Tento článek je šestým dílem našeho nového seriálu Techbox, ve kterém budeme postupně rozebírat a vysvětlovat fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.
S mobilními telefony si pod pojmem paměťová karta vybavíme černý kousek plastu, který není větší než nehet, ale přesto dokáže úložný prostor v telefonu zvětšit až o desítky gigabajtů. Ne vždy však byly paměťové karty takto miniaturní a ani zdaleka nedosahovaly takových kapacit jako dnes.
Nejprve se však podívejme, co to vlastně paměťová karta je. Jádrem každé paměťové karty je paměť flash, kam se samotná data ukládají. Jedná se o elektricky zapisovatelnou paměť s libovolným přístupem, která je zároveň nevolatilní (semipermanentní), což znamená, že data na ní zůstanou uchována i po odpojení elektrického proudu až po dobu několika desítek let. Díky tomu, že neobsahují žádné mechanické součásti, mají tyto paměti také naprosto minimální spotřebu elektrické energie, a proti pevným diskům mají vysokou mechanickou odolnost.
Jejím duchovním otcem je doktor Fujio Masuoka, který ji se svým týmem vyvinul v laboratořích společnosti Toshiba přibližně v roce 1980 (oficiálně byla technologie představena až v roce 1984). Nový typ paměti vychází ze staršího typu pamětí EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, což česky znamená Elektricky vymazatelná a programovatelná paměť pouze pro čtení) vynalezené v roce 1978. Ta přitom vychází z ještě staršího typu EPROM, který bylo možné vymazat působením ultrafialového záření. Naproti tomu u paměti flash slouží k vymazání elektrický výboj, který může i za označení flash (česky blesk), protože připomínal tvůrcům paměti výboj blesku fotoaparátu.
Jak Flash paměť funguje
Flash paměť se skládá z pole paměťových buněk, které jsou tvořeny unipolárními tranzistory s plovoucími hradly. Každý tranzistor má přitom dvě hradla. Kromě plovoucího (FG – floating gate), izolované od okolí vrstvou oxidu, disponuje tranzistor i ovládacím hradlem (CG – control gate). Díky tomu, že je plovoucí hradlo oddělené od okolím oxidem, jsou v něm všechny elektrony, které jsou do něj přivedeny, "uvězněny" a tím je do něj uložena informace.
Když jsou elektrony uvězněny v plovoucím hradle, tak částečně ruší elektrické pole přicházející z ovládacího hradla, čím mění napětí buňky, která je nastavena na určitou hodnotu, a když je tato hodnota nižší, tak elektrický proud tranzistorem neprotéká. Pokud vystavíme buňku silnému elektrickému poli, tak se elektrony z plovoucího hradla uvolní a buňka se tak vymaže.
Existuje několik typů buněk. V případě staršího typu SLC (Single-level cell) je možné do jedné buňky uložit pouze 1 bit. Existují však ještě typy MLC (Multi-level cell) a TLC (Triple-level cell), které umožňují do jedné buňky uložit více bitů.
Výhodou SLC je, že vyšší rychlost zápisu, nižší spotřeba energie a další životnost buněk. Na druhou stranu, protože se do jedné buňky ukládá méně dat, je cena za každý MB vyšší než u MLC a TLC. Vzhledem k vyšší přenosové rychlosti a delší životnosti se SLC používá ve vysoce výkonných paměťových kartách. Většina levnějších čipů, pak používá MLC.
Kromě rozdělení flashových pamětí podle toho, kolik je možné uložit bitů do jedné buňky, se paměti dělí i podle toho, jakým jsou paměťové buňky zapojeny. Starším typem je NOR, který uvedl v roce 1988 na trh Intel. Již o rok později však Toshiba a Samsung přišli s vlastním řešení nazvaným NAND, které proti NOR nabídlo rychlejší zápis, vyšší kapacitu, desetkrát delší životnost buněk a zejména pak nižší cenu.
