Архів у кишені: як на microSD поміщається 1 Тб інформації?

Дивовижно, але якщо буквально 30 років тому жорсткий диск об’ємом у кілька десятків мегабайт (так, мегабайт) був великим, масивним і залізним, то зараз все змінилося. Пам’ять, яка не використовує металевих частин, а використовує мікросхеми, зменшується з кожним роком.

На сьогоднішній день існує карта пам’яті формату microSD, яка вміщує цілий терабайт інформації. А це дуже багато, для порівняння в такий обсяг вміщається: 250 тисяч mp3-файлів середньої якості, 500 фільмів у Full HD, мільйони (навіть мільярди) текстових документів і таблиць. Обсяг в 1 Тб насправді величезний, але найбільше захоплює те, що він вміщується на мініатюрну карту пам’яті.

Основою функціонування карти пам’яті є NAND flash-пам’ять — тип енергонезалежної пам’яті, що зберігає інформацію навіть після відключення живлення. Принцип роботи цієї пам’яті заснований на використанні транзисторів з плаваючим затвором, які можуть утримувати певну кількість заряду. У найпростішому випадку (SLC) це відповідає «0» або «1», але сучасні комірки (MLC, TLC, QLC) здатні зберігати кілька рівнів заряду, що дає 2–4 біти інформації в одній комірці.

Кожна комірка пам’яті являє собою мікроскопічний транзистор, здатний утримувати електричний заряд. Саме наявність або відсутність цього заряду визначає стан комірки. Відповідно, якщо заряд є, то це логічна одиниця, якщо його немає, то «0».

Для запису даних через транзистори пропускається електричний струм, який перемикає комірки в потрібний стан. Для зчитування інформації струм пропускається знову, і вимірюється його сила, що дозволяє визначити стан кожної комірки. Стирання даних відбувається шляхом зворотного струму, який скидає всі транзистори в початковий стан.

Щільність розміщення цих комірок неймовірно висока — в карті об’ємом 1 ТБ знаходиться близько 4,1 трильйона мікроскопічних перемикачів. Досягти такої щільності вдалося завдяки тривимірній компоновці комірок і використанню багаторівневих комірок, здатних зберігати кілька бітів інформації в одній фізичній комірці. Виходить якась умовна матриця з даними.

Все добре, але є один великий і істотний мінус — чим більше даних записується в таку пам’ять і видаляється, тим менше ресурс такої пам’яті. Пройде якийсь час активної роботи, і можуть з’явитися помилки читання / запису. Також часто траплялися випадки, коли microSD-карта виходила з ладу без будь-яких на те підстав. Проблема в тому, що відновлення інформації з такого накопичувача складне і дороге — навіть якщо вийде з ладу контролер, який знаходиться поруч з мікросхемами пам’яті, його буде дуже складно відновити.

Звідси висновок — на картах пам’яті (і флешках) не варто зберігати дані в довгостроковій перспективі через високий ризик втратити дані. Використовувати карти пам’яті потрібно для тимчасового зберігання інформації, а важливі дані потрібно зберігати на класичному HDD-накопичувачі.

Але як так вийшло, що вдалося винайти таку карту пам’яті?

Створення подібних накопичувачів інформації — диво інженерної думки. Шлях до створення MicroSD ємністю 1 ТБ зайняв більше двох десятиліть. Спочатку стандарт SD був представлений в 1999 році як наступник формату MultiMediaCard (MMC). Перші карти мали максимальну ємність всього 2 МБ і використовували файлову систему FAT12 або FAT16. Вартість такого накопичувача була величезною за тими мірками, а обсяги були маленькими.

У 2006 році з’явився стандарт SDHC (High Capacity), який збільшив максимальний обсяг до 32 ГБ і перейшов на файлову систему FAT32. Наступним кроком стала поява в 2009 році стандарту SDXC (Extended Capacity) з підтримкою до 2 ТБ пам’яті і використанням файлової системи exFAT, здатної працювати з великими файлами.

У 2018 році SD Association представила стандарт SDUC (Ultra Capacity), який теоретично підтримує карти пам’яті об’ємом до 128 ТБ. Саме в рамках цього стандарту і стали можливими сучасні карти об’ємом 1 ТБ і вище.

Створення MicroSD об’ємом 1 ТБ стало можливим завдяки кільком технологічним проривам. Першим з них став розвиток тривимірної компоновки комірок пам’яті. Якщо традиційна NAND-пам’ять розташовувала комірки в двовимірній площині, то 3D NAND дозволила розміщувати комірки в кілька шарів, значно збільшуючи щільність розміщення без зменшення фізичного розміру комірок.

