Создание сложных электронных устройств с нуля, исключительно на основе собственных разработок одного инженера, является крайне редким явлением. В большинстве случаев подобные изделия появляются на пересечении различных технологических решений и стандартов, разработанных разными специалистами в разное время. Рассмотрим, к примеру, флеш-накопитель — компактное устройство хранения данных, основанное на энергонезависимой NAND-памяти и снабжённое USB-интерфейсом для подключения к пользовательским системам. Чтобы понять, каким образом стало возможным появление таких устройств, необходимо изучить как историю развития памяти, так и эволюцию соответствующих интерфейсов.
Первые полупроводниковые запоминающие устройства с возможностью удаления информации появились в 1971 году, когда инженер Дов Фроман разработал чип EPROM.
Дов Фроман, разработчик EPROM
Эти микросхемы нашли применение в микроконтроллерах, таких как Intel 8048 и Freescale 68HC11, однако не подходили для использования в портативных накопителях. Основное ограничение EPROM заключалось в способе удаления данных: для очистки необходимо было подвергать чип воздействию ультрафиолетового излучения. Энергия фотонов вызывала освобождение электронов, накапливавшихся на плавающем затворе.
EPROM-чипы имели специальные окошки с кварцевыми стеклами для стирания информации
Такой способ удаления данных имел значительные недостатки. Во-первых, для его реализации требовалось использование мощной ультрафиолетовой лампы, при этом сам процесс занимал несколько минут. Альтернативные источники, такие как люминесцентные лампы или солнечный свет, значительно увеличивали время очистки. Во-вторых, чип не позволял выборочно удалять отдельные участки данных — информация стиралась полностью.
Следующее поколение микросхем устранило эти ограничения. В 1977 году Элай Харари разработал EEPROM — память, в которой удаление и запись данных осуществлялись исключительно с использованием электрического тока.
Элай Харари с одной из первых SD-карт
EEPROM работала на основе туннельного эффекта: электроны проходили через изолирующие слои, взаимодействуя с плавающим затвором. В отличие от EPROM, архитектура ячеек позволяла адресно считывать, записывать и удалять данные. Кроме того, ресурс перезаписи составлял до одного миллиона циклов на ячейку.
Однако для реализации электрического управления каждой ячейкой потребовалось добавление отдельного управляющего транзистора. Это значительно усложняло схему, увеличивало число соединений в массиве памяти и создавало проблемы при миниатюризации устройств.
Учитывая накопленный опыт, дальнейшие разработки были направлены на повышение плотности хранения данных. В 1984 году Фудзио Масуока из компании Toshiba представил первый прототип энергонезависимой флеш-памяти на конференции International Electron Devices Meeting, организованной IEEE.
Фудзио Масуока, разработчик флеш-памяти
Термин «флеш» был предложен инженером Сёдзи Ариидзуми, который отметил схожесть процесса удаления информации с кратковременной вспышкой света (англ. «flash»). Флеш-память использовала МОП-транзисторы с дополнительным плавающим затвором, размещённым между p-областью и управляющим затвором. Такая архитектура позволила упростить конструкцию и создавать более компактные микросхемы.
Первыми коммерческими изделиями на базе флеш-памяти стали микросхемы Intel, изготовленные по технологии NOR (Not-Or), массовое производство которых началось в 1988 году. Подобно EEPROM, их архитектура представляла собой двумерную матрицу, где каждая ячейка памяти находилась на пересечении строки и столбца. Проводники подключались к управляющим затворам транзистора, а исток соединялся с общей подложкой. Уже в 1989 году компания Toshiba представила альтернативную архитектуру — NAND. Эта структура сохраняла матричный принцип, но каждая линия включала несколько последовательно соединённых ячеек. Кроме того, использовались два МОП-транзистора: управляющий между линией передачи данных и столбцом ячеек, а также транзистор заземления.
Увеличенная плотность размещения позволила повысить ёмкость чипов, однако усложнение схемы привело к снижению скорости операций чтения и записи. В результате архитектура NOR сохранила актуальность для встраиваемых решений типа ПЗУ, в то время как NAND стала базой для создания портативных устройств хранения — SD-карт и USB-накопителей.
Распространение флеш-накопителей стало возможным в 2000 году, когда себестоимость флеш-памяти снизилась до приемлемого уровня. Первое в мире USB-устройство хранения было разработано израильской компанией M-Systems: компактный накопитель DiskOnKey («диск на брелоке») спроектировали инженеры Амир Бан, Дов Моран и Оран Огдан. Устройство объёмом 8 МБ стоило около $50 и позволяло заменить несколько 3,5-дюймовых дискет.
