Windows Mobile 5 убивает встроенный флеш

[Darkcat]

Я скорее поверю от статики. Синтетическая рубашка плюс шерсть на руках - ой как знатно искрит (только не говорите, что у вас шерсти нет ).

[ВадимП]

Я не понимаю, что тут вообще обсуждать. Блин невооруженным мозгом понятно, что количество циклов срабатывания полевого транзистора(базовый элемент флэши) много выше чем совокупности э.м. головка+магнитный носитель.

Господа!
Я искренне Вам удивляюсь. Тут действительно обсуждать абсолютно нечего, особенно если мозг не является "невооруженным".
Чтобы его вооружить, позволю себе повторить несколько общеизвестных фактов:
(заранее прошу прощения, но я и представить себе не мог, что по поводу такого очевидного явления удачно названного тут "протиранием флеш-памяти до дыр" существует столько мифов).
Итак, флеш-память относится к разряду EEPROM - постоянной памяти с электрическим стиранием. Все радиолюбители, имевшие дело с EPROM (которая стиралась потоком ультрафиолетового излучения) или с ранними вариантами EEPROM никогда не удивлялись тому, что эта память выдерживает только ограниченное количество циклов стирания.
В ситуации с флеш-памятью не изменилось абсолютно ничего.
Основным элементом ячейки, в которой хранится информация (раньше это был 1 бит на ячейку, сейчас стало больше) действительно является транзистор.
Однако меня удивляет сарказм уважаемого мною Dart'а, который похоже не понимает, что транзисторы в этой ячейке действительно изнашиваются, причем очень быстро.
Существует несколько вариантов типов флеш-памяти, однако физические принципы их работы практически идентичны.
Разберем, к примеру, один из вариантов флеш-памяти NOR, которая стоит в моем Palm'е.
Ячейка этой памяти состоит из двух транзисторов - один из них называется плавающим затвором (floating gate), а другой - управляющим затвором (control gate). Причем никакого электрического контакта между этими двумя транзисторами не существует в природе.
Абсолютно.
Мало того, никакого электрического контакта плавающего затвора не существует вообще ни с чем. Он абсолютно изолирован. Именно благодаря этому он и может сохранять накопленный на нем заряд долгие годы.
Дело в том, что он окружен тонким слоем изолятора (в моем случае это окись кремния, хотя сейчас для тех же целей пробуют применять оксиды титана, гафния, нитрид кремния и прочую хренотень), который препятствует прохождению сквозь него электронов.
Поэтому с точки зрения классической электродинамики флеш-память вообще работать не может. Точка. Поэтому, начиная с этого момента рассматривать ее "невооруженным мозгом" мы перестаем - всё равно не работает.
Флеш-память - устройство работающее по принципам квантовой, а не классической механики. "Общие соображения" к ней применимы достаточно слабо.
Итак, как уже было сказано, между двумя транзисторами расположен слой изолятора. Попросту потенциальный барьер. Высокоэнергетичный электрон легко прошел бы этот барьер (в классическом случае тут произошел бы пробой изолятора), но при нормальной работе (или в отключенном состоянии) напряжение на транзистроре недостаточно высоко, чтобы это произошло.
И тем не менее, электроны всё равно преодолевают изолятор. Как? Да за счет обычного туннельного эффекта, который большинство из Вас учило в институте.
Говоря точнее, за счет полевой эмиссии (field emission), известной многим из Вас под названием туннеллирования по Фоулеру-Нордхайму.
Под таким звучным названием скрывается обычный туннельный эффект в присутствии внешнего электрического поля. Если кому будет интересно, я могу написать уравнения описывающие волновую функцию этого процесса. Кому-нибудь интересно? Ну и слава богу, что нет...
На управляющий затвор подается небольшое напряжение (порядка 5-ти В).
Дальше процесс очень прост: под воздействием электрического поля электроны начинают просачиваться сквозь слой изолятора (который, по понятным причинам, должен быть чрезвычайно тонким, не более 10нм - иначе вероятность прохождения электрона через барьер падает экспоненциально).
