В 1984 году, на International Electron Devices Meeting, организованной IEEE в 1984 году, состоялось знаменательное событие: компания Toshiba представила новый метод хранения данных, который был назван flash. Изобретатели этой технологии – Фуджио Масуока и Седзи Аризуми (последний не является непосредственно автором новинки, но приложил немало сил к ее разработке) – назвали ее так потому, что процесс стирания содержимого чипов памяти напоминал вспышку света (flash на английском языке). Новую технологию заметили в корпорации Intel, и уже через 4 года после ее представления на конференции был выпущен первый коммерческий чип, работающий по ней.

Существует два типа флеш памяти, принципиально различающихся по алгоритму их работы. Более ранний тип – NOR память. Nor (или – не) – логический принцип, который можно кратко описать как «ни то, ни то». Связано это со структурной организацией памяти. Общеизвестно, что основными электронными элементами в современных ИС являются транзисторы. Они же и сохраняют информацию в микросхемах флеш-памяти. Для записи информации используются транзисторы с плавающим затвором (чаще всего – полевые). Процесс записи выглядит как инъекция электронов через изолирующий слой на плавающий затвор при подаче тока достаточно высокой силы. Чтение с плавающего затвора становится возможным в силу того, что туннелирование электронов через изолирующий слой изменяет свойства диэлектрика (в том числе и его проводимость). При операциях чтения, таким образом, необходимо значительно меньше энергии, чем при их записи.

Эти очевидные плюсы, однако, породили основную проблему современной флеш памяти: ее относительно малый ресурс. Постоянные операции перезаписи приводят к тому, что с теченем времени свойства диэлектрика деградируют настолько, что его свойства приближаются к проводникам, в силу чего дальнейшие циклы перезаписи становятся невозможными. Каждый чип памяти, вне зависимости от того, является он NOR или NAND чипом, имеет свой ресурс циклов запись-перезапись. Стирание информации производится по аналогичному принципу: на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, при котором электроны с плавающего затвора переходят на исток транзистора.

Основной проблемой NOR памяти оказалась необходимость подвести управляющий контакт к каждому транзистору в массиве, что существенно увеличило размер чипа и его стоимость. Следующим шагом развития технологии стало введение NAND памяти (от логического оператора «и – не»). Главные различия NOR и NAND памяти – это порядок соединения их отдельных частей. Транзисторы в NOR-массивах имеют индивидуальное управление, поэтому массивы состоят из параллельно подключенных транзисторов. Это обеспечивает возможность прямого доступа к каждой ячейке хранения информации и высокую скорость работы, однако сильно увеличивает стоимость и размеры памяти. В NAND памяти параллельное подключение имеют блоки транзисторов, поэтому прямое программирование одного из них становится невозможным, однако общая стоимость и размеры таких микросхем заметно снижаются.

Для хранения информации в современных компьютерных системах используется NAND тип памяти, и ниже разговор пойдет именно о ней.

Современные устройства хранения информации на NAND чипах доволько разнообразны, однако могут быть классифицированы по их типам. Это:
- Карты памяти, разработанные для использования в различных устройствах, как то: в фотокамерах, музыкальных проигрывателях, мобильных телефонах и т.п. Наиболее распространенными в настоящее время устройствами такого типа являются SD-карты (Secure Digital Card), microSD (то же, что SD, но в уменьшенном варианте), Sony Memory Stick, Olympus xD Card. Подавляющее большинство современных мобильных телефонов и КПК используют microSD, тем более, что, не смотря на их относительно малые размеры, их емкость достаточно велика для хранения нескольких сотен или тысяч фотоснимков, нескольких сотен записей в формате mp3 и установки необходимого количества приложений. Для некоторых программ для КПК уже стало стандартом использование microSD – в частности, наиболее известное ПО для коммуникаторов (NavNGo iGO, Abbyy Lingvo Mobile, и т.д.) поставляется на картах microSD емкостью 2 или 4 Гбайт.
- Флеш-драйвы, или флеш-стики (последнее название не очень удачно, так как может быть смешанно с Sony Memory Stick) – компактные устройства для переноса информации между компьютерами. Организованы обычно как 1 – 2 чипа NAND памяти под управлением специализированного контролера в пластиковом корпусе. Имеется огромное количество таких устройств, наиболее известными производителями являются Kingston, Transcend и Lexar.
- SSD (Solid State Drive) - накопители информации, призванные замени ть традиционные НЖМД. Организованы как несколько NAND флаш чипов, объединенных на одной плате под управлением специализированного контоллера. Имеют очень высокую стоимость в соотношении со стоимостью современных НЖМД, уступающие им параметры производительности, однако весьма большой потенциал.

