Fleš memorija i memorijske kartice

Detaljan opis principa rada fleš memorija i popis brojnih starih, aktuelnih i budućih standarda za memorijske kartice.

Danas su memorijske kartice bazirane na tehnologiji fleš memorija toliko rasprostranjene da su postale deo života, čak i onih ljudi čija su interesovanja daleko od sveta informatike. Počevši od sveprisutnih mobilnih telefona i tableta, pa preko automobilskih navigacija, prenosnih računara, video i audio-plejera, pa do foto i video-kamera. Mnogi savremeni proizvodi potrošačke elektronike koriste ove malene i praktične uređaje za čuvanje podataka. Što je najlepše, cene su im sada toliko niske da su pristupačne svima. Iako „na oko” često izgledaju slično, između ovih kartica postoje velike razlike koje znatno utiču na cenu i performanse. Svrha ovog teksta je da objasni neke elementarne pojmove vezane za ove uređaje, kao i da čitaocima pomogne da izaberu najbolju karticu za svoje potrebe.

Karta, karta, kartica

Ukoliko ne računamo PCMCIA kartice opremljene fleš memorijom, kao prvi uspešni standard na polju fleš kartica smatra se onaj pod nazivom CompactFlash koji je sredinom devedesetih došao iz kompanije SanDisk i pri tom je sa tržišta „pomeo” dva najveća rivala: kartice standarda Miniature Card (iza kojega su stajala imena kao što su Intel, AMD, Sharp i Fujitsu), kao i one pod nazivom SmartMedia (koje je promovisala Toshiba). Nekoliko godina kasnije, tačnije 1997. godine, saradnja Siemensa sa već pomenutim SanDiskom dovodi do pojavljivanja kartica sa dosta manjim dimenzijama i nazivom (MMC). Jeseni 1998. godine, Sony predstavlja sopstveni standard pod nazivom Memory Stick, koji je u prvoj generaciji doneo duguljaste memorijske kartice koje su izgledom neodoljivo podsećale na žvakaću gumu u listićima. Godinu kasnije, neizbežni SanDisk zajedno sa kompanijama Panasonic i Toshiba osniva konzorcijum pod skraćenicom SDA (SD Card Association), čiji je zadatak da razvije nove SD memorijske kartice na standardu MMC. Bazično, reč je o dosta sličnom proizvodu, jedino je standardom SD uveden hardver za DRM (Digital Rights Management) zaštitu sadržaja. Razlog za to je bila činjenica da MMC standard nije nudio nikakav oblik šifrovanja informacija, što je potencijalno omogućavalo piratovanje. Zaštita podataka na SD karticama se ostvaruje pomoću tehnologije pod nazivom CPRM (Content Protection for Recordable Media), koja se primenjuje i kod zaštite na drugim tipovima medija (DVD, HDD i slično). Da bi se zaštita koristila, potrebno je napraviti takozvani identifikator medija i MKB (Media Key Block) strukturu. Te vrednosti se zapisuju u zaštićenu oblast na kartici i služe kao svojevrsni ključ za dešifrovanje podataka. Doduše, ovaj sistem zaštite odavno ne predstavlja problem za iole boljeg hakera.

Poslednji od značajnijih formata pojavio se na tržištu 2002. godine i nosi naziv xD-Picture i bio je korišćen jedino u digitalnim fotoaparatima koje su proizvodili Olympus i FujiFilm. Zbog svoje visoke cene i nedostatka komparativnih prednosti nad konkurencijom, nikada nije bio naročito prihvaćen.

Mi ćemo se u tekstu najviše baviti karticama rađenim po standardu SD, pošto su one postale najrasprostranjenije na tržištu. CompactFlash kartice se i danas koriste u vrhunskim fotoaparatima, gde je potrebno mnogo memorije i velika brzina snimanja. MMC i xD-Picture su praktično prestali da se razvijaju. Sony sve više potiskuje svoj Memory Stick i daje prednost formatu SD. Kada smo već kod Sonyja, treba istaći da oni u poslednje vreme forsiraju i format memorijskih kartica koji nosi naziv XQD i koji omogućava izuzetno visoke brzine prenosa (trenutno do jednog gigabajta u sekundi. O tome nešto kasnije.

