Выбираем флеш-карты: подробное руководство по разновидностям Secure Digital07.04.2020 00:03

При выборе жесткого диска у «продвинутого» покупателя обычно не возникает особых проблем. Взять тот же WD6003FZBX на 6 ТБ: скорость вращения шпинделя 7200 оборотов в минуту, вместительный кэш в 256 мегабайт и наличие высокоскоростного интерфейса SATA III с пропускной способностью 6 Гбит/с красноречиво свидетельствуют о том, что перед нами высокопроизводительное решение, способное удовлетворить нужды как заядлых геймеров и энтузиастов, так и профессионалов. Единственный нюанс, который здесь необходимо учитывать, заключается в том, что показатель 6 Гбит/с — это пропускная способность самой шины: хотя скорость передачи информации из кэша в систему составляет 550 МБ/с, реальная скорость обмена данными между системой и накопителем для рассматриваемой модели достигает 227 МБ/с, что все равно является превосходным результатом для классических винчестеров. Впрочем, об этом и так знает практически любой технически подкованный пользователь ПК.

Когда же речь заходит о флеш-картах, в тупик может зайти даже бывалого админа. За примерами далеко ходить не надо: достаточно открыть страницу карты памяти SanDisk Extreme PRO UHS-I. Помимо привычных строк «скорость чтения: до 170 МБ/с» и «скорость записи: до 90 МБ/с», в спецификациях красуется таинственная надпись «скорость видео: C10, U3, A2, V30». Но позвольте, мы уже знаем скоростные характеристики продукта. Зачем нужны еще какие-то непонятные классы скорости, да еще и в количестве четырех штук? И в чем вообще состоит принципиальное отличие перечисленных показателей друг от друга? Именно в этих вопросах нам предстоит разобраться в сегодняшнем материале.

Первая версия Secure Digital Memory Card была разработана в 1999 году при участии SanDisk (в настоящее время является дочерним предприятием Western Digital), Panasonic и Toshiba. Уже в 2000 году в рамках International Consumer Electronics Show (CES) было объявлено о создании некоммерческой организации SD Card Association, учредителями которой стали перечисленные выше корпорации. На сегодняшний день в ее работе участвуют более 1000 компаний, инженеры которых помогают в проектировании и развитии целого комплекса спецификаций, описывающих практически все параметры съемных карт памяти — начиная от форм-фактора и заканчивая особенностями интерфейса обмена данными с клиентским устройством. Документ носит название «SD Specification», а с его содержанием можно ознакомиться на официальном сайте https://www.sdcard.org. Давайте внимательно изучим ресурс и разберемся, что же означают различные аббревиатуры и маркировки.

Форм-фактор карт памяти Secure Digital

Начнем с самого простого — форм-фактора. SD Specification предусматривает три типоразмера карт памяти:

• SD — классическая флеш-карта с габаритными размерами 24×32×2,1 мм. Из интересных особенностей стоит выделить наличие механического переключателя защиты от перезаписи. Будучи установленным в положение Lock, он блокирует возможность записи на карту новых файлов, удаления имеющихся либо ее форматирования.

• miniSD — более компактная версия флеш-карт, имеющая размеры 20×21,5×1,4 мм и ориентированная на использование в портативных устройствах. В настоящее время карты такого формата практически не выпускаются.

• microSD — самая миниатюрная из существующих SD-карт, ее размеры составляют всего 11×15×1 мм. Она пришла на смену своей предшественнице miniSD. В настоящее время карты именно этого типа используются в смартфонах, планшетах, MP3-плеерах, фотоаппаратах, видеокамерах и другой переносной технике. Кстати, у microSD есть и другое, ныне устаревшее название — TransFlash (T-Flash или TF).

Помимо перечисленных, существует и еще один, уникальный в своем роде форм-фактор — nanoSD, представленный в октябре 2018 года компанией Huawei. По размеру данные карты памяти полностью идентичны nanoSIM и имеют габариты 12,3×8,8×0,67 мм, то есть оказываются практически на 45% миниатюрнее обычных microSD. Они были выпущены одновременно со смартфонами Huawei Mate 20 и Mate 20 Pro, поддерживающими работу исключительно с данным форматом флеш-карт, а также с фирменными двухпортовыми (USB + Type-C) кардридерами, позволяющими работать с другими моделями мобильных девайсов, настольными компьютерами и ноутбуками.

