DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO DE DADOS

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1 Universidade Federal de Itajubá Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO DE DADOS Felipe Takeo K. Fukushima César Augusto Pereira Luís Gustavo Pereira Renato Vendramini Júnior

2 Índice 1. Introdução Dispositivos de armazenamento Armazenamento Mecânico Dispositivos escritores Cartão Perfurado Disco de Vinil Armazenamento Magnético Fita Magnética Disquetes Disco Rígido Partes Componentes Interfaceamento Processo de escrita e gravação Modo Longitudinal Modo Perpendicular Armazenamento Óptico CD Compact Disc Componentes do CD player DVD Digital Vídeo Disc HD DVD x Blu-Ray BD - Blu-ray Disc Armazenamento elétrico Operação Zerar Operação de escrita Operação de leitura Comparativo Geral

3 1. Introdução O mundo atual se move pela tecnologia. A raça humana desenvolveu equipamentos que facilitaram a vida e foram evoluindo com o tempo. Computadores, celulares, televisores, robôs, máquinas fotográficas, players de áudio, etc. são tão indispensáveis na vida atual, que não vivemos sem o seu auxílio. Com o passar dos anos surgiu à necessidade de guardar e transmitir informações entre eles. Assim surgiram os chamados dispositivos de armazenamento de dados que são capazes de guardar informações dos mais variados tipos, para poderem ser resgatadas e reutilizadas sempre que desejado. Apresentaremos alguns desses dispositivos, seu funcionamento e aplicações nas tecnologias existentes atualmente, fornecendo uma idéia mais clara de sua história, evolução e importância. 2. Dispositivos de armazenamento Um dispositivo de armazenamento é aquele capaz de gravar (armazenar) informação (dado). Essa gravação de dados pode ser feita utilizando-se de qualquer forma de energia. Pode-se usar desde a energia mecânica para furar um cartão de forma ordenada como a energia magnética para guardar um dado numa fita. A seguir, detalhamos os tipos de armazenamento: Armazenamento Mecânico Armazenamento Magnético Armazenamento Óptico Armazenamento Elétrico 2.1. Armazenamento Mecânico Dispositivos escritores Foi o primeiro dispositivo usado pelo homem para guardar informações. O homem pré-histórico usava o sangue dos animais para escrever nas pedras que são interpretadas até hoje. Com o passar dos tempos, as técnicas foram se aperfeiçoando, surgiram o papel, a caneta, as máquinas de escrever, etc. Apesar de ser muito arcaica, essa técnica e muito usada nos dias de hoje para os mais diversos fins. 3

4 Cartão Perfurado Utilizando o princípio descoberto por Jacquard para comando automático de teares, Hermann Hollerith - funcionário do United States Census Bureau - inventou, em 1880, uma máquina para realizar as operações de recenseamento da população. A máquina "lia" cartões "de papel" perfurados em código BCD e efetuava contagem da informação referente à perfuração. O sistema foi patenteado em As suas dimensões eram 3" 1/4 X 7" 3/8 com 0,007 polegadas de espessura 83 mm X 187 mm e 0,2 mm de espessura. Associado à liderança da IBM no mercado de computadores conduziu-se a utilização quase exclusiva do cartão perfurado de 80 colunas como suporte de informação. Esta "quase exclusividade" só terminou quando na década de 70/80 o preço do papel subiu muito. Ainda na época do "papel barato" a IBM introduziu no mercado cartões não perfurados "mark sensing" e no final daquela época um cartão perfurado de 96 colunas. Nos anos 50, a UNIVAC lançou a idéia de registrar num cartão, com as dimensões de um cartão Hollerith, 90 colunas de dados utilizando o código BCD de 6 bit. Figura 1 Cartão perfurado de 80 colunas da IBM Disco de Vinil O Disco de vinil ou Long Play (LP) é uma mídia desenvolvida no início da década de 1950 para a reprodução musical, que usava um material plástico chamado vinil. Trata-se um disco de material plástico (normalmente cloreto de polivinila, ou PVC), usualmente de cor preta, que registra informações de áudio. O disco de vinil possui micro-sulcos ou ranhuras em forma espiralada que conduzem a agulha do tocadiscos da borda externa até o centro no sentido horário. Trata-se de uma gravação analógica, mecânica. Esses sulcos são microscópicos e fazem a agulha vibrar. 4

5 Essa vibração é transformada em sinal elétrico que posteriormente é amplificado e transformado em som audível (música). O vinil é um tipo de plástico muito delicado e qualquer arranhão pode tornar-se uma falha, a comprometer a qualidade sonora. Os discos precisam constantemente ser limpos e estar sempre livres de poeira, ser guardados sempre na posição vertical e dentro de sua capa e envelope de proteção. A poeira é um dos piores inimigos do vinil, pois funciona como um abrasivo, a danificar tanto o disco como a agulha. Figura 2 Disco de Vinil A partir do final da década de 1980 e início da década de 1990, a invenção dos CD s prometeu maior capacidade, durabilidade e clareza sonora, sem chiados, fazendo os discos de vinil ficaram obsoletos e desaparecerem quase por completo no fim do Século XX. Alguns audiófilos ainda preferem o vinil, dizendo ser um meio de armazenamento mais fiel que o CD. Uma das vantagens do vinil é que as ondas sonoras são analógicas, assim como é a gravação do vinil. Isso quer dizer que não há muita perda entre a gravação e a reprodução. Por isso muitos alegam que o som do vinil é mais encorpado e mostra mais detalhes Armazenamento Magnético Fita Magnética Fita magnética (ou banda magnética) é uma mídia de armazenamento não-volátil, que consiste em uma fita plástica coberta de material magnetizável. A fita pode ser utilizada para registro de informações analógicas ou digitais, incluindo áudio, vídeo e dados de computador. As fitas magnéticas são formadas por uma base coberta por uma superfície de gravação um polímero no qual está disperso o pigmento magnético (como óxidos de 5