Kada smo već spomenuli glavne standarde memorijskih kartica, da bi bili temeljni, spomenućemo i potkategorije unutar njih. CompactFlash je od prvobitnog paralelnog interfejsa, preko CF+, CE-ATA i CFast standarda, evoluirao do CFexpress, serijskog prenosa podataka po magistrali PCIe 3.0. MMC je dobio naslednika u RS–MMC (Reduced Size Multimedia Card) dvostruko manjih gabarita. Zatim su sledili standardi MMCplus, MMCmobile i MMCmicro koji su imali čak nešto bolje karakteristike od SD kartica svoje generacije, ali (osim MMCmobile koji je tada popularna Nokia koristila u nekoliko modela iz perioda 2004-2006. godine) nisu postigle tržišni uspeh. Memory Stick je evoluirao do Memory Stick Pro Duo sa kapacitetom do 32 gigabajta i brzinom prenosa do 36 megabajta u sekundi ali, zbog znatno više cene i ograničenosti na Sonyjeve proizvode, nije stekao širu popularnost.

Princip funkcionisanja

Sa tehničke strane, ćelije u kojima se čuva memorijski zapis podsećaju na tranzistore rađene u MOSFET tehnologiji. I dok takvi tranzistori tradicionalno imaju tri glavna elementa (sors, gejt i drejn), tranzistori za fleš memorije (nazivaju se FGMOS tranzistorima) sadrže gejt koji se sastoji iz dva elementa: kontrolnog gejta i plutajućeg gejta. Pridev „plutajući” dolazi od činjenice da je u pitanju gejt koji je električno izolovan oksidnim slojem, pa izgleda kao da on u njemu „pluta”. Tranzistori funkcionišu tako što struja polazi od sorsa i dolazi do drejna, ukoliko je gejt otvoren. Ukoliko nije, nema protoka struje.

Kod ćelije fleš memorije imamo nešto drugačiju situaciju. Kada se dovede pozitivni napon sa linije bita (bitline) i linije reči (wordline) na drejn i kontrolni gejt respektivno, javlja se kretanje elektrona od sorsa prema drejnu i zahvaljujući tunel efektu (atomska čestica savladava prepreku koja ima veću energiju od nje), jedan deo elektrona prolazi kroz tanki (oko četiri nanometra) oksidni supstrat i ostaje zarobljen u plutajućem gejtu. Upravo to zarobljeno negativno naelektrisanje služi za čuvanje memorijske informacije. Brisanje se postiže dovođenjem pozitivnog napona na sors i negativnog na kontrolni gejt. To za rezultat ima oslobađanje zarobljenih elektrona i njihovo kretanje prema sorsu. Čitanje memorisanog sadržaja se ostvaruje dovođenjem većeg napona (pet volti) na kontrolni gejt i manjeg (jedan volt) na drejn. To su naponi koji nisu dovoljni da poremete stanje u plutajućem gejtu, ali su dovoljni za očitavanje njegovog stanja.

Danas su u upotrebi tri osnovna tipa NAND (Negative-AND) memorijskih čipova: SLC, MLC i TLC. SLC (Single Level Cell) imaju najbolje performanse, najduži vek trajanja, najmanje grešaka, najmanju potrošnju, ali i najveću cenu. Omogućavaju oko 100 hiljada operacija upisivanja po ćeliji. MLC (Multi Level Cell) ima čak deset puta manje ciklusa zapisivanja, dakle 10 hiljada, dva bita po ćeliji (veću gustinu pakovanja) i manju cenu proizvodnje. TLC (Three Level Cell) pruža tek oko tri do pet hiljada ciklusa zapisivanja podataka, manju brzinu prenosa, ali i znatno nižu cenu od nabrojanih tipova. Još treba spomenuti eMLC (Enterprise Multi Level Cell) vrstu čipova koji je po karakteristikama između prva dva tipa i obezbeđuje do 30 hiljada ciklusa zapisivanja. Stalno upisivanje i brisanje podataka dovodi do toga da se tanki sloj oksida koji izoluje plutajući gejt na kraju istroši i sa time prestaje mogućnost čuvanja memorijskog zapisa u okviru ćelije. Treba reći da postoje i fleš memorije koji imaju sposobnost zapisivanja merenu milionima puta, ali one zbog vrlo visoke cene nisu u širokoj upotrebi.

