حافظه فلش؛ محرم رازها!

فناوری با سرعتی باورنکردنی رو به جلو حرکت می‌کند و حافظه فلش، یکی از ارمغان‌های رشد سریع فناوری برای جامعه‌ی بشری است. شکلی ‌انعطاف‌پذیر از حافظه‌ی جامد که برخی تکنولوژی‌های دست‌و‌پا گیر مانند فلاپی و دیسک را از کارهای روزمره‌ی آدم‌ها خط زد. با این حال، خیلی از ما در عین پرکاربرد بودن فناوری فلش در زندگی روزمره‌مان هنوز نمی‌توانیم تعریفی درست از این فناوری ارائه بدهیم. در نتیجه‌ی عدم شناخت این فناوری، احتمالا تنها کاری که هنگام نیاز به آن انجام می‌دهیم، این است که به نزدیک‌ترین فروشگاه مربوطه مراجعه می‌کنیم، می‌گوییم فلش فلان قد گیگی می‌خواهیم، هزینه‌اش را پرداخت می‌کنیم و از آنجا بیرون می‌آییم. البته اگر خیلی کاردرست باشیم، احتمالا فرق فناوری USB 2 و USB 3 را بدانیم. تازه آن هم فقط در این حد که سرعت جابه‌جایی فایل‌ها در USB 3 بیشتر از سرعت جابه‌جایی آن‌ها در USB 2 است. در این مقاله قصد داریم ضمن ارائه‌ی دیدگاهی جامع درباره‌ی این فناوری، به موضوعاتی کلیدی، معیارهای انتخاب فلش و همچنین تفاوت حافظه فلش و فناوری SSD نیز اشاره کنیم.

فلشی که از همه زودتر به دنیا آمد

همان طور که گفته شد، حافظه فلش از نوادگان تکنولوژی EEPROM است. حالا EEPROM یعنی چه؟ EEPROM مخفف شش کلمه، شامل Electrically erasable programmable read-only memory، است. این شش کلمه به‌معنای حافظه‌ی الکتریکی قابل‌خواندنِ قابل‌برنامه‌ریزیِ قابل‌پاک‌کردن است. فناوری EEPROM در سال ۱۹۷۰ به بازار فناوری عرضه شد. عرضه‌ی چنین فناوری نوآورانه‌ای در سال ۱۹۷۰، اگرچه هیجان‌انگیز بود، هزینه‌ی زیادی در بر ‌داشت. مهندسان طراح این فناوری، باید برای بیت‌به‌بیت از حافظه‌ی EEPROM، دیوایس طراحی می‌‌کردند.

هزینه‌ی بالای تولید EEPROM، مانع از به‌کارگیری آن در صنایع نظامی نشد. کشورهای پیشرو چند سال بعد از به‌کارگیری این فناوری در ارتش، بالاخره تصمیم گرفتند انحصار آن در صنایع نظامی را بشکنند و همین موضوع پای فناوری EEPROM (پدربزرگ حافظه فلش) را به زندگی روزمره‌ی ما باز کرد؛ با این حال، این فناوری همچنان گران قیمت و کند بود و البته وزن بالایی داشت.

از پدربزرگ جناب فلش که بگذریم به خود ایشان می‌رسیم! در سال ۱۹۸۰ بود که دکتر فوجیو ماسوکا از شرکت توشیبا، پیشنهاد ارتقا فناوری EEPROM را مطرح کرد. دکتر ماسوکا دقیقا می‌دانست که از چه چیزی صحبت می‌کند و حتی همان زمان هم می‎توانست طرح اولیه‌ی حافظه فلش را عرضه کند؛ با این حال، به نظر می‌رسید بازار فناوری هنوز آماده‌ی پذیرش فناوری فلش نباشد. همین شد که دکتر ماسوکا تا سال ۱۹۸۴ بی‌‌خیال ایده‌ی فلش شد. طی همایش IEDM یا همان همایش جهانی وسایل الکترونیکی مهندسان برق و الکترونیک در سانفرانسیسکو واقع در ایالت کالیفرنیا، دکتر ماسوکا به.طور رسمی از آن چه خلق کرده بود پرده‌برداری کرد. اولین شرکتی که سراغ عملی کردن فناوری فلش رفت، شرکت اینتل بود. در سال ۱۹۸۸، وقتی که ایده‌ی دکتر ماسوکا به‌قدری پیشرفت کرد که شرکت‌ها بتوانند آن را در مقیاس تجاری تولید کنند، شرکت اینتل اولین تراشه‌ی فلش خود را تولید کرد. تراشه‌ی تولید شده توسط اینتل را می‌توان اولین الگو از فلش‌های NOR دانست. فلش‌های NOR دیوایس‌های نسبتا کوچکی بودند که می‌شد اطلاعات را به دفعات روی آن‌ها ذخیره و سپس پاک کرد.

