Průvodce článkem:

Na začátku byl vynález NOR flash paměti

Do roku 1984 existovaly paměti typu SRAM nebo DRAM. Jednalo se o volatilní typ paměti, který si bez napájení nedokázal uchovat svůj obsah, respektive dokázal, ale jen omezenou dobu. Tento fakt se jal změnit Dr. Fujio Masuoka, který patrně někdy po roce 1970 (přesné datum není známo) pro společnost Toshiba započal výzkum a vývoj tranzistorové paměti, která by dokázala bity (data) uchovat i bez napájení. To splnila v roce 1984 uvedená paměť typu NOR, ovšem patrně nikoliv tak, jak si Masuoka představoval. Výzkum a vývoj proto pokračoval a mezi lety 1987 a 1989 světlo světa spatřila první paměť typu NAND. Byť to Masuoka v té době nemohl vědět, tak svým vynálezem výrazně ovlivnil budoucnost světa výpočetní techniky.

NAND paměťový čip je založený na paměťových buňkách (cells), které musí být schopny uchovat svou hodnotu 1 či 0 (jeden bit uživatelských dat) i bez napájení. Paměťová buňka je technologicky založena na tranzistoru s plovoucím hradlem (floating gate), kdy plovoucí hradlo uchovává hodnotu paměťové buňky. Aby to však zvládlo i bez napájení, je plovoucí hradlo izolováno oxidovou izolační vrstvou. Oxidová izolační vrstva však při každém nabití a vybití (zápisu a mazání/resetu) plovoucího hrdla postupně ztrácí své izolační vlastnosti. Po určitém množství cyklů nabití a vybití přestane oxidová izolační vrstva plnit svou funkci a paměťová buňka selže. S tím se však do určité míry dokáže paměťový čip vypořádat.

Původní paměťové buňky - SLC - Single Level Cell obsahovaly pouze 1 bit, tedy hodnotu 1 nebo 0. Kvůli získání větší kapacity však postupně byly vyvinuty technologie, které umožňují do jedné buňky umístit až 4 bity (QLC - Quad Level Cell). 1 paměťová buňka QLC čipu tak může mít až 16 různých stavů, ale zároveň tím dochází k výraznému zrychlení degradace oxidové izolační vrstvy a tím se logicky zkracuje životnost celého NAND čipu.

Jak šel vývoj od malých kapacit po dnešní kapacity v řádu jednotek TB a jak se dokáží paměťové čipy vyrovnat s očekávanou chybovostí, to se pokusíme osvětlit v následujícím textu.

Od SLC po QLC, od stovek MB po jednotky TB

V průběhu let se NAND flash paměti vyvíjely od SLC (Single-Level Cell) ke QLC (Quad-Level Cell), což značně zvýšilo kapacitu datových médií a snížilo náklady na MB či GB. SLC paměti ukládají pouze jeden bit dat v každé paměťové buňce, zatímco MLC (Multi-Level Cell), TLC (Triple-Level Cell) a QLC ukládají dva, tři a čtyři bity dat v jedné buňce. Díky této evoluci se kapacity NAND flash pamětí zvýšily z původních stovek megabajtů až po jednotky terabajtů, čímž se staly klíčovou technologií pro moderní úložiště, jako jsou SSD, mobilní telefony, flash disky, paměťové karty a další elektronická zařízení.

SLC (Single-Level Cell) paměti ukládají jeden bit dat na jednu paměťovou buňku. Jelikož každá buňka může nabývat pouze dvou stavů (0 nebo 1), SLC paměti nabízejí nejvyšší výkon, rychlost a životnost. Avšak, protože ukládají méně dat na buňku, mají nižší kapacitu a vyšší cenu za MB. SLC paměti se často používají v průmyslových a vysoce náročných aplikacích.

MLC (Multi-Level Cell) paměti ukládají dva bity dat na jednu paměťovou buňku, což umožňuje čtyři různé stavy (00, 01, 10 a 11). Díky tomu dosahují vyšší kapacity než SLC paměti, ale s nižší rychlostí a kratší životností. MLC paměti byly obvykle používány v mainstreamových zařízeních, jako jsou běžné SSD disky a flash disky, ale dnes je již vytlačují TLC a QLC paměti.

TLC (Triple-Level Cell) paměti ukládají tři bity dat na jednu paměťovou buňku, což umožňuje osm různých stavů (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 a 111). TLC paměti nabízejí ještě vyšší kapacity než MLC paměti, ale s nižší rychlostí a kratší životností. TLC paměti se staly běžným standardem pro spotřebitelské SSD a flash disky.