Postupně se od 90. letech NAND flashové paměti rozšířili jako různé druhy paměti v elektronických zařízeních. Kromě interních pamětích v různých zařízeních nebo SSD discích v počítačích se s nimi můžeme nejčastěji setkat v podobě USB flash discích nebo právě ve formě paměťových karet.
Základní parametry paměťových karet
Každá paměťová karta, bez ohledu o jaký typ se jedná, má dva základní parametry. Prvním z nich je kapacita, která se dnes udává v GB (gigabajtech). Druhým je pak rychlost, tedy jakou rychlostí jsou data na kartu zapisována a jako rychlostí jsou data z karty čtena. Stejně, jako se postupně zvyšovala kapacita paměťových karet, rostla i jejich rychlost. Zde však existují rozdíly mezi různými typy karet.
Zatímco u kapacity je označení velikosti jednoznačné, u rychlosti se můžeme setkat se dvěma typy označení. Na kartě se můžete setkat stejně tak s tím, že má rychlost „40x“, jako s označením „Class 6“. V obou případech karta nabízí shodnou rychlost. První typ označení odkazuje ještě na rychlost standardního CD-ROM a je násobkem rychlosti 153,6 kB/s. V druhém případě pak číslice prostě označuje rychlost v MB/s, tento druh označování je také přesnější. Rychlost čtení je nicméně obvykle vyšší než rychlost zápisu a výrobci často na svých kartách uvádí tu vyšší hodnotu.
Existuje celá řada typů paměťových karet
Prvním pokusem o vytvoření paměťových karet byly na počátku 90. let minulého století PCMCIA pro notebooky. Skutečný boom však začal až v polovině dekády s tím, jak se zvýšila kapacita flash pamětí a naopak snížila jejich cena. Toto masivní rozšiřování karet sebou nicméně přineslo i boj o standardy, který se nepodařilo ustanovit, a výsledkem bylo velké množství různých typů karet od různých výrobců s podobnými parametry. Existuje šest základních typů karet, od kterých se odvíjí další typy. Tyto skupiny si chronologicky seřadíme, jak se objevil jejich první zástupce:
| Název | Uvedení | Tvůrce |
|---|---|---|
| CompactFlash (CF) | 1994 | SanDisk |
| Smart Media (SM) | 1995 | Toshiba |
| MultiMediaCard (MMC) | 1997 | Siemens AG, SanDisk |
| Memory Stick (MS) | 1998 | Sony |
| Secure Digital (SD) | 1999 | Panasonic, Toshiba, SanDisk |
| xD-Picture Card (xD) | 2002 | Olympus, FujiFilm |
CompactFlash
Jako první se v roce 1994 objevily paměťové karty CompactFlash (CF), které vyvinula společnost SanDisk. Karty CompactFlash mají standardizovaném většinou kovové pouzdro s rozměry 43 x 36 mm a váží kolem 30 gramů. Existují ve dvou variantách, které se od sebe liší tloušťkou – v případě CompactFlash typ I se jedná 3,3 mm, zatímco u CompactFlash typ II je to 5 mm. Díky tomu slot pro typ II zvládne pracovat s typem I, ale do slotu pro typ I se typ II nevejde.
Tyto karty se v mobilních telefonech nikdy nepoužívaly. Od samého počátku byly určeny zejména pro digitální fotoaparáty. Odtud je postupně vytlačují další typy karet a dnes se s nimi můžeme setkat převážně u profesionálních digitálních fotoaparátů a kamer nebo jsou používány místo pevných disků v průmyslových počítačích a počítačích s nízkou spotřebou. V současnosti existují CompactFlash karty s kapacitou až 128 GB.
SmartMedia (SM)
První SmartMedia karty představila Toshiba v létě 1995. Karty, které byly určeny pro digitální fotoaparáty, MP3 přehrávače a PDA a kromě Toshiby je ve svých fotoaparátech používali další dva velcí hráči - Olympus a FujiFilm. Proti CompactFlash vyznačovaly mnohem menšími rozměry a hmotností. Toho bylo docíleno použitím technologie NAND proti NOR, kterou používá CompactFlash. Smart Media karta měla rozměry 45 × 37 × 0,76 milimetrů a vážila pouze 2 gramy. Charakteristickým znakem těchto karet byl velký zlatý nebo stříbrný konektor, který zabíral velkou část přední strany karty. V současnosti se tyto karty již nevyrábí, protože jejich maximální kapacita byla pouhých 128 MB.