Iako fleš memorije spadaju u digitalne nosače podataka, informacija u plutajućem gejtu je u stvari u analognom obliku koji predstavlja vrednost napona. Kod SLC memorije se zapisuje jedan bit po memorijskoj ćeliji i to tako da, ukoliko je napon niži od definisanog referentnog praga računamo da je tamo upisana jedinica, a ukoliko napon prekoračuje prag, njegova vrednost je nula. Kod MLC memorija se, slično prethodnom slučaju, bitovi računaju na osnovu količine elektrona u okviru plutajućeg gejta. Te količine su podeljene po određenim pragovima napona koji definišu stanje bitova. Što je više bitova u igri, pragovi između napona su uži i manja je pouzdanost podataka.

NAND ćelije se povezuju u matrice koje funkcionišu po pravilima te logičke funkcije. Kompaktnije su i jeftinije, imaju veće brzine brisanja i zapisivanja podataka. NOR ćelije moraju biti povezane na uzemljenje, pa im je zbog toga gustina pakovanja za oko 60 odsto manja nego kod NAND ćelija. Njihova najvažnija prednost je u tome što omogućavaju zapisivanje i brisanje svakog pojedinačnog bita, što NAND nije u stanju da uradi. Zbog toga se najviše koriste u mikrokontrolerima za čuvanje podešavanja u BIOS-u i slično tome. Memorije tipa NOR je prvi počeo da proizvodi Intel i to 1988. godine, dok su se NAND modeli pojavili godinu dana kasnije, zahvaljujući njihovom izvornom tvorcu, kompaniji Toshiba.

Memorijske ćelije su organizovane u stranice sa najčešćom veličinom između dva i četiri kilobajta, uz dodatnih 64-256 bajtova koji se najčešće koriste za smeštanje ECC (Error-correcting Code) informacija. Ti blokovi su dalje organizovani u nove logičke jedinice koje broje između 16 i 128 stranica i nad njima se vrši grupna operacija brisanja memorijskog sadržaja.

Operaciju zapisivanja podataka na bilo koju fleš memoriju je moguće izvršiti jedino ako je njen sadržaj izbrisan ili prazan. To ima za posledicu da je pre zapisivanja informacije prethodno potrebno izbrisati prethodni sadržaj memorijskih ćelija. Otuda i dosta sporija vremena zapisivanja u odnosu na čitanje podataka.

SD, SDHC, SDXC

Dolazimo do dela koji je najzanimljiviji širokoj čitalačkoj publici. Kako da znamo koja kartica nam je potrebna i šta znače sve te oznake na pakovanjima i samim karticama?

Prva podela SD kartica se odnosi na njihovu fizičku veličinu. Postoje standardne SD kartice (dimenzija 24 × 32 milimetra i debljine 1,5 milimetar), kartice mini formata (20 × 21,5 × 1,4 milimetra) i mikro formata (11 × 15 × 1 milimetar). Mini SD format je korišćen retko pošto je brzo izgubio bitku sa mikro SD standardom. Zanimljivo je da je prvobitni naziv za mikro SD kartice bio T-Flash, ali je pred samo pojavljivanje na tržištu kompanija T-Mobile uputila zahtev za promenu imena, tvrdeći da sve što počinje na „T-” pripada samo njima. Tako je naziv u zadnji čas promenjen u TransFlash (skraćeno TF). Nedugo zatim dolazi do usvajanja standarda i odomaćuje se naziv mikro SD. TransFlash se i danas može sresti kao sinonim za mikro SD kartice, ili se koristi zajedno sa njim.

Standardni SD format je podesniji za rad sa PC računarima i foto-kamerama, dok je mikro SD odličan izbor u prenosnim uređajima tipa mobilnih telefona. Inače, ne postoje suštinske prepreke u korišćenju jednog ili drugog formata pošto, zahvaljujući adapterima, možemo koristiti mikro SD kartice na uređajima koji imaju standardni SD priključak.

Ranije je bila praksa da mikro SD kartice imaju manji kapacitet od svog starijeg SD brata, ali je u poslednje vreme postalo uobičajeno da i jedni i drugi modeli izlaze na tržište sa istim kapacitetima. Pošto je to i bio najveći adut SD formata, možemo zaključiti da je kupovina mikro SD memorijskih kartica, zbog fleksibilnosti primene, danas bolje rešenje. Dosta ozbiljan problem sa mikro SD karticama je taj što se lako mogu izgubiti.

