Всё о картах памяти. Часть первая: Compact Flash и Secure Digital

Сегодня любой человек, пользующийся бытовой электроникой или компьютерной техникой, сталкивается с картами флэш-памяти. На рынке представлены всего пять основных видов карт памяти: три с открытым стандартом (CompactFlash, SecureDigital и MultiMediaCard) и два – с закрытым (MemoryStick (Sony, Samsung) и xD-Picture (Olympus, Fuji)). Именно открытость позволила двум из них – CompactFlash и SecureDigital – завоевать популярность среди пользователей и быстро заполнить рынок своими «потомками». Разобраться с особенностями этих форматов, заглянуть в их прошлое и попытаться предсказать будущее – вот цель этой статьи.

CompactFlash: сначала было слово…

История создания стандарта

С появлением флэш-памяти производители электроники получили возможность без особых проблем и затрат оснастить свои устройства новым типом накопителей. Налицо были выгоды – низкое энергопотребление, высокая надежность (из-за отсутствия движущихся деталей) и устойчивость к внешним воздействиям и нагрузкам. Однако главной проблемой были габариты флэш-накопителей. На рынке все очевидней проявлялся спрос на миниатюрные устройства, чей размер не позволял установить внутрь громоздкие флэш-диски, выполненные по стандарту ATA-Flash.

Возникла идея создать новый формат флэш-накопителя, который имел небольшие размеры, но притом был совместим с уже существующими и распространенными разъемами PCMCIA, что, в принципе, означало поддержку набора команд ATA/ATAPI.

В 1994 году корпорация SanDisk представила первую ревизию спецификаций CompactFlash. Продуманность и стабильность продвижения стандарта на рынок привели к тому, что уже через год после презентации была создана CompactFlash Association (CFA), насчитывающая на сегодняшний день более 200 компаний. В состав совета директоров ассоциации входят такие гиганты индустрии компьютеров и электроники, как Canon, Eastman Kodak Company, Hewlett-Packard, Hitachi Global Systems Technologies, Lexar Media, Renesas Technology, SanDisk и Socket Communications. Сейчас CFA занимается поддержкой и дальнейшим развитием стандарта, улучшая показатели быстродействия карт памяти.

Характеристики стандарта CompactFlash

Как было сказано, карты CompactFlash были созданы с расчетом на установку в разъем PCMCIA Type II, что возможно с помощью несложного пассивного адаптера.

Разъем состоит из 50 ножек, расположенных в 2 ряда (в разъеме PCMCIA Type II 68 ножек), но все равно полностью соответствует спецификациям PCMCIA ATA.

Для 1994 года размеры карт были просто потрясающие: 43х36х3,3 мм, то есть вдвое тоньше обычной карты PCMCIA.

Кроме того, по мере роста требований к емкости карт стандарт был разделен на два типа. Старый, тонкий стандарт был назван CompactFlash type I, а новый, более емкий – CompactFlash type II. Он отличался увеличенной до 5 мм толщиной.

В кардридеры для CompactFlash type II можно устанавливать карты обоих типов, а в кардридер typeI карта второго типа просто не поместится.

На данный момент развитие технологии производства флэш-памяти позволяет создавать высокоемкие чипы крошечного размера, что нивелировало выгоду от использования толстых карт. Поэтому сегодня CF type II не распространены, а слот чаще всего применяется для установки накопителей Microdrive и периферийных контроллеров.

В виде карт CF I/O выпускается огромное количество периферийных устройств, среди которых модемы, сетевые контроллеры, беспроводные адаптеры и многое другое.

Достоинства СompactFlash:

• Легкое подключение с помощью адаптера к PCMCIA, удобный разъем.
• Устойчивость к сотрясениям: использование флэш-памяти означает, что внутри карты нет ни одной механической детали. Карты сохраняют полную работоспособность при перегрузках более 2000 g, срок жизни карт составляет примерно 100 лет.
• Экономичность: карты потребляют около 5% от обычного энергопотребления накопителей на жестких дисках форм-фактора 1,8” и 2,5”. Это делает их отличным выбором для портативных устройств, для которых время работы от аккумулятора является очень важным, если не определяющим показателем.
• Широкая совместимость: набор команд ATA поддерживается подавляющим большинством операционных систем, следовательно, карты без проблем распознаются и работают практически на всех системах.
• Напряжение питания 3,3 и 5В, что позволяет использовать карты в системах с обоими видами питания

Теоретический предел емкости накопителей на базе CompactFlash – 137 Гбайт. На данный момент на рынке доступны модели емкостью от 16 Мбайт (которые потихоньку становятся архаизмами) до 12 Гбайт. Но самые распространенные – на 1 и 2 Гбайта. CompactFash – самый популярный формат на цифровых фотокамерах профессионального уровня, например, Canon EOS 20D.