6 ferro ou de cromo). Normalmente adiciona-se a esta superfície um componente lubrificante. A fita pode ter uma cobertura traseira, para proteção e redução de atrito. Em alguns casos, a superfície de gravação não é composta de pigmentos dispersos em polímero, mas de uma finíssima camada metálica depositada diretamente sobre a base. As fitas estão disponíveis em rolos, cassetes ou cartuchos. Fitas em rolos, a forma mais antiga, requerem cuidadosos procedimentos de montagem, mas são baratas e permitem bastante controle do operador. Fitas em cassete embutem um rolo doador e um rolo receptor em um único invólucro e são hoje em dia as mais difundidas. Cartuchos possuem um único rolo: a fita se apresenta ou como um laço sem fim (de forma que um único rolo possa atuar como doador e receptor) ou com uma guia inicial que é adaptada a um segundo rolo embutido no dispositivo de leitura e gravação. Cassetes e cartuchos são muito mais simples de montar. Existem basicamente duas tecnologias de gravação em fitas magnéticas: a longitudinal e a helicoidal. A primeira utiliza uma cabeça estática, que grava trilhas de dados paralelas ao sentido de deslocamento da fita. A segunda utiliza cabeças rotativas, acopladas a um tambor que gira em alta velocidade, gravando trilhas de dados diagonais ao sentido da fita. A tecnologia helicoidal permite uma densidade de gravação muito maior que a longitudinal, mas impõe um severo desgaste tanto sobre a mídia quanto sobre o equipamento, por causa do atrito do tambor giratório, que chega a alcançar velocidades de RPM. Um exemplo da tecnologia helicoidal é a DDS, uma fita de 4mm em cassete, introduzida pela Sony e pela Hewlett-Packard, que utiliza a mesma tecnologia da fita DAT. Em sua versão mais recente, o DDS-4, essas fitas têm capacidades nativas de 20 GB, chegando a 40 GB em modo comprimido. Por causa do desgaste mecânico, os fabricantes destas fitas garantem sua confiabilidade por apenas passagens pela cabeça de leitura/gravação, em condições ideais. Como em uma única operação da fita normalmente provoca mais de uma passagem pelo mesmo local, os fabricantes recomendam que a mesma fita seja usada em apenas cerca de operações de cópia em condições ideais. A cabeça de leitura do dispositivo sofre também desgastes, e tem uma expectativa de vida de horas de uso. A fita DTL, uma fita de meia polegada em cartucho, patenteada pela Quantum Corporation, exemplifica a tecnologia longitudinal. Na versão DLT-IV, estas fitas têm capacidades nativas de 40 GB (80 GB em modo comprimido). Um mecanismo especial reduz tanto o desgaste das fitas, quanto das cabeças de leitura do dispositivo. Em condições ideais, as fitas resistem a de passagens, ou cerca de operações de cópia, enquanto a expectativa de vida da cabeça pode chegar a horas. 6

7 Figura 3 Fita Magnética Figura 4 Cassete de áudio Figura 5 Cassete de vídeo São as fitas magnéticas que têm uma maior vida útil estimada em um século. Poucos fabricantes de CDs e DVDs garantem a manutenção de dados gravados em seus produtos por mais do que 10 anos. Não é à toa que todos os dados financeiros e empresariais continuam sendo arquivados nas confiáveis fitas magnéticas. É claro, como todas as demais tecnologias de armazenamento, as fitas magnéticas evoluíram muito. E os cientistas da IBM parecem dispostos a não permitir que uma mídia tão duradoura fique para trás. Eles acabam de bater o recorde de densidade de armazenamento em fitas magnéticas. A nova fita consegue registrar 6,67 bilhões de bits por polegada quadrada - mais de 15 vezes a densidade das melhores fitas atuais. Isso significará colocar 8 terabytes de dados em uma fita LTO ("Linear Tape Open"), o padrão da indústria, com menos da metade do tamanho de uma fita VHS comum. Oito terabytes de dados é mais ou menos o conteúdo de 8 milhões de livros. Para ter uma biblioteca dessas, você precisaria de nada menos do que 90 quilômetros de prateleiras. A tecnologia que permitiu o aumento da capacidade de armazenamento utiliza um novo material magnético chamado ferrite de bário. Também é a primeira vez que a leitura de fitas magnéticas emprega o efeito da magnetorresistência gigante, o mesmo utilizado nos discos rígidos mais modernos. 7

8 A pesquisa foi feita em parceria com a empresa japonesa Fuji. Os cientistas afirmaram que a nova tecnologia, que emprega uma dupla camada de material magnético, poderá estar no mercado em cinco anos Disquetes Disquete é um disco de mídia magnética removível, para armazenamento de dados. O termo equivalente em inglês é floppy-disk, significando disco flexível. Pode ter o tamanho de 3,5 com capacidade de armazenamento de 720 kb (DD=Double Density) até 2,88 MB (ED=Extra Density), embora o mais comum atualmente seja 1,44 MB (HD=High Density), ou 5,25 com armazenamento de 160 kb (Single Side = Face Simples) até 1,2 MB (HD). Os disquetes possuem a mesma estrutura de um disco rígido sendo todos periféricos de entrada e saída, tendo como diferenças o fato dos disquetes poderem ser removíveis e o fato dos disquetes serem compostos de um único disco magnético. Os disquetes são divididos em pistas. Um conjunto de pistas concêntricas repartidas em intervalos regulares define a superfície magnética do disco. As pistas são numeradas de 0 a n, sendo n o número total. A pista 0 é a mais externa. Cada cilindro é dividido em um número constante de partes de mesmo tamanho, denominado setor. O nome destes depende do formato do disquete e são numerados de 1 até n, sendo n o número de setores por pista. Cada setor possui o tamanho de 512 bytes. O setor (ou bloco) é a menor porção do disco que o computador consegue ler. O disco magnético geralmente é dividido em duas faces, denominadas 0 e 1. Alguns leitores mais atuais, visto que os discos possuem essas duas faces, são equipados com duas cabeças de leitura/escrita, uma para cada face do disco. Para se calcular a capacidade do disquete, pode-se usar a fórmula: Número de faces número de pistas números de setores/pista 512 bytes/setor. Os disquetes possuem vida útil que varia de 5 a 6 anos (pouco, se for comparado ao CD, que dura 20 anos). Disquetes mais velhos e com muito uso, começam a desprender fragmentos do disco magnético interno, sendo que alguns desses fragmentos podem grudar nas cabeças de leitura, dificultando muito a leitura/escrita de outros disquetes. Para essa situação, é recomendável utilizar um "disquete" especial para limpeza, em que no lugar do disco magnético fica localizado um tecido para limpeza. 8

9 Figura 6 Disquete de 3,5 e 1,44 MB de memória O disquete já foi considerado um dispositivo com grande capacidade de armazenamento, especialmente devido ao pequeno tamanho dos arquivos. Atualmente, devido ao tamanho cada vez maior dos arquivos e, devido à existência de mídias de armazenamento não-voláteis de maior capacidade, como Zip Disks, cartões de memória (memory sticks, cartões MMC, cartões SD), Flash Drives USB, CD-R, CD- RW, DVD aém de existir outras maneiras de guardar arquivos, como armazenamento distribuído e/ou Compartilhamento de arquivos em redes locais, e disco virtual, o disquete se tornou um utilitário obsoleto. Muitos fabricantes de computadores dão como certa a "morte" dos disquetes e que os computadores do futuro não terão mais drives de disquetes. O maior problema em relação aos disquetes é justamente o problema do disquete velho : o disquete possui uma "vida útil" de 5 anos. Após esse prazo, a sua camada magnética começa a se danificar e aí pode haver perda de dados. 9

10 Disco Rígido Dentro do disco rígido, os dados são gravados em discos magnéticos, chamados de platters. O nome "disco rígido" vem justamente do fato de os discos internos serem extremamente rígidos Partes Componentes Um disco rígido é formado basicamente pelas seguintes partes componentes: Discos, ou Platters; Motor de rotação; Cabeça de Leitura; Braço de Leitura; Actuador; Figura 7 Pricipais componentes de um disco rígido Os platters são compostos de duas camadas. A primeira é chamada de substrato, que nada mais é do que um disco metálico, feito de ligas de alumínio. Mais recentemente, alguns fabricantes passaram a utilizar também vidro, que oferece algumas vantagens, como a maior dureza, embora também seja mais difícil de se trabalhar. Os primeiros HDs com discos de vidro foram os IBM Deskstar 75GXP, lançados em

