Поначалу дискета была основным, а зачастую и единственным устройством хранения данных, ну а после того, как в обиход вошли жесткие диски, превратилась в основной накопитель для транспортировки файлов.

По мере увеличения объема пользовательских данных была предложена масса новых устройств, претендующих на замену 3,5-дюймовых дисков, но ни одно из них так и не стало доминирующим.

Появившись в качестве замены грампластинке, компакт-диск быстро занял прочное место среди компьютерных аксессуаров, став необходимой принадлежностью ПК. Он оказался почти идеальным устройством для распространения однократно записанных данных. Через некоторое время были разработаны также его разновидности, допускающие многократную запись и претендующие на то, чтобы заменить дискету. Но помешала файловая система CDFS, созданная для хранения однажды записанных файлов и не допускавшая их фрагментации, а следовательно, и рационального использования дискового пространства при редактировании и удалении файлов. Впрочем, при необходимости унести несколько сотен мегабайт альтернативы перезаписываемым CD практически не было. Разве что «винчестер в портфеле».

И вот наконец появилось устройство, способное заменить как дискету, так и перезаписываемый оптический диск, — USB flash Drive, накопитель на флэш-памяти с интерфейсом USB. Пожалуй, основной причиной успеха этих носителей информации можно считать то, что они подключаются непосредственно к разъему универсальной шины, имеющемуся в любом компьютере, и соответственно не требуют никаких дополнительных приспособлений для считывания вроде дисководов или картридеров.

Новые форматы оптических дисков в отличие от прародителя разрабатываются сразу с учетом возможности многократной записи. Но, думается, скоро это уже может стать неактуальным — ниша переносных накопителей будет прочно занята флэш-памятью, а на долю оптики останется лишь распространение (штампованные диски) и архивное хранение (диски с однократной записью).

Как тестировать?

Набор характеристик любого накопителя довольно ограничен — емкость и скорость обмена.

С емкостью все понятно — она указана на упаковке, хотя и здесь существует некоторая неопределенность, связанная с наличием определенного процента неработоспособных ячеек, которые производитель заранее отключает, в результате чего реальная емкость накопителя оказывается заметно ниже «паспортной». Кстати, поэтому мы внесли в таблицу реальные показатели всех протестированных накопителей, выраженные в двоичных (т.е. 1 048 576 байт) мегабайтах. А вот со скоростью дело обстоит несколько сложнее. Если в накопителях на жестких дисках линейная скорость определяется в основном скоростью вращения дисков, то в полупроводниковой памяти решающими являются именно сами процессы записи и считывания информации. А они в случае с флэш-памятью не слишком быстрые: при чтении надо точно измерить уровень порогового напряжения, т.е. провести аналого-цифровое преобразование. При записи же необходимо сначала считать информацию, а затем стереть ячейку и записать ее обратно, тщательно дозируя величину заряда. Поэтому скорость записи, очевидно, должна быть меньше скорости чтения.

Жесткие диски обычно характеризуются скоростью линейной передачи данных и временем поиска. Существенная разница между скоростью последовательного и произвольного доступа характерна и для полупроводниковых устройств. Даже для оперативной памяти она может отличаться более чем на порядок, поэтому вполне естественным было проявить интерес к времени произвольного доступа у флэш-памяти, для которой характерен блочный доступ. И здесь мы, проведя измерения, испытали шок: оказалось, что у некоторых образцов накопителей время поиска на порядок превышает время поиска механического устройства — жесткого диска. Чтобы подробнее исследовать этот вопрос, были сняты не только профили линейной скорости, но и профили времени произвольного доступа, т.е. зависимости от позиции считывания (при условии, что на эту величину не влияет предыдущая позиция — для «винчестеров» это не так, но для флэш-памяти с большой вероятностью данное условие должно выполняться). Правда, в условиях несовпадения физической и логической адресации результаты получились не слишком наглядными, но определенные тенденции и здесь просматриваются.

При проведении измерения производительности флэш-накопителей использовался тестовый стенд в следующей конфигурации: центральный процессор — AMD Athlon 64 X2 3800+ (2Ё2.0 ); оперативная память — Corsair 1024, Мбайт DDR2-800 типа SDRAM PC6400 (два модуля по 512 Mбайт); системная плата — Biostar Tforce 570 U Deluxe; видеосистема — Palit GeForce 6600GT, 256 Мбайт; жесткий диск — Western Digital WD2000JD-00HBB0, 200 Гбайт, SATA 150, 7200 об/мин, 8 Мбайт; привод CD-ROM — Lite On LTN483L 48X; дисковод — Sony MPF920-E; блок питания NPU-3S525, 575 Вт.