DiskOnKey — первый коммерчески доступный USB-накопитель, разработанный M-Systems
В США распространением DiskOnKey занималась корпорация IBM, выпустившая версию устройства с собственным логотипом. Отличие заключалось исключительно в брендинге, что впоследствии стало причиной ошибочной атрибуции изобретения американской компании.
DiskOnKey в версии IBM
Вскоре были представлены модели с увеличенной ёмкостью — 16 и 32 МБ, стоимостью около $100 и $150 соответственно. Несмотря на высокую цену, компактные размеры, ёмкость и более высокая скорость передачи данных (примерно в 10 раз быстрее, чем у дискет) обеспечили устройствам широкое распространение.
Разработка интерфейса USB
Широкое внедрение USB-накопителей стало возможным благодаря появлению спецификации Universal Serial Bus (USB) за несколько лет до этого. Стандарты подобного рода, как правило, разрабатываются в рамках консорциумов, объединяющих производителей аппаратного обеспечения, программного обеспечения и периферии, заинтересованных в унификации интерфейсов.
Аналогичный подход был реализован и при создании формата SD, разработанного в 1999 году при участии SanDisk, Toshiba и Panasonic. Новый стандарт оперативно стал отраслевым благодаря успешной технической реализации и был впоследствии передан под управление SD Card Association, включающей более тысячи компаний.
Microsoft способствовала популяризации USB, реализовав поддержку интерфейса в операционной системе Windows 95 (в составе Service Release 2), а затем встроив необходимый драйвер в Windows 98. Существенную роль в продвижении стандарта сыграла и компания Apple, представившая в 1998 году модель iMac G3 — первый персональный компьютер с исключительно USB-интерфейсами для подключения периферии.
iMac G3 — первый массовый компьютер с полной поддержкой USB
Формирование универсальной последовательной шины (USB) оказалось значительно более сложным и длительным процессом, чем может показаться. Ключевую роль в разработке стандарта сыграл не крупный корпоративный консорциум и не один из исследовательских отделов компаний, а инженер компании Intel индийского происхождения по имени Аджай Бхатт.
Аджай Бхатт, инициатор и один из разработчиков стандарта USB
Еще в 1992 году Аджай пришел к выводу, что персональные компьютеры недостаточно удобны для массового пользователя. Даже базовые операции, такие как подключение принтера и печать документов, требовали технической подготовки. Такая ситуация препятствовала широкому распространению ПК и ограничивала их аудиторию.
В Intel и Microsoft осознавали необходимость стандартизации — в это время активно развивались шина PCI и концепция Plug&Play. Однако, несмотря на актуальность идеи, непосредственный руководитель Бхатта посчитал задачу слишком сложной и нецелесообразной.
Не получив поддержки в своей команде, Аджай обратился к другим специалистам внутри Intel. Его инициатива была поддержана техническим экспертом Фредом Поллаком, известным своей работой над архитектурами Intel iAPX 432 и i960. Это позволило проекту получить начальное одобрение, но для дальнейшего продвижения требовалось участие представителей других компаний.
На согласование концепции и формирование рабочей группы ушло около полутора лет. К Бхатту присоединились Бала Кадамби, руководивший проектами PCI и Plug&Play, и Джим Паппас, специалист по системам ввода/вывода. Летом 1994 года была сформирована межкомандная группа, начавшая взаимодействие с представителями других компаний.
В течение следующего года команда провела встречи с более чем 50 компаниями — от узкоспециализированных до крупных производителей, включая Compaq, DEC, IBM и NEC. Рабочий процесс был интенсивным и включал постоянные совещания и планирование.
Несмотря на высокую нагрузку, подход дал результат: удалось сформировать несколько рабочих команд, в которые вошли инженеры из Intel, IBM, NEC, разработчики программного обеспечения, специалисты по драйверам и операционным системам, включая сотрудников Microsoft. Параллельная работа по различным направлениям обеспечила создание гибкого и универсального стандарта.
Аджай Бхатт и Бала Кадамби на вручении Европейской премии изобретателя
Команде удалось преодолеть как организационные сложности, связанные с необходимостью взаимодействия между конкурирующими компаниями, так и технические вызовы. Однако экономическая сторона проекта также требовала компромиссов. Например, стремление сократить себестоимость кабеля стало причиной выбора одностороннего USB-коннектора типа A. Создание симметричного варианта потребовало бы удвоения числа токопроводящих жил, что значительно увеличило бы цену устройства.