11 Independentemente do material usado, o disco precisa ser completamente plano. Como os discos giram a grandes velocidades e as cabeças de leitura trabalham extremamente próximas da superfície magnética, qualquer variação seria fatal. Para atingir a perfeição necessária, o disco é polido em uma sala limpa, até que se torne perfeitamente plano. Vem então a parte final, que é a colocação da superfície magnética nos dois lados do disco. Como a camada magnética tem apenas alguns mícrons de espessura, ela é recoberta por uma fina camada protetora, que oferece alguma proteção contra pequenos impactos. Os discos são montados em um eixo também feito de alumínio, que deve ser sólido o suficiente para evitar qualquer vibração dos discos, mesmo a altas rotações. Este é mais um componente que passa por um processo de polimento, já que os discos devem ficar perfeitamente presos e alinhados. No caso de HDs com vários discos, eles são separados usando espaçadores, novamente feitos de ligas de alumínio. Finalmente, temos o motor de rotação, responsável por manter uma rotação constante. O motor é um dos maiores responsáveis pela durabilidade do disco rígido, pois uma grande parte das falhas graves provém justamente do motor. Os HDs mais antigos utilizavam motores de rotações por minuto, enquanto que atualmente são utilizados motores de 5.400, ou rpm. Nos HDs de laptops ainda são comuns motores de rpm, mas os de rpm já são maioria. Embora não seja o único, a velocidade de rotação é sem dúvida o fator que influência mais diretamente no desempenho. Para ler e gravar dados no disco, são usadas cabeças de leitura eletromagnéticas (heads) que são presas a um braço móvel (arm), o que permite seu acesso a todo o disco. O braço de leitura é uma peça triangular, também feita de ligas de alumínio, para que seja ao mesmo tempo leve e resistente. O mecanismo que movimenta o braço de leitura é chamado de actuator. Para que o HD possa posicionar a cabeça de leitura sobre a área exata referente à trilha que vai ser lida, existem sinais de feedback gravados na superfícies do disco, que orientam o posicionamento da cabeça de leitura. Eles são sinais magnéticos especiais, gravados durante a fabricação dos discos (a formatação física), que são protegidos através de instruções de bloqueio incluídas no firmware do HD contra alteração posterior. Ao ler um arquivo, a controladora posiciona a cabeça de leitura sobre a trilha onde está o primeiro setor referente a ele e espera que o disco gire até o setor correto. Este tempo inicial, necessário para iniciar a leitura, é chamado de tempo de acesso, e mesmo os HDs atuais de rpm fica em torno de 12 milésimos de segundo, o que é uma eternidade em se tratando de tempo computacional. O HD é 11

12 relativamente rápido ao ler setores seqüenciais, mas ao ler vários pequenos arquivos espalhados pelo HD, o desempenho pode cair assustadoramente. É por isso que existem programas desfragmentadores, que procuram reorganizar a ordem dos arquivos, de forma que eles sejam gravados em setores contínuos. As cabeças de leitura lêem os dados sem tocar na camada magnética do disco. Apesar disso, quando os discos giram à alta rotação, forma-se uma espécie de colchão de ar, que repele a cabeça de leitura, fazendo com que ela fique sempre a alguns nanômetros de distância dos discos. Os HDs não são fechados hermeticamente, muito menos a vácuo, pois é necessário ar para criar o efeito. Figura 8 Cabeças de leitura A figura 9 mostra a cabeça de leitura "flutuando" sobre o disco em movimento. A distância é tão curta que mesmo ao vivo a impressão é de que a cabeça está raspando no disco, embora na realidade não esteja. Figura 9 Cabeça de leitura flutuando sobre um disco em moviemento Os discos magnéticos são montados diretamente sobre o eixo do motor de rotação, sem o uso de correias ou qualquer coisa do gênero. É justamente este design simples que permite que os discos girem a uma velocidade tão grande. Embora mais potente e muito mais durável, o motor de rotação usado nos HDs é similar aos usados nos coolers. Nos HDs antigos, eram usados motores sleeve bearing, o sistema mais simples e menos durável, que foi usado nos HDs de 3600 rpm. Em 12

13 seguida, foram adotados motores ball-bearing, onde são usados rolamentos para aumentar a precisão e a durabilidade. Nos HDs modernos, é utilizado o sistema fluiddynamic bearing, onde os rolamentos são substituídos por um fluído especial, que elimina o atrito, reduzindo o ruído e o nível de vibração. A figura 10 mostra o mesmo HD da foto anterior completamente desmontado, mostrando o interior do motor de rotação: Figura 10 HD desmontado O HD possui duas cabeças de leitura para cada disco (uma para cada face), de forma que um HD com 4 discos utilizaria 8 cabeças de leitura, presas ao mesmo braço móvel. Embora usar mais discos permita construir HDs de maior capacidade, não é comum que os fabricantes utilizem mais de 4, pois a partir daí torna-se muito difícil (e caro) produzir componentes com a precisão necessária para manter todos os discos alinhados. Antigamente, era comum que HDs de alta capacidade (e alto custo), sobretudo os destinados a servidores, possuíssem 6, ou até mesmo 12 discos, mas eles saíram de linha a partir da década de 90, devido à baixa demanda. Desde então, os fabricantes padronizaram a produção em torno dos HDs com até 4 discos e quem precisa de mais capacidade compra vários e monta um sistema RAID. No caso dos servidores, é muito comum o uso de racks, com um grande número de HDs. Todo HD é montado e selado em um ambiente livre de partículas. Apesar disso, eles não são hermeticamente fechados. Em qualquer HD, existe um pequeno orifício para entrada de ar que permite que pequenos volumes de ar entrem e saiam, mantendo a pressão interna do HD sempre igual à do ambiente. Esse orifício é sempre protegido por um filtro, que impede a entrada de partículas de poeira. 13

14 Figura 11 Orifício de ventilação do HD Devido a isso, a pressão do ar tem uma certa influência sobre a operação do HD. Os HDs são normalmente projetados para funcionar a altitudes de até metros acima do nível do mar. Em altitudes muito elevadas, a pressão do ar é menor, comprometendo a criação do colchão de ar. Para casos extremos (uso militar, por exemplo), existem HDs pressurizados, que podem trabalhar a qualquer altitude. Internamente, o HD possui um segundo filtro, que filtra continuamente o ar movimentado pelos discos. Ele tem a função de capturar as partículas que se desprendam dos componentes internos durante o uso, devido a desgaste ou choques diversos. Figura 12 Filtro interno 14

