Как на microSD-карточке помещается 1 терабайт?

Сей­час все при­вык­ли к тому, что в теле­фо­нах мно­го памя­ти — от 128 гига­байт и выше. Если теле­фон под­дер­жи­ва­ет кар­ты памя­ти боль­шой ёмко­сти, то мож­но вста­вить туда microSD-карточку и полу­чить допол­ни­тель­но хоть тера­байт. Но вы виде­ли те кар­точ­ки? Они же неве­ро­ят­но малы!

В этой ста­тье раз­бе­рём­ся, как такой боль­шой объ­ём памя­ти поме­ща­ет­ся в пла­сти­ке пло­ща­дью пол­то­ра сантиметра.

Как устроена флеш-память

Если мы акку­рат­но вскро­ем кар­точ­ку microSD, то уви­дим, что она состо­ит из кон­так­тов для пере­да­чи дан­ных, кон­трол­ле­ра памя­ти и самой мик­ро­схе­мы с памятью:

Как на microSD-карточке помещается 1 терабайт?

Кон­трол­лер нужен, что­бы сле­дить за тем, как дан­ные запи­сы­ва­ют­ся на чип, всё ли там в поряд­ке и не нуж­но ли что-то испра­вить. Если в момент запи­си или пере­да­чи дан­ных кон­трол­лер заме­ча­ет ошиб­ку, он посы­ла­ет спе­ци­аль­ный сиг­нал в чип или на устрой­ство, мол, ошиб­ка, пере­дай дан­ные ещё раз.

Чип флеш-памяти состо­ит из пло­щад­ки с тран­зи­сто­ра­ми, кото­рые уме­ют хра­нить элек­три­че­ский заряд 5—7 лет. Для это­го они исполь­зу­ют спе­ци­аль­ные элек­тро­маг­нит­ные ловуш­ки. В пря­мом смыс­ле: в них «застре­ва­ют» элек­три­че­ские заря­ды. Если в тран­зи­сто­ре есть заряд, это счи­та­ет­ся за еди­ни­цу. Если заря­да нет — это ноль. 

Кон­трол­лер памя­ти сле­дит за тем, что­бы заря­ды в тран­зи­сто­рах со вре­ме­нем не про­па­да­ли. Для это­го он во вре­мя рабо­ты пери­о­ди­че­ски обнов­ля­ет заря­ды у нуж­ных тран­зи­сто­ров — что­бы дан­ные на кар­те памя­ти не про­па­ли из-за утеч­ки зарядов.

Полу­ча­ет­ся, что флеш­ка — это про­сто пло­щад­ка с очень боль­шим набо­ром малень­ких тран­зи­сто­ров, в кото­рых застре­ва­ет элек­три­че­ство. Мож­но пред­ста­вить, что это рай­он с одно­этаж­ны­ми домами.

Трёхмерная печать

У тако­го реше­ния есть про­бле­ма — если нам нуж­но боль­ше памя­ти, нам потре­бу­ет­ся боль­ше тран­зи­сто­ров, а зна­чит — боль­ший по раз­ме­рам чип. А он тогда не поме­стит­ся на кар­те стан­дарт­но­го размера. 

Когда про­из­во­ди­те­ли столк­ну­лись с таким огра­ни­че­ни­ем, они ста­ли делать так:

  1. Печа­та­ют один слой тран­зи­сто­ров — точ­но так же, как и в про­из­вод­стве процессоров.
  2. Свер­ху нано­сят слой диэлек­три­ка, что­бы отде­лить сле­ду­ю­щие тран­зи­сто­ры от этих.
  3. Потом печа­та­ют сле­ду­ю­щий слой транзисторов.
  4. Слой диэлек­три­ка и так далее.

Полу­ча­ет­ся, что теперь у нас дома не одно­этаж­ные, а многоэтажные.