Другим важливим фактором стало використання багаторівневих комірок. Сучасні карти високої ємності використовують QLC (Quad-Level Cell) технологію, що дозволяє зберігати 4 біти інформації в одній комірці. Ведуться також розробки PLC (Penta-Level Cell) комірок, здатних зберігати 5 біт.

Третім ключовим елементом є вдосконалення контролерів пам’яті. Ці спеціалізовані процесори керують читанням, записом і розподілом даних, а також виконують складні алгоритми корекції помилок, які стають особливо важливими при високій щільності розміщення комірок.

Мікроархітектура карт пам’яті також зазнала значних змін. Виробники розробили інноваційні методи компонування елементів, що дозволяють розмістити на крихітній площі 15 x 11 x 1 мм не тільки чіпи пам’яті, але і контролер.

Проблеми створення таких карт

Досягнення настільки високої щільності зберігання даних пов’язане з серйозними технічними викликами. Однією з основних проблем є тепловиділення — трильйони комірок, розміщені в крихітному просторі, генерують значну кількість тепла, яке необхідно ефективно відводити для запобігання пошкодження даних. В умовах «мініатюрності» такого накопичувача це питання залишається відкритим.

Інша істотна проблема — збільшення кількості помилок при читанні та запису даних. У міру збільшення щільності розміщення комірок і кількості бітів, що зберігаються в одній комірці, зростає ймовірність помилок. Це вимагає використання все більш складних алгоритмів корекції помилок, які займають додаткове місце на карті і споживають обчислювальні ресурси контролера, що в кінцевому підсумку впливає на швидкість читання/запису.

Надійність зберігання даних також стає серйозною проблемою. Багаторівневі комірки більш чутливі до зміни заряду і деградації з часом. Виробники вирішують цю проблему за допомогою інтелектуальних алгоритмів вирівнювання зносу, які рівномірно розподіляють операції запису по всіх комірках карти. У підсумку корисний обсяг такої карти пам’яті може зменшуватися через знос комірок.

Економічний аспект також є обмежуючим фактором. Собівартість виробництва карт з екстремально високою щільністю пам’яті значно вища, а вихід придатної продукції нижчий. Це пояснює, чому карти об’ємом 1 ТБ залишаються дорогими навіть через кілька років після їх появи на ринку.

Професіонали (наприклад, фотографи і відеооператори) скептично ставляться до таких великих обсягів — краще мати кілька карт пам’яті меншого обсягу, ніж ризикувати втратою великої кількості даних.

Технологія MicroSD продовжує розвиватися і буде розвиватися надалі. Вже давно анонсований стандарт SDUC, що підтримує карти об’ємом до 128 ТБ, хоча практична реалізація таких ємностей вимагатиме значних зусиль і часу.

Очікується, що до 2027-2028 років з’являться карти об’ємом 4 ТБ, а до 2029-2030 — 8 ТБ. Але досягнення теоретичної межі в 128 ТБ малоймовірне в найближчому майбутньому через фізичні та економічні обмеження.

Альтернативою подальшому збільшенню ємності може стати розвиток спеціалізованих карт з поліпшеними характеристиками швидкості та надійності. Вже зараз існують карти з класами продуктивності додатків A1 і A2, оптимізовані для роботи з мобільними додатками. Але знову ж таки, виробники смартфонів і планшетів вже відмовляються від слота під карту пам’яті — внутрішня пам’ять пристроїв зростає, також розвиваються хмарні сховища.

У довгостроковій перспективі можлива поява принципово нових технологій зберігання даних, які або доповнять, або замінять флеш-пам’ять. Але з огляду на широку поширеність і постійне вдосконалення технології MicroSD, вона залишиться актуальною протягом майбутніх десятиліть. Можливо, коли весь світ буде занурений в мобільні мережі 5G і 6G, карти пам’яті будуть просто не потрібні — весь контент буде відразу записуватися на віддалені сервери з дуже високою швидкістю.

Порада

Раджу періодично перевіряти карти пам’яті в фотоапаратах, смартфонах, відеореєстраторах на предмет наявності помилок. Найкраще підключати карту пам’яті до ПК і використовувати спеціальне програмне забезпечення для перевірки (краще взяти з сайту виробника). Також не варто довіряти будь-якій флеш-пам’яті зберігання даних на довгий термін — робіть резервні копії на HDD-диск.