Uma das mídias mais utilizadas atualmente para transportar dados (arquivos, fotos, filmes, músicas, etc.) é o pen drive. Pequeno, com grande capacidade de armazenamento, ele pode ser transportado facilmente e custa barato. Veja neste artigo como ele funciona.
A melhor maneira de se transportar um arquivo em nossos dias é através do pen drive. Com grande capacidade, fácil de transportar, os tipos comuns comportam de 64 MB a32 GB e têm preço bastante acessíveis. Os mais baratos atualmente e mais comuns são os de 2 GB, o que significa uma capacidade equivalente a 4 CDs ou metade de um DVD, mas num tamanho muito menor com uma vantagem: podemos apagar e gravar a informação desejada quantas vezes quisermos.
Na verdade, os MP3, MP4, iPODs nada mais são do que pen drives ligados a circuitos conversores de sinais digitais em analógicos (sons) acoplados a um amplificador de áudio. Temos também como exemplos destas memórias em formatos diferentes os cartões de máquinas fotográficas e filmadoras.
Além disso, podemos encontrá-los nos mais diversos formatos, o que torna este dispositivo ideal para ser dado como brinde, o que já ocorre de forma muita intensa, conforme podemos ver pela foto abaixo, num catálogo da eBrindes.
Como funciona este dispositivo extremamente pequeno, que tipo de chip ou circuito existe no seu interior é o que veremos neste artigo.
Memória Flash
Um pen drive encontramos uma pequena placa de circuito impresso em que o componente principal é uma memória Flash ou EEPROMs (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory - Memória Somente de Leitura Apagável-Programável Eletricamente).
Esta memória pode ser programada diretamente a partir de sinais que recebe através de um conector USB (Universal Serial Bus) e sua leitura também feita através da mesma interface.
O chip de memória que encontramos nos Pen Drive é formado por uma matriz que contem um circuito como o da figura 1 para cada bit que deve ser armazenado. Assim, numa memória de 2 GB (8 Giga Bytes) temos 8 x 2 = 16 bilhões desses circuitos no chip que ocupa apenas alguns milímetros quadrados de área.
Na figura 2 temos um chip de uma memória deste tipo, como os encontrados no interior de um pen drive.
Conforme podemos ver pela figura 1, o FET é de um tipo especial que possui uma porta flutuante (floating gate) que o torna uma espécie de transistor duplo. Esta porta é separada da porta de controle por uma fina camada de óxido de modo que fica completamente isolada eletricamente do circuito. No entanto, por indução ela pode acumular cargas elétricas negativas.
Na ausência destas cargas o nível lógico da saída de dados é 1, e quando as cargas são induzidas é 0. As cargas induzidas na porta flutuante podem ficar armazenadas nela por anos. Assim podemos deixar cada transistor no nível 0 ou 1, conforme o bit que desejamos armazenar, simplesmente, induzindo ou não cargas negativas na porta flutuante. Para apagar a informação, basta então descarregar todas as cargas induzidas nesta porta.
Para essa operação de apagar ou gravar, basta usar um sinal elétrico conveniente na porta de controle, colocando o nível desejado na porta dados.
O processo de gravação é denominado Fowler-Nordweim Tunneling . Os leitores interessados podem encontrar mais informações na Wikipedia.
O que o processo faz é colocar elétrons na flutuante (floating gate) de modo que ela adquira uma carga negativa e assim o seu nível lógico possa mudar. Isso é conseguido com uma tensão normalmente entre 10 e 13 V.
O efeito desta carga é fazer com que a porta flutuante do transistor funcione como um canhão de elétrons. Os elétrons excitados são disparados de tal forma que passam para o outro lado da camada de óxido isolante, carregando assim negativa a porta flutuante.
Esses elétrons, dada sua carga negativa, funcionam como uma barreira entre a porta de controle e a porta flutuante. Um recurso especial denominado cell sensor ou sensor de célula monitora o nível da carga que passa pela porta flutuante.