QLC (Quad-Level Cell) paměti ukládají čtyři bity dat na jednu paměťovou buňku, což umožňuje šestnáct různých stavů. QLC paměti poskytují nejvyšší kapacity a nejnižší náklady na MB, ale za cenu nižší rychlosti a kratší životnosti než TLC, MLC a SLC paměti. QLC paměti se používají pro výrobu SSD, flash disků a SD karet s vysokou kapacitou a nižšími nároky na výkon. QLC jsou také z podstaty konstrukce nejméně spolehlivé, což je následek kratší životnosti paměťové buňky.

3D NAND (V-NAND) zlepšuje vlastnosti i životnost

Neduh s nižší životností zejména u TLC (Triple-Level Cell) a QLC (Quad-Level Cell) NAND čipů ve srovnání s jejich SLC (Single-Level cell) a MLC (Multi-Level cell) předchůdci, se snaží řešit technologie 3D NAND. 3D NAND je pokročilejší technologie, která zásadně mění způsob, jakým jsou paměťové buňky organizovány a ukládány. Za jejím zrodem stojí společnost Samsung, která 3D NAND představila v roce 2013. Dnešní SSD, které dosahují kapacit i jednotek TB si lze bez použití 3D NAND jen těžko představit. Zejména ne pro běžného uživatele, který očekává vysokou kapacitu, dobrou kvalitu a přijatelnou cenu. 3D NAND se používá i pro výrobu médií s SLC a MLC, ovšem největší vliv má u TLC a QLC.

3D NAND přináší tyto výhody:

  • Lepší kvalita paměťových buněk: Díky 3D struktuře je možné zvýšit vzdálenost mezi jednotlivými paměťovými buňkami, což snižuje elektromagnetickou interferenci mezi nimi a zlepšuje celkovou kvalitu a spolehlivost paměťových buněk.
  • Vyšší kapacita: Vertikální uspořádání paměťových buněk umožňuje dosáhnout vyšší hustoty úložiště a tím i vyšší kapacity na menší ploše.
  • Nižší spotřeba energie: Díky menšímu množství energie potřebnému k provozu a menším provozním ztrátám (menšímu úniku energie) jsou 3D NAND paměti energeticky efektivnější než planární NAND.
  • Delší životnost: Větší vzdálenost mezi paměťovými buňkami zlepšuje jejich odolnost proti opotřebení a degradaci, což prodlužuje životnost celého čipu. To je patrně nejzásadnější rozdíl z pohledu uživatele, který očekává spolehlivé datové úložiště.

NAND paměťové čipy obsahují chyby již z výroby. Řadič je umí vyřadit

NAND flash paměti mají určitou míru chybovosti již od výroby. Chybovost je důsledkem fyzikálních vlastností paměťových buněk a jejich výrobního procesu. Přestože se výrobci snaží minimalizovat chyby během výroby, zcela je eliminovat nelze.Mimo chybovosti dané již z výroby, je míra chybovosti ovlivněna dalšími faktory, zejména způsobem, jakým je paměťové médium používáno.

Pro korekci těchto chyb používá řadič paměťového média různé interní funkce, které jsou popsány níže. Jedním z nejdůležitějších je ECC (Error Correction Code), který detekuje a opravuje chyby, jež mohou nastat během čtení, zápisu nebo ukládání dat. Dále existuje Bad Block Management, který identifikuje vadné bloky a zabrání jejich použití pro ukládání dat. Také se používají další funkce, jako Wear Leveling, TRIM a Garbage Collection, které spolupracují na optimalizaci výkonu a prodloužení životnosti NAND flash pamětí.

Díky těmto interním funkcím jsou NAND flash paměti schopny poskytovat poměrně spolehlivé a efektivní úložiště dat. Výčet funkcí a jejich základní popis je uveden níže v článku. I přes všechny tyto sofistikované metody korekce chyb a 3D NAND, umožňující zkvalitnit QLC i starší typy paměťových buněk, výrobci zatím nepřistoupili k nasazení novějších technologií výroby paměťových čipů, která by umožnily využít 5, 6 nebo i více bitů v jedné paměťové buňce. Tyto technologie existují a nazývají se Penta-Level Cell (PLC) a Hexa-Level Cell (HLC). NAND flash paměti by pak mohly ukládat pět, respektive šest bitů dat na jednu paměťovou buňku.

V současnosti (rok 2023) však výrobci od použití PLC a HLC ustoupili, respektive tyto technologie zůstávají ve stádiu výzkumu a vývoje. Nejenže PLC a HLC jsou náchylnější k chybovosti, jejich výroba je komplikovanější a více zatěžují řadič paměťového média, ale zejména pro ně není tržní poptávka. PLC, HLC a případně jiné podobné technologie nám možná přinesou větší úložnou kapacitu až v budoucnosti. Důvodem pro zdržení v nasazení PLC a HLC na trh mohou být také technické výzvy a náklady spojené s vývojem a výrobou těchto pamětí. Avšak s dalším pokrokem ve výzkumu a vývoji a potenciálním nárůstem poptávky po vyšších kapacitách můžeme očekávat, že tyto technologie se postupně stanou běžnou součástí NAND flash pamětí.