NAND флаш память может хранить информацию двумя способами. Первый способ – это сохранение на плавающем затворе заряда единственной характеристики (то есть, другими словами, если заряд есть – это означает 1, если нет – 0). Более продвинутым является второй способ сохранения информации, когда на плавающем затворе транзистора формируется несколько электрических зарядов разных характеристик – таким образом, на одном затворе может сохраняться несколько слоев информации. Такой тип хранения данных уменьшает размеры и увеличивает объем чипа памяти, но приводит к более быстрому его износу.
Основной тип взаимодействия устройств хранения информации на NAND flash основе – с использованием USB. Для SSD накопителей характерно также использование SATA интерфейса. SSD накопители могут иметь смешанный тип соединения – и SATA, и USB. Такие накопители наиболее удобны.
NAND память стандартизована, последней версией NAND Стандарта является версия 2.1. NAND Стандарт можно скачать с официального сайта ONFI (Open NAND Flash Interface) - http://onfi.org.

Остановимся подробнее на так называемых Flash Drive, или, по-русски – на флешках.

Данные устройства настолько популярны, что, пожалуй, скоро вытеснят из повседневного обихода CD и DVD диски в качестве временного средства для переноса информации. Для переноса, скажем, фильма или подборки картинок намного удобнее вставить в USB компьютера флеш-драйв и просто скопировать на него данные, чем использовать оптический диск (даже перезаписываемый). Главные плюсы здесь – высокая скорость копирования (относительно записи оптического диска), абсолютная совместимость (тогда как для записи оптического диска нужно как минимум иметь ПО, делающее такие функции возможными, или быть обладателем новейших операционных систем – Windows Vista или Windows 7, обладающих встроенными средствами записи оптических дисков) и малые размеры (сунуть в карман оптический диск довольно проблематично). Стоимость флеш-драйвов очень невелика, а объемы довольно внушительны (скажем, в повседневном обиходе обычно используются драйвы емкостью 2 – 4 Гбайт, но и флешками размером в 8 – 16 – 32 Гбайт сейчас уже никого не удивишь). В продаже имеются и настоящие монстры объемами 128 и 256 Гбайт от компании Kingston (http://www.kingston.com/ukroot/flash/dt300.asp), но пока их нельзя считать решениями на каждый день из-за их высокой цены.
Любая флешка состоит из нескольких базовых компонентов. Это: разъем USB, кварцевый генератор, контроллер (USB Mass Storage Controller), несколько контрольных точек, индикатор активности и, собственно, сама микросхема NAND flash памяти (их может быть и несколько).



Разъем USB служит для подключения флешки к ПК и имеет тип «папа». Может иметь различные типы защиты от возможности внешних повреждений, реализованные в корпусе флеш-драйва (например, втягивается в корпус, или закрывается специальной крышкой).

Кварцевый генератор генерирует частотный сигнал 12 MHz и служит для контроля входящего и исходящего потоков данных посредством системы фазовой авоподстройки частоты.

Контрольные точки (в некоторых моделях также перемычки, контакты и т.п.) используются в процессе производства и наладки флешки: для тестирования, загрузки частей микрокода, первоначального программирования микроконтроллера и т.п.

Контроллер – основное устройство флешки, транслирующее данные из чипа памяти в ОС. В своем строении обязательно содержит микроконтроллер, ОЗУ и ПЗУ.

Микросхема NAND flash – собственно, устройство хранения информации. Имеет сложную организацию: блочная структура хранения данных, наличие служебной информации в каждом секторе (блоке), различные типы деления сектора на системную и пользовательскую область, и т.п.