На противоположной стороне барьера (на стоке) начинает накапливаться отрицательный заряд от туннелировавших электронов.
Считывание информации заключается в измерении величины накопленного заряда (практически речь идет о измерении потенциала на стоке). Насколько я понимаю физику процесса, какого-либо существенного износа ячейки при считывании не происходит.
А вот при записи ситуация совершенно обратная.
Схемотехника микросхемы флеш-памяти такова, что выборочно изменить состояние конкретного плавающего затвора невозможно - даже для изменения одного-единственного бита необходимо сначала полностью стереть весь блок, которому принадлежит данный бит, а потом записать на его место новый. с уже исправленной информацией.
Этот процесс происходит в два этапа: сначала на управляющем затворе создается отрицательный потенциал величиной порядка -10В, в то время как на вход подается напряжение программирования (порядка 6-ти В), что эффективно сбрасывает заряд на плавающем затворе за счет всё того же туннельного эффекта в ноль. В таком состоянии ячейка имеет значение "1". Чтобы записать в ячейку "0" используется опять-таки туннельный эффект, только направленный уже в обратную сторону: достаточно высокое напряжение на управляющем затворе (+12В) в совокупности с +7-ю вольтами потенциала стока (источник заземлен) заставляет электроны туннелировать в обратную сторону, накапливая на плавающем затворе отрицательный заряд. Этот процесс иногда называют "горячим впрыскиванием" (hot injection), поскольку в нем применяются высокоэнергетичные (по сравнению с высотой потенциального барьера - это где-то 3.2 электрон-вольт для 4нм слоя) электроны.
К сожалению, вышеописанный процесс повреждает как сам плавающий затвор, так и, в первую очередь, слой изолятора, играющий роль потенциального барьера.
Любой из Вас, что учил квантовую механику знает, что ток, возникающий вследствие туннельного эффекта опять-таки экспоненциально зависит от высоты потенциального барьера (говоря точнее, экспоненциально от корня квадратного из куба высоты этого барьера).
Поэтому ток (и, следовательно скорость считывания информации) снижаются при каждой перезаписи флеш-памяти.
Чем большее число раз ее перезаписывали - тем медленнее она будет работать.
Правда, скорость снижения скорости не так уж велика - необходима минимум сотня тысяч перезаписей одного и того же блока, чтобы Вы заметили, что Ваша карта стала работать медленнее.
Еще через некоторое количество перезаписей туннельный ток станет настолько мал, что необходимый уровень потенциала на управляющем затворе уже никогда не будет достигаться - при попытке чтения памяти считываться будут одни нули.
Механизм деградации оксидного слоя весьма сложен и связан как с классическими (увеличение толщины слоя, умеьшение это диэлектрической проницаемости вследствие захвата низкоэнергетичных электронов дефектами кристаллической решетки), так и квантовыми эффектами (поглощение электрона связано с образованием акустических и оптических фононов при рассеянии соответственно момента импульса и энергии электрона на кристаллической решетке диэлектрика).
К чему это приводит понятно - слой диэлектрика электризуется, приобретая отрицательный заряд (тот же, который имеет сам электрон), а одноименно заряженные частицы, как известно, отталкиваются - вот одна из причин почему слой становится менее проницаемым для туннелирования электронов (практически, повторяю еще раз, речь идет, конечно не о затруднении прохождения электрона сквозь слой диэлектрика - он НЕ МОЖЕТ через него пройти, а о повышении высоты потенциального барьера, что уменьшает ток, возникающий за счет туннельного эффекта).

P.S. Описание популярное и достаточно приблизительное. Разные типы флеш-памяти могут иметь меньшее количество затворов, иные величины напряжения (в том числе возможность хранения бОльшего числа битов информации на транзисторе за счет использования нескольких различных величин заряда плавающего затвора и т.д., но принцип остается тем же самым.