SecureDigital: меньше – лучше?

История стандарта

Процесс дальнейшей миниатюризации потребительской электроники привел к тому, что крупнейшие производители подобной продукции задумались над созданием нового стандарта карт памяти. К 2000 году многие устройства настолько уменьшились, что применение традиционных карт CompactFlash стало невозможным.

В 2000 году компаниями SanDisk, Matsushita Electric и Toshiba был создан союз , названный SecureDigital Card Association. Как видим, группа собралась более чем серьезная. Во-первых, родоначальник всех карт памяти корпорация SanDisk, являвшаяся лидером производства подобной продукции. Посоревноваться с ней в объемах производства могли, пожалуй, только члены CompactFlash Association Lexar Media и Renesas. Во-вторых, мастодонт рынка потребительской электроники и hi-fi-продукции, Matsushita, известная под брендами Panasonic, Technics и десятками других, не менее нашумевших. В-третьих, один из лидеров производства ноутбуков (прежде всего на азиатском рынке) Toshiba. Из других членов союза можно выделить HP, Hitachi, AMD, Intel, Samsung, целое семейство компаний корпорации Fujitsu, производителей сетевой аппаратуры Agere, Broadcom, Atheros, Freescale, Motorola, а также мобильных гигантов Nokia, NTT DoCoMo, Symbian, Vodafone. Всего SD Card Association насчитывает более 600 членов и лицензиатов – это самая большая ассоциация, занимающаяся поддержкой и производством карт памяти.

Характеристики стандарта

Основой стандарта, названного SecureDigital, стали уже существующие с 1997 года MultiMediaCard (MMC). В частности, была сохранена вся механическая и электрическая часть. Но на практике, к сожалению, лишь некоторые карты MMC нормально работают в кардридерах для SecureDigital.

Количество контактов, расположенных на одной из сторон пластикового корпуса карты, увеличено с 7 (было у MMC) до 9. Это позволило увеличить количество одновременных потоков передачи данных до 4 (данные могут передаваться через 1, 2 или 4 контакта одновременно). Режим передачи данных выбирает контроллер карты, и именно такая дифференциация режимов позволяет называть интерфейс последовательно-параллельным.

Карта SecureDigital может быть подключена к разъему PCMCIA с помощью специального адаптера.

Контроллер карты способен работать на частоте до 25 МГц (против 20 МГц у MMC).

Карты имеют размеры 32х24х2,1 мм, вес 2 грамма (для сравнения, вес карт CF 11-13 граммов). Всего существует три вида SD-карт:

• Обычные карты с рабочим напряжением 2,7-3,6 В.
• SDLV (Low Voltage) – карты с пониженным рабочим напряжением – 1,6 В.
• Карты miniSD, имеющие уменьшенные до 21х20х1,4 мм размеры и массу 1 грамм. предназначены для установки в миниатюрные устройства (наладонники, коммуникаторы, мобильные телефоны).

Название SecureDigital («Защищенные цифровые») обусловлено соответствием карт памяти рекомендациям SDMI (Secure Digital Music Initiative), составленным крупными музыкальными гигантами.

Новые карты должны были бороться с распространением пиратского мультимедийного содержимого именно на этом виде носителей. Вот почему контроллер карты имеет криптографический модуль, который осуществляет потоковое шифрование записываемых на карту данных.

Эта методика применяется при записи коммерческого медиа-содержимого (видео или аудио). Когда карта подключается к компьютеру, контроллер карты сверяется с ключом, записанным в контроллер кардридера. Карта проверяет наличие у компьютера прав на запись и чтение контента, а тот, в свою очередь, проверяет карту. После взаимной проверки контроллер карты открывает доступ для записи содержимого. Записываемый контент шифруется в соответствии с ключом, записанным в карту еще при прошивке служебного ПО в контроллер, и ключом, которым подписан контент. Всего контроллер позволяет произвести три подобных операции записи/перезаписи, после чего карта перестает работать на запись.