Индикатор. Служит для отображения текущего состояния устройства (если горит или мигает – устройство работает с информацией; если не горит – устройство не активно, и т.д.). При подключении к ПК всегда показывает активный режим. Если индикатор остается неактивным при подключении устройства к ПК, это может обозачать либо плохой контакт при подключении, либо выход из строя USB-разъема ПК, либо выход из строя самой флешки (чаще всего).
Наиболее известными производителями этих устройств являются:
• A-Data
• Apacer
• Canyon
• Corsair
• Kingmax
• Kingston Technology
• Pretec
• Samsung
• SanDisk
• Transcend
• Verbatim

Восстановление данных с NAND-flash отнюдь не просто. Построенные на принципах быстрого доступа к медленным, в общем-то, устройствам, такие накопители вынужденно используют многопотоковую запись и различные преобразования данных, ускоряющие их работу. Это могут быть вращения байтов информации, их перемешивание в разных потоках данных, разделение на небольшие участки с укладкой в разные банки, и т.п. Всем этим занимается логическая часть накопителя – контроллер. Если он выходит из строя, собрать данные можно только с помощью специализированного ПО и только, если у вас имеется достаточный опыт. При этом считывание собственно носителя информации выполняется специальным устройством, делающим это на низком уровне – NAND Flash Reader.

Конечно, существует возможность и ремонта непосредственно накопителя, если контроллер не пострадал. Обычно в таких случаях бывает достаточно заменить кварцевый генератор (если флешка вообще не реагирует на подачу электричества – не загорается индикатор, то в большинстве случаев кварц вышел из строя) или обвязку контроллера (бывает, что выходят из строя отдельные ее элементы, и из-за нарушения режима питания контроллер начинает «чудить» - флешка определяется системой, но требует форматирования, либо при подключении ее к ПК последний наглухо зависает). Однако, как правило, такие меры помогают очень не часто, и для того, чтобы не усугубить ситуацию (пайка на флеш-накопителях очень нежная, очень легко сжечь не только то, что пока еще живо – легко привести в негодность и сами микросхемы памяти), лучше всего обратиться к специалисту, у которого имеется необходимое оборудование, ПО и опыт работы. Наличие последнего весьма существенно – сборка флешки может оказаться неподъемной задачей для новичка, даже имеющего дорогостоящее оборудование и ПО.

Каким же образом считывается информация с неисправного носителя? Как правило, непосредственно сами микросхемы памяти, содержащие пользовательские данные, при выходе из строя носителя не разрушаются, и с них возможно чтение данных в технологических режимах. Такие микросхемы выпаиваются с печатной платы накопителя с соблюдением всех мер предосторожности (необходима защита от статического электричества и от перегревания чипа), а затем помещаются в специальное устройство – NAND-Flash Reader. На текущий момент известно 4 производителя, выпускающих и продающих такие устройства:

PC-3000 for Flash (ACE Lab)
Salvation Data Flash Data Recovery Tool
Flash Recovery Tool от BVG Group
Flash Reader и набор ПО и адаптеров от компании Софт-Центр

Автором этих строк были протестированы все четыре указанных выше устройств. Обладая каждое собственным набором достоинств, 2 из них имеют два очевидных недостатка, делающих их непригодными для восстановления данных с большинства современных NAND-flash устройств. Эти недостатки: попытка автоматизации процесса восстановления и отсутствие адаптеров для подключения и чтения микросхем NAND-flash, отличающихся от корпусировки TSOP-48 в классическом исполнении (только FRT от BVG Group и считыватель флеш от Софт-Центра имеют такие адаптеры). Замечу, что устройство от Salvation Data обнаруживает исключительную близость к устройству от АСЕ Lab: можно предположить, что многие функции РС-3000 for Flash были просто скопированы в Salvation Data Flash Recovery Tool. Выполненный в другом корпусе и с выглядящим по иному ПО, этот комплекс даже по набору hardware полностью повторяет PC-3000 for Flash.

