O que é memória flash?

A palavra "flash" é sinônimo de velocidade. Um flash é um breve lampejo de luz, que acontece rapidamente e se dissipa. “Flash cards” tradicionais são métodos de ensino rápidos para reforço de memorização. E o herói Flash, o mais veloz de todos, é capaz de ultrapassar até o Superman em velocidade.

Dispositivos de memória flash são amplamente utilizados e armazenam dados para finalidades muito específicas. Eles são encontrados comumente em uma variedade de dispositivos portáteis, como unidades flash USB, smartphones, câmeras digitais, videogames, tablets, cartões de memória flash e cartões SD.

Além disso, a memória flash atualmente assume algumas das funções anteriormente reservadas aos discos rígidos. Por exemplo, ao ligar um computador, ele executa uma sequência de inicialização conhecida como Basic Input/Output System (BIOS). Inicialmente, o BIOS era armazenado em chips de memória somente de leitura (ROM). Com o tempo, passou a ser gravado em memória flash, permitindo reescrita sem a necessidade de remover fisicamente o chip da placa-mãe.

A memória flash armazena dados em células de memória flash baseadas em transistores de porta flutuantes. As células de memória dos chips de memória flash são compostas por transistores, que atuam como interruptores de roteamento da corrente elétrica que passa por aquela célula de memória flash.

Os chips de memória flash são organizados em grades, semelhantes a blocos urbanos. As células de memória são distribuídas em linhas, conhecidas como bit lines. Tal como em blocos de cidade, esses chips possuem interseções, e em cada interseção há um transistor. Cada transistor possui duas portas (gates).

Uma delas é a porta de controle, que fica na camada superior do transistor. A outra porta é chamada de porta flutuante, assim chamada porque ela efetivamente flutua entre a porta de controle e a camada superior do chip transistor MOSFET.

Além disso, há uma camada fina de separação entre a porta de controle e a porta flutuante, conhecida como camada de óxido, embora ela seja feita de dióxido de silício (SiO₂).

A quantidade específica de memória flash determina se o uso dessa memória se enquadra em uma classificação de baixa, média ou alta densidade. Gravações com densidade mais alta refletem maiores quantidades de memória flash.

Quase todo o progresso na computação ocorreu por meio de um processo cumulativo. Primeiro veio o desenvolvimento das primeiras unidades centrais de processamento (CPUs). Em 1960, foi criado o transistor MOSFET, que possibilitou a miniaturização em massa do setor eletrônico.

Em 1967, dois pesquisadores da Bell Labs (Dawon Kahng e Simon Min Sze) sugeriram que a porta flutuante de um MOSFET poderia ser reaproveitada como uma fonte de memória somente leitura reprogramável (ROM). Em 1971, o engenheiro da Intel, Dov Frohman, inventou a memória somente leitura programável e apagável (EPROM). As EPROMs podem ser rapidamente identificadas visualmente porque todas apresentam uma janela transparente no topo do chip.

O próximo passo incremental envolveu a criação da memória apagável e programável eletricamente (EEPROM), outra forma de programa apagável eletricamente. As EEPROMs foram desenvolvidas no final dos anos 1970 e início dos anos 1980 como uma evolução das EPROMs.

EPROMs e EEPROMs diferem principalmente na forma como ocorre a exclusão de dados em cada uma. Os dados em uma EPROM podem ser apagados pela exposição à radiação ultravioleta (UV), enquanto as EEPROMs devem ser apagadas usando sinais elétricos.

A memória flash como conhecemos hoje surgiu nos anos 1980, graças ao trabalho pioneiro do Dr. Fujio Masuoka, que a inventou durante seu tempo na Toshiba, a gigante japonesa de manufatura.

Um colega do inventor notou a rapidez com que todos os dados de um chip semicondutor poderiam ser apagados — como se esse processo correspondesse à velocidade da unidade de flash de uma câmera. A memória flash havia nascido e agora tinha seu nome.

