Спецтехника с “твердой” памятью: универсальность, качество, надежность..

Спецтехника с “твердой” памятью: универсальность, качество, надежность..

Спецтехника с “твердой” памятью: универсальность, качество, надежность.

УКОВ Вячеслав Сергеевич,
кандидат технических наук

СПЕЦТЕХНИКА С “ТВЕРДОЙ ПАМЯТЬЮ: УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ, КАЧЕСТВО, НАДЕЖНОСТЬ  

Последние достижения современной микроэлектроники существенно улучшили основные характеристики элементной базы, в частности, процессоров и микросхем памяти, что в свою очередь, позволило существенным образом улучшить оперативно-технические характеристики специальных технических средств хранения и обработки информации. В статье рассмотрены состояние и тенденции развития новых технологий создания спецтехники, в частности, интегральных носителей и накопителей информации.

Известно, что оперативно-технические характеристики аппаратуры, в первую очередь, зависят от характеристик и особенностей используемой элементной базы. Это особенно ярко проявилось на примере развития технических средств хранения информации, используемых для решения таких задач, как скрытое аудио и видео наблюдение, защита информации, передача специальной информации по каналам связи и т.п. Анализ развития современной микроэлектроники показывает, что в настоящее время цикл создания новой техники и технологий составляют всего 2…3 года, чему способствуют достижения в области создания микроэлементной базы, в первую очередь, в области микросхем памяти и микропроцессоров.

Состояние и перспективы развития микроэлектронной элементной базы

Если интегрально оценивать достижения современной микроэлектроники в области создания элементной базы, то их можно описать всего лишь двумя основными технологическими параметрами:

• толщиной изолирующих линий затворов микропроцессоров (а);
• размером полушага элементов устройств оперативной памяти (б).

Процесс изменения этих параметров во времени с учетом прогноза представлен на рис. 1.

Рис. 1. Динамика изменения основных технологических параметров микросхем

Анализ основных технологических характеристик, представленных на рис. 1, показывает, что за последние 20 лет их изменение во времени хорошо аппроксимируется экспериментально установленным законом Мура: каждые 1,5 года величины характеристик улучшаются, в среднем, в два раза. Естественно, что от этих технологических параметров зависят основные технические характеристики микросхем, такие как объем памяти и сложность процессора. На рис. 2 приведена динамика развития основных характеристик микросхем памяти ДОЗУ (динамических оперативных запоминающих устройств), в частности, количества ячеек памяти на одном кристалле.

Рис. 2. Динамика развития микросхем памяти ДОЗУ

Подобный прогноз использован, в частности, при разработке программы развития микроэлектроники Ассоциацией полупроводниковой промышленности США (SIA), основные положения которой приведены в табл. 1 и которые можно использовать для прогнозирования возможностей современной микроэлектроники в области микросхем памяти.

Таблица 1. Перспективы развития основных параметров современной элементной базы

Характеристика элементной базы	2001 год	2003 год	2006 год	2009 год	2012 год
Плотность ячеек ДОЗУ, млн. шт/кв. см	380	770	2,2х103	6,1х103	17х103
Плотность транзисторов в МП, млн. шт/кв. см	10	18	39	84	180
Плотность элементов в специализированных ИС,  млн. шт/кв. см	16	24	40	64	100
Число выводов корпуса	1195	1460	1970	2655	3585
Площадь кристалла, мм:
—  память	445	560	790	1120	1580
— процессор	385	430	520	620	750
Минимальное напряжение питания, В	1,2-1,5	1,2-1,5	0,9-1,2	0,6-0,9	0,5-0,6
Максимальное число уровней монтажа	7	7	7-8	8-9	9
Максимальная тактовая частота процессора, ГГц	2	4	6	8	10