Prva generacija SD kartica je imala kapacitet u opsegu od 128 megabajta pa do maksimalna dva gigabajta, i za čuvanje podataka koristi FAT16 format fajl-sistema. Nju je zamenio je došao standard pod nazivom SDHC (SD High Capacity) koji je fizički identičan svom prethodniku, ali sa karakteristikom da podržava memorijske kapacitete do 32 gigabajta. Pošto klasični FAT16 ne podržava memorijske uređaje veće od dva gigabajta, ovde se koristi FAT32 fajl sistem. Kada je i 32 gigabajta postalo premalo, u igru dolazi standard SDXC (SD Extended Capacity) koji podiže lestvicu kapaciteta do dva terabajta. Iako FAT32 podržava diskove veličine do dva terabajta, kod njega postoji ograničenje veličine jednog fajla do maksimalnih četiri gigabajta. Zato se od SDXC generacije kartica za smeštanje podataka koristi fajl sistem pod nazivom exFAT, koji je vrlo pogodan za rad sa fleš memorijama, a ograničenje maksimalne veličine fajla se podiže do zastrašujućih 64 egzabajta. Trenutno najveći kapacitet kartica rađenih po standardu SDXC doseže 256 gigabajta, pa je evidentno da ima još dosta vremena dok ne stignu do svog teorijskog maksimuma. Ukoliko pokušamo da pročitamo SDXC karticu preko adaptera koji ne podržava taj standard, na svim savremenim operativnim sistemima ćemo dobiti poruku da je karticu potrebno formatirati. To je posledica činjenice da stariji čitači ne prepoznaju exFAT fajl sistem. Ako u datom slučaju izvršimo formatiranje SDXC kartice, ona postaje neupotrebljiva. Originalni kapacitet je moguće vratiti korišćenjem programa SD Card Formatter 4.0 (goo.gl/VxA6WP).

Najstarija podela brzina SD memorijskih kartica je na takozvane klase. Postoje klase 2, 4, 6 i 10, i one nagoveštavaju brzinu sekvencijalnog zapisivanja podataka na karticu, izraženu u megabajtima. Oznaka se sastoji od slova „C” unutar kojega se nalaze brojevi koji simbolizuju klasu. Za sve navedene klase, SD standard 2.0 definiše maksimalnu brzinu magistrale od 25 megabajta u sekundi.

UHS

Kao odgovor na zahtev za većom brzinom prenosa podataka, SD Association 2009. godine preko SD specifikacije 3.0 uvodi standard UHS (Ultra High Speed). Postoje tri klase UHS standarda koje se označavaju rimskim brojevima I, II i III. Kod standarda UHS-I su definisane dve varijante sabirnice: UHS-50 koja obezbeđuje saobraćaj brzinama do 50 megabajta u sekundi i UHS-104 sa maksimalnom brzinom od 104 megabajta u sekundi. Ovaj standard nema probleme sa čitanjem na starijim uređajima.

Sa SD specifikacijom 4.0 je definisana i nova varijanta magistrale podataka pod nazivom UHS-II. Brzine prenosa su povećane na 156 i 312 megabajta u sekundi. Kartice rađene po specifikaciji UHS-II imaju dodatni red konektora, kako na kućištima standardnog formata, tako i na onima sa standardom mikro SD. Nacrt najnovijeg standarda pod nazivom UHS-III, pojavio se pre nekoliko meseci i sa sobom donosi brzine od 624 megabajta u sekundi.

Oznaka ovih klasa se na karticama nalazi desno od oznake formata (HC ili XC). Ovde treba istaći da se sve spomenute brzine odnose na prenos podataka između kontrolera na memorijskoj kartici i čitača/adaptera, pa se smatraju teoretskim brzinama, pošto fleš memorije još uvek nisu na nivou razvoja koji bi omogućio dostizanje brzinskih limita određenih standardom.

Osim rimskih brojeva I i II, na karticama koje podržavaju UHS standarde, nalazi se i simbol predstavljen slovom „U”, unutar kojega je smešten broj koji (za sada) može da bude „1” ili „3”. Kombinacija „U1” garantuje da kartica zapisuje podatke brzinom od minimalno 10 megabajta u sekundi, dok „U3” predstavlja brzinu od 30 megabajta u sekundi. Kao i u slučaju „običnih” klasa o kojima smo govorili, i ovde se radi o brzinama vezanim za sekvencijalni prenos podataka. Drugim rečima, kartica podržava deklarisanu brzinu zapisivanja pri prenosu većih fajlova. Ako zapisujemo mnoštvo fajlova malih veličina, brzine će biti daleko ispod deklarisanih.