[sparrowson]

Прямо-таки как и в случае с цифровыми и плёночными камерами получается

Механические Leica работают десятилетиями при достаточно активной съёмке (профессиональными фотографами) - думаю, объяснять, как они снимают, не стоит (3 катушки в день - это ещё не много).
Те же фотографы затаскивают цифровики за два-три года.

Это имеет мало отношения к теме, но всё же...
При аккуратном обращении винты шуршат очень долго - грубо говоря, там "меньше чему ломаться". Только никто ни флэшками, ни винтами не пользуется настолько долго, чтобы они подохли от естественного износа.

[NightCity]

Добавлю свою ложку масла в вашу лампадку: пусть горит ярче.


Цифровой фотоаппарат Олимпус 3030, карта памяти SM.
Каждый день делаются снимки и каждый день стиаются (карта маленькая!).
Прошло 5 лет. Карта по прежнему записывается, читается, стирается.
Каждый день.

[sparrowson]

Всё именно так и должно быть.

Принимаем любой размер карты, который реально забить за день снимками, число циклов перезаписи - 100000 (после которых карта станет работать заметно медленнее), и пусть будет ещё и активное использование каждый день. Будем считать, что карта забивается снимками до полного исчезновения свободного места на ней.

В Вашем случае за 1 день карта (все секторы) записывается 1 раз и стирается (записывается нулями) также 1 раз. Т.е. происходит два цикла. (В реальности в тех же условиях их может быть и больше - мало ли как камера с флэшкой обращается ). За обычный год это 730 циклов. Или 732 за високосный

100000/730,5 - это около 137 лет, принимая год равным в среднем 365,25 дням

Конечно, это "идеальные" условия - я думаю, что в реальности циклов происходит гораздо (скорее всего, на порядок) больше даже в этом случае.
Если учесть, что гарантия на карты обычно составляет года три, то интенсивность осуществления циклов перезаписи для рассмотренного случая может быть больше примерно в 46 раз при сохранении той же гарантированной работоспособности и скорости в течение трёх лет.

Если я ошибаюсь - поправьте...

[Polosatiy_io]

Итого имеем: Флеш память имеет большой, но точно ограниченый ресурс по чтению/записи, в HDD, в теории гораздо более выносливые при условии идеальной подвески механических частей. Последнее условие и является слабым звеном - человеческий фактор, мельчайшие дефекты и многое другое. Искоренение этих производственных рисков, естественно, удорожает производство.
Вывод: качественный (а по тому дорогой) HDD гораздо долговечнее Флэш-памяти, но в нем все-же больше случайных факторов, которые могут привести к преждевременной кончине.

Интересно, а в КПК можно использовать что-то типа файла подкачки?

[ВадимП]

На самом деле, я думаю, что корректнее было бы говорить где-то о миллионе перезаписей. Хотя бы потому, что во-первых, карта основана на микросхемах с логикой NAND, которые на порядок, долговечнее NOR, а во-вторых, карта имеет собственный контроллер, который старается уменьшить износ носителя, постоянно меняя отображение логических блоков на физические с целью более равномерного распределения операций записи.

[sparrowson]

HDD имеет проблемы с магнитами зато.

Самый долговечный - это, пожалуй, всё же CD.

Хотя тут сравнение ПММ уже не совсем корректно - мы сравниваем устройство с болванкой. Тогда уж надо сравнивать HDD c CD-ROM со вставленным диском.

Вообще, как мне кажется, это вопрос скорее "как", а не "на чём" хранить данные.

[Darkcat]

У HDD своих проблем хватает. Хотя там не происходит физической деградации слоя, зато каждый старт-стоп очень больно лупит по головке. Пока она взлетит (это примерно как Боинг летящий на высоте 1 см) она царапается пылью. И в момент старта страдают мосфеты питания. Стартовый импульс обычно очень значительный.