15 Enquanto o HD está desligado, as cabeças de leitura ficam em uma posição de descanso. Elas só saem dessa posição quando os discos já estão girando à velocidade máxima. Para prevenir acidentes, as cabeças de leitura voltam à posição de descanso sempre que não estão sendo lidos dados, apesar dos discos continuarem girando. É justamente por isso que às vezes, ao sofrer um pico de tensão, ou o micro ser desligado enquanto o HD está sendo acessado, surgem setores defeituosos. Ao ser cortada a energia, os discos param de girar e é desfeito o colchão de ar, fazendo com que as cabeças de leitura possam vir a tocar os discos magnéticos. A fim de diminuir a ocorrência desse tipo de acidente, nos HDs modernos é utilizado um sistema que recolhe as cabeças de leitura automaticamente para a área de descanso quando a energia é cortada (tecnologia chamada de auto-parking). A área de descanso é também chamada de "landing zone" e engloba algumas das trilhas mais centrais do disco, uma área especialmente preparada para receber o impacto do "pouso" das cabeças de leitura. Uma das tecnologias mais populares é a LZT (Laser Zone Texture), uma tecnologia desenvolvida pela IBM, onde um laser é usado para produzir pequenas cavidades ao longo da zona de pouso, que reduzem o atrito com a cabeça de leitura: Figura 13 Cavidades da zona de pouso Outra técnica consiste em usar "rampas" feitas de material plástico, posicionadas na área externa dos discos, que suspendem as cabeças de leitura, evitando que elas toquem os discos mesmo quando eles param de girar. Esta tecnologia foi inicialmente usada em HDs de notebook, mas recentemente passou a ser usada também nos de 3.5" para desktops. Ela pode parecer simples, mas na verdade exige bastante tecnologia, devido à precisão necessária: Figura 14 Rampas 15

16 Por melhores que sejam as condições de trabalho, o HD continua sendo um dispositivo baseado em componentes mecânicos, que têm uma vida útil muito mais curta que a de outros componentes do micro. De uma forma geral, os HDs para desktop funcionam de forma confiável por de dois a três anos (em um PC usado continuamente). A placa lógica, ou placa controladora, é a parte "pensante" do HD. Com exceção dela, o HD é um dispositivo relativamente simples, composto por uma série de dispositivos mecânicos. É a controladora que faz a interface com a placa-mãe, controla a rotação do motor e o movimento das cabeças de leitura, de forma que elas leiam os setores corretos, faz a verificação das leituras, de forma a identificar erros, atualiza e usa sempre que possível os dados armazenados no cache de disco e assim por diante. Figura 15 Placa controladora Na placa existem apenas três chips. O primeiro deles é um chip de memória SDRAM que armazena o cache de disco. Até pouco tempo atrás, os HDs utilizavam chips de memória SRAM, mas os fabricantes passaram a utilizar, cada vez mais, chips de memória SDRAM convencional para reduzir o custo de produção. Na prática não muda muita coisa, pois apesar de mais lenta, a memória SDRAM oferece desempenho suficiente para a tarefa. Assim como no caso dos processadores, o cache é um componente importante para o desempenho do HD. Ele armazena os dados acessados, diminuindo bastante o número de leituras. Dados armazenados no cache podem ser transferidos quase que instantaneamente, usando toda a velocidade permitida pela interface SATA (serial) ou IDE (paralela). 16

17 Temos também o controlador principal, que é quem executa todo o processamento. Este chip é um SOC (System On a Chip), formado por um conjunto de vários chips menores, que são combinados dentro do mesmo wafer de silício. Concluindo, o terceiro chip, localizado na parte inferior esquerda da figura. Ele é um chip especializado, que controla o movimento das cabeças de leitura e também a rotação do motor. O chip principal envia comandos a ele, dizendo que quer acessar o setor X, ou que o motor deve entrar em modo de economia de energia, por exemplo, e ele os transforma nos impulsos elétricos apropriados. Essas funções mudam de um modelo de HD para o outro, por isso os fabricantes preferem usar um chip de uso geral como o Marvell 88i6525 como controlador principal, mudando apenas o controlador auxiliar, que é um chip menor e mais barato Interfaceamento Existem quatro tipos de interface IDE, do inglês Integrated Drive Electronics, atualmente conhecida como PATA (Parallel ATA), ou simplesmente ATA, do inglês Advanced Technology Attachment: ATA-33, com cabo de 40 vias (fios), com taxa de transferência máxima de 33 MB/s; ATA-66, com cabo de 80 vias, com taxa de transferência máxima de 66 MB/s; ATA-100, com cabo de 80 vias, com taxa de transferência máxima de 100 MB/s; ATA-133, com cabo de 80 vias, com taxa de transferência máxima de 133 MB/s. Já na interface serial, SATA, do inglês Serial Advanced Technology Attachment, existem os seguintes tipos: SATA-150, com taxa de transferência de 150 MB/s, a MHz; SATA-300 ou SATA II, com taxa de transferência de 300 MB/s; a MHz; SATA-600, com taxa de transferência de 600 MB/s. A capacidade de um HD é determinada por basicamente dois fatores: a tecnologia utilizada, que determina sua densidade e o diâmetro dos discos, que determina a área útil de gravação. A técnica usada atualmente (chamada de sputtering). Nela a superfície magnética é construída depositando grãos microscópicos de forma incrivelmente uniforme. Quanto menores os grãos, mais fina e sensível é a superfície, permitindo densidades de gravação mais altas. 17

18 A densidade de gravação de um HD é medida em gigabits por polegada quadrada. Os HDs fabricados até o segundo semestre de 2009 chegam a ter densidade de 347 Gbits por polegada quadrada. Neles, cada bit é armazenado em uma área magnética com aproximadamente 200x50 nanômetros (uma área pouco maior que a de um transístor nos processadores fabricados numa técnica de 0.09 micron) e é composta por apenas algumas centenas de grãos magnéticos. Estes grãos medem apenas alguns nanômetros e são compostos por ligas de cobalto, cromo, platina, boro e outros materiais raros, muito longe da limalha de ferro utilizada pelos pioneiros. Considerando que os discos giram a 7200 rpm e a cabeça de leitura lê os dados a mais de 50 MB/s (quando lendo setores seqüenciais), atingir densidades como as atuais é simplesmente impressionante Processo de escrita e gravação A tecnologia usada nos HDs fabricados até a primeira metade de 2007 é chamada de gravação longitudinal (longitudinal recording), onde a orientação magnética dos bits é gravada na horizontal, de forma paralela à mídia. O problema é que a partir dos 100 gigabits por polegada quadrada, tornou-se muito difícil aumentar a densidade de gravação, o que acelerou a migração para o sistema de gravação perpendicular (perpendicular recording), onde a orientação magnética passa a ser feita na vertical, aumentando muito a densidade dos discos. Estima-se que, utilizando gravação longitudinal, seria possível atingir densidades de no máximo 200 gigabits por polegada, enquanto que utilizando gravação perpendicular seja possível atingir até 10 vezes mais. Isso significa que os fabricantes ainda terão margem para produzir HDs de até 10 terabytes antes de esgotar as possibilidades oferecidas pela nova tecnologia Modo Longitudinal O esquema abaixo mostra como funciona o processo de escrita e gravação em um HD: Figura 16 Esquemático da Cabeça de Leitura Gravação Longitudinal 18