Была использована операционная система Windows XP SP2.

Все основные измерения выполнены с помощью программ, написанных автором. Для сравнения приведены данные утилит SiSoft Sandra и HDTach, но последние, как показала практика, из-за стремления их авторов сократить время тестирования не всегда хорошо работают в условиях, когда объем накопителя сравним с объемом оперативной памяти.

Мы протестировали семь моделей накопителей разных поставщиков. Правда, в отличие от жестких дисков для флэш-накопителей производитель и поставщик — это далеко не одно и то же, поэтому кроме торговых названий для каждого накопителя приведено имя, возвращаемое им по запросу ОС.

MyFlash 512M

Этот «заслуженный», поскольку давно эксплуатируется, накопитель попал в обзор лишь благодаря своему 2-Гбайт собрату, после того как выяснилось, что у последнего очень велико время доступа. Он интересен своим крохотным размером и тем, что раскладывается подобно книжке. Соответственно «крышечку» потерять невозможно, она надежно прикреплена к самому накопителю. Из недостатков — отсутствие всякой индикации режимов работы. Ну и огромное время доступа, из-за чего, собственно, он и попал в обзор.

В комплекте с накопителем имеется USB-шнур, 80-мм компакт-диск с драйверами и утилитами, а также короткий ремешок под брелок.

MyFlash 02G

Убийцы дискет и RW-дисковПривлекательны низкая цена накопителя, металлический корпус, изящный и без лишних претензий внешний вид, а также то, что крышечка привязана цепочкой. Недостаток — чудовищно большое время доступа. Чтобы показать, что это не дефект конкретного экземпляра или модели, пришлось привлечь для тестирования накопитель меньшей емкости с практически аналогичным значением этой характеристики. Кстати, тоже от MyFlash. Но строки, сообщаемые о себе этими «флэшками», различны; это заставляет предположить, что под маркой MyFlash продаются изделия разных производителей.

В комплекте поставляется USB-шнур.

Apacer AH-123

Крохотный накопитель, по размерам совпадающий с меньшим из MyFlash, — только USB-разъем и ничего больше. Правда, сам «разъем» раза в два с половиной длиннее обычного. При этом у него есть индикация — через темную пластмассу «ушка» явственно просвечивает светодиод. Крышка ничем не закреплена, зато в комплекте их две: синяя и красная. То ли про запас, то ли для мальчиков и девочек.

Наверное, этот носитель данных изящно смотрелся бы в качестве кулона, но производитель оснастил его только коротким ремешком под брелок.

Убийцы дискет и RW-дисков

Verbatim U3 Smart

Убийцы дискет и RW-дисковСамый необычный накопитель в обзоре. Удивляет прежде всего тем, что представляется системе как сразу два устройства, одно из которых — компакт-диск, а второе — собственно флэш-накопитель. Виртуальный компакт-диск имеет крошечный объем в 4 Мбайт, содержащий код автозагрузки. Этим кодом устанавливается собственное программное обеспечение, предназначенное для работы с накопителем, которое может удовлетворить, как мне кажется, только любителей всяческих оригинальных гаджетов. Для всех остальных нестандартные приемы работы (в частности, извлекать накопитель следует исключительно посредством его собственного меню, но никак не через стандартный значок в панели задач), а также назойливое окно загрузки программы при каждом подключении к компьютеру скорее всего покажутся обременительными. Была, правда, надежда, что благодаря оригинальной загрузке накопитель можно будет без дополнительных драйверов использовать в ОС Windows 98, но она, увы, не оправдалась.

Крышка также ничем не закреплена, и запасных в комплекте нет. Внешне — ярко выраженный техногенный стиль. Поверхность бархатистая на ощупь, очень приятная, но подвержена царапинам и потертостям.

К устройству прилагается длинный широкий шнурок.

Transcend JF110

Особенность этого изделия — выдвижная рабочая часть, из-за чего крышка ему вообще не нужна. Рабочая лошадка, сочетающая низкое время доступа с высокой (хотя и не рекордной) скоростью передачи данных.

Убийцы дискет и RW-дисков

В комплекте длинный шнурок и 80-мм компакт-диск.

Apacer HT203

Явно декоративная модель, по внешнему оформлению похожая на тюбик с губной помадой. Крышка надежно закреплена металлическим тросиком.