CD-R, CD-RW и проч. тоже далеко не идеальны. Процесс записи там основан на изменении свойств материала под действием энергии. Так что выставив CD-R на солнышко мы получаем примерно то же, что и при записи. Тоесть то, что там не вскипело в момент записи вскипит попозже. У CD-RW есть старение слоя. Всетаки мы переплавляем кристаллы достаточно приличным импульсом. Да и поликарбонат не вечен, это не стекло. Еще клей, защитный слой. От нагревания при записи и чтении слои разрушаются и расслаиваются.

Так что единственным надежным носителем можно считать CD и DVD, которые штампуют на заводах. Или перфокарты из золота

[[CpD]bob]

2ВадимП - респект.

Но где-то наткнулся на буржуйском сайте на промышленный флешдиск в стандартном 2,5-дюймовом формфакторе, где сравнивался такой показатель, как MTBF - время наработки на отказ. Не вспомню сейчас, чтобы отличалось на порядки, хотя надо поискать и перечитать, самому интересно стало.

2sparrowson - Сравнение камер не совсем корректно. Та же цифровая линейка EOS - зеркалки, по конструкции схожие с плёночными. Следуя вашей логике там изнашивается матрица...

[Ozone]

Но где-то наткнулся на буржуйском сайте на промышленный флешдиск в стандартном 2,5-дюймовом формфакторе, где сравнивался такой показатель, как MTBF - время наработки на отказ. Не вспомню сейчас, чтобы отличалось на порядки, хотя надо поискать и перечитать, самому интересно стало.

Возможно, что так оно и есть.
Одно дело просто массив NAND или NOR флэш-памяти, а другое дело флэшдиск.
Используя избыточность, механизмы коррекции ошибок и равномерного распределения перезаписываемых секторов можно добиться схожих показателей. Но при этом, какой ценой!
Не думаю, что в КПК в качестве файлстора ставят уж слишком «умную» флэш-память.

[sparrowson]

2 Darkcat - да, я штампованные CD как раз и имел в виду.
2 [CpD]bob - всё-таки электроника сыплется быстрее - в частности из-за мороза и жары. Ну это я действительно не в тему...
2 ВадимП - 100000 - это я почти с потолка взял Скорее для того, чтобы показать, что и такие flash-носители могут служить достаточно долго...
2 Dart - в общем-то, с какой стороны подойти - если хранить на полке, предпочтительнее CD (им только растворители и гамма-излечение страшны, а вот для HDD какой-нибудь магнитик может обернуться потерей части данных). В общем... фиг его знает... Смотреть надо.

[ВадимП]

Dart: чтобы кратко ответить на все Ваши вопросы, достаточно, по сути, ответить только на один: почему в процессе перезаписи происходит изменение физической структуры транзистора и что именно вызывает разрушение прослойки диэлектрика да так, что ее сопротивление в процессе этого разрушения не уменьшается, а возрастает.
Частично я попытался дать ответ в своем предыдущем письме: износ вызывается электронами, которые "впрыскиваются" сквозь этот самый слой для изменения заряда плавающего затвора.
Грубо говоря, управляющий затвор на это время превращают в электронную пушку, которая бомбардирует электронами плавающий затвор до тех пор, пока на нем не будет создан необходимый заряд.
В износ материала под действием бомбардировки электронами (пример - обычная электронно-лучевая трубка в телевизоре), я надеюсь, Вы верите?
Кстати, прослойка действительно утолщается (как бы разбухает) в процессе износа.
Собственно, вероятность туннелирования зависит в основном от двух параметров: высоты потенциального барьера и его толщины (на самом деле несколько больше, потому что в туннельном эффекте Фоулера-Нордхайма барьер имеет не классическую прямоугольную, а скорее треугольную форму - потенциал управляющего затвора влияет на высоту барьера.
В нашем случае растут оба параметра.
Более подробно об этом почитать, например, тут: http://www.research.ibm.com/journal/rd/444/ludeke.html

[Ozone]

ВадимП верно излагает. Так оно и есть.

2sparrowson
Цифру 100000, я, например, взял из документации на карточки MMC/SD. Думаю, что файлстор в КПК сделан по той же технологии.