Снижение стоимости интерфейса было ключевым требованием со стороны участников проекта. Джим Паппас часто вспоминает звонок от **Бетси Таннер** из **Microsoft**, в котором она сообщила о планах компании отказаться от использования USB в производстве компьютерных мышей. Первоначально планируемая пропускная способность в 5 Мбит/с считалась чрезмерной, что вызывало опасения по поводу соответствия нормам электромагнитной совместимости. Это могло негативно повлиять на работу не только самих ПК, но и других периферийных устройств.
На предложение использовать экранирование **Бетси** ответила, что это увеличит стоимость кабеля: на 4 цента за фут, или 24 цента за стандартную длину в 1,8 метра. Кроме того, изоляция снижала бы гибкость кабеля, что неприемлемо для устройств ввода. В результате было принято решение о введении двух режимов передачи данных: высокоскоростного (12 Мбит/с) и низкоскоростного (1,5 Мбит/с). Первый подходил для подключения хабов и многопортовых конфигураций, второй — для базовых устройств, таких как мыши и клавиатуры.
По мнению Паппаса, именно эта ситуация стала поворотной точкой, позволившей добиться широкого распространения USB. Поддержка **Microsoft** существенно упростила продвижение стандарта, а компромиссное решение способствовало снижению стоимости и повышению привлекательности технологии для производителей.
Стандарты и история переименований
Вопрос наименований и классификации версий USB с 2013 года стал источником значительной путаницы. Организация **USB Implementers Forum** (USB-IF) ввела ряд изменений, которые затруднили ориентацию как для конечных пользователей, так и для специалистов.Изначально структура была достаточно прозрачной: USB 2.0 обеспечивал до 480 Мбит/с (60 МБ/с), а USB 3.0 — до 5 Гбит/с (640 МБ/с). Благодаря обратной совместимости устройства USB 3.0 могли подключаться к портам USB 2.0, но скорость в таких случаях ограничивалась возможностями более медленного стандарта.
31 июля 2013 года USB-IF представила новый стандарт — USB 3.1. Основная сложность возникла не столько из-за появления новой версии, сколько из-за того, что старая была переименована:
- USB 3.0 стал USB 3.1 Gen 1, без изменений в характеристиках — скорость осталась на уровне 5 Гбит/с.
- USB 3.1 Gen 2 был действительно новым стандартом: благодаря применению кодирования 128b/132b и поддержке режима full-duplex скорость увеличилась до 10 Гбит/с (1280 МБ/с).
Параллельно были введены маркетинговые обозначения: USB 3.1 Gen 1 — SuperSpeed, USB 3.1 Gen 2 — SuperSpeed+. Идея заключалась в упрощении восприятия: названия указывали на скорость, а приставка "+" обозначала более высокую производительность. Однако переименование индексов версий добавило путаницы.
Дополнительные сложности возникли после выхода спецификации USB 3.2, опубликованной 22 сентября 2017 года. Основным улучшением стало внедрение USB Type-C, позволившего использовать дополнительные линии передачи данных и увеличить скорость. Новый стандарт получил название USB 3.2 Gen 2×2 и обеспечивал до 20 Гбит/с (2560 МБ/с). Он применяется, в частности, в ряде внешних SSD-накопителей.
- USB 3.2 Gen 1 — SuperSpeed USB 5Gbps,
- USB 3.2 Gen 2 — SuperSpeed USB 10Gbps,
- USB 3.2 Gen 2×2 — SuperSpeed USB 20Gbps.
| Оригинальное название | Переименование USB-IF | Маркетинговое название | Максимальная скорость |
|---|---|---|---|
| USB 2.0 | — | — | 480 Мбит/с (60 МБ/с) |
| USB 3.0 | USB 3.1 Gen 1 → USB 3.2 Gen 1 | SuperSpeed USB 5Gbps | 5 Гбит/с (640 МБ/с) |
| USB 3.1 | USB 3.1 Gen 2 → USB 3.2 Gen 2 | SuperSpeed USB 10Gbps | 10 Гбит/с (1280 МБ/с) |
| USB 3.2 Gen 2×2 | — | SuperSpeed USB 20Gbps | 20 Гбит/с (2560 МБ/с) |