Имеется еще одно устройство, которое используется в компании ЭПОС. Компания ЭПОС пользуется ПО собственной разработки для анализа и восстановления данных с флеш-носителей, с которым автору настоящих строк познакомиться не удалось. Я видел в работе считыватель – он несколько громоздок и выполнен достаточно неудобно для повседневного пользования в среднестатистической лаборатории восстановления данных, однако это не мешает быть ему эффективным инструментом восстановления данных с флеш-носителей. К сожалению, ни устройство, ни ПО для него невозможно приобрести (компания ЭПОС не продает их), поэтому в настоящем обзоре я ограничусь лишь этим, кратким, упоминанием данного устройства.

Наиболее качественно выполненным и наиболее продвинутым устройством для восстановления данных с NAND-flash накопителей на текущий момент является считыватель flash, выпускаемый компанией Софт-Центр. Это устройство не только удобно в использовании и достаточно компактно – оно также обладает рядом расширений, позволяющих с его помощью читать не только классические микросхемы в корпусе TSOP-48, использующиеся в большинстве флеш-накопителей, но также и более редко встречающиеся чипы в исполнении TSOP-48 mini, TLGA (причем оба размера) и карты памяти в корпусах xD/SD. Последняя возможность особенно актуальна в текущее время, так как подавляющее большинство профессиональной и полупрофессиональной фототехники использует именно эти носители информации для записи и хранения отснятого материала.

Работа по восстановлению данных с устройства на базе NAND-flash с использованием любого из перечисленных выше комплексов складывается из трех частей: непосредственно чтение данных с микросхем памяти, анализ полученных дампов и последующая их модификация с целью получения в итоге образа данных, содержащего валидную MBR и данные. Чтение данных оказывается самой легкой задачей из этих трех: оно выполняется считывателем flash в полуавтоматическом режиме: вам нужно лишь указать конфигурацию чипа и место, куда вы хотите положить данные. Все остальное считыватель сделает сам. Комплексы от ACE Lab, Salvation Data и BVG Group определяют тип флеш-микросхемы автоматически и пытаются его читать в соответствии со считанным ID. Между тем такой подход не всегда верен – при определенных типах ошибок в микросхемах памяти, они могут отдавать неправильный или измененный ID, на основании которого чтение чипа памяти будет либо невозможно, либо считается совсем не та (или далеко не вся) информация, лежащая в флеш-чипе.

Мануальное указание типа микросхемы и алгоритма его чтения в таком случае – единственно верный путь. Автор неоднократно встречался с микросхемами, ID которых передавался неверно, и ни в одном из этих случаев автоматизированные системы восстановления данных не смогли даже правильно считать чип, тогда как считыватель от Софт-Центра великолепно справлялся с этой задачей.
Немаловажным фактором является также визуализация всех процедур анализа и сборки конечного дампа в ПО считывателя flash компании Софт-Центр. Аналоги от других производителей не имеют таких функций, а очень зря: 70 % всей информации человек получает по зрительным каналам, и зрительный контроль входящей информации им осуществляется значительно комфортнее. Соответственно, вероятность ошибки при таком подходе существенно меньше, а в случае возникновения ошибок – поиск и устранение их также облегчены. Каждая операция в цепи действий по восстановлению данных с флеш-носителя в ПО компании Софт-Центр представляется отдельно, что делает контроль операций удобным и несложным. Единственным недостатком этого ПО следует назвать его приличную ресурсоемкость: для комфортной работы с дампами, превышающими по объему 2 Гб каждый, необходимо иметь достаточно мощный компьютер с большим объемом памяти, быстрым процессором и хорошим резервом емкости НЖМД.

PC-3000 for Flash, Salvation Data Flash Recovery и Flash Recovery Tool менее требовательны к ресурсам ПК. Однако их использование сильно затруднено, особенно для новичка, тем, что все действия производятся без визуализации, да и отмена определенных действий в ПО этих производителей невозможна. Таким образом, в случае возникновения ошибок в определении первоначального алгоритма восстановления данных вам придется заново начинать всю процедуру. Это отчасти компенсируется высоким быстродействием ПО, однако в целом сильно замедляет работу, особенно в случае с флеш-накопителями большого объема или неизвестного типа.