Убийцы дискет и RW-дисков

В комплекте 80-мм компакт-диск и USB-шнур, заканчивающийся изящной мини-подставкой, выполненной в одной цветовой гамме с накопителем. Шнур, кстати, имеет ферритовое кольцо, защищающее от высокочастотных помех. Несколько удивляет отсутствие фирменного шнурка или цепочки, которые в данном случае пришлись бы очень кстати.

Corsair Voyager GT

Ну а отличительной чертой этого накопителя является пока еще непривычно большой объем — 8 Гбайт. И самая высокая скорость работы с множеством мелких файлов. Последнее, впрочем, возможно, является следствием примененной в нем файловой системы FAT32 (у FAT16 максимальный объем составляет 2—4 Гбайт). Накопитель полностью упакован в резину — «спортивный» стиль. Крышка не имеет ни крепления, ни замены.

Убийцы дискет и RW-дисков

Вместе с накопителем поставляется USB-шнур и длинный широкий шнурок — наверное, на шею.

Результаты и выводы

Самым неожиданным результатом, полученным в процессе тестирования, конечно, является неправдоподобно большое время доступа у накопителей MyFlash — порядка 100 мс. При более детальном исследовании выяснилось, что это время неравномерно распределяется по объему накопителя — первые несколько процентов объема (64 Мбайт для 512- Мбайт модели, 128 Мбайт для 2-Гбайт) имеют вполне «вменяемое» время доступа — менее 1 мс, тогда как оставшийся объем — 132—136 мс. Сначала возникло предположение, что скорость доступа ко всему объему превышает 100 мс, а ее уменьшение в начале — эффект, связанный с кэшированием служебной области накопителя операционной системой. Но эту гипотезу пришлось отвергнуть, так как при записи более 2,5 тыс. файлов на наполовину заполненный накопитель (что должно было привести к формированию достаточно большой служебной зоны — каталога в середине объема накопителя) профиль скорости произвольного доступа не изменился.

Любопытно, что подобным же профилем обладает и накопитель Corsair, но у него времена доступа различаются всего вдвое: 0,4 и 0,8 мс. У накопителей Apacer и Transcend выявилась другая особенность — время доступа для разных участков может принимать одно из нескольких фиксированных значений, правда, распределение их по объему диска (или внутри таблицы соответствия физических блоков — логическим) достаточно произвольно. Но при этом разброс не превышает одного порядка. Исключение из общего правила единственное — накопитель Verbatim с постоянным временем доступа по всему объему. Другими словами, различное время доступа (принимающее ряд дискретных значений) вообще характерно для большинства современных технологий производства флэш-памяти (вероятно, именно так проявляются попытки найти компромисс между NAND и NOR), а вот как этим фактом распорядиться — дело производителя.

Для сравнения на том же графике (см. материалы на компакт-диске) приведен профиль времени доступа для накопителя на жестких дисках (Seagate ST3300622AS, но в данном случае это несущественно, так как подобный профиль будет у любого накопителя такого типа) — там оно определяется временем перемещения головок и временем ожидания, когда нужный сектор окажется под головкой. Оба фактора, очевидно, зависят не только от запрашиваемого, но и от предыдущего положения зоны считывания, а потому имеют достаточно случайный характер.

Таким образом, хотя для части накопителей на основе флэш-памяти время доступа существенно меньше, чем для жесткого диска (а, как правило, именно этот параметр, а не скорость последовательной передачи данных, вносит основной вклад в производительность), у некоторых из них таковое существенно превышает аналогичный показатель «винчестеров». Поэтому если планируется применение накопителя в качестве замены жесткого диска для ускорения загрузки и работы ОС, как, например, предусмотрено в Microsoft Windows Vista, то не каждый накопитель для этого подходит. Самое печальное, что вряд ли такую информацию можно найти где-нибудь до его покупки. А вот уже приобретенный можно проверить, скажем, утилитой HDTach (http://www.simplisoftware.com). Обращать внимание надо на параметр Random Access Time, который для жестких дисков составляет порядка 15 мс. Если для флэш-накопителя это время заметно меньше, он пригоден для «ускорения» работы ОС, если больше — непригоден.

Просто для переноски и хранения данных можно использовать, разумеется, любой накопитель, но комфортность работы с ним будет существенно различаться для разных марок. Необходимо отметить, что при копировании множества мелких файлов даже флэш-накопитель с очень малым временем доступа может внешне вести себя намного медлительнее жесткого диска. Причина этого состоит в том, что по умолчанию данные на жестком диске кэшируются операционной системой, на флэш-накопителе — нет. Изменить установки можно в разделе Hardware•Polices свойств логического диска доступных из Проводника. Но делать это вряд ли целесообразно, поскольку чревато потерей данных. При необходимости переноса множества мелких файлов разумнее произвести их архивацию в единственный файл.