Bez pokročilých funkcí správy dat by životnost dnešních datových médií byla nízká

Paměťová média využívající NAND paměťové čipy, respektive řadič a firmware těchto médií ve spolupráci s operačním systémem daného zařízení, spravují ukládání, mazání, korekce, rovnoměrnost využití paměťového čipu za pomoci těchto interních funkcí:

TRIM je příkaz, který umožňuje operačnímu systému informovat datové médium o nevyužitých blocích dat, které mohou být smazány. Tím se zvyšuje efektivita zápisu nových dat na paměťové médium a zlepšuje se celkový výkon a životnost. Ne všechna NAND paměťová média využívají funkci TRIM.

Wear Leveling je funkce, která rovnoměrně rozděluje zápis a mazání dat mezi všechny paměťové buňky datového média. To zajišťuje, že žádná jednotlivá buňka není přetížena (využívaná nadměrně), což by mohlo vést k jejímu rychlému opotřebení a zkrácení životnosti datového média. Wear Leveling je použit u všech současných NAND paměťových médií.

Garbage Collection je proces, kterým paměťové médium automaticky přeuspořádává a maže nevyužité data. Činí tak ve volném čase (když se na datové médium nic nezapisuje ani z něj nic nečte), čímž udržuje optimální výkon při zápisu nových dat. Funkce Garbage Collection může, ale nemusí být implementována. Paměťové karty a flash disky ji vybaveny být nemusí; její přítomnost a účinnost závisí na konkrétním řadiči a firmware.

Over-Provisioning je funkce, která rezervuje určitou část kapacity paměťového média pro interní správu a optimalizaci. Tím se zlepšuje výkon a zvyšuje životnost média, protože systém má k dispozici více volných bloků pro zápis a mazání dat. Ne všechna média jsou funkcí Over-Provisioning vybavena, její přítomnost závisí na konkrétním řadiči a firmware. SSD ji však obvykle obsahují.

Error Correction Code (ECC) je metoda detekce a opravy chyb, která zajišťuje, že data uložená na NAND čipech jsou bez chyb. ECC pomáhá předcházet ztrátě dat a zajišťuje spolehlivost a životnost NAND čipů.

Kromě TRIM, Wear Leveling, Garbage Collection, Over-Provisioning a ECC, NAND paměťová média mohou obsahovat a využívat i další funkce, jejichž cílem je zlepšení výkonu, spolehlivosti a životnosti datového úložiště. Některé z těchto funkcí zahrnují:

Bad Block Management: Správa vadných bloků zahrnuje detekci a mapování vadných bloků v NAND flash paměti a jejich nahrazení náhradními bloky. Tímto způsobem je zajištěna větší spolehlivost a životnost paměti.

Read Retry je metoda, která zahrnuje několik pokusů o čtení dat z NAND flash paměti v případě chyby čtení. Tímto způsobem se zlepšuje spolehlivost a snižuje riziko ztráty dat.

Write Cache je dočasná paměť, která ukládá data před zápisem do NAND flash paměti. Tím se zlepšuje výkon zařízení a snižuje opotřebení NAND flash paměti.

SLC cache je technologie, která dočasně ukládá data v SLC (Single-Level cell) vyhrazené části NAND paměti. Účelem je zvýšení rychlosti zápisu. Jakmile je cache naplněna, data jsou přesunuta do hlavního úložiště - MLC, TLC nebo QLC NAND paměti.

Thermal Throttling (tepelné omezování) je proces, který snižuje výkon NAND flash paměti, pokud teplota překročí bezpečné hodnoty. Tímto způsobem je chráněna integrita dat a zajištěna spolehlivost datového úložiště.

DevSleep (Device Sleep) je technologie, která umožňuje zařízení přejít do režimu hlubokého spánku s nízkou spotřebou energie, když není aktivně používáno. Tím se snižuje spotřeba energie, což je důležité zejména u mobilních zařízení na baterie.

Tyto funkce mohou být implementovány v NAND paměťových médiích, jako jsou SSD, SD karty a flash disky, aby zlepšily jejich výkon, spolehlivost a životnost. Jejich implementace však závisí na konkrétním řadiči, firmware a výrobci datového média.

Provedení NAND: samostatný čip, monolith, COB

NAND flash paměťové čipy mohou být implementovány v různých formách, jako samostatný čip, monolitický čip (monolith) nebo Chip-On-Board (COB). Každá z těchto možností má své výhody a nevýhody, a výběr závisí na specifických požadavcích aplikace pro dané zařízení či médium.

Samostatný čip je základní formou NAND flash paměti. Řadič je umístěn samostatně. Toto provedení lze nalézt v širokém spektru zařízení, včetně SSD, některých USB flash disků a paměťových karet.