19 A cabeça é composta por dois dispositivos separados, um para gravação e outro para leitura. O dispositivo de gravação é similar a um eletroímã, onde é usada eletricidade para criar o campo magnético usado para realizar a gravação. O dispositivo de leitura, por sua vez, faz o processo oposto. Quando ele passa sobre os bits gravados, capta o campo magnético emitido por eles, através de um processo de indução (nos HDs antigos) ou resistência (nos atuais), resultando em uma fraca corrente, que é posteriormente amplificada. O dispositivo de leitura é protegido por um escudo eletromagnético, que faz com que ele capte apenas o campo magnético do bit que está sendo lido, e não dos seguintes. Não existe isolamento entre os dispositivos de leitura e gravação. Isso acontece porque apenas um deles é usado de cada vez Modo Perpendicular Na gravação perpendicular, a mídia de gravação é composta de duas camadas. Inicialmente existe uma camada de cromo, que serve como um indutor, permitindo que o sinal magnético gerado pelo dispositivo de gravação "atravesse" a superfície magnética, criando um impulso mais forte e, ao mesmo tempo, como uma espécie de isolante entre a superfície de gravação e as camadas inferiores do disco. Sobre a camada de cromo, são depositados os grãos magnéticos. A diferença é que agora eles são depositados de forma que a orientação magnética seja vertical, e não horizontal. A cabeça de leitura e gravação também é modificada, de forma a serem capazes de lidar com a nova orientação: Figura 17 Esquemático da Cabeça de Leitura Gravação Perpendicular Embora pareça uma modificação simples, o uso da gravação perpendicular em HDs é uma conquista técnica notável. 19

20 Para organizar o processo de gravação e leitura dos dados, a superfície dos discos é dividida em trilhas e setores. As trilhas são círculos concêntricos, que começam no final do disco e vão se tornando menores conforme se aproximam do centro. É diferente de um CD-ROM ou DVD, onde temos uma espiral contínua. Cada trilha recebe um número de endereçamento, que permite sua localização. A trilha mais externa recebe o número 0 e as seguintes recebem os números 1, 2, 3, e assim por diante. Para facilitar ainda mais o acesso aos dados, as trilhas se dividem em setores, que são pequenos trechos de 512 bytes cada um, onde são armazenados os dados. Além das trilhas e setores, temos também as faces de disco. Os HDs atuais possuem de 1 a 4 discos. Como são utilizadas ambas as faces de cada disco, temos um total de 2 a 8 faces e o mesmo número de cabeças de leitura. Como todas as cabeças de leitura estão presas no mesmo braço móvel, elas não possuem movimento independente. Para acessar informações armazenadas na trilha da face de disco 3, por exemplo, a controladora do disco ativa a cabeça de leitura responsável pelo disco 3 e, a seguir, ordena ao braço de leitura que se dirija à trilha correspondente. Já que todas as cabeças de leitura sempre estarão na mesma trilha de seus respectivos discos, deixamos de chamá-las de trilhas e passamos a usar o termo "cilindro". Um cilindro nada mais é do que o conjunto de trilhas com o mesmo número nos vários discos. Por exemplo, o cilindro 1 é formado pela trilha 1 de cada face de disco, o cilindro 2 é formado pela trilha 2 de cada face, e assim por diante. Esta antiga ilustração da Quantum mostra como funciona esta divisão: Figura 18 Ilustração do conceito de cilindro 20

21 A trilha mais externa do disco possui mais que o dobro de diâmetro da trilha mais interna e, conseqüentemente, possui capacidade para armazenar um volume muito maior de dados. Porém, nos primeiros discos rígidos, assim como nos disquetes, todas as trilhas do disco, independentemente de seu diâmetro, possuíam o mesmo número de setores, fazendo com que nas trilhas mais externas, os setores ocupassem um espaço muito maior do que os setores das trilhas mais internas. Tínhamos então um grande espaço desperdiçado, pois era preciso nivelar por baixo, fazendo com que todas as trilhas possuíssem o mesmo número de setores permitido pelas trilhas mais internas, acabando por desperdiçar enormes quantidades de espaço nas primeiras trilhas do disco. Atualmente, os HDs utilizam o Zoned bit Recording (ZBR), que permite variar a quantidade de setores por trilha, de acordo com o diâmetro da trilha a ser dividida, permitindo uma organização mais racional do espaço em disco e, conseqüentemente, uma maior densidade de gravação. Figura 19 Ilustração do uso da tecnologia ZBD O HD pode ter então 1584 setores por trilha na área mais externa dos discos e apenas 740 na área mais interna, por exemplo. Como os discos giram sempre na mesma velocidade, o desempenho ao ler as trilhas mais externas acaba sendo mais que o dobro do obtido ao ler as mais internas. É por isso que em geral se recomenda colocar a partição com a instalação do sistema, ou com a partição swap no início do disco (que corresponde às trilhas mais externas) para obter o melhor desempenho. No futuro, esta tendência deve se manter, pois é muito mais simples para os fabricantes produzir cabeças de leitura e sistemas de codificação capazes de lidarem com trilhas mais finas, do que espremer mais dados dentro de cada trilha, já que elementos magnéticos mais curtos correspondem a um sinal magnético mais fraco e mais difícil de ser captado pela cabeça de leitura. 21

22 O acesso ao HD para escrita ou gravação é realizada por DMA, isto é, Acesso Direto a Memória, pois esta técnica aumenta a velocidade de operação das memórias mais rápidas do que poderia ser realizado pela CPU. Atualmente 1 encontram-se HDs 3,5 de até 2,0 TB, com interface SATA de 6 Gb/s, 64 MB de cache, densidade dos discos de 347 Gb por polegada quadrada e com potência nominal de 6,4W. Os HDs de 2,5 é possível encontrar modelos com capacidade de até 500 GB, com intereface SATA de 3 Gb/s, 32 MB de cache, desidade dos discos de 394 Gb por polegada quadrada e velocidade de rotação dos discos de rpm. Segue abaixo um gráfico comparativo de R$/GB de HDs. R$/GB 1,00 HD 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0, GB Figura 20 Gráfico comparativo HD 1 Novembro/

23 2.3. Armazenamento Óptico CD Compact Disc Um CD é um pedaço de plástico bastante simples, com cerca de 1,2 mm de espessura. A maior parte de um CD consiste de uma peça de plástico de policarbonato transparente moldada por injeção. Durante a fabricação, esse plástico é impresso com sulcos microscópicos dispostos como uma trilha de dados em espiral, contínua e extremamente longa. Assim que a peça transparente de policarbonato é formada, uma fina camada refletora de alumínio é micropulverizada sobre o disco, cobrindo os sulcos. Em seguida, uma fina camada de acrílico é pulverizada sobre o alumínio para protegê-lo. A etiqueta é então impressa sobre o acrílico. Uma seção transversal de um CD completo (fora de escala) se parece com isto: Figura 21 Seção transversal de um CD A trilha de dados tem aproximadamente 0,5 mícron de largura, com 1,6 mícron separando uma trilha da próxima (um mícron é um milionésimo de um milímetro). Cada sulco alongado que compõe a trilha tem 0,5 mícron de largura, comprimento mínimo de 0,83 mícron e altura de 125 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de um metro.) Olhando os sulcos através da camada de policarbonato, eles se parecem com isto: Figura 22 Tamanho da trilha e espaçamento dos dados de um CD 23