Технологии NAND-памяти развиваются сейчас очень быстро. Особенно перспективным оказывается рынок SSD накопителей. Производители активно занимают эту нишу: в борьбу вступили уже такие монстры индустрии сохранения данных, как Western Digital (анонсировавший недавно линейки SSD накопителей SiliconDrive (64 и 128 Гбайт) и SiliconEdge (64, 128 и 256 Гбайт)), Kingston (несколько линеек накопителей емкостью до 256 Гбайт), Transcend (SSD накопители емкостью до 256 Гбайт), Active Media (накопители серий SaberTooth и Predator емкостью до 256 Гбайт), Samsung (Green SSD). Бесспорным лидером в индустрии разработки SSD накопителей пока является корпорация Toshiba: на выставке International CES 2009 в Лас-Вегасе был представлен SSD накопитель емкостью 512 Гбайт форм-фактора 2,5 дюйма.
Единственным сдерживающим рынок SSD накопителей фактором является цена. Стоимость накопителя объемом выше 128 Гбайт начинается от 300 USD, тогда как НЖМД близкого объема (120 или 160 Гбайт) можно приобрести за 40 – 45 USD. Однако SSD малой емкости (16 – 32 Гбайт) уже активно используются для построения бюджетных линеек нетбуков. К примеру, широко известные нетбуки Asus Eee PC используют в своей архитектуре именно такие SSD. Автор является счастливым обладателем одного из таких нетбуков (Asus Eee PC 900), купленным более года назад. Быстродействие системы (нетбук поставляется с предустановленной Windows XP Home Edition) достаточно высокое для устройств такого класса, а накопитель SSD емкостью 32 Гбайт уверенно справляется со своими задачами.

Сейчас много говорится о возможности замены традиционных НЖМД более экономичными и компактными SSD в весьма недалеком будущем. Я разделяю эти прогнозы лишь частично: по моему глубокому убеждению, рынок настольных компьютеров и серверов еще очень долгое время останется верным НЖМД, и тому «виной» всего лишь 2 фактора: соотношение цена/объем и общее быстродействие. Оппоненты могут возразить мне: скоро будет введен стандарт USB-3, скорости которого с лихвой перекрывают даже SATA-3. Бесспорно, это так. Но сами устройства на базе NAND-flash микросхем, способные эффективно работать на таких скоростях – когда появятся они? Сама технология чтения-записи NAND-памяти накладывает определенные ограничения на скорость работы, и на поиск решений ля обхода таких ограничений, бесспорно, уйдет некоторое время. Но даже если эти вопросы будут решены, цена таких устройств для настольных и серверных систем оказывается неоправданно высока. Наконец, объем SSD и НЖМД на текущий момент – характеристики нсопоставимые. НЖМД емкостью 2 Тбайт может быть легко приобретен в любом компьютерном магазине за сумму, близкую к 150 USD, тогда как для организации такого же объема SSD накопителя (скажем, на базе RAID-контроллера), потребуется минимум 8 накопителей объемом 256 Гбайт и, соответственно, минимум 2000 USD.
А вот скорая перспектива перехода с НЖМД на SSD в индустрии переносных ПК видится мне вполне реальной. Архитектура переносных ПК строится прежде всего с учетом максимального энергосбережения и минимальной теплопродукции (которая, в свою очередь, также имеет прямую связь с энергосбережением), и SSD накопители в этом плане являются выгодной альтернативной традиционным НЖМД. При общем приросте цены приблизительно в 20 – 25 % использование SSD вместо НЖМД приводит к увеличению работы переносного ПК от батарей более чем на 30 %. Именно поэтому большинство современных переносных ПК, ориентированных на большое время автономной работы, оснащаются SSD накопителями небольшой емкости. Это, бесспорно, не так удобно (замечу, что компания Western Digital недавно выпустила накопитель для переносных ПК колоссального для таких устройств объема – 1 Тбайт), однако для использования в лаптопах и нетбуках бизнес-класса, не ориентированных на хранение большого количества медиа-контента – более чем приемлемо.
Резюмируя, хочется отметить, что только те data recovery компании, которые сейчас вкладывают средства и время в разработку технологий восстановления данных с накопителей на базе NAND-flash, являются в нашем понимании перспективными. Бесспорно, рынок НЖМД еще проживет очень долго, однако, как говорят мудрые китайцы – «стоять на месте – значит двигаться назад».


Станислав К. Корб, март 2010