Что такое флешка? Это устройство для записи и хранения информации с интерфейсом USB, выполненное на модулях памяти типа flash. В этом крохотном корпусе умещаются интегральные схемы с миллионами элементов. Но как именно в эти схемы влезают гигабайты и гигабайты информации?

Эта статья была опубликована в журналеOYLA №5(33). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Компьютер «видит» мир как электрические импульсы. Нам проще представить этот поток в виде нулей и единиц — соответственно, есть заряд и его нет. Но как этот поток получается и как хранит информацию? Начнём с простого. Нужен элемент, который может сохранять хотя бы электрический заряд. Например, конденсатор. В электрической цепи он накапливает заряд, но как только вы замкнёте внешнюю цепь — разрядится. Теоретически конденсатор мог бы служить вместилищем информации, но только до первого считывания. Чтобы зафиксировать исходное состояние, устройство пришлось бы окружить целым электронным «лесом». Так что, несмотря на все свои замечательные свойства, обычный конденсатор для хранения данных не подходит.

Следующий кандидат — радиолампа. Но сперва давайте вспомним, что такое диод. Это электронное устройство, которое пропускает ток только в одном направлении. Улучшенной версией диода стал триод — лампа с тремя электродами (анодом, катодом и управляющей сеткой), которая обладает свойством диода и может регулировать ток, идущий через лампу.

Не вдаваясь в технические подробности, отметим, что из триодов можно собрать электрическую схему, известную сегодня как триггер. Он-то и стал прообразом ячейки памяти благодаря свойству сохранять одно из нескольких возможных состояний сколь угодно долго.

Но радиолампа — вещь ненадёжная. Простой пример: представьте ЭВМ всего с одним мегабайтом памяти. Приставка «мега-» означает миллион, то есть один миллион байт. Учитывая, что 1 байт равен 8 битам, нам потребуется более 8 мил­лионов ячеек памяти. Только памяти, а ведь есть ещё и ЭВМ! Каждый триггер — это пара триодов, так что речь идёт о паре десятков миллионов ламп. Фактически это значит, что компьютер на базе радиоламп с памятью такого объёма неработоспособен.

Макет первого транзистора Бардина и Браттейна

Всё изменилось в 1948 году. Американские физики Уолтер Браттейн и Джон Бардин (единственный человек, дважды получивший Нобелевку по физике) представили миру совершенно новый электронный прибор, предназначенный для усиления тока. Это был прообраз транзистора, которому предстояло задать вектор технологического развития нашей цивилизации по крайней мере на столетие. В 1954 году, всего через 6 лет после появления экспериментального образца, в мире уже был произведён целый миллион транзисторов!

Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн в стенах Bell Labs, 1948

Первыми массовыми пользователями новой технологии стали автоматизированные телефонные станции, но с каждым месяцем областей применения транзисторов становилось всё больше. Особенно новые приборы приглянулись военным: ничтожное энергопотребление (нет нити накала, которую надо держать раскалённой), надёжность (нет хрупкого стеклянного баллона и многочисленных контактных соединений внутри) и долговечность (в принципе, в транзисторе нет ничего изнашивающегося). Ну и конечно, без транзисторов была бы невозможна космонавтика, в которой вопросам компактности и надёжности оборудования всегда уделялось первостепенное внимание.

За считаные годы инженеры и учёные разработали много разных транзисторов. Первым массовым стал транзистор с выращенными переходами, для производства которого пришлось разработать технологии получения сверхчистых кристаллов (зонные очистка и выравнивание, диффузионные технологии и т. д.).

Абстрактные физика твёрдого тела и квантовая механика нашли воплощение в полевых транзисторах со структурой «металл-оксид-полупроводник» (МОП) и «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП). Учёные также обнаружили, что кроме германия и кремния в качестве полупроводников могут выступать интерметаллические соединения, например арсенид галлия.