24 As dimensões incrivelmente pequenas dos sulcos formam uma trilha espiral extremamente longa. Se fosse possível arrancar a trilha de dados de um CD e esticá-la em uma linha reta, ela teria 0,5 mícron de largura e quase 5 quilômetros de comprimento! Figura 23 Direção dos dados em um CD Componentes do CD player O CD player tem o trabalho de localizar e ler os dados armazenados como sulcos no CD. Considerando o tamanho extremamente pequeno dos sulcos, o CD player é um equipamento de precisão excepcional. A unidade consiste em três componentes fundamentais: Um motor para girar o disco. É controlado com precisão para girar entre 200 e 500 rpm, dependendo de qual trilha é lida. Um laser e um sistema de lentes que focalizam e lêem os sulcos do CD. Um mecanismo de rastreamento que move o conjunto do laser para que seu feixe possa acompanhar a trilha espiral. O sistema de rastreamento deve ser capaz de mover o laser em deslocamentos da ordem de 1 mícron (1 milésimo de milímetro). Figura 24 Compenentes de um CD Player 24

25 A parte mais difícil é manter o feixe de laser centralizado sobre a trilha de dados. Essa centralização é o trabalho do sistema de rastreamento. O sistema de rastreamento tem de mover continuamente o laser para fora à medida que toca o CD. Conforme o laser se move para fora, a partir do centro do disco, os sulcos passam cada vez mais rápido pelo laser: isso acontece porque a velocidade linear, ou tangencial, dos sulcos é igual ao raio vezes a velocidade na qual o disco está girando (rpm). Assim, à medida que o laser se move para fora, o motor de rotação do disco deve diminuir a velocidade do CD. Desse modo, os sulcos se deslocam diante do laser a uma velocidade constante, e os dados saem do disco em uma taxa constante. Figura 25 Sistema de rastreamento DVD Digital Vídeo Disc Os DVDs possuem o mesmo diâmetro e espessura que os CDs e são feitos usando os mesmos materiais e métodos de fabricação. Assim como no CD, os dados em um DVD são codificados na forma de pequenas cavidades e saliências na trilha do disco. Um DVD é composto de várias camadas de plástico que totalizam uma espessura de cerca de 1,2 milímetro. Cada camada é criada por injeção de plástico policarbonato moldado. Esse processo forma um disco que possui saliências microscópicas dispostas na forma de uma única, contínua e extremamente longa trilha espiral de dados. Assim que as peças transparentes de policarbonato são formadas, uma fina camada refletora de alumínio é micropulverizada sobre o disco, cobrindo as saliências. O alumínio é usado por trás das camadas internas, mas uma camada de ouro semirefletora é usada para as camadas externas, permitindo que o laser focalize através das camadas externas e atinja as camadas internas. Depois que todas as camadas são feitas, cada uma é revestida com uma laca, prensadas juntas e curadas sob luz infravermelha. Nos discos de face única, a etiqueta é aplicada por serigrafia sobre o 25

26 lado não lido. Os discos de face dupla contêm impressão somente na área não lida próxima ao furo central. As seções transversais dos diversos tipos de DVDs finalizados (fora de escala) se parecem como mostra a figura abaixo: Figura 26 Seções transversais dos DVDs Cada camada gravável de um DVD possui uma trilha espiral de dados. Nos DVDs de camada única, a trilha sempre circula do lado interno para o externo do disco. O fato de a trilha espiral se iniciar no centro significa que um DVD de camada única poderia ser menor do que 12 centímetros, se desejado. O que a imagem à acima não pode transmitir é a idéia de quão incrivelmente fina é a trilha de dados: apenas 740 nanômetros separam uma trilha da próxima (um nanômetro é um bilionésimo de metro). E cada uma das saliências alongadas que compõem a trilha possui 320 nanômetros de largura, um comprimento mínimo de 400 nanômetros e uma altura de 120 nanômetros. A seguinte figura ilustra o que se veria ao olhar as saliências através da camada de policarbonato. Figura 27 Tamanhos da trilha e espaçamento de um DVD 26

27 HD DVD x Blu-Ray O Blu-ray vai substituir os DVDs anteriores? Seus fabricantes esperam que sim. Nesse meio tempo, a JVC desenvolveu um disco Blu-ray com uma capacidade aproximada de 33,5 GB que permite reproduzir vídeo em ambos os formatos em um único disco. Mas o Blu-ray não está sozinho no mercado. Alguns outros formatos estão competindo por uma participação no mercado do DVD. O HD-DVD, também chamado de AOD (de disco óptico avançado, em inglês), era o grande concorrente. Era, porque o projeto foi enterrado em O HD-DVD já estava em andamento antes do DVD comum, mas seu desenvolvimento real começou somente em A vantagem do HD-DVD era que ele usava o mesmo formato básico de disco que o DVD tradicional e, assim, podia ser fabricado com o mesmo equipamento, economizando nos custos. A desvantagem é que ele não podia competir com a capacidade de armazenamento do Blu-ray. Um HD-DVD regravável de camada única pode guardar 15 GB de dados, enquanto um disco de camada dupla pode guardar 30 GB (comparado aos 27 GB e 50 GB do Blu-ray). As versões somente leitura guardam um pouco menos de dados. Além disso, o HD-DVD não oferecia as capacidades interativas do Blu-ray. Justamente por isso, o formato HD-DVD, defendido pela Toshiba, acabou perdendo a guerra para o Blu-ray, do consórcio liderado pela Sony. Em fevereiro de 2008, a Toshiba anunciou que não fabricaria mais aparelhos HD- DVD, deixando o espaço livre para que o formato Blu-ray se transformasse em padrão de mercado de discos de alta definição. O Blu-ray e o HD-DVD eram os dois maiores concorrentes no mercado, mas também havia outros competidores. A Warner Brothers Pictures desenvolveu seu próprio sistema, chamado HD-DVD-9. Esse sistema usa uma taxa de compressão mais elevada para colocar mais informações (cerca de duas horas de vídeo de alta definição) em um DVD padrão. Taiwan criou o Forward Versatile Disc (FVD, disco versátil avançado), uma versão melhorada dos DVDs de hoje que permite maior capacidade de armazenamento (5,4 GB em um disco de uma camada e 9,8 GB em um disco de duas camadas). E a China apresentou o Enhanced Video Disc(EVD, disco de vídeo intensificado), outro disco de vídeo em alta definição. Há também as versões profissionais da tecnologia do laser azul. A Sony desenvolveu o XDCAM e o ProData (Professional Disc for Data ou disco profissional para dados). O primeiro se destina ao uso por transmissores e estúdios de AV. O segundo serve principalmente para armazenamento de dados comerciais (por exemplo, backup de servidores). Os gravadores Blu-ray já estão disponíveis no Japão há algum tempo, onde mais consumidores têm acesso à HDTV do que nos Estados Unidos ou o restante do mundo. Nos EUA, o Blu-ray já está ganhando espaço, com títulos gravados no formato duplo por gravadoras e produtoras e vídeo. Até junho de 2006, a tecnologia era mais utilizada para armazenamento de grandes quantidades de dados e em gravações 27