Кроме того, еще одним фактором, обусловившим название SecureDigital, является переключатель защиты от перезаписи, установленный на одной из сторон карты. На картах miniSD такого переключателя нет.

Кроме традиционных карт памяти SecureDigital, ассоциация разработала стандарт SDIO для различных устройств ввода-вывода, построенных в формфакторе карты SD.

Следует заметить, что именно отсутствие стандарта SDIO обуславливало огромное преимущество карт CompactFlash до 2002-2003 года. После опубликования спецификаций SDIO, SecureDigital стали стремительно догонять CompactFlash по распространенности. Уже в 2004 году SD начал обходить более старый формат по уровню продаж.

Тем временем ассоциация продолжила путь к дальнейшей миниатюризации карт памяти. Осенью 2004 года компания SanDisk представила стандарт TransFlash, предназначенный прежде всего для мобильных телефонов. Одновременно было заявлено, что карты TransFlash должны стать следующим форматом, принятым SD Card Association. Размерами новые карты были сравнимы с ногтем большого пальца, и поэтому сразу заинтересовали производителей мобильных телефонов. Первым заказчиков SanDisk стала Motorola, обеспечившая поддержку TransFlash в целой линейке продукции. Затем к лагерю приверженцев этого стандарта примкнула Samsung, затем LG Electronics.

Активное проникновение нового стандарта не могло не подстегнуть SDCard Association к сертификации TransFlash. Так и произошло. 13 июля 2005 года SecureDigital Card Association официально опубликовала спецификации стандарта microSD. В спецификациях подчеркивается, что карты TransFlash полностью совместимы со всем оборудованием microSD (конечно, ведь это один и тот же формат, только названия разные).

Размеры карт microSD составляют 11х15х1 мм, вес – около 1 грамма. Безусловно, такие показатели делают этот стандарт лучшим выбором для сверхпортативных устройств. SecureDigital Card Association заявила, что ставит перед собой цель сделать microSD стандартом де-факто для мобильных телефонов.

К сегодняшнему дню на рынке появились карты microSD емкостью от 32 до 256 Мбайт. Также в августе демонстрировались образцы карт емкостью 512 Мбайт, а к концу года должен быть преодолен рубеж в 1 Гбайт. В 2006 году SanDisk обещает выпустить карту емкостью 2 Гбайт.

Выбор карты: на какой остановиться?

Разные модели карт в линейках производителей отличаются, кроме емкости, еще и скоростью. Некоторые брэнды для удобства разделили собственную линейку карт на семейства в зависимости от скорости. Например, так поступила SanDisk, дав второму поколению карт CF и SD приставку Ultra II, а третьему - Extreme III. Первое поколение обеспечивает скорость чтения до 7,5 Мбайт/с, скорость записи - до 5 Мбайт/с, второе – 10/9 Мбайт/с; третье – до 20 Мбайт/с в обоих направлениях.

У карт памяти Extreme III есть одно очень большое отличие от предыдущих: в нем применяется патентованная технология EPS (Enhanced Super-Parallel Processing), позволяющая передавать данные несколькими параллельными потоками. Число таких потоков может достигать 4, обеспечивая максимальную производительность.

Большинство производителей маркирует свои карты с помощью условных единиц, «иксов». Один «икс» равен скорости передачи данных с CD-диска на первой скорости вращения – 150 кбайт/с. Таким образом, 12х – это 1,8 Мбайт/с, 60х – 9 Мбайт/с, а максимальное на сегодня значение 133х – 20 Мбайт/с.

Первые версии спецификаций CompactFlash обеспечивали быстродействие на уровне 2-7 Мбайт/с, однако в 2003 году была представлена новая версия – CompactFlash 2.0, предусматривающая производительность на уровне 16 Мбайт/с. В прошлом году была представлена уже третья версия спецификаций, которая закрепила возможность работы в режиме UltraDMA 3 со скоростью до 20 Мбайт/с.

Зачем нужны такие скорости? Наращивание производительности вызвано, прежде всего, развитием рынка цифровой фотографии и видео. Растут разрешающие способности сенсоров, а это значит, что размер снимка, даже в сжатом виде, настолько велик, что при серийной съемке фотоаппарат может просто не успеть сбросить информацию на медленный носитель.