Транзистор оказался весьма удобным логическим элементом, как будто специально созданным для решения двоичных задач. Схемотехникам было достаточно просто заставить транзистор работать не в режиме плавного усиления слабых токов, а в режиме «ключа», ­когда он либо закрыт, либо ­открыт (фактически готовые «0» и «1»). Поэтому для устройств автоматики и вычислительной техники транзисторы стали (и остаются) естественным элементным фундаментом.

В ряду титанов полупроводниковой индустрии следует упомянуть Джека Килби, инженера компании Texas Instruments, и Роберта Нойса, одного из основателей Intel. Они предложили революционную концепцию — интег­ральную схему, ставшую основой современной электронной схемотехники. От германиевой 5‑компонентной планки длиной 1 см до многоядерных процессоров с миллиардами (!) элементов — вот путь, который прошла микроэлектроника за неполные 60 лет.

По утверждениям фирм-производителей, устройства флеш-памяти допускают около 100 тысяч циклов стирания/записи (некоторые замахиваются аж на миллион). На первый взгляд этого более чем достаточно. Если в день проводить десяток-другой таких операций, одной флешки хватит почти на 30 лет. На деле всё куда хуже: интенсивность использования различных областей памяти неодинакова. Например, зона, в которой записана таблица размещения файлов (FAT — File Allocation Table), подвергается перезаписи гораздо чаще, чем другие области хранения данных. 

Эти проблемы возникают из-за потока «горячих» электронов, что для изолирующей подложки транзистора является достаточно суровым испытанием. С одной стороны, повышается её температура, а в сильных электрических полях разрушается кристаллическая структура. С другой — электроны своим полем тоже способствуют «выбиванию» атомов из слоя диэлектрика. Вывод неутешителен: каждая операция перезаписи данных сокращает ресурс полевого транзистора.

Для борьбы с неравномерным износом ячеек инженеры применяют разные способы, самый популярный из них — плавающее резервирование некоторого объёма памяти, не распознаваемого операционной системой. Помечаются и выводятся из оборота ячейки, вышедшие из строя, подобно дефектным кластерам на жёстких дисках. Есть и другие ухищрения.

Устройства нового типа появились в 1984 году стараниями инженеров фирмы Toshiba. По одной из версий, старший инженер-исследователь в отчёте написал, что запись происходит in a flash (англ. — в мгновение ока). В 1988‑м к технологии flash приложил руку Intel, но и этот выстрел остался холостым, ибо не пришло ещё время…

Оно наступило в конце 1990‑х, когда на рынок широким фронтом вышли цифровые фотоаппараты, нуждавшиеся в компактных и ёмких устройствах хранения данных. Вслед за ними в роли активных потребителей flash-памяти выступили MP3‑плейеры, мобильные телефоны, наладонные компьютеры и прочие гаджеты — процесс приобрёл лавинообразный характер.

Центральное место во флеш-накопителях занимает двумерный массив из проводников: на пересечении строк и столбцов установлено по одному транзистору.

Когда говорят о высокотехнологичном производстве, то чаще всего имеют в виду что-то вроде фабрик Intel. И в самом деле, «выше» уже некуда — ни по затратам (средняя стоимость современного завода полного цикла — не менее 2 млрд долларов), ни по конечному продукту. Размеры элементов гигантских интегральных схем поражают воображение: так, ячейка кэш-памяти процессора в 100 раз меньше эритроцита, а транзистор чуть больше вируса гриппа!

Создание заготовки с модулями памяти — это техно­­логический процесс из трёх сотен шагов, включающих массу операций с использованием химических ­реактивов, газов и света (а также фундаментальной технологии — фотолитографии).

Заводов, специализирующихся на производстве флеш-памяти, немного (среди них — фабрики в Юте и Сингапуре, принадлежащие консорциуму Intel/Micron, корейские Hynix и Samsung, американо-японский SanDisk/Toshiba). Но производительность их так велика, что дефицита многочисленных инкарнаций флеш-памяти опасаться не надо. Люди, несмотря на кризисы и санкции, не перестанут фотографировать, снимать видео и слушать музыку (и уж точно не выбросят смартфоны). Это значит, что век флешек продолжается. А ведь мы ничего не сказали о твердотельных дисках!