شاید برایتان سؤال باشد که چرا شرکت توشیبا خودش اولین شرکتی نبود که سراغ این فناوری رفت؟ توشیبا می‌خواست چیزی بسازد که کس دیگری نتواند روی دستش بلند شود. همین شد که مهندسان توشیبا تا ۱۹۸۷ صبر کردند و در نهایت طی همایش IEDM، فناوری جدیدی به‌نام NAND عرضه کردند. حافظه‌های وابسته به NAND دوام و گنجایش بیشتری داشتند.

فرآیند ارتقا فناوری به‌کاررفته در حافظه فلش آن قدری ادامه پیدا کرد تا در نهایت به نقطه‌ی فعلی برسد.

بندنافی بین حافظه‌های فلش و SSDها

بسیاری گمان می‌کنند که ساختارهای به‌کاررفته در SSD و حافظه فلش مخالف یکدیگر هستند. این در حالی است که رابطه میان فلش و SSD، رابطه‌ای مکمل است. SSD یک دستگاه ذخیره‌سازی است، این دستگاه ذخیره‌سازی از فناوری فلش برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌کند. بگذارید این موضوع را با یک مثال برایتان روشن کنم. CD DRIVE دستگاهی برای پلی کردن CD است. آنچه توسط CD DRIVE خوانده می‌شود دیسک CD است. SSD یک دستگاه شامل قطعات مختلف است و فلش یکی از قطعات مذکور است. از طرفی عملکرد خود حافظه فلش، وابسته به مدارها است و نه قطعات.

کالبد شکافی حافظه‌های فلش

ساختار حافظه فلش متشکل از تعداد زیادی سلول الکتریکی قابل برنامه‌ریزی است. این سلول‌ها هرکدام از چند ترانزیستور تشکیل شده‌اند و عملکرد آن‌ها وابسته به یک سلول بزرگ‌تر به نام سلول مادر یا سلول اصلی است. ساختار سلول مادر از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

• ترانزیستور ذخیره‌سازی؛

• دروازه‌ی کنترل؛

• دروازه‌ی شناور: این ساختار توسط مواد اکسیده از سایر ترانزیستورها جدا می‌شود و در محیطی عایق قرار می‌گیرد. وظیفه‌ی این ساختار، ذخیره‌ی بار الکتریکی و کنترل شدت جریان است.

کنار هم قرار گرفتن سلول‌ها در کنار یکدیگر، منجر به شکل‌گیری یک تراشه‌ی واحد می‌شود. بسته به چگونگی کنار هم قرار گرفتن سلول‌ها و البته ساختار هر سلول، می‌توان انواع تراشه‌ها را در سه گروه جای داد:

• تراشه‌های تک لایه، انواعی از تراشه‌ها هستند که از آن‌ها در ساختار حافظه فلش مورد نیاز در برنامه‌های صنعتی و البته ذخیره‌سازی برنامه‌های مهم استفاده می‌شود. هرکدام از سلول‌های به‌کاررفته در این نوع از تراشه‌ها یک بیت حافظه دارد. این تراشه‎‌ها در عین گران بودن، نسبت به سایر تراشه‌ها اطلاعات کم‌تری را در خود ذخیره می‌کنند. نقطه‌ی قوت تراشه‌های تک لایه، سرعت بالای آن‌ها در جابه‌جایی اطلاعات است.
• دسته‌ی دیگری از تراشه‌های به‌کاررفته در ساختار حافظه فلش را می‌توان تراشه‌ی سه لایه نامید. هر سلول به‌کاررفته در این تراشه‌ها سه بیت حافظه دارد. تولید این تراشه‌ها بسیار کم هزینه است؛ با این حال، به‌دلیل تراکم بالای بیت‌ها در هر سلول، سرعت خواندن و انتقال اطلاعات آن بسیار کم است. این تراشه‌ها بیشتر در فلش‌های دم دست و ارزان قیمت به‌کار می‌روند.
• سایر دیوایس‌های حافظه از تراشه‌هایی تشکیل شده‌اند که سلول‌های آن‌ها دارای دو بیت حافظه است؛ یعنی، دو لایه هستند. فلش‌های بهره‌مند از این تراشه‌ها، محبوبیت بیشتری در میان مردم دارند. دلیل این افزایش محبوبیت، مقاومت بالا، سرعت خوانده شدن زیاد و قیمت مناسبشان است.