Se o nível das cargas da comporta estiver acima de 50% do limiar, o valor da saída será 1. Quando o nível das cargas cair para menos de 50% do valor limiar, a saída será 0. Veja que uma memória EEPROM totalmente descarregada (apagada) tem todas as comportas abertas, resultando num nível de saída de cada célula igual a 1.
Pode-se fazer a descarga de modo que as células fiquem todas com o nível 1, pela aplicação de um campo elétrico proveniente uma tensão mais elevada. Nas denominadas memórias Flash, isso é feito por um circuito próprio que apaga blocos de uma vez e não célula por célula.
Uma vez que um bloco seja apagado, as célula podem ser novamente gravadas com a informação desejada. Assim, as denominadas memórias Flash, que são uma espécie mais moderna de EEPROMs, o fato de se fazer o apagamento por blocos as torna mais rápidas que as memórias tradicionais do mesmo tipo.
A camada de óxido isolante é extremamente eficiente nesta função, pois as cargas podem ser armazenadas durante anos, sem que o chipo perca as informações.
USB 3.0
A interface Universal Serial Bus ou USB se tornou o padrão para a conexão da maioria dos periféricos de um computador. Pela sua versatilidade que possibilita a conexão sem a necessidade de se programar previamente o dispositivo, pelo número pequeno de fios que o cabo utiliza, a USB também é utilizada na comunicação de um pen drive com o computador.
As USBs em suas versões anteriores 1.0 e 2,0, foram as mais utilizadas nas versões tradicionais de Pen Driver, muitos dos quais ainda podem ser encontrados a venda e com uma boa funcionalidade.
Mas, a chegada da USB 3.0 traz inúmero vantagens na comunicação de dispositivos externos com um computador, caso dos pen drives. A USB 3.0 é muito mais rápida com uma taxa de leitura de 80 MBs ou mesmo mais, e de leitura de 60 MBs. Usando-o na porta USB 2.0, entretanto, sua velocidade será menor, de até 30 MBs
Assim, no caso de dispositivos que estão sendo lançados, é ainda preciso usar um cabo especial para adaptar o conector USB 3.0 ao tradicional, pois o 3.0 faz uso de 4 fios a mais. A Kingston que lançou recentemente pen drives da série Ultimate Data Traveler de 16 a 64 GB com esta tecnologia, fornece o cabo adaptador para quem ainda não tem uma porta USB 3.0 no seu computador.
A dinâmica
Quando você conecta seu pen drive na USB de seu computador para gravar dados, os dados são enviados serialmente (em fila) bit a bit para um circuito que decodifica as informações que eles trazem.
Estas informações (bytes) são então encaminhadas às células que devem recebê-los, através de um circuito que gera os endereços. Cada byte gravado é acompanhado de bytes que indicam em que bloco e em que linha a informação está, para que a leitura possa ser feita posteriormente sem erros. Assim, conforme mostra a figura abaixo, uma memória de pen drive é organizada em linhas, com 8 colunas (b bits), 16 colunas para os tipos de 16 bits ou ainda 32 colunas para os de 32 bits.
Na figura acima, quando habilitamos a linha W22, por exemplo, os 5 bits aplicados nas entradas de SB21 a SB24 são gravados nos transistores de C212 a C242.
Para ler, basta habilitar as mesmas linhas com tensão apropriada e sensoriar os níveis lógicos nas mesmas saídas.
Evidentemente, este é um exemplo simplificado já que existem bilhões de células semelhantes a estas num único pen drive e, além disso temos os circuitos de leitura que geram os bits de endereçamento e fazem a leitura da saída.
Uma vez que a leitura dos dados gravados vai sendo feita eles são novamente serializados por um circuito apropriado, e enviados para o computador, entrando pela USB.
Conclusão
Com a evolução da tecnologia de fabricação dos chips de memória, as capacidades dos pen drives se tornam cada vez maiores e a velocidade tanto de leitura como de armazenamento também.
Assim, dos primeiros tipos que armazenavam apenas 64 MB, já temos os que chegam aos 64 GB, um aumento de mil vezes na capacidade, acompanhado de uma multiplicação da velocidade que não chega a tanto, mas nos surpreende quando esvaziamos ou gravamos informações nos tipos mais modernos.