MultiMediaCard (MMC)
Karty typu MultiMediaCard vyvinuli společně na základě NAND flash paměti společnosti Siemens AG a Sandisk a představili jí v roce 1997. MMC je ještě menší než byla Smart Media karta. Má rozměry zhruba poštovní známky (24 x 32 milimetrů). Je silná 1,4 milimetru a váží přibližně dva gramy. Díky tomu je použitelná v celé řadě elektronických zařízení od digitální fotoaparáty, přes MP3 přehrávače až po mobilní telefony. Dnes se MMC karty vyrábí až do velikosti 128 GB, ale postupně je vytlačují SD karty, se kterými jsou kompatibilní. Jediný rozdíl mezi oběma typy je tloušťka a počtu pinů. Kromě klasické MMC karty existuje několik podtypů. Typ MMC se už objevil v mobilním telefonu. Šlo například o Siemens SL45 z roku 2000.
Primárně jako paměťová karta pro mobilní telefony byla zamýšlena karta RS-MMC (Reduced Size Multimedia Card), která byla představena v roce 2000. Proti MMC kartě má menší rozměry 24 x 16 x 1,4 mm, ale s redukcí je jí možné použít i do slotu pro MMC karty. Jen o pár měsíců později přišla vylepšená verze DV RS-MMC (Dual Voltage Reduced Size Multimedia Card), která snížila potřebné napětí pro chod karty z 3,3 V na 1,8 V, díky čemuž šetřila baterii mobilního telefonu. Tyto karty nicméně měly jednu velkou nevýhodu a to, že jejich maximální kapacita byla pouze 2 GB.
Jedinými významnými výrobci, kteří tyto karty používali ve svých mobilních telefonech, byla Nokia (smartphony se Symbianem S60 a Nokia 770 Internet Tablet) a Siemens (řada 65 a 75). Nicméně od roku 2006 Nokia přešla na miniSD a microSD karty a Siemens se v roce 2006 zcela stáhl z mobilního byznysu.
Zásadním rokem pro budoucnost MMC karty se stal rok 2005, kdy karty přešly na nový standard MMC 4.x. Nové karty označované jako MMCplus ve velké verzi a MMCmobile ve zmenšené verzi používají osmibitovou sběrnici namísto dosavadní 1-bitové a zvýšil se i počet pinů ze 7 na 13. Tyto změny umožnily nejen zvýšit rychlost, která se již pohybuje v řádech desítek MB/s ale i prolomit dosavadní hranici 2 GB. Přesto však jsou karty verze 4.x zpětně kompatibilní s původními kartami.
Nejmenším typem MMC karty je MMCmicro, kterou původně vyvinul Samsung a pod označením S-card jí představil 13. prosince 2004. V roce 2005 však byla upravena a zavedena jako třetí velikost MMC karet organizací MultiMediaCard Association (MMCA). S rozměry 14 × 12 × 1,1 milimetrů je ještě menší a tenčí než RS-MMC. MMCmicro podporuje také duální napětí a je díky čtyřbitové sběrnici vysokorychlostní (osmibitová sběrnice ze standardu 4.x není možné použít kvůli chybějícím pinům). Maximální kapacita karty pak je 4 GB. Také zde je možné použít adaptér na standardní MMC kartu. MMCmicro se velice podobá microSD, ale dva formáty nejsou fyzicky kompatibilní a mají nekompatibilní piny. V souboji s microSD se nicméně MMCmicro neprosadila.
Memory Stick (MS)
Se svou vlastní paměťovou kartou Memory Stick přišla v roce 1998 i japonská Sony. Karty Memory Stick jsou používány zejména ve výrobcích Sony. Rozměry karty jsou 50 x 21,5 x 2,8 mm a svým protáhlým obdélníkovým tvarem připomíná plátek žvýkačky.