بسته به اینکه بخواهید از فناوری فلش در چه زمینه‌ای استفاده کنید، می‌توانید درباره‌ی تراشه مورد استفاده در دستگاهتان تصمیم گیری کنید. اگر کارتان حساس است سراغ تراشه‌های تک لایه بروید و اگر کاربر عمومی هستید، دستگاه‌های بهره‌مند از تراشه‌های دو لایه می‌توانند برایتان انتخاب مناسبی باشند.

فلش‌تان چگونه اسرار شما را به ذهنش می‌سپارد؟

اگر با چگونگی ذخیره‌سازی اطلاعات در حافظه‌ی رم آشنایی داشته باشید، احتمالا درک اینکه اطلاعات چگونه روی فلش ذخیره می‌شوند برایتان کار دشواری نباشد. حافظه‌هایی مانند فلش و رم، ماهیتی مستقل به‌عنوان یک فضای ذخیره‌سازی دارند. عملکرد دیوایس حافظه، چه ثابت باشد و چه غیر ثابت، وابسته به قطعات نیست. این مدارها هستند که شکل عملکرد دیوایس‌های حافظه را تعیین می‌کنند. این رویه در دیسک‌های سخت متفاوت است. دیسک‌های سختی که از آن‌ها برای ذخیره‌سازی اطلاعات استفاده می‌شوند، دارای قطعاتی بسیار حساس هستند و وابستگی عملکرد دیسک‌های سخت به این قطعات، آن‌ها را به دیوایس‌هایی آسیب‌پذیر تبدیل می‌کند. جای شکرش باقی است که اکثر گجت‌های کاربردی در زندگی روزمره‌ی ما همگی از تکنولوژی‌های مدرن استفاده می‌کنند. نمونه‌ای از این قبیل عبارتند از: تراشه‌های BIOS، حافظه flash متراکم شده در دوربین‌های دیجیتالی، کارت حافظه‌ی کنسول‌ بازی و… .

حافظه فلش، درست مانند پدربزرگش (EEPROM)، برای ذخیره‌سازی اطلاعات و البته پاک کردن آن‌ها، از جریان‌های الکتریکی بهره می‌گیرد. همان طور که گفته شد، در دل حافظه فلش تراشه‌هایی در ردیف‌های افقی و عمودی قرار گرفته‌اند که در کنار یکدیگر شبکه‌ای منظم را پدید می‌آورند. هر تراشه‌ی به‌کاررفته در این شبکه، اطلاعات بُرداری مختص‌به‌خود را داشته و یک سلول حافظه نامیده می‌شود. در میان سلول‌های حافظه ماده‌ای اکسیده شده جریان دارد که اجزای مختلف شبکه را از یکدیگر مجزا نگه می‌دارد.

هر سلول حافظه از تعدادی ترانزیستور با نام‌های Floating gate و Control gate تشکیل شده است. این سلول‌ها از نظر کامپیوتری قابل برنامه‌نویسی هستند؛ به بیان دیگر، می‌توان به‌کمک جریان برق، برنامه‌های صفر و یکی به این سلول‌ها القا کرد. روشن یا خاموش بودن ترانزیستورها، همان فاکتوری است که به سلول‌ها ارزش صفر و یکی می‌دهد. برای مثال روشن بودن Floating gate که رابط بین سطرهای مختلف یک شبکه است، به سلول ارزش یک می‌دهد.

این برنامه‌ریزی صفر و یکی، ماهیت فایل‌های مختلف را در قالب صفر و یک روی دیوایس‌های حافظه ذخیره می‌کند. زمانی که شما دیوایس حافظه را به رایانه وصل می‌کنید، رایانه با رمزگشایی کدهای صفر و یک، آنچه در حافظه فلش ذخیره کرده‌اید را به شما نمایش می‌دهد. فناوری ساخت حافظه flash روز‌به‌روز در حال پیشرفت است. در نتیجه‌ی پیشرفت این فناوری، امروزه هرکسی می‌تواند با صرف هزینه‌ای اندک حجم بالایی از فایل‌ها را در قالب دیوایسی به مساحت یک سانتی‌متر مربع بگنجاند.