28 profissionais e domésticas. A partir de maio daquele ano, a Samsung Electronics America Inc. colocou o primeiro disc player Blu-ray da indústria para os lojistas do mercado americano, e a Sony Pictures Home Entertainment disponibilizou alguns de seus títulos no formato de alta definição, como os populares "Como se Fosse a Primeira Vez", "O Quinto Elemento", "Hitch: Conselheiro Amoroso" e "O Clã das Adagas Voadoras". Hoje, os títulos Blu-ray podem ser encontrados em qualquer loja de departamento dos EUA. No mercado americano, um player pode ser encontrado por até US$ 320,00, enquanto os discos já chegam a custar menos de US$ 15,00. No Brasil, a tecnologia ainda está engatinhando, mas os primeiros títulos já começaram a chegar ao mercado, assim como os primeiros players. Em junho de 2008, os brasileiros já podiam comprar títulos de figurões do rock, do pop e do jazz em lojas especializadas com preços mais acessíveis - entre R$ 79,90 e R$ 99,90. "Ainda temos de importar nossos produtos, mas fizemos o mesmo dez anos atrás, quando o DVD era novidade", disse àfolha de S.Paulo Cláudio Silberberg, diretor da gravadora ST2, que lançou o primeiro pacote de blu-rays musicais no país. O empecilho maior para o fortalecimento do Blu-ray no país ainda é o preço dos players, em torno de R$ Isso acaba restringindo o público dessa tecnologia. De acordo com Marcus Fabricio, gerente de marketing da Sony BMG, a queda dos preços do hardware de Blu-ray será fundamental para que esse formato amplie sua base de consumidores, ou mesmo para que a fabricação nacional seja iniciada. A fabricação nacional de Blu-ray players começou no primeiro semestre de Estima-se que, com a produção nacional dos aparelhos, o preço caia pela metade. Mesmo que o novo padrão de vídeo comece a substituir as tecnologias atuais, os consumidores não irão jogar fora seus DVDs, mas precisarão investir em um novo player. A indústria planeja comercializar drives com compatibilidade retroativa para ambos os lasers, azul e vermelho, e que serão capazes de reproduzir tanto os DVDs e CDs tradicionais quanto os discos Blu-ray BD Blu-ray Disc Um DVD padrão atual, de lado único, pode armazenar 4,7 GB (gigabytes) de informação. Esse é aproximadamente o tamanho de um filme padrão médio de duas horas com alguns poucos recursos extras. Mas um filme em alta definição, que possui uma imagem muito mais nítida (veja Como funciona a televisão digital), ocupa cerca de cinco vezes mais largura de banda e, portanto, requer um disco com cerca de cinco vezes mais espaço. À medida que os aparelhos de TV e estúdios de cinema migram para a alta definição, os consumidores precisam de sistemas de reprodução com muito mais capacidade de armazenamento. O Blu-ray é o disco de vídeo digital da próxima geração, podendo gravar, armazenar e reproduzir vídeo em alta definição e áudio digital, assim como dados de 28

29 computador. A vantagem do Blu-ray é a incrível quantidade de informação que ele pode guardar: Um disco Blu-ray de camada única, que tem aproximadamente o mesmo tamanho de um DVD, pode guardar até 27 GB de dados, o que é mais de duas horas de vídeo em alta definição ou cerca de 13 horas de vídeo padrão; Um disco Blu-ray de camada dupla pode armazenar até 50 GB, suficientes para guardar cerca de 4,5 horas de vídeo em alta definição ou mais de 20 horas de vídeo padrão. E ainda há planos em andamento para desenvolver um disco com duas vezes essa quantidade de armazenamento. Figura 28 Comparação entre a capacidade de um DVD e de um Blu-Ray Ao contrário dos DVDs atuais, que usam um laser vermelho para ler e gravar os dados, o Blu-ray usa um laser azul (de onde vem o nome do formato). Um laser azul possui menor comprimento de onda (405 nanômetros) do que um laser vermelho (650 nanômetros). O feixe menor focaliza com mais precisão, o que habilita a leitura de informações gravadas em cavidades com apenas 0,15 mícron (µm) (1 mícron = 10-6 metros) de comprimento: mais de duas vezes menores do que as cavidades em um DVD. Além disso, o Blu-ray reduziu o passo da trilha de 0,74 mícron para 0,32 mícron. O conjunto de cavidades, feixe e passo da trilha menores capacitam um disco Blu-ray de camada única a guardar mais de 25 GB de informação, cerca de cinco vezes a quantidade de informações que pode ser armazenada em um DVD. 29

30 Figura 29 Diferenças das trilhas entre DVD e Blu-Ray Cada disco Blu-ray tem aproximadamente a mesma espessura (1,2 milímetro) que um DVD. Mas os dois tipos de discos armazenam dados de modo diferente. Em um DVD, os dados são colocados entre duas camadas de policarbonato, cada uma com 0,6 mm de espessura. Ter uma camada de policarbonato sobre os dados pode causar um problema chamado birrefringência, no qual a camada do substrato refrata a luz do laser em dois feixes separados. Se a divisão do feixe for muito ampla, o disco não poderá ser lido. Além disso, se a superfície do DVD não for exatamente plana e, assim, não for perpendicular ao feixe, isso poderá levar a um problema conhecido como inclinação do disco, no qual o feixe de laser é distorcido. Todas essas questões levam a um processo de manufatura muito estrito. O disco Blu-ray supera as questões quanto à leitura do DVD ao colocar os dados na parte superior de uma camada de policarbonato de 1,1 mm de espessura. Ter os dados na parte superior evita a birrefringência e evita problemas de legibilidade. Além disso, com a camada de gravação situada mais próxima da lente objetiva do mecanismo de leitura, o problema de inclinação do disco é virtualmente eliminado. Como os dados estão mais próximos da superfície, um revestimento duro é colocado no lado externo do disco para protegê-lo de arranhões e impressões digitais. 30

31 Figura 30 Diferença da composição entre Cd, DVD e Blu-Ray. O design dos discos Blu-ray economiza nos custos de produção. Os DVDs tradicionais são feitos por uma moldagem por injeção dos dois discos de 0,6 mm entre os quais a camada de gravação é inserida. O processo deve ser feito com muito cuidado para evitar a birrefringência. Os dois discos são moldados. A camada de gravação é acrescentada a um dos discos. Os dois discos são colados um no outro. Os discos Blu-ray fazem o processo de moldagem por injeção em um disco único de 1,1 mm, o que reduz o custo. Essa economia contrabalança o custo da adição da camada protetora, de modo que o preço final não é maior do que o preço de um DVD comum. O Blu-ray tem uma taxa de transferência de dados mais alta - 36 Mbps, do que os DVDs de hoje, que transferem a 10 Mbps. Um disco Blu-ray pode gravar 25 GB de material em pouco mais de uma hora e meia. 31