Klase C10 i U1 (UHS-I) pokazuju istu stvar, odnosno, da kartice ostvaruju brzinu prenosa od minimalno 10 megabajta u sekundi. Najčešće se obe oznake postavljaju zajedno, ali to i ne mora da bude slučaj. Sve U1 kartice su istovremeno i C10, ali se mogu pronaći nešto starije kartice klase 10 koje nisu istovremeno i U1.

Sledeći način označavanja na memorijskim karticama odnosi se na umnoženu vrednost brzine prenosa CD uređaja koja je inicijalno iznosila 150 kilobajta u sekundi. Tako oznaka „100x” znači 15 MB/s, „133x” je 20 MB/s, itd. Iako je ovakvo označavanje najčešće kod CF kartica, jedan deo proizvođača SD memorija ga stavlja na svoje proizvode.

U poslednje vreme sve se češće sreću „V” i „A” oznake rejtinga. Pošto je brzina zapisivanja od velikog značaja pri radu sa videom, oznaka „V” bi trebala da ukaže korisnicima koliku brzinu mogu da očekuju od te kartice. Definisane su sledeće oznake: V6, V10, V30, V60 i V90. Kartice V6, V10 i V30 su u stanju da snimaju video u HD/Full HD rezoluciji, V10, V30 i V60 su za 4K video i V60 i V90 za 8K video. Broj iza slova „V” jednostavno govori koliko megabajta je kartica u stanju da zapiše svake sekunde. Oznaka „A” (App performance) je tek odnedavno prisutna na tržištu i ima namenu da korisnicima sugeriše kolike performanse mogu očekivati u radu sa memorijskom karticom. Novije verzije Androida omogućavaju korišćenje memorijskih kartica za pokretanje aplikacija, dok je ranije bila praksa da je to moguće samo preko interne memorije, pa se zbog toga i javila potreba za ovakvim načinom označavanja. Za sada je u upotrebi samo oznaka A1 koja potvrđuje da je kartica u stanju da izvede 1500 ulazno/izlaznih operacija u sekundi (IOPS) prilikom čitanja i 500 IOPS prilikom zapisivanja podataka.

Novi igrači

XQD format fleš memorijskih kartica u svojoj prvoj verziji donosi znatno povećanje brzine prenosa podataka koje iznosi teoretskih 500 megabajta u sekundi, i pri tome podržava memorijske kapacitete do dva terabajta. Druga verzija standarda ide još dalje i povećava prenos na čak gigabajt u sekundi. To je postignuto zahvaljujući korišćenju magistrale PCI Express 3.0. U pitanju je standard koji će izgledno da zameni CompactFlash u fotografskim aparatima najviše klase, pa ne iznenađuje činjenica da je prihvaćen od strane proizvođača kao što su Nikon, Olympus, Leica, Canon, Sony, FujiFilm itd.

Drugi značajan igrač na ovom polju skriva se pod nazivom UFS (Universal Flash Storage) i ima potencijal da u budućnosti zameni mikro SD kartice. Njihovo prvo pojavljivanje je vezano za poznati model telefona Samsung Galaxy S6, gde je ugrađivana u embedded varijanti, umesto standardnih eMMC memorija i pokazivala tri puta bolje performanse. Vodeće ime na polju UFS memorija je upravo Samsung koji je još leta prošle godine predstavio kartice kapaciteta od 32 do 256 gigabajta, ali se do današnjeg dana one nisu pojavile u prodaji. Reč je o modelima sa starom specifikacijom 1.0, dok su u međuvremenu razvijene i nove specifikacije 2.0 i 2.1 koje nude mnogo bolje performanse. Ove kartice u sekvencijalnom režimu čitanja dosežu brzine od 550 megabajta u sekundi. Iako su fizički slične sa mikro SD karticama, zbog različitih konektora nije moguće njihovo korišćenje u okviru postojećih čitača kartica. Osim brzine, velika prednost novog standarda je u tome što umnogome štedi električnu energiju. Samsung je izašao sa podacima da je ušteda u odnosu na eMMC na dnevnom nivou oko 35 odsto, ponajviše zahvaljujući izuzetno niskoj potrošnji kada memorija nije u upotrebi. Nedavno je Silicon Motion, poznati proizvođač memorijskih kontrolera, predstavio model rađen po standardu UFS 2.1, što znači da uskoro možemo očekivati njihovo masovno pojavljivanje, (prvenstveno) u okviru vrhunskih mobilnih telefona, a zatim i u obliku memorijskih kartica.

Igor S. RUŽIĆ