Для цифровых «мыльниц» и MP3 плееров вполне достаточно скорости 12 x , и уж точно не стоит покупать карты быстрее 60 x – лишняя трата денег. Да и большинство кардридеров физически не способно передавать данные быстрее 8-9 Мбайт/с.

Но вернемся к производительности. Для того чтобы понять разницу между картами памяти разных производителей и поколений, углубимся немного в их техническое устройство. Карта памяти состоит из 2 основных частей: собственно памяти и контроллера, управляющего передачей данных.

Производительность флэш-памяти зависит от трех параметров: типа применяемых чипов флэш-памяти, технологии их производства и их емкости.

Тип чипов памяти. В картах памяти применяются чипы двух видов: MultiLevel Cell (MLC, многоуровневая ячейка) и SingleLevel Cell (SLC, одноуровневая ячейка).Благодаря технологии хранения нескольких значений, первый тип позволяет добиться большей емкости чипа при меньших размерах в одной ячейке памяти. Однако такая технология не позволяет добиваться высокой производительности. Использование одноуровневых ячеек памяти, хранящих только одно значение, обеспечивает высокую производительность и надежность, но уменьшает максимальную емкость чипа.

Технология производства памяти. Существуют две разновидности матриц флэш-памяти: NOR и NAND. NOR-флэш построена на основе двух базовых логических элементов – NOT и OR, и является сравнительно недавней разработкой. Флэш-память, произведенная по этой технологии, способна обеспечивать доступ к случайной ячейке памяти без последовательного чтения всей страницы памяти. В результате скорость доступа к разрозненным данным значительно повышается, что делает NOR привлекательным для КПК, мультимедиа-плееров и других устройств, в которых доступ в основном осуществляется к разным областям памяти. Этот тип памяти является более дорогим, однако постоянное наращивание производства и улучшение технологии делают удешевление флэш-памяти делом времени.

NAND-флэш отличается от NOR элементной базой (NOT и AND) и возможностью очень быстрого последовательного чтения и записи страницы памяти. Эта особенность делает карты памяти на ее основе отличным выбором для фотографии и видеозаписи, где нужна высокая скорость передачи данных от сенсора к носителю информации.

Емкость чипов. Этот параметр не так уж сильно влияет на производительность, однако тоже довольно важен: чем более емкий и современный чип памяти установлен в карте, тем выше скорость последовательного чтения и записи. Во многом это вызвано миниатюризацией техпроцессов, используемых для производства памяти.

Не последнее место в суммарной производительности карт памяти играет и контроллер. Но здесь все остается на совести производителя.

Противостояние форматов

До 2003-2004 года на рынке карт памяти существовал ярко выраженный лидер CompactFlash. Этому способствовали несколько обстоятельств: емкость CF достигла 4 Гбайт, в то время как SD остановились на отметке 1 Гбайт; скорость работы CF значительно превышала возможности конкурента; целый легион компаний производил всевозможные контроллеры в формате CF.

Конкурирующие форматы не были способны пошатнуть положение CF на рынке. MultiMediaCard были слишком медленными и недостаточно емкими. Отказ Sony открыть стандарт MemoryStick ограничил число производителей всего двумя (самой Sony и Samsung). Судьба MemoryStick постигла и еще один закрытый формат – xD-Picture Card, созданный Olympus и Fuji. Впрочем, последний вид карт – это вещь в себе: он предназначен исключительно для фотоаппаратов этих компаний.

Однако с 2004 года стало заметно, что SecureDigital очень сильно укрепил позиции и догоняет более «старого» конкурента. Если раньше CF был де-факто единственный открытый стандарт, пригодный для использования в мобильных устройствах, то теперь производители новой портативной техники стали массово переходить на SD из-за их меньшего размера.

SD слоты стали появляться в крошечных MP3-плеерах, медиапроигрывателях и компактных фотокамерах. Здесь CompactFlash не имеет никаких шансов. Точно такая же ситуация на рынке мобильных телефонов и КПК. Старый формат вытесняется в специализированные и профессиональные области, где размер – не главное.

CompactFlash и SecureDigital создали саму историю карт памяти, приблизив наш полный миниатюрных электронных устройств век. И если старшему брату уже пора на заслуженный отдых, то младший еще в самом расцвете сил. Так что ближайшие годы пройдут под яркой звездой формата SecureDigital .