Existem dois tipos básicos de tecnologia de memória flash, cada um com sua própria arquitetura e algoritmos. Além disso, cada meio de armazenamento oferece suas próprias vantagens e desvantagens.

A memória flash NAND recebe seu nome da combinação dos termos “NOT” e “AND”. Isso faz referência ao tipo de porta lógica que controla o circuito interno de uma célula NAND.

Quando uma célula NAND está sendo programada, uma corrente elétrica atinge a porta de controle e os elétrons fluem para a porta flutuante, criando uma carga positiva líquida que interrompe o fluxo de corrente. A camada de óxido mantém a porta flutuante isolada, de modo que quaisquer elétrons na porta flutuante sejam mantidos lá, juntamente com os dados que estão sendo armazenados. Isso é o que dá à memória flash a capacidade de manter uma carga elétrica e reter dados.

Apagar uma célula NAND é um processo rápido, já que ela é projetada para excluir blocos inteiros de dados de uma vez. Mais uma vez, uma carga elétrica é aplicada à célula de memória, fazendo com que os elétrons (e os dados) presos na porta flutuante sejam drenados de volta para a camada inferior de isolamento no chip, apagando efetivamente a célula de memória.

Produzir chips de memória flash NAND não é simples nem rápido.¹ Estima-se que mais de 800 processos de fabricação distintos estejam envolvidos, bem como cerca de um mês para criar um "wafer" NAND, que geralmente tem o tamanho de uma pizza média com 12 polegadas de comprimento. Chips NAND individuais — aproximadamente do tamanho da unha de um dedo humano — são cortados desses wafers e classificados de acordo com a qualidade do chip e utilidade geral.

Os chips NAND oferecem muitas vantagens. Para começar, os chips NAND não contêm partes móveis, o que os torna mais robustos e capazes de operar mesmo quando sofrem choques mecânicos, temperaturas operacionais excessivas ou alta pressão. Nesse sentido, a operação do chip NAND se compara favoravelmente às unidades de disco rígido (HDD) que são mais sujeitas à vibração.

Por outro lado, o uso de NAND também tem suas desvantagens. A principal delas é que esse meio de armazenamento não permite um número infinito de regravações. Os chips NAND podem ser regravados apenas um número limitado de vezes, o que limita sua utilidade ao longo do tempo.

Além disso, a memória flash NAND está sujeita às mesmas restrições que outros sistemas ou dispositivos, o que significa que as organizações estão transbordando de dados e as células de memória NAND tiveram que acompanhar o ritmo projetando novas formas de células de memória. O que começou com a memória de célula de nível único (SLC) e o armazenamento de um bit para cada célula e dois níveis de carga aumentou ao longo do tempo, resultando na criação de células multinível (MLCs), células de nível triplo (TLCs) e até células de nível quádruplo (QLC).

Semelhante à sua contraparte NAND, o nome da memória flash NOR é uma combinação de duas palavras: “NOT” e “OR”, uma referência ao tipo de porta lógica que controla o circuito interno da célula NOR.

Na memória flash NOR, as células de memória são conectadas em paralelo às linhas de bits. Isso permite que sejam lidas e programadas individualmente. Uma extremidade de cada célula de memória é conectada à terra, e a outra a uma linha de bits.

As principais vantagens da NOR são sua velocidade de leitura, um alto número de reescritas possíveis e sua capacidade de acomodar dados de acesso aleatório. Isso torna as portas NOR perfeitas para uso em sistemas municipais de semáforos, automação industrial, sistemas de alarme, design de circuitos digitais e dispositivos eletrônicos. Outra vantagem importante da flash NOR é o fato de que os dispositivos NOR podem lidar com o armazenamento de dados e a execução de código com um único dispositivo ao usar a flash NOR.