Сопоставление прогнозируемых и реальных параметров, достигнутых в настоящее время, показывает, что прогноз достаточно хорошо совпадает с практикой. Конечно, необходимо учитывать, что представленный прогноз отображает возможности передовых стран в области микроэлектроники. Так, например, фирма Samsung Electronics стала первой в мире компанией, завершившей разработку микросхемы DRAM (ДОЗУ) по технологии Rambus (RDRAM) ёмкостью 288 Mбит и на его основе создавшей модуль памяти RIMM Module (Rambus In-line Memory Module) емкостью 576 Мбайт (!). Для производства микросхем столь высокой интеграции емкостью 288 Mбит, которые в два раза производительнее предыдущей высокоскоростной версии в 144 Mбит, была использована 0,17- микронная технология, что позволило улучшить скорость обработки информации на каждый такт до 800 Mбит в секунду. Таким образом, новое устройство способно обрабатывать информацию, эквивалентную, например, 6550 газетным страницам в секунду (!). Фирма Sony оперативно использовала двухканальные модули RDRAM, работающие с тактовой частотой 1,6 ГГц. С 2000 года подобные микросхемы устанавливаются в цифровых телевизорах, магнитофонах и телевизионных приставках для того, чтобы выполнять более быстрое декодирование из формата MPEG-2, используемого для сжатия информации. В настоящее время завершены все технологические процессы для производства 4 Gb чипа с использованием 0,13- микронной технологии. Пять ведущих производителей микросхем — Hyundai Electronics Industries, Infineon Technologies, Micron Technology, NEC и Samsung Electronics — объявили о намерении начать совместно с Intel работу над созданием следующего поколения высокопроизводительных модулей оперативной динамической памяти DRAM. Известно, что создаваемая технология предназначена для приложений, которые появятся после 2003 года, и вероятно, впервые будет применена при выпуске модулей DRAM емкостью 1 Гбайт. Для сравнения можно отметить, что в настоящее время, например, в статических диктофонах используются серийно выпускаемые микросхемы СОЗУ (статической памяти) емкостью в 256 Мбайт.

Статические диктофоны и накопители информации

Современные достижения в области элементной базы, в частности, цифровой памяти совершили своеобразную революцию в области миниатюрной специальной техники, особенно в области создания бескинематических (или, как их иногда называют, статических) цифровых магнитофонов. Хотя, если быть точным, к этой технике уже некорректно применять такое привычное нам слово магнитофон, т. к. используемый в ней носитель информации уже не является магнитным. Кроме того, необходимо отметить и такую особенность современных устройств хранения информации, как их универсальность и индифферентность (безразличность) к виду записываемой информации. В частности, современные технологии позволяют создавать такие интегральные устройства памяти, которые могут записывать и продолжительно хранить, практически, любую информацию, в том числе звуковую, текстовую, графическую и др.

Отличительные особенности и классификация специальных накопителей информации приведены на рис. 3.

Рис. 3. Отличительные особенности и классификация специальных накопителей информации

Как видно из рисунка 3, в настоящее время имеется большой выбор накопителей информации, отличающихся друг от друга как по принципам действия, так и по виду входного сигнала, носителя, записываемой информации, предварительной обработки, конструкции и т.п. Один из вариантов реализации интегрального устройства хранения информации приведен на рис. 4.

ФНЧ — фильтр нижних частот;
СЗО — схема запоминания отсчетов;
СС — схема сравнения;
РПА — регистр запоминания аппроксимаций;
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь;
МПС — микропроцессорная система

Рис. 4. Функциональная схема интегральной системы обработки и хранения информации (вариант использования съемной флэш-памяти и ИКМ-кодека)

Сегодня на рынке обеспечения безопасности появилось большое количество портативных цифровых устройств звукозаписи. Среди них можно отметить такие устройства как диктофон в виде авторучки (SVR-P700), в виде бруска (SVR-240), в виде блока (SEL DR-01) и др. Основные сравнительные характеристики цифровых статических диктофонов и твердотельных накопителей информации, наиболее перспективных для использования при решении практических задач и представленных сегодня на российском рынке, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Сравнительные характеристики твердотельных накопителей информации