К сожалению, единственным козырем новых карт оказался миниатюрный размер, тогда как по цене и техническим характеристикам они существенно уступают классическим microSD. Например, Huawei Nano SD емкостью 128 ГБ и скоростью последовательного чтения 90 МБ/с, стоит в официальном магазине практически 6 тысяч рублей. Для сравнения, Sandisk Extreme аналогичной емкости, обладающая куда более впечатляющими характеристиками (скорость чтения/записи до 160/90 МБ/с соответственно, с защитой от воздействия воды, высоких и низких температур, ударов и рентгеновского излучения) обойдется вам в 2200–2500 рублей по данным «Яндекс.Маркета» (приведенные сведения актуальны на момент написания материала).

Поскольку новый формат до сих пор не был согласован с SD Card Association и не получил официального статуса, говорить о его дальнейшем распространении пока рано. А в свете санкций США против компании Huawei и торговой войны с Китаем, перспективы nanoSD становятся еще более туманными.

Стандарты карт памяти Secure Digital

Если с форм-фактором все достаточно очевидно, то со стандартами флеш-карт ситуация несколько более сложная. На сегодняшний день SD Specification описывает 5 поколений карт Secure Digital, различающихся объемом и другими техническими характеристиками. Рассмотрим каждое из них по отдельности.

SD

Данный стандарт представлен в двух версиях: 1.0 и 1.1. Карты памяти SD 1.0 имеют объем от 8 МБ до 2 ГБ, тогда как емкость устройств, отвечающих спецификации 1.1, достигает уже 4 ГБ. SD-карты этого типа используют побайтную адресацию и 32-разрядные адреса (чем и объясняется максимальный предел емкости в 4 гигабайта), поддерживая файловые системы FAT16 и FAT32.

SDHC

Карты памяти, удовлетворяющие SD Specification версии 2.0. Их главным отличием от предшествующих является поддержка посекторной адресации, что позволило увеличить максимальный объем флеш-карт до 32 гигабайт. Негативная сторона данного преимущества — отсутствие обратной совместимости с устройствами, ориентированными на работу с обычными SD-картами. В качестве файловой системы используют FAT32.

SDXC

Стандарт, представленный SD Association в 2009 году в рамках профильной международной выставки International Consumer Electronics Show (CES). Аббревиатура расшифровывается как Secure Digital eXtended Capacity («SD-карты повышенной емкости»). Карты памяти SDXC могут иметь объем до 2 ТБ и используют файловую систему exFAT, а также получили шину UHS (о ней мы поговорим ниже), способную работать в четырехбитовом режиме и обеспечивать скорость передачи данных вплоть до 312 МБ/с. Еще одной особенностью нового стандарта является прямая и обратная совместимость с предшествующими стандартами: устройства с поддержкой SDXC способны работать с картами памяти SD и SDHC, а карты памяти SDXC могут работать в устройствах с поддержкой SDHC при условии, что были предварительно отформатированы в FAT32.

SDUC

Этот стандарт вошел в перечень спецификаций SD Specification версии 7.0. Подобно SDXC, данные карты памяти используют файловую систему FAT32, однако их максимальная емкость может достигать уже 128 ТБ.

SD Express

Стандарт, представленный SD Association широкой общественности 27 июня 2018 года. В него вошли сразу три разновидности флеш-карт, отличающиеся друг от друга максимальной емкостью: SDHC Express (до 32 ГБ), SDXC Express (до 2 ТБ) и SDUC Express объемом до 128 ТБ. Новое поколение карт памяти принципиально отличается от своих предшественников, так как использует интерфейс PCI Express 3.0 и протокол NVMe 1.3 (на втором ряду контактов), что позволяет им развивать скорость передачи данных вплоть до 0,9 ГБ/с. При этом флеш-карты данного типа обратно совместимы с устройствами, поддерживающими работу с шиной UHS.