32 2.4. Armazenamento elétrico A Memória Flash foi inventada por Dr. Fujio Masuoka, enquanto trabalhava para a Toshiba, em Dr. Masuoka apresentou sua invenção em 1984, no Encontro de Dispositivos Eletrônicos Integrados da IEEE, realizado em San Francisco, California. A Intel Corporation inseriu a primeira memória Flash do tipo NOR comercial em Já em 1987, a Toshiba anunciou no Encontro Internacional de Dispositivos Eletrônicos a memória Flash do tipo NAND. Diferentemente da memória RAM, a memória Flash permite armazenar dados por longos períodos, sem precisar de alimentação. Graças a isso, a memória Flash se tornou rapidamente a tecnologia dominante em cartões de memória, pendrives, HDs de estado sólido (SSDs), memória de armazenamento em câmeras, celulares, smartphones, handhelds, palmtops e assim por diante. Memória Flash ou Flash RAM é um tipo de não-volátil dispositivo de memória semicondutora onde é possível se manter dados gravados mesmo sem alimentação elétrica do aparelho. É uma versão melhorada da Memória ROM apagável e programável eletricamente(eeprom). A diferença é que a EEPROM apaga ou reescreve um byte por vez, enquanto que a memória FLASH faz estas operações em blocos inteiros, o que faz dela uma memória muita rápida comparada com a EEPROM. Porém, memórias FLASH não podem substituir DRAM ou SRAM porque as velocidades que estas podem acessar dados ou endereçar não podem ser ultrapassadas. A memória Flash também é chamada de Dispositivo de memória sólida, ou seja, um dispositivo de armazenamento sem partes móveis, normalmente construídos em torno de um circuito integrado semicondutor. Existem dois tipos de memória Flash. A memória do tipo NOR e a do tipo NAND. Memórias Flash salvam dados em uma serie de células de memória. Essas células de memória são feitas de floating-gate MOSFETS(FGMOS). Essas FGMOS são capazes de guardar uma mudança elétrica por extensos períodos de tempo(2 a 10 anos) mesmo sem estar conectada a um abastecimento de energia elétrica. Isso simplifica muito o design dos cartões, pendrives e outros dispositivos, pois eles precisam incluir apenas os chips de memória Flash NAND, um chip controlador e as trilhas necessárias. Nada de baterias, circuitos de refresh ou qualquer coisa do gênero. O FGMOS é fabricado isolando eletricamente o gate de um transistor MOS padrão, de modo que não há conexões resistentes nesse gate (gate flutuante figura 1). Um segundo gate (mais de um no caso de transistores de múltiplos Gates) chamado de gate de controle(control gate) é então depositado acima do gate flutuante e é isolado eletricamente do primeiro por uma camada de isolante, como SiO 2. Haverá apenas conexão capacitiva entre a nova entrada (gate de controle) e o gate flutuante, porque esse ultimo é completamente rodeado por um material de altíssima resistência. Então, em termos do seu ponto de operação, gate flutuante é um nó flutuante. 32

33 Figura 31 Cada célula FGMOS relembra um MOSFET padrão, exceto que o FGMOS apresenta dois Gates ao invés de um(veja figura 2). No topo está o gate de controle, o transistor MOS ativo. Abaixo desse gate de controle, está situado o novo gate chamado de flutuante, que é isolado por todo lado por uma camada de oxido. O gate flutuante é interposto entre o gate de controle e o canal MOSFET. Por causa do gate flutuador ser isolado eletricamente pela camada de oxido, qualquer elétron instalado nele será aprisionado lá e, em condições normais, não será discartado por um grande período de tempo. Figura 32 Os nomes, NOR E NAND vêm da estrutura usada nas interconexões entre as células de memória (figura 33). 33

34 Figura 33 As células na Flash NOR são conectadas em paralelo com as linhas de bit, então, cada célula pode ser lida/escrita/apagada individualmente. Essa conexão em paralelo se assemelha bastante à conexão em paralelo de transistores CMOS NOR gate, é por isso que deriva o nome como FLASH NOR. Na memória Flash NAND, as células são conectadas em serie, lembrando a NAND gate, por isso o nome. A conexão em serie previne as células se serem programadas invividualmente. Essas células necessitam de serem lidas em serie. A disposição típica das memórias Flash é uma rede de colunas e linhas de células de transistores FGMOS como mostrado na figura 34. A linha WL(Word line) é a linha horizontal e a linha BL(bit line) é a linha vertical(fig. 34). Os Gates de controle das células FGMOS são conectados nas linhas WL. O endereço decodificado é, na verdade, aplicado a estas linhas WL. A linha BL é conectada aos drenos das células FGMOS representando o barramento de dados(data bus). A linha SL(source line) conecta as fontes(sources) do FGMOS ao terra(gnd). A combinação das tensões aplicadas na WL e BL definem a operação, se é leitura, escrita ou apagar. 34

35 Figura 34 Já sabendo as características dessa memória, vamos agora entender seu principio de funcionamento: A memória Flash salva os dados removendo ou adicionando elétrons no gate flutuante (fig. 35) Quando há elétrons no gate flutuante, não passa corrente no transistor, indicando lógica 0. Quando elétrons são removidos do gate flutuante, o transistor começa a conduzir, indicando lógica 1. Isso é alcançado aplicando-se tensão entre o gate de controle e a fonte ou o dreno. Figura 35 35

36 Operação Zerar O estado inicial(padrão) da célula de memória flash será bit 1 s, porque os Gates flutuantes não carregam cargas negativas. Para apagar a célula de memória flash(colocar em lógica 1) deve-se aplicar tensão da fonte para o gate flutuante(wl). A tensão pode ser entre -9V e 12V. Também aplica-se perto de 6V na fonte. Os elétrons do gate flutuante são então transferidos para a fonte por efeito túnel (túnel de corrente) Operação de escrita A célula Flash NOR pode ser programada, isto é, colocada com valor binário 0, pelo seguinte procedimento. Enquanto escrevendo, deve-se aplicar uma tensão perto dos 12V no gate de controle(word line). Se uma tensão de 7V é aplicada à linha BL(terminal do dreno), bit 0 é guardado na célula. O canal agora está ligado, então elétrons podem migrar da fonte para o dreno. A corrente fonte-dreno é suficientemente alta para proporcionar a passagem que os elétrons pulem a camada isolante para o gate flutuante. Por um processo chamado de injeção de elétrons quentes(hot-electrons injection fenômeno que ocorre em semicondutores ou dispositivos de estado solido, onde ou os elétrons ou os buracos ganham energia cinética suficiente para superar uma barreira potencial e então migrar para uma diferente área do dispositivo). Devido à tensão aplicada ao gate flutuante, elétrons excitados são forçados a entrar e permanecem no outro lado da fina cama de óxido, dando um potencial negativo no gate flutuante. Esse potencial negativo de elétrons age como uma barreira entre o gate de controle e o gate flutuante. Se baixa tensão é aplicada ao dreno via linha BL, a quantidade de elétrons no gate flutuante será a mesma, e o estado da lógica permanecerá, salvando bit 1. Desde que o gate flutuante é isolado por oxido, a carga acumulada nele não irá vazar, mesmo se a energia for cortada. Um dispositivo chamado célula sensorial analisa o a carga passando pelo gate flutuante. Se o fluxo é maior que 50% de um referencial, ela tem o valor 1. Já, se o valor do fluxo é abaixo de 50% do referencial, então o valor muda para 0. Por causa das ótimas propriedades isolantes do SiO 2, a carga no gate flutuante escapa muito lentamente Operação de leitura Aplica-se perto de 5V no gate de controle e perto de 1V no dreno. O estado da célula de memória é distinguido através da corrente que flui do dreno para a fonte. Para Ler o 36

37 dado, tensão é aplicada no gate de controle, então o canal do MOSFET irá estar conduzindo como ou estar isolado, baseado no referencial de tensão da célula, a qual é controlada a cada carga no gate flutuante. A corrente que flui pelo canal MOSFET é analisada e forma um código binário, reproduzindo o dado salvo. Interface da Memória Flash: A interface da memória Flash é a mesma da memória SRAM, exceto que a Flash requer tensão de programação de 12V/5V para apagar e escrever novo dado. Figura 36 Interface da Memória Flash 37