Тип (Модель)	Максимальная длительность записи, мин	Питание, В	Непрерывная работа, час	Конструкция, габариты, мм, (масса, г)	Носитель информации
V520	520	4,5 (3хАА)	9- GP, Duracell 19- FR6 L91	Блок, 142х66х15,5	Встроенная флэш-память
SEL DR-01 “Спутник-1200”	1200 (20 МБ)	2,4 (2хААА- аккумулятор)	8-20	Блок, 70х50х15	Встроенная флэш-память
SEL DR-01 Спутник-2000”	2000 (40 МБ)	2,4 (2хААА- аккумулятор)	8-20	Блок, 70х50х15	Встроенная флэш-память
“Путник-1”	772 (96 МБ), 52 (7 МБ)	4,5 (3хААА)	10	Блок, 111х62х21, (165)	Компактные флэш-карты
SVR — P700 (voice pen)	70 (8 МБ)	1,5 (1хААА)	4	Авторучка, 18х143, (41)	Встроенная флэш- память: 99 сообщений
SVR — P240	238 (8 МБ)	3,0 (2хААА)	6,5-воспр. 10- запись	Брусок, 125х25х15,5, (56)	Встроенная флэш-память: 199 сообщений
SVR-S820	502 (16 МБ)	3,0 (2хААА)	6,5	Брусок, 102х36х17, (64)	Встроенная флэш-память: 396 сообщений
EDIC	1860	2,4 (2хААА- аккумулятор)	48- запись; 4320- справочник	Блок, 83х47х16	Память: 16 Мб-внутр. 16 Мб-внешн.
EDIC-mini	90	1,5 (1хАА)	40	Брусок, 55х18х8	Flash- память: 16 Мб
ЦМ-ДЕЛЬТА	968 (440 МБ) 200-6000 Гц, 23-103 дБА	3,6 (3хААА- аккумулятор)	9	Блок, 110х60х15 (350)	Flash-карта PCMCIA — II
U-7002	800 (220 МБ) 1600 (440 МБ)	3,0 (2хААА)	13,3	Блок, 118х69х14	Flash-карта РСMCIA — II
D — 1000	32 (2 МБ); 70 (4 МБ); 140 (8МБ)	3,0 (2хАА)	8	Блок, 121х46х23, (170 )	Сменные миникарты 2, 4, 8 МБ
DS-150	150	3,0 (2хАА)		Блок, 116х43х15	Встроенная флэш-память
БМ-5	540	1,5 (1хААА)		Блок, 105х56х16	Встроенная флэш-память
MAYCOM VR-60	60	3,0 (2хАА)	72	Блок, 90х55х30, (150)	Встроенная флэш-память: 128 сообщений
N 3210 rec (камуфлир. диктофон)	240	От источника питания радиотелефона		В сотовом телефоне Nokia 3210	Микрочип

Отсутствие движущихся частей и использование полностью металлических корпусов существенно улучшают характеристики статических накопителей. Так основной отличительной особенностью рассмотренных устройств является возможность обеспечить глубокое подавление паразитных излучений и наводок, что существенно улучшает их оперативно-технические характеристики, в частности, по таким показателям, как выполнение требований по ПЭМИН и защите от внешних электромагнитных воздействий. Кроме того, второй отличительной чертой большинства современных накопителей является их инвариантность (безразличность) к виду записываемой информации, будь она звуковой, текстовой или графической.

Как правило, для записи аналоговой информации, например, с выхода микрофонов, цифровые накопители имеют на входе аналого-цифровые преобразователи (рис. 4), что, по-существу, и делает их универсальными устройствами записи и хранения информации. Использование дискретной элементной базы обеспечивает получение высоких эксплуатационных характеристик (по надежности, качеству сигнала, срокам эксплуатации и др.). Одним из наиболее важных оперативно-технических характеристик специальных накопителей информации является максимально возможное время записи/воспроизведения, по которому, в первом приближении, можно провести сравнительный анализ накопителей. На рис. 5 приведены сравнительные характеристики зависимости максимального времени записи/воспроизведения от объема флэш-памяти накопителей информации, причем, для сравнения сплошной линией показаны предельные характеристики записи без сжатия информации в режиме импульсно-кодовой модуляции ИКМ-64 (8 кГц, 8 бит) со скоростью 64 кбит/с.

• Масштаб — логарифмический.
• Пунктиром показаны характеристики при различных объемах флэш-памяти.

Рис. 5. Сравнительные характеристики зависимости максимально возможного времени записи/воспроизведения от объема флэш-памяти накопителей

Необходимо отметить, что сравнение качества различных накопителей информации является не тривиальной задачей и требует к себе большего внимания.

Во-первых, из-за того, что качество записываемой информации и диапазон записываемых частот требует пропорционального увеличения объема памяти (чем больше, тем лучше). Поэтому на рис. 5 представлены сравнительные характеристики, приведенные к максимально возможному, для данного накопителя, времени записи/воспроизведения.

