкание или разрыв цепи. Чтение такой памяти выглядит как проверка на наличие замыкания или разрыва, а запись возможна только один раз, потому что изменение структуры необратимо.
Внешний вид памяти на пережигаемых перемычках
В случае, если может быть нужно записывать память несколько раз, например изредка обновлять прошивку, в дело вступают разные варианты EPROM (E – erasable) и EEPROM (EE – electrically erasable). Технологически они базируются на транзисторах с плавающим затвором и являются примитивной разновидностью флэш-памяти. Сейчас под термином EEPROM обычно подразумевают NOR Flash c возможностью побайтной записи и удаления данных.
Традиционная невеселая рубрика “А что в России?”
И, конечно же, мой рассказ был бы неполон без упоминания о том, что происходит в России. К сожалению, хорошего можно рассказать немного. Производство памяти – это именно что производство, а с микроэлектронными заводами у России довольно печальная ситуация. Соответственно, речи о собственных чипах DRAM и flash-памяти нет и в обозримом будущем не предвидится. А что есть?
Во-первых, есть какое-то количество микросхем SRAM. Самый технологически продвинутый продукт – микросхема 1663РУ1, представляющая собой 16 Мбит статической памяти по нормам 90 нм, производства завода “Микрон”. Кроме этого чипа, есть и другие, в основном предназначенные для аэрокосмических применений.
Во-вторых, «Микрон» на нормах 180 нм имеет опцию производства EEPROM, с максимальным заявленным в серийных продуктах (RFID-микроконтрроллерах) размером блока в 16 кбит. Это отличное решение для недорогих МК, но, к сожалению, мало подходящее для производства больших накопителей информации.
Кроме статической памяти и EEPROM, есть еще одно производство – “Крокус-наноэлектроника”, производящая MRAM. Расположенная в Москве фабрика КНЭ – единственная в России, умеющая работать с пластинами диаметром 300 мм. Правда, Крокус-нано не обладает полным циклом производства, а может делать только металлизацию и совмещенные с ней магнитные слои, формирующие ячейку MRAM. Транзисторная часть при этом должна быть изготовлена на другой фабрике (иностранной, потому что в России с пластинами 300 мм работать некому). На сайте КНЭ заявлена доступность микросхем объемом от 1 до 4 Мбит, скоростью считывания 35 нс и записи 35/90/120/150 нс. Еще немного света на функционирование и происхождение этих чипов проливают также заявленные в качестве продуктов на официальном сайте сложнофункциональные блоки MRAM, совместимые с техпроцессами китайской фабрики SMIC и израильской TowerJazz. Вероятно, именно эти производители являются технологическими партнерами и при производстве собственных чипов КНЭ.
Кэш-память
Самый первый уровень памяти в вычислительной системе – это регистровый файл и кэш-память. Для них определяющее значение имеет скорость доступа, а вот объем может быть небольшим, особенно если его вдумчиво наполнять. Кэш обычно делается на основе статической памяти. Ячейка статической памяти может быть выполнена по-разному, но обязательно содержит в себе положительную обратную связь, которая позволяет хранить информацию и не терять ее (в отличие от динамической памяти, которой требуется периодическая перезапись). В КМОП-технологии ячейка статической памяти состоит из четырех транзисторов собственно запоминающего элемента и одного и более транзисторов, обеспечивающих чтение и запись информации. “Промышленный стандарт” – так называемая 6T-ячейка.
Электрическая схема 6T-ячейки SRAM
Шесть транзисторов – это очень много, особенно в сравнении с DRAM или флэш-памятью, где для хранения одного бита информации требуется два, а то и всего один элемент. Тем не менее, скорость работы сделала свое дело, и в большинстве современных цифровых микросхем статическая память занимает десятки процентов площади. Этот факт, кстати, сделал ячейку SRAM точкой опоры в определении проектных норм производства чипов: когда маркетинговые цифры – те самые пресловутые 28, 7 или 5 нм – отвязались от физических размеров элементов на кристалле, улучшение плотности упаковки стали считать как соотношение площади ячейки SRAM на старом и новом техпроцессах. Если в новой технологии ячейка стала в два раза меньше, значит проектные нормы уменьшились в корень из двух раз.
Разные варианты топологии шеститранзисторной ячейки статической памяти. Источник — G. Apostolidis et. al., «Design and Simulation of 6T SRAM Cell Architectures in 32nm Technology», Journal of Engineering Science and Technology Review, 2016
Отдельные чипы SRAM были популярны в составе многокристалльных микропроцессоров, таких как девайсы, построенные на базе серии Am2900 или советской 581 серии. При этом, как только появилась возможность поместить достаточно транзисторов на один чип, кэш-память стали размещать на том же кристалле, что и вычислитель, чтобы сэкономить мощность и увеличив скорость работы, избавившись от медленных и громоздких соединений между чипами. В современных микропроцессорах на одном кристалле помещается многоуровневый набор блоков кэш-памяти объемом в несколько Мегабайт. Это, кстати, привело к тому, что рынок SRAM как отдельного продукта практически перестал существовать: его объем оценивается всего в 420 миллионов долларов, то есть в 0.3% от всего рынка полупроводниковой памяти, и продолжает сокращаться. Последние из остающихся могикан – чипы для тяжелых условий эксплуатации, вроде космоса, высокотемпературных промышленных установок или медицинской техники, где нельзя свободно применять обычные коммерческие микросхемы и где из-за этого микроэлектронный прогресс несколько отстает. Есть некоторые перспективы роста в автомобильной электронике и в интернете вещей, где для постоянно включенных устройств не играет роли главный недостаток SRAM – неспособность хранить информацию после отключения питания. Только хранить, а не обрабатывать SRAM может с минимальным энергопотреблением, так что это может быть интересным вариантом. Впрочем, в этой конкретной нише, кроме флэш-памяти, есть еще активно развивающиеся новые виды памяти, такие как MRAM, так что перспективы на самом деле весьма туманны, а производители один за одним уходят из стагнирующего сегмента, что позволило Cypress получить больше половины рынка – повторюсь, крошечного по мировым меркам.