Исходя из результатов тестирования скорости файлового обмена (таблицы с результатами размещены на CD), можно сформулировать критерии, определяющие, когда файлы целесообразно архивировать, а когда переносить «как есть». В данном случае под критерием оптимальности понимался такой размер файла, при котором скорость его переноса на флэш-носитель уменьшается не более чем вдвое по сравнению со скоростью копирования очень длинного файла.

Кроме того, операционная система пытается минимизировать время реакции как на действия пользователя, так и на запросы прикладных программ, из-за чего запросы к файловой системе не выполняются немедленно, а ставятся в очередь на исполнение. При определенных соотношениях между интенсивностью потока запросов и скоростными характеристиками накопителя стратегия такой оптимизации может приводить к прямо противоположным результатам. В частности, к резкому увеличению времени, необходимого для копирования одного файла при их значительном количестве. В нашем тестировании такой эффект был отмечен для двух накопителей. Крайне не рекомендуется пытаться одной операцией скопировать на накопитель количество файлов больше указанного. Опять же лучше перед этой операцией подвергнуть их архивированию.

В целом же можно сказать, что прогресс в области разработки твердотельных накопителей привел к тому, что появился новый универсальный тип сменных носителей, быстро вытесняющий все остальные их разновидности. Но в то же время существует определенная специфика их работы, которую целесообразно учитывать при их использовании.


Как работает флэш-память

Ячейка флэш-памяти представляет собой полевой транзистор, имеющий под затвором еще один изолированный слой, называемый плавающим затвором. На нем может находиться заряд, способный сохраняться в течение десятилетий. Величина заряда определяет пороговое напряжение транзистора, которое можно измерить и таким образом прочитать хранящуюся в ячейке памяти информацию.

При программировании ячейки на сток и управляющий затвор подаются положительные напряжения, в канале идет ток, а в плавающий затвор за счет инжекции поступают «горячие» электроны. При стирании на управляющий затвор, напротив, подается отрицательное напряжение, и за счет туннелирования Фаулера — Нордхейма (Fowler-Nordheim tunneling) электроны стекают с плавающего затвора. При чтении напряжение на управляющем затворе отсутствует, и параметры транзистора определяются зарядом плавающего затвора. Очевидно, величину заряда на плавающем затворе можно дозировать, обеспечивая возможность устанавливать несколько разных уровней порогового напряжения. При этом каждая ячейка может хранить более одного бита информации, за счет чего и достигается чрезвычайно высокая поверхностная плотность информации во флэш-памяти.

По принципам организации в массив флэш-память условно подразделяют на две группы: NOR (от логического Not OR) и NAND (от логического Not AND). Для первой характерны возможность индивидуального доступа к каждой ячейке, низкая удельная емкость, высокая скорость произвольного доступа и низкая — последовательного. Для NAND наоборот: блочный доступ к ячейкам, высокая удельная емкость, высокая скорость последовательного доступа (по блокам) и низкая — произвольного.

Для того чтобы изменить информацию в одной ячейке NAND, нужно считать целиком блок во внешнюю память, изменить там нужный бит, стереть блок целиком и затем записать в него измененную информацию. Величина блока составляет обычно от нескольких килобит до нескольких мегабит, а возможно, и больше. Именно последний тип памяти и используется во флэш-накопителях. Впрочем, производители флэш-памяти изобретают новые ее разновидности в поисках оптимального соотношения свойств NOR- и NAND-разновидностей.

Существенно, что ячейки флэш-памяти в процессе записи-стирания деградируют, выдерживая от сотни тысяч до нескольких миллионов циклов. На самом деле это не очень много: в процессе записи единственного файла происходят минимум две-три записи в каталог или таблицу размещения файлов. Если весь каталог (не содержимое файлов, хранящееся в каталоге, а сами таблицы с характеристиками файлов) или таблица хранится в одном блоке, то при ежедневной записи, скажем, тысячи файлов (например, нескольких десятков html-страничек) его ресурса может хватить лишь на месяц. Для предотвращения выхода накопителя из строя из-за деградации часто используемых блоков для каждого блока запоминается количество циклов записи, а сами блоки подвергаются ротации, т.е. периодически меняется логический номер блока в массиве. При этом, правда, повышенной нагрузке подвергается таблица, хранящая историю блоков, и таблица соответствия логических блоков физическим.


Полный вариант статьи см. на «Мир ПК-диске».

808