Во-вторых, необходимо учитывать, что основным принципом снижения требуемого объема памяти в настоящее время является использование различных методов сжатия записываемой информации, в частности, ЛПК-вокодеры для речевой информации или алгоритм MPEG-сжатия для видеоинформации. Так, например, в изделии “Спутник-1200” использованы три алгоритма сжатия в зависимости от требуемой полосы частот и качества записи: вокодер-6400 (плотность записи 6,4 кбит/с), ИКМ-8 кГц (плотность записи 64 кбит/с), ИКМ-16 кГц (плотность записи 128 кГц).

В-третьих, оперативно-технические характеристики современных накопителей информации существенно зависят от дополнительных сервисных возможностей, таких как, например, функции VOR”(Voice Operating Record), “Repeat”(one, file, all), “VOX”, “SCVA (сжатие времени молчания), “Index”, “Hold”, наличие скрытно носимого пульта управления, связь с внешним персональным компьютером и др.

Анализ материалов, представленных в табл. 2, показывает, что особую роль среди технических средств специальной техники играют носители информации, которые и определяют основные оперативно-технические характеристики диктофонов и накопителей информации

Новые технологии и технические средства записи и хранения информации

Необходимо отметить, что статические диктофоны, хотя и являются одними из первых устройств, эффективно использующих достижения современной микроэлектроники, но не являются единственными. Достигнутые сегодня характеристики электронной памяти позволили совершить своеобразный рывок в направлении создания устройств записи и хранения различных видов информации (речь, музыка, графика, видео).

Так фирма Toshiba выпустила свой первый портативный цифровой аудиоплейер. Устройство поддерживает не только формат МР3, но и SolidAudio, разработанный компанией Kobe Steel, и поставляется с коллекцией избранных записей. Примерная цена модели diGO размерами 8,6 х 5,4 х1 см и весом 52 г — 300 долларов. В устройстве используются модули памяти SmartMedia.

Аналогичная тенденция внедрения новых технологий наблюдается и в области видеозаписи — цифровые видеомагнитофоны завоевывают рынок. Показательным примером влияния элементной базы на рынок современных технических средств хранения и обработки информации является активное распространение новой технологии записи и хранения видео информации — DVD-плееров, разработанных в 1996 году и сегодня активно внедряющихся на российский рынок. Сейчас на рынке представлено 25 марок DVD-плееров. Прогнозируется, что в 2001 году их стоимость с 435 дол. упадет до 250 дол. Учитывая это, а также прогноз, представленный на рис. 2, может быть сделан весьма важный вывод о том, что всего через 3-4 года DVD-плееры и твердотельные магнитофоны начнут вытеснять традиционные видеомагнитофоны, аналогично тому как в настоящее время происходит замена традиционных диктофонов на бескинематические с микросхемами памяти. Подтверждением этому, как было показано выше, является факт выхода в 1999-2000 гг. на российский рынок спецтехники большого количества статических диктофонов и накопителей информации с продолжительностью записи более 1 часа. Дальнейшее увеличение времени записи определяется появлением соответствующих микросхем памяти.

Несколько компаний, занимающихся разработкой DVD (Hewlett Packard, Sony, Mitsubishi, Richon и Yamaha), дали обещание в скором времени представить новую разработку — записывающий дисковод DVD+RW (Rewritable). Дисковод будет построен на технологии, сходной с CD-RW, и будет использовать односторонние, емкостью 3 Гбайт, диаметром 120 мм (как обыкновенный CD) диски. Вероятно, эта технология завоюет такое же место, какое сейчас занимает CD.

Разработана новая и самая компактная на сегодня спецификация карт расширения для портативных устройств. Карты Panasonic Mini Media Storage Device могут использоваться в карманных компьютерах (handheld) и ноутбуках, цифровых видео- и фотокамерах, PDA, электронных звукозаписывающих устройствах благодаря характеристикам, практически идентичным характеристикам обычных PCMCIA-карт. Линейная флэш-память представлена двумя конфигурациями — 4 и 8 Мбайт. Дополнительно разработаны АТА (AT Application) флэш-карты с объемом 4, 8, 16, 24, 32 и 48 Мбайт. Для их подключения служит PCMCIA-адаптер. Среди подобного класса карт памяти необходимо отметить также последнюю разработку фирмы Sony – универсальные карты памяти типа Memory Stick, предназначенные для хранения информации в компьютерах, электронных секретарях, цифровых видео- и фотокамерах, электронных накопителях и т.п.