حافظه‌های فلش هم مانند هر چیز دیگری هم خوبند هم بد

فلش مموری هم مانند هر فناوری دیگری دارای یک سری مزایا و معایب است. این نکته را در نظر بگیرید که اگر مزایای این فناوری بیشتر از معایبش نبود، هیچ وقت به این شکل بین مردم محبوب نمی‌شد. از مزایای این فناوری می‌توان به بهینه بودن از نظر مصرف انرژی، قابل‌حمل بودن، دوام بالا و قیمت مناسب، اشاره کرد. از سوی دیگر مواردی همچون حساسیت این دستگاه در برابر ضربه و حجم محدود را می‌توان به‌عنوان معایب flash معرفی کرد.

حافظه‌های فلش چند خواهر و برادرند؟

تا به این جای کار درباره دو فناوری NOR و NAND صحبت کردیم. جدای از این فناوری‌های ابتدایی، امروزه کمپانی‌های مختلف توانسته‌اند فلش‌هایی با فناوری Vertical NAND تولید کنند. سلول‌های به‌کاررفته در تراشه این فلش‌ها از تراکم سطحی بالاتری برخوردار هستند.

آیا حافظه‌های فلش در طول زمان لاکپشتی می‌شوند؟

اصولا هرچه حجم بیشتری از دیوایس فلش اشغال شده باشد، سرعت آن کندتر می‌شود؛ با این حال، اگر فایل‌های حجیم موجود روی حافظه فلش را به جای دیگری منتقل کنید، CACHE دیوایستان خالی شده و سرعتش مانند قبل می‌شود.

دوست فلشی‌تان چقدر به اسرار شما وفادار است؟

اکثر دیوایس‌های فلش را می‌توان تا ۱۰۰۰۰ دفعه REWRITE کرد. این بدان معنا است که اگرچه عمر فلش از هارد دیسک‌های عادی بیشتر است، با این حال نمی‌توانید روی دیوایس‌های فلش به‌عنوان یک همراه همیشگی حساب کنید. البته که چندین سال طول می‌کشد تا بتوانید ظرفیت ۱۰۰۰۰ فلش‌ها را پر کنید.

اگر خواستید فلش تان را نابود کنید، چه کنید؟

قرار دادن دیوایس‌های فلش در کیف پول یا کوله پشتی، عمر این دیوایس‌ها را کوتاه می‌کند. ضمنا انداختن این دیوایس‌ها در آب، پرت کردنشان روی زمین، قرار دادن آن‌ها زیر دست و پا و آسیب‌های الکترونیکی، می‌توانند فلش را از بین ببرند.

اگر نمی‌دانید چطور یک فلش مناسب انتخاب کنید…

اول از همه باید ببینید به چه میزان حافظه نیاز دارید. اگر دیوایسی که تهیه می‌کنید ۱۶GB حافظه داشته باشد، می‌توانید در حدود ۳۸۰۰ عکس و بالغ‌بر ۲۵۰ دقیقه ویدئو با کیفیت HD در آن ذخیره کنید. همین نسبت را می‌توانید برای سنجش حافظه‌ی سایر دیوایس‌ها هم به‌کار ببرید. برای مثال در فلش ۳۲ گیگ، گنجایش عکس‌ها برابر ۷۶۰۰ عدد و گنجایش ویدئو برابر با ۵۰۰ دقیقه خواهد بود.

نکته‌ی دیگری که باید در نظر یگیرید تکنولوژی به‌کاررفته در دستگاه است که می‌تواند USB2 یا USB3 باشد. سرعت دیوایس‌های USB3 بیشتر از دیوایس‌های USB2 است. نکته‌ی آخر هم اینکه هرچه شرکت تولید کننده‌ی دیوایس معتبرتر باشد، دوام و کیفیت دیوایستان بیشتر خواهد بود.

سخن پایانی

بی‌شک دستگاه‌هایی که از حافظه فلش بهره‌مند هستند، زندگی ما را تغییر داده‌اند. از موبایل‌ها گرفته تا کنسول‌های بازی همگی از این فناوری بهره‌مند شده‌ و هرکدام به نوعی زندگی را برای ما راحت‌تر کرده‌اند.

با توجه به گستردگی دنیای وابسته به حافظه فلش، شناخت فناوری شکل دهنده به این حافظه نه فقط حین خرید، بلکه ممکن است در زندگی روزمره هم به دردمان بخورد.