Monolitický čip (monolith) je integrovaný obvod, který obsahuje NAND flash paměť a řadič v jednom kusu křemíkového substrátu. Tento typ čipu je často používán v kompaktních zařízeních, jako jsou mobilní telefony, flash disky a microSD karty, kde je důležitá miniaturizace a úspora místa.

Chip-On-Board (COB) je technologie, kdy NAND flash paměťový čip je přímo připojen na desku plošných spojů (PCB) a následně potažen ochrannou vrstvou. COB umožňuje snížit velikost finálního zařízení, zlepšit tepelnou vodivost a zvýšit odolnost proti vibracím a nárazům. Z pohledu záchrany dat se však jedná o komplikovanější řešení.

Každá z těchto možností má své specifické využití v závislosti na požadavcích týkajících se výkonu, velikosti, odolnosti a nákladů..

Obnova dat z NAND - SSD, mobily, SD karty, flash disky

Záchrana dat z SSD, mobilních telefonů, SD karet, flash disků i dalších médií je náš hlavní obor. Jednotlivým médiím jsou věnovány samostatné sekce našeho webu. Pokud potřebujete pomoct s obnovou dat, vyberte typ média:

Prasklý NAND čip - obnova dat bývá nemožná

Pokud je NAND čip fyzicky poškozen (typicky prasknutý), obnova dat se stává velmi obtížným úkolem, často nemožným. Pokud nedošlo k mechanickému poškození samotného NAND čipu, řešení může být podobné jako v případě selhání řadiče média. Nicméně, pokud mechanické poškození zasáhne NAND čip a jsou poškozeny paměťové bloky, lze konstatovat, že obnova dat je nemožná.

Pakliže bychom zašli za hranice současných technologií pro záchranu dat z paměťových karet, flash disků, SSD a mobilních telefonů a měli bychom neomezený rozpočet a přístup k pokročilým technologiím, mohli bychom zvážit metody jako mikroskopické sondování a laserové dekapování. I přesto je jejich aplikace pro úspěšnou obnovu dat z poškozeného paměťového čipu spíše teoretická.

Je proto důležité chránit NAND paměťová média před fyzickým poškozením, což ostatně platí pro všechna datová média. Pravidelné zálohování důležitých dat je klíčové. Nebojte se využít moderních metod, jako jsou cloudová úložiště.

FAQ - často kladené otázky

Co je NAND flash paměť?

NAND flash je typ paměťového úložiště, které se používá v řadě elektronických zařízení, jako jsou SSD disky, USB flash disky, paměťové karty a mobilní telefony. NAND flash je oblíbená díky své schopnosti rychle ukládat a načítat data, a to i po odpojení napájení.

Jaké jsou hlavní typy NAND flash paměti?

NAND flash paměť se může vyskytovat ve třech hlavních formách: samostatný čip, monolitický čip (monolith) a Chip-On-Board (COB). Výběr závisí na specifických požadavcích aplikace pro dané zařízení či médium.

Jaká zařízení obvykle využívají NAND flash paměť?

NAND flash paměť se používá ve širokém spektru elektronických zařízení. Najdete ji v SSD discích, USB flash discích, paměťových kartách, mobilních telefonech a dalších.

Je možná obnova dat z NAND - SSD, mobil, paměťová karta, flash disk?

Ano, obnova dat z NAND flash paměti může být možná, a to z různých typů zařízení, včetně SSD disků, mobilních telefonů, paměťových karet a dalších. Proces obnovy dat může být složitý a vyžaduje specializované nástroje a znalosti, ale naše firma má značné zkušenosti a úspěšně jsme obnovili data z velkého množství zařízení. Pokud potřebujete obnovit data, kontaktujte nás.

Je možné obnovit data z poškozeného NAND čipu?

Pokud je NAND čip fyzicky poškozen (typicky prasknutý), obnova dat se stává velmi obtížným úkolem, často nemožným. V případě, že poškození nezasáhlo paměťové bloky NAND čipu, mohou být data stále obnovitelná.

Jakou roli hraje řadič v NAND flash paměti?

Řadič v NAND flash paměti má na starosti správu dat - zajišťuje jejich ukládání a čtení z paměťových buněk, spravuje chyby a řídí řadu dalších pokročilých interních funkcí správy dat.

Jak mohu předejít ztrátě dat z NAND flash paměti?

Pravidelné zálohování dat je nejlepší prevencí ztráty dat. Doporučuje se také chránit zařízení před fyzickým poškozením, například nárazy nebo extrémními teplotami, které by mohly poškodit NAND flash paměť.

Základní údaje
By Frantisek Fridrich
Frantisek Fridrich
Nadřazená kategorie: Blog
Vysvětlivky a tipy