Запас должен быть всегда
Снижению цен на DRAM-модули будет способствовать и восстановление их запасов на складах поставщиков и производителей конечных устройств. По данным TrendForce, процесс запущен – в начале августа 2021 г. OEM-производители продемонстрировали минимальный спрос на эти модули.
Как удалось выяснить аналитикам, это связано с тем, что OEM-производители сумели сформировать запас DRAM-модулей на срок от 8 до 10 недель, а в ряде случаев – и на более длительный срок, доходящий до 12 недель. Более того, эти запасы были сделаны еще в июне 2021 г., и по состоянию на август 2021 г. тенденции к их истощению нет.
Бессерверные вычисления: хайп или новая парадигма облачного бизнеса?
Новое в СХД
Другими словами, OEM-производителям больше нет нужды закупать оперативную память в больших количествах, тем более что их запасы постепенно растут. Этот факт, считают в TrendForce, тоже повлияет на дальнейшее снижение контрактных цен на DRAM.
Производители DRAM-чипов, напротив, стремятся к высвобождению своих складов, на что указывает спотовый рынок. Большинство основных поставщиков модулей ради этого начали снижать цены в попытке сократить запасы. Согласно подсчетам TrendForce, это снижение, начавшееся 20 мая 2021 г., к 3 августа 2021 г. достигло 32%. Более того, в III квартале 2021 г. спотовые цены на модули DRAM для персональных компьютеров впервые за весь 2021 г. оказались ниже. Притом разница составила около 20%. Новый виток роста цен в краткосрочной перспективе маловероятен, указывают аналитики.
Оценка сложности
Сложность алгоритмов обычно оценивают по времени выполнения или по используемой памяти. В обоих случаях сложность зависит от размеров входных данных: массив из 100 элементов будет обработан быстрее, чем аналогичный из 1000. При этом точное время мало кого интересует: оно зависит от процессора, типа данных, языка программирования и множества других параметров. Важна лишь асимптотическая сложность, т. е. сложность при стремлении размера входных данных к бесконечности.
Допустим, некоторому алгоритму нужно выполнить условных операций, чтобы обработать элементов входных данных. При увеличении на итоговое время работы будет значительно больше влиять возведение в куб, чем умножение его на или же прибавление . Тогда говорят, что временная сложность этого алгоритма равна , т. е. зависит от размера входных данных кубически.
Использование заглавной буквы О (или так называемая О-нотация) пришло из математики, где её применяют для сравнения асимптотического поведения функций. Формально означает, что время работы алгоритма (или объём занимаемой памяти) растёт в зависимости от объёма входных данных не быстрее, чем некоторая константа, умноженная на .
Еще один небольшой исторический экскурс, про Kingston
Kingston – американская компания, основанная в 1987 году, стала одним из пионеров внедрения SIMM-модулей как удобной альтернативы прямому поверхностному монтажу микросхем памяти. Быстро развиваясь на фоне роста рынка персональных компьютеров, Kingston стали “единорогом” с миллиардной капитализацией уже к 1995 году, и с тех пор выросли еще на порядок, увеличив долю на рынке модулей DRAM c 25% до 80% и расширившись на производство других продуктов, таких как SSD, где Kingston тоже является мировым лидером, правда с более скромными 26% мирового рынка против 8% и 6% у ближайших конкурентов.
Модуль оперативной памяти Kingston
Обратите внимание на плотность упаковки чипов на плате
Kingston — интересный пример того, как можно быть успешной электронной компанией без собственной разработки микросхем и без полной вертикальной интеграции, популярной в последнее время. Добавленную стоимость и уникальные характеристики можно обеспечить на разных этапах создания продукта, и как раз Kingston как успешная электронная компания без собственного производства микросхем может быть хорошим примером для отечественных разработчиков.
А что же японцы, правившие бал в восьмидесятых и вытеснившие с рынка DRAM Intel? В 1999 году профильные подразделения Hitachi и NEC объединились в компанию Elpida, которая позже поглотила DRAM-бизнес Mitshibishi. В двухтысячных компания активно развивалась, много вкладывала в перспективные производства и была поставщиком, например, для Apple. Но финансовый кризис 2009 года очень сильно подкосил Elpida, и в 2012 году она была вынуждена подать на банкротство, после чего была куплена Micron.
На этой печальной ноте давайте заканчивать с DRAM и переходить к flash-памяти, где все еще есть по крайней мере одна успешная японская компания.