V první generaci měly karty Memory Stick maximální kapacitu 128 MB, ale v roce 2003 představilo Sony vylepšenou verzi Memory Stick Pro, které kromě vyšší přenosové rychlosti navýšilo maximální kapacitu na 4 GB. Od roku 2006 vyrábí Sony vysokorychlostní varianta Memory Stick PRO-HG, která je používána ve videokamerách s vysokým rozlišením (HD). V současnosti je největší kapacita, se kterou se karty Memory Stick Pro nabízí 32 GB. Na začátku ledna 2009 však Sony a SanDisk oznámily nový formát Memory Stick XC. Karta má stejné rozměry jako série Pro, ale její maximální teoretická kapacita jsou 2 TB.
Stejně jako u MMC a SD karet existují karty Memory Stick i menších velikostech. V roce 2003 byla představena karta Memory Stick Duo, která měla zhruba dvoutřetinovou délku proti originální kartě Memory Stick (31 x 20 x 1,6 mm), ale jinak si zachovávala parametry původní karty Memory Stick, včetně nižší přenosové rychlosti a maximální kapacity 128. Proto byla záhy nahrazena verzí Memory Stick Pro Duo a od roku 2006 vyrábí Sony i variantu Memory Stick PRO-HG Duo.
Secure Digital (SD)
Dnes nejpopulárnější a nejrozšířenější paměťová karta Secure Digital se objevila na trhu v roce 1999 a je výsledkem spolupráce společností Panasonic, Toshiba a SanDisk. Důvodem, proč jsou SD karty tak populární jsou zejména velmi nízká a rychle klesající pořizovací cena, minimální poruchovost, miniaturní provedení, dobrá přenosová rychlost, veliké rozšíření a univerzálnost.
SD karta vychází z MMC karty a je s ní kompatibilní. Do slotu pro SD kartu můžete vložit i MMC kartu. Opačně to však nejde. Její rozměry jsou 24x32 milimetrů a jsou tak shodné s MMC kartou. SD karta však má v pase 2,1 milimetrů, zatímco MMC pouze 1,4 milimetrů. Hmotnost SD karty se pak pohybuje kolem dvou gramů.
SD karty používají 9 pinů a na boku mají posuvný zámek, který v pozici LOCK znemožňuje jakoukoli manipulaci s obsahem karty. Další zabezpečení obsahu karty je již složitější. Každá karta má své unikátní ID (identifikační číslo) a připojuje přes SD/SPI rozhraní. To ji chrání před nelegálním kopírováním obsahu karty.
Maximální kapacita SD karet je 2 GB, což s postupným vývojem digitálních fotoaparátů a dalších elektronických zařízení ukázalo jako nedostatečné, proto byl v roce 2006 ohlášen nový typ nazvaný SDHC. Zatímco původní SD karta používala souborový systém FAT16, tak nová SDHC již používá FAT32, díky čemuž se její velikosti pohybují mez 4 až 32 GB. Jejich nevýhodou nicméně je, že je některé starší čtečky SD karet nedokáží přečíst vůbec nebo s výrazně nižší přenosovou rychlostí. U těchto karet totiž platí, že čím starší nebo univerzálnější čtečka, tím nižší je přenosová rychlost.
Další generací SD karet je SDXC (Secure Digital eXtended Capacity), která používá souborový eFAT, který na rozdíl od FAT32 podporuje i soubory větší než 4GB. Drtivá většina zařízení nicméně tento souborový systém ještě nedokáže zcela využít. První SDXC kartu vyrobila v polovině roku 2009 společnost Pretec a sériová výroba SDXC karet začala v polovině prosince 2009. Na konci roku 2012 představil Lexar první 256GB SDXC kartu založenou na 20 nm NAND technologie, ale teoretická maximální kapacita SDXC karet jsou 2TB.