Что касается SDXC и SDUC, необходимо понимать, что SD Card Association при разработке стандартов играет на опережение, так как на создание соответствующих технологий и практическое внедрение принятых спецификаций требуется достаточно продолжительное время. На сегодняшний день самой вместительной и самой быстрой картой памяти является SanDisk Extreme емкостью 1 ТБ: в довесок к рекордному объему данная карта демонстрирует впечатляющую скорость последовательного чтения (до 160 МБ/с), при том что сам стандарт SDXC, как было сказано выше, предусматривает максимальную емкость карты до 2 ТБ и скорость передачи данных до 312 МБ/с, то есть потенциально флеш-карта SDXC может быть в 2 раза вместительнее и вдвое быстрее.

Создание данной карты стало возможным благодаря использованию новейшей 64-слойной трехмерной флеш-памяти 3D NAND BiCS, выполненной по 28-нанометровому техпроцессу, о которой мы подробно рассказывали в предыдущих материалах, посвященных твердотельным накопителям. Именно повышение плотности упаковки ячеек практически в 1,4 раза по сравнению с предыдущим поколением трехмерной памяти помогло нам создать флеш-карту рекордной по меркам современного рынка емкости. Дальнейшее же развитие перспективной технологии позволит в будущем увеличить количество слоев в трехмерном кристалле до 128 и создавать еще более совершенные продукты, отвечающие спецификации SDUC.

Скоростные характеристики SD-карт

Со стандартами разобрались, пришло время изучить скоростные классы. Однако для того чтобы в дальнейшем не возникало путаницы, необходимо разобраться с таким понятием, как UHS. Данная аббревиатура расшифровывается как Ultra High Speed — «сверхскоростная передача данных». Термин имеет два значения. Прежде всего это название шины, спецификация которой впервые появилась в третьей версии стандарта Secure Digital. Главным отличием UHS от предшественников стала поддержка 4-битового режима передачи информации, что позволило вывести производительность флеш-карт на принципиально новый уровень. Так, UHS-I, спецификации которой были определены в стандарте Secure Digital 3.01, поддерживает скорость обмена данными 50 или 104 МБ/с, а UHS-II (вошла в обновленную версию стандарта Secure Digital 4.0) — уже 156 МБ/с или 312 МБ/с, тогда как для SD-карт с интерфейсом High Speed пределом мечтаний были 25 МБ/с.

Кстати, запись »50 или 104 МБ/с» не является ошибкой. Здесь имеется в виду не диапазон скоростей, а два возможных режима работы. Карты UHS-I способны функционировать в режиме SDR50 или SDR104. В режиме SDR (Single Data Rate) за один такт передается одно слово данных и принимается одна управляющая команда. Таким образом, при частоте 100 МГц шина способна передавать 50 мегабайт в секунду, а при частоте 208 МГц — уже 104 МБ/с.

С интерфейсом UHS-II все несколько сложнее. Такие карты памяти имеют две строки контактов.

Верхняя обеспечивает обратную совместимость с интерфейсами High Speed и UHS-I, тогда как нижняя — возможность функционирования карты в двух дополнительных режимах: FD156 и HF312. Использование пары низковольтных (0,4 В) полос в дуплексном режиме (а FD означает не что иное, как Full Duplex) позволяет добиться честных 156 МБ/с при частоте 52 МГц, а полудуплексный режим (HD, то есть Half Duplex) — уже 312 МБ/с при той же частоте, однако при этом данные могут передаваться только в одном направлении в каждый конкретный момент времени.

Аббревиатура UHS также используется для обозначения класса скорости флеш-карт, снабженных данным интерфейсом (полное название — UHS Speed Class). Но, прежде чем перейти к его обсуждению, имеет смысл четко определиться с используемой терминологией. Для этого обратимся к техническим характеристикам карт памяти SanDisk Extreme PLUS SDHC/SDXC UHS-I.

Здесь цифры 90 и 60 МБ/с — это номинальная скорость, достижимая в определенных сценариях (последовательное чтение и запись соответственно) при идеальных условиях, в которых клиентское устройство полностью раскрывает потенциал конкретной карты. На практике подобные ситуации крайне редки: чаще всего карта работает в смешанном режиме, а сам девайс может являться «бутылочным горлышком». В связи с этим появилось понятие «класс скорости» — минимальный устойчивый показатель производительности в наихудших условиях тестирования на совместимом оборудовании. На сегодняшний день существуют 4 класса скорости:

• Speed Class,
• UHS Speed Class,
• Video Speed Class,
• Application Performance Class.