Em termos de suas desvantagens, a memória flash NOR emprega um tamanho de célula maior. Isso resulta em velocidades de gravação e eliminação mais lentas do que a memória flash NAND.

Continue lendo para saber mais sobre as diferenças entre os dois tipos de memória flash.

Uma das principais diferenças de design entre a tecnologia flash NAND e a tecnologia flash NOR é a maneira como as células de memória são distribuídas dentro de um semicondutor. Nos chips NAND, essas células são alinhadas verticalmente. Nos chips NOR, as células de memória são organizadas horizontalmente. Essa diferença de design faz com que esses sistemas de memória funcionem de forma diferente, com diferentes taxas de velocidade e desempenho.

As tecnologias NAND normalmente apresentam latência entre 80 microssegundos e 120 microssegundos, enquanto é comum considerar que a latência da memória flash NOR varia entre 160 nanosegundos e 210 nanosegundos — demonstrando que a NOR tende a ter latência ainda menor.

Estima-se que a vida útil típica da memória flash NAND esteja entre três e cinco anos. Em forte contraste, estimativas sobre a vida útil da memória flash NOR variam de 20 anos até mais de 100 anos.

Outra área de diferença entre as tecnologias NAND e NOR envolve a quantidade de eletricidade necessária para cada uma. No entanto, o consumo de energia de cada uma implica um equilíbrio. Por exemplo, o NAND consome menos energia durante seus procedimentos de inicialização, mas utiliza mais corrente elétrica quando está em modo de espera. Isso difere completamente do NOR, que consome mais corrente elétrica ao ser ligado, mas utiliza menos energia enquanto permanece em espera.

A quantidade de energia consumida durante o “trabalho” realizado por cada uma é aproximadamente comparável, embora essa medição dependa da taxa de uso da memória, o que varia conforme as atividades executadas por cada tecnologia. O NOR é especializado em leituras rápidas de dados e consome menos energia durante essas operações. Ao escrever e apagar dados, o NAND consome menos energia do que o NOR.

Vale observar que nem a memória flash NAND nem a memória flash NOR conseguem se aproximar das velocidades de processamento alcançadas rotineiramente por outros tipos de memória. A memória cache é frequentemente considerada a memória mais rápida de todas, devido à sua posição estratégica entre a memória de acesso aleatório (RAM) e a unidade central de processamento (CPU) de um computador.

Além disso, não há uma resposta definitiva sobre se o NAND é mais rápido que o NOR ou vice-versa. Isso depende da aplicação imediata em que estão sendo utilizados. Se a comparação for baseada em leituras rápidas, então o NOR é mais rápido. Se a comparação for sobre execução de tarefas e gerenciamento de dados, o NAND é mais rápido.

Da mesma forma, nem o NAND nem o NOR conseguem acompanhar a memória dinâmica de acesso aleatório (DRAM), uma forma única de RAM que atinge velocidades de alto desempenho até 100 vezes superiores às do NAND e oferece armazenamento temporário de arquivos durante a operação de aplicativos ou programas. (Também vale observar, no entanto, que a DRAM é uma memória volátil, ou seja, sua maior utilidade está em apoiar o processamento em tempo real, já que, ao ser desligada ou perder energia, ela perde todos os dados com os quais estava trabalhando.)

Outro diferencial importante é que a memória flash NAND oferece capacidade de armazenamento substancialmente maior do que a NOR, que normalmente é disponibilizada em incrementos de 64 Mb a 2 Gb, enquanto as soluções de armazenamento NAND variam de 1 Gb a 16 Gb — o que torna a capacidade máxima do NAND até oito vezes maior que a do NOR.

Existem ainda outras diferenças importantes entre o NAND e o NOR, relacionadas às finalidades para as quais cada um é mais indicado. Costuma-se sugerir que o NAND é mais adequado para realizar processos “em profundidade”, como regravações e exclusões de blocos de dados, enquanto o NOR se destaca em buscas rápidas de dados menos complexos.