Ani SD se neomezují pouze na jednu velikost, ale s miniaturizací elektroniky jsou potřeba i stále menší a menší paměťové karty. Jako první se v roce 2003 na trhu objevila miniSD karta. Její rozměry jsou 21,5x20x1,4 milimetrů a váží 0,8 gramů. Od velké SD karty se liší také tím, že nemá devět, ale 11 pinů. Jinak existuje ve všech třech verzích, jako velká SD karta. Zpravidla je dodávána s adaptérem na SD kartu.
Ještě menší než miniSD karta, je pak microSD karta, se kterou většina z vás setkává ve svých mobilních telefonech, tabletech, GPS navigacích, MP3 přehrávačích a další elektronice. Vyvinula jí společnost SanDisk pod označením T-Card nebo také TransFlash a poté, co jí přijala organizace SD Card Association (SDA) jako standard, byla přejmenována na microSD.
Na trhu se objevila v roce 2009 a v současnosti je nejmenší komerčně vyráběná paměťovou kartu na světě. Její rozměry jsou 15x11x1 milimetr, co je přibližně velikost lidského nehtu a čtvrtina velikosti SD karty. Její hmotnost je pak pouhých 0,25 gramů. Stejně jako miniSD karta i microSD existuje ve verzi SDHC a SDXC.
Pro microSD karty existuje celá řada adaptérů. Kromě redukcí na miniSD a SD karty se můžeme setkat i s redukcemi na konkurenční Memory Stick Duo nebo pro zapojení do USB.
xD-Picture Card (xD)
Vývojově nejmladším typem paměťových karet jsou xD-Picture Card (xD), které se objevily v roce 2002. Vyvinuly je Olympus a Fujifilm na základě dnes již nepoužívaných karet Smart Media. Jsou určeny zejména pro použití v digitálních fotoaparátech, ale kromě fotoaparátů obou značek se používají i například v diktafonech Olympus a MP3 přehrávačích Fujifilm.
Karty xD mají rozměry 20 × 25 × 1,78 mm a váhu 2,8 gramů. Tento typ karet nemá na rozdíl od ostatních typů řadič a ke kontaktu používá 18 pinů. Karty jsou vyráběny v kapacitách 16 MB, 32 MB, 64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 GB a 2 GB. Existuje několik variant těchto karet. Původní verze Standard, která měla maximální kapacitu 512 MB, se již nevyrábí. Dnes jsou na trhu tři varianty H, M a M+.
Typ M se začal prodávat v únoru 2005. Využívá architekturu MLC, díky čemuž je jeho teoretická maximální kapacita 8 GB. To je však vykoupeno nižší rychlostí zápisu. V listopadu 2005 byl uveden na trh v listopadu 2005, který nabízí 2-3x vyšší rychlost proti typu M a navíc obsahuje i speciální obbrazové efekty, které jsou však přístupné pouze u fotoaparátů Olympus. V dubnu 2008 byl uveden na trh typ M+, který se vyrábí v kapacitách 1 a 2 GB, a je plně kompatibilní s typem M. Proti němu však nabízí 1,5x vyšší rychlost.
Karty xD jsou proti SM, MMC a MS rychlejší a mají nižší spotřebu energie, ale v porovnání s kartami se stejně velkou kapacitou jiných druhů jsou dvakrát dražší. To způsobuje, že je postupně vytlačují SD karty i u výrobků Olympusu a Fijifilmu.
Budoucnost paměťových karet
V dohledné budoucnosti se jistě dočkáme dalšího poklesu cen paměťových karet a růst jejich kapacity, i ta však má své meze a tak je již nyní jisté, že flashové paměti budou nahrazeny něčím jiným a efektivnějším. Vědci v tomto ohledu sází především na nanotechnologie. Velice slibně se jeví tzv. memrezistory, nanostruktury z oxidu titaničitého.
Jedná se o drobné trubičky, které mění svůj průměr a podle jaký mají průměr, se chovají jako izolant (malý průměr) nebo vodič (velký průměr). Společnost HP, která plánuje již na letošek první paměti založené na memrezistorech, jejichž kapacita by měla začínat na zhruba 20 GB na čtvereční centimetr. Tyto paměti budou nejen levnější a výkonnější než flash paměti, ale navíc umožňují neomezené množství přepisování.