Первые три классификации определяют пригодность флеш-карт для записи видео определенного разрешения, тогда как Application Performance Class декларирует скоростные показатели карт при работе с приложениями и, помимо пропускной способности, также учитывает минимальное устойчивое количество операций ввода-вывода в секунду.

Наличие сразу трех классификаций, определяющих пригодность той или иной карты для работы с потоковым видео, объясняется как постоянным развитием самих флеш-карт, так и распространением новых форматов видеозаписи. Первой классификацией стала Speed Class, включающая 4 класса производительности (от 2 до 10 МБ/с). Классификация UHS Speed Class была введена специально для устройств с шиной UHS и включает всего два класса: 1 (10 МБ/с) и 3 (30 МБ/с). Video Speed Class была впервые представлена SD Card Association в ходе ежегодной выставки CP+, проведенной в Иокогаме в 2016 году, и вошла в спецификацию SD 5.0. Данная классификация учитывает поддержку записи потокового видео сверхвысоких разрешений (4K, 8K и 3D) и охватывает диапазон скоростей от 6 до 90 МБ/с.

Application Performance Class вошел в дополненную версию спецификации SD Specification 5.1. Потребность в его разработке была во многом обусловлена появлением возможности использования флеш-карт в качестве внутреннего хранилища в мобильных устройствах на базе Android (возможность полноценного объединения собственной памяти смартфона с пространством флеш-карты появилась начиная с 6-й версии операционной системы Marshmallow). Хотя карты памяти демонстрировали хорошие результаты при записи потокового видео, их производительности зачастую оказывалось недостаточно для работы с приложениями, а появление нового стандарта как раз и было призвано исправить этот недостаток.

Все перечисленные классификации используют единый формат сокращенных обозначений: XY, где X — литера, указывающая на тип используемой классификации, а Y — число, обозначающее собственно сам класс. Классам скорости флеш-карт соответствуют следующие латинские буквы:

• Speed Class — C,
• UHS Speed Class — U,
• Video Speed Class — V,
• Application Performance Class — A.

Поскольку перечисленные классификации во многом пересекаются, мы подготовили для вас сравнительную таблицу, в которой скоростные характеристики флеш-карт сопоставлены между собой и соотнесены с видео различного разрешения.
Особняком стоит классификация Application Performance Class. По скорости передачи данных классы A1 и A2 соответствуют U1 (10 МБ/с). Различия кроются в минимальном устойчивом количестве операций ввода-вывода в секунду.

Практикум: расшифровываем таинственные письмена

Теперь, вооружившись полученными знаниями, вы без труда сможете расшифровать маркировку любой флеш-карты. Давайте вернемся к SanDisk Extreme PRO UHS-I и еще раз внимательно прочитаем ее технические характеристики.

Начнем по порядку:

• microSD — карта памяти имеет габаритные размеры 11×15×1 мм (ширина × высота × толщина).
• SDXC — перед нами карта стандарта Secure Digital eXtended Capacity, снабженная высокоскоростной шиной UHS.
• С10 — карта демонстрирует минимальную устойчивую скорость записи 10 МБ/с в режиме обратной совместимости (шина High Speed).
• U3 — карта демонстрирует минимальную устойчивую скорость записи 30 МБ/с по шине UHS.
• V30 — карту можно использовать для записи видеопотока в разрешении до 4K с частотой 60/120 кадров в секунду.
• A2 — карта демонстрирует минимальную стабильную производительность на уровне 4000 IOPS в операциях случайного чтения и 2000 IOPS в операциях случайной записи при скорости передачи данных 10 МБ/с и пригодна для расширения встроенной памяти смартфонов и планшетов на базе операционной системы Android.

Как видите, стоило немного разобраться в вопросе, и маркировка карты предоставила нам исчерпывающую информацию о ее производительности, назначении и совместимых устройствах. Теперь вы знаете достаточно для того, чтобы сориентироваться в обилии спецификаций и подобрать флеш-карту, всецело отвечающую вашим потребностям.

© Habrahabr.ru