Еще одна многообещающая новинка — модели АТА Flash Меgа Storage Device с емкостью 80 и 160 Мбайт. Удалось на 40% увеличить скорость записи данных (0,65 Мбайт/с), что значительно превышает параметры аналогичных устройств. Плюс к тому — низкое энергопотребление, вибро- и удароустойчивость.

Фирма American Computer Company сообщила о разработанном ею твердотельном накопителе новой конструкции. Емкость нового накопителя составляет 90 Гбайт, а время, необходимое для считывания одного мегабайта информации 10 нс (то есть скорость чтения 103 Тбайт/с(!)). Мощность потребления нового накопителя “ничтожно мала”. Создан прототип PC без оперативной памяти. Намечается применять накопитель 090b8 с записанной ОС Windows NT для компьютеров на базе одного или нескольких процессоров Pentium II. Для массового покупателя 090b8 доступен с 2000 года. Примерная цена накопителя 895 долларов.

Компания Castlewood Systems производит сменные диски ORB. Емкость сменного диска 2,16 Гбайт, скорость передачи данных 12,2 Мбайт/с, цена дисковода вместе с диском 200 долларов, цена сменного диска 30 долларов. По скорости диск почти не уступает винчестерам и превосходит все другие сменные носители: магнитооптику, флоппи высокой плотности, DVD и ленту.

Одной из отличительных тенденций последнего времени стала интеграция, в частности, сращивание (конвергенция) компьютерных технологий с телевизионными приемниками, телефонами, видеотехникой и разнообразными приставками. Большой объем и высокая скорость доступа позволяют использовать диски ORB для записи цифрового видео. Используя алгоритм сжатия MPEG-2, на 2,16 Гбайт можно уместить 133 минуты видео с качеством S-VHS. В звуковом эквиваленте емкость диска составит 204 минуты аудио с качеством CD (44,1 кГц, 16 бит).

Плеер MP3 — меньше трехдюймовой дискеты (91х70х16,5 мм), а вес, не включая два штатных аккумулятора, всего 65 грамм. В нем имеется 16 мегабайт памяти и декодер MPEG-3. Поддерживается трехмерное” звучание и “мега-бас”. Память может быть расширена до 64 мегабайт — а это уже даст время звучания даже больше, чем у CD.

В комплект входит док-станция, в которую вставляется плеер для зарядки батарей и загрузки музыки с компьютера. Интерфейс — параллельный порт (на прием всех 16 мегабайт должно уходить не больше минуты). Программа загрузки позволяет передавать между памятью плеера и компьютером в обоих направлениях любые файлы, независимо от их содержимого, поэтому mp-man (назван по аналогии с аудиоплеером walkman) можно использовать для передачи и хранения произвольных данных. Музыкальные файлы можно загружать и через Интернет.

Лаборатория Media Lab Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) сообщила о завершении разработки ключевой части будущего стандарта представления аудио- и видеоданных MPEG-4. Эта разработка, как подчеркивается в сообщении, призвана, прежде всего, повысить уровень качества цифровой звукотехники, позволяя стереозвуку, исполняемому процессорами из сжатого файла или передаваемому по каналам цифровых коммуникаций, достигать качества CD.

В продвижении нового стандарта важную роль должна сыграть новая разработка Media Lab в области обработки звуков — Structured Audio, которая представляет собой набор спецификаций определения и передачи звуковой информации. В существующих ныне аудио-стандартах звук обычно представлен в виде потока битов, а в Structured Audio содержимое представляет собой, по сути, программу, которая транслируется в звук на компьютере пользователя. Это очень эффективный метод, позволяющий радикально увеличить скорость передачи (или объем записи в накопитель) звуковых данных при одновременном повышении качества.

Таким образом, новые микроэлектронные и информационные технологии позволяют сегодня существенным образом улучшить оперативно-технические характеристики специальных технических средств, в частности, цифровых интегральных устройств накопления и обработки специальной информации.