З чого складається USB-флеш-накопичувач та яких типів вони бувають?

USB-флеш-накопичувач, також відомий як флешка – це невеликий портативний пристрій для зберігання даних з можливістю перезапису. USB-флеш-накопичувачі не вимагають додаткових драйверів і зазвичай сумісні з усіма операційними системами (включаючи BIOS) та різними типами пристроїв, оснащених USB-портом.

Останнє оновлення:
06 січня 2022

Час прочитання: 5 хв.

Використання та характеристики USB-флеш-накопичувачів

Флеш-накопичувачі широко використовуються як допоміжні носії інформації, а також для резервного копіювання і передачі даних між комп’ютерами. Деякі з них містять файли інсталяції операційної системи для завантаження комп’ютера.

USB-накопичувач може мати місткість до 2 ТБ і, на відміну від деяких великих перезаписуваних пристроїв зберігання, таких як портативні жорсткі диски обсягом від 2 ТБ, не вимагає ні зовнішнього джерела живлення, ні акумулятора, оскільки отримує живлення безпосередньо від пристрою, до якого він підключений через USB-порт.

Що робить USB-накопичувач таким зручним, так це його невеликий розмір, універсальність та здатність зберігати дані протягом тривалого періоду, навіть після відключення від ПК або іншого пристрою. З усім тим, флеш-накопичувачі мають обмежену кількість циклів запису-стирання: від 3000-5000 (пристрої на базі технології MLC – багаторівневих комірок пам’яті) до 100 000 (пристрої SLC з однорівневими комірками). Комірки пам’яті зрештою починають руйнуватися, що призводить до нестабільного функціонування та подальшого виходу пристрою з ладу. Однак це обмеження не поширюється на цикли читання. Що ж стосується USB-роз’єму, то він розрахований на до 1500 циклів приєдання-вилучення.

З чого складається флешка?

Звичайний USB-накопичувач складається з декількох основних компонентів: стандартного USB-роз’єму/штекера, який використовується для підключення до іншого пристрою, і друкованої плати, яка об’єднує мікроконтролер з невеликим обсягом оперативної пам’яті й ПЗУ, мікросхеми флеш-пам’яті (або кількох мікросхем), де зберігається інформація, і кварцового генератора, який управляє виведенням даних. Сама схема поміщена в пластиковий або гумовий корпус, який достатньо міцний, щоб протистояти пилу, бруду і незначним механічним пошкодженням, таким як подряпини.

Основні типи флеш-накопичувачів

У той час як перший флеш-накопичувач мав місткість всього 8 МБ, місткості сучасних варіюються від 8 ГБ до 2 ТБ, залежно від виробника. Крім того, ці накопичувачі можуть мати різні специфікації USB: 1.0, 2.0, 3.0 та 4.0. Чим новіша версія, тим вищою є швидкість передачі даних:

• USB 1.0 – 12 Мбіт/с;
• USB 2.0 – 480 Мбіт/с;
• USB 3.0, 3.1 Gen 1 та 3.2 Gen 1 – 5 Гбіт/с;
• USB 3.1 Gen 2 та USB 3.2 Gen 2 – 10 Гбіт/с;
• USB 3.2 Gen 2×2 – 20 Гб/с;
• USB 4 – до 40 Гбіт/с.

Більшість з них характеризуються зворотною сумісністю: пізніші версії працюють з попередніми. Це означає, наприклад, що можна під’єднати пристрій USB 2.0 до порту USB 3.0, і він функціонуватиме, але зі швидкістю USB 2.0.

Більшість накопичувачів мають стандартний USB-роз’єм типу A, який можна вставити в порт звичайного персонального комп’ютера, але є також пристрої з роз’ємами інших типів (наприклад, mini та micro A, B або type-C).

Нині USB-накопичувачі нерідко поєднують з брелоками, годинниками, ручками та іншими часто вживаними предметами. Деякі з них можуть мати незвичайний дизайн та додаткові функції, такі як захист відбитком пальця або паролем.

Як працює флешка

Інформація на флешці зберігається в комірках пам’яті, кожна з яких може запам’ятати один біт: 0 або 1. Флешка складається з мільярдів таких осередків пам’яті.

Комірка пам’яті

Один осередок пам’яті – один біт. Одна буква в тексті – 8 біт або 1 байт. Цей текст займає приблизно 6 тисяч байт, тобто, щоб зберегти його на флешку, потрібно 48 тисяч осередків пам’яті. Для нового епізоду Доктора Хауса в HD потрібно приблизно 11 мільярдів осередків пам’яті. Важко уявити собі, що вони всі легко помістяться на площі в 1 квадратний сантиметр.

Комірка пам’яті – це транзистор. З двох сторін у нього знаходиться два напівпровідники n-типу, у яких багато вільних електронів, які можуть вільно рухатися, тобто переносити струм.

Між цими напівпровідниками знаходиться напівпровідник p-типу, у якого, навпаки, нестача електронів. Струм там переноситься, відповідно, дірками від відсутніх електронів.

Струм не може проходити між n-напівпровідниками, тому що між ними знаходиться p-провідник, а у них різний тип провідності.

Але над p-напівпровідником знаходиться керуючий затвор. Це такий електрод, на який можна подати позитивне або негативне напруження. Якщо на нього подати позитивну напругу, то він відсуне дірки в p-напівпровіднику і притягне електрони, оскільки протилежні заряди притягуються.

Плаваючий затвор оточений діелектриком, щоб електрончики з нього не втекли. Теоретично, осередок пам’яті може зберігати своє значення нескінченно, ну або принаймні десятки років.

Вийде так званий n-перехід, по якому може пройти електрика з одного напівпровідника n-типу на інший і транзистор зможе проводити струм.

Між керуючим затвором і p-напівпровідником є металева платівка – це плаваючий затвор. Якщо її зарядити негативно, то вона буде заважати роботі керуючого затвора, і транзистор не буде проводити струм незалежно від того, є на керуючому затворі позитивна напруга чи ні.

Як читаються дані

Щоб перевірити, що записано в комірці пам’яті, нуль або одиниця, на керуючий затвор подають напругу і перевіряють, чи може йти по транзистору струм:

– Якщо на керуючому затворі є надлишок електронів, то струм йти не буде, значить це одиниця.

• – Якщо на управителі затворі надлишку електронів немає, то струм піде, значить це нуль.

Як записуються

Щоб записати одиничку в комірку пам’яті, треба на плаваючий затвор закинути електронів. Але це не так-то просто зробити, тому що плаваючий затвор оточений діелектриком, який, як відомо, не проводить струм.

Тунельний ефект – явище, можливе тільки в квантовій механіці, коли, завдяки своїм хвильовим властивостям, електрон перестрибує з одного місця на інше. Тобто він опиняється по той бік діелектрика, не проходячи через нього. У класичній механіці таке неможливо.

Для того, щоб помістити електрони в плаваючий затвор, на керуючий затвор подають позитивне напруження – набагато вище, ніж при читанні. Частину електронів застрибують на плаваючий затвор завдяки тунельному ефекту.

Стирання даних відбувається так само, тільки замість позитивної напруги на керуючий затвор подається негативне, і електрони зістрибують з плаваючого затвора.