К сло­ям тран­зи­сто­ров мож­но обра­щать­ся одно­вре­мен­но, что­бы сра­зу полу­чить мно­го нуж­ных дан­ных. Для это­го в этом мно­го­слой­ном пиро­ге про­де­лы­ва­ют сквоз­ные тоннели-проводники. Каж­дый из таких про­вод­ни­ков соеди­ня­ет свой уча­сток памя­ти с верх­ни­ми и нижними.

Как на microSD-карточке помещается 1 терабайт?

Чем боль­ше таких про­вод­ни­ков — тем быст­рее и про­ще полу­чить дан­ные из памя­ти, но есть два ограничения:

  1. Из-за осо­бен­но­стей про­из­вод­ства нель­зя бес­ко­неч­но уве­ли­чи­вать коли­че­ство сло­ёв в чипе — они начи­на­ют дефор­ми­ро­вать­ся, изме­нять свои свой­ства и рабо­тать со сбо­я­ми. В сред­нем сей­час исполь­зу­ют 100 сло­ёв на одной мик­ро­схе­ме. В буду­щем хотят уве­ли­чить их коли­че­ство до 500, но это почти предел.
  2. Мно­го тон­не­лей тоже сде­лать нель­зя — у них есть своя тол­щи­на, и каж­дый такой про­вод­ник зани­ма­ет опре­де­лён­ную пло­щадь на чипе. Если сде­лать слиш­ком мно­го сквоз­ных про­вод­ни­ков, то не оста­нет­ся места для самих транзисторов.

Много микросхем — много памяти

Пока всё, о чём мы гово­ри­ли, поме­ща­ет­ся на одной мик­ро­схе­ме, но это мак­си­мум 128 гига­байт. Что­бы полу­чить тера­байт, мож­но точ­но так же поста­вить 8 мик­ро­схем друг на дру­га и соеди­нить их все с кон­трол­ле­ром памяти:

Как на microSD-карточке помещается 1 терабайт?

Боль­ше 8 мик­ро­схем поста­вить друг на дру­га мож­но, но рабо­тать с ними будет гораз­до слож­нее. Дело в том, что ком­пью­те­ру очень удоб­но рабо­тать с чис­ла­ми, крат­ны­ми вось­ми, пото­му что в одном бай­те 8 бит. Поэто­му для управ­ле­ния одно­вре­мен­но 8 мик­ро­схе­ма­ми ком­пью­те­ру нуж­но пере­дать один управ­ля­ю­щий байт, а для 9 или 12 мик­ро­схем — нуж­но уже 2 бай­та. А это в два раза боль­ше пере­да­ва­е­мых дан­ных и в 128 раз уве­ли­чи­ва­ет нагруз­ку на кон­трол­лер памя­ти, кото­рый сле­дит за ошибками.

Короче: как работает флешка

  • Есть «ловуш­ки» элек­три­че­ско­го заря­да. В них хра­нят­ся биты данных. 
  • «Ловуш­ки» акку­рат­но укла­ды­ва­ют­ся на плос­ко­сти, очень плотно.
  • Потом эти плос­ко­сти укла­ды­ва­ют­ся в несколь­ко этажей.
  • Потом эти «мно­го­этаж­ки» ещё раз укла­ды­ва­ют­ся друг на друга.
  • Всё это хозяй­ство под­клю­ча­ет­ся к управ­ля­ю­ще­му чипу.
  • Полу­ча­ет­ся флешка.

Если оста­вить флеш­ку без вни­ма­ния на 5—7 лет, часть её дан­ных поте­ря­ет­ся. За 20—30 лет из-за кван­то­вых эффек­тов флеш­ка в прин­ци­пе при­дёт в негод­ность. Поэто­му насла­ждай­тесь жиз­нью сегодня 🙂

Текст и схе­мы:
Миха­ил Полянин

Редак­тор:
Мак­сим Ильяхов

Худож­ник:
Даня Бер­ков­ский

Кор­рек­тор:
Ири­на Михеева

Вёрст­ка:
Мария Дро­но­ва

Соц­се­ти:
Олег Веш­кур­цев