O que é a memória flash NAND?

O termo “NAND” combina “NOT” e “AND”, referindo-se à porta lógica que controla a estrutura interna de uma célula NAND.

Além de sua alta densidade de armazenamento e não volatilidade, a memória flash NAND se destaca por transferência rápida de dados, durabilidade e baixo consumo de energia. Essas características tornaram a memória flash NAND a solução de armazenamento dominante para produtos eletrônicos pessoais do dia a dia, desde smartphones a câmeras digitais, consoles de jogos e tablets.

Em níveis empresariais e industriais, exemplos de uso de NAND incluem data centers, sistemas automotivos embarcados, equipamentos de imagem médica e infraestrutura de telecomunicações.

Impulsionado pela crescente demanda por armazenamento de dados em aplicações para consumidores e empresas, o mercado de memória flash NAND deverá crescer de USD 55,73 bilhões em 2025 para USD 72,60 bilhões em 2030. Esse crescimento reflete uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 5,43% durante o período.¹ O crescimento é impulsionado pelo investimento em infraestrutura de IA, maior adoção de SSD em dispositivos eletrônicos e tecnologia de chip 3D que reduz os custos de armazenamento.

A memória flash NAND também está desempenhando um papel fundamental na adoção da IA generativa em nível empresarial. As aplicações de IA generativa exigem grandes quantidades de armazenamento para dados e conteúdo de treinamento, incluindo texto, imagens e vídeos, que são armazenados em SSDs alimentados por chips de memória flash NAND.

Ao contrário de memórias voláteis como a DRAM (memória dinâmica de acesso aleatório), que perdem os dados quando a energia é interrompida, a NAND é uma memória não volátil que retém informações ao aprisionar carga elétrica em suas portas flutuantes.

A memória flash NAND é usada para armazenar dados usando componentes especiais chamados transistores de porta flutuante. Esses transistores são organizados em um padrão de série que funciona como uma porta lógica NAND, um circuito digital fundamental que processa sinais binários (uns e zeros) usando operações "NOT" e "AND".

Cada célula de memória no flash NAND contém duas partes principais: uma porta de controle e uma porta flutuante, separadas por uma fina camada de material óxido. Pense nisso como um pequeno contêiner que pode capturar uma carga elétrica.

As operações de gravação em células NAND começam quando a carga elétrica é aplicada por meio de um processo chamado tunelamento de Fowler-Nordheim. Essa carga empurra os elétrons para a porta flutuante, onde ficam presos, representando um valor binário. Para apagar dados, a carga é simplesmente removida da célula, liberando os elétrons presos.

O que torna o flash NAND eficiente é sua arquitetura baseada em blocos. Em vez de gravar ou apagar dados um bit por vez, o NAND processa as informações em grandes blocos. Esse processo o torna ideal para operações sequenciais e armazenamento em grande escala.

Os benefícios da memória flash NAND incluem:

• Armazenamento não volátil: pode reter dados mesmo quando não há energia, o que permite o armazenamento persistente de sistemas operacionais, aplicações e arquivos de usuários.

• Baixa latência: acelera as velocidades de acesso a dados para aplicações de alto desempenho e computação intensiva de dados.

• Alta densidade de armazenamento: incorpora grande capacidade de armazenamento em formatos compactos, desde cartões microSD até SSDs corporativos.

• Eficiência energética: precisa de menos energia do que as unidades mecânicas, o que prolonga a vida útil da bateria e reduz os custos de data center.

• Durabilidade: mais resistente a choques físicos e vibração do que os dispositivos de armazenamento hard disk drive (HDD), pois não possui partes móveis.

• Confiabilidade: taxas de falha mais baixas e técnicas de nivelamento de desgaste garantem um desempenho consistente, apoiando a resiliência cibernética e a continuidade de negócios.

A base da memória flash NAND começou com o desenvolvimento do MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) em 1960, que permitiu a miniaturização em massa dos dispositivos eletrônicos.

Em 1967, Dawon Kahng e Simon Min Sze, pesquisadores da Bell Labs, propuseram que a porta flutuante de um MOSFET pudesse ser reutilizada como memória reprogramável somente para leitura (ROM).

Esse conceito estabeleceu as bases para tecnologias de memória apagável. Em 1971, o engenheiro da Intel Dov Frohman inventou a EPROM (erasable programmable read-only memory), que usava luz ultravioleta para apagar dados através de uma janela transparente no chip.

O próximo avanço veio com a EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) no final dos anos 70 e início dos anos 80. Diferentemente das EPROMs, as EEPROMs podiam ser apagadas por meio de sinais elétricos. Essa inovação representou uma melhoria significativa em termos de praticidade e funcionalidade.

A memória flash surgiu na década de 1980 através do trabalho do Dr. Fujio Masuoka, da Toshiba. O termo "flash" veio de um colega que observou que os dados poderiam ser apagados do chip "tão rápido quanto um flash de câmera".

Ao longo dos anos 2000 e 2010, os fabricantes fizeram avanços significativos na densidade, no desempenho e na confiabilidade da memória flash NAND por meio de inovações no design das células e nas técnicas de fabricação. Essas inovações transformaram a memória flash NAND de uma tecnologia de armazenamento de nicho na base do armazenamento moderno de dados.

Existem dois tipos de memória flash: NOR flash e NAND flash.

A flash NAND usa portas lógicas booleanas “NOT AND” com células de memória organizadas em série, priorizando a densidade de armazenamento e operações sequenciais para necessidades de armazenamento de alta capacidade.

A flash NOR usa portas lógicas booleanas “NOT OR” com células de memória flash conectadas em paralelo, permitindo que bytes individuais sejam lidos e programados de forma rápida. Esse processo torna a memória flash NOR muito adequada para aplicações que exigem a execução de código diretamente da memória, como firmware, chips de BIOS e sistemas embarcados. No entanto, a flash NOR tem velocidades de gravação e apagamento mais lentas, densidade de armazenamento mais baixa e custos mais altos por bit.

Embora a flash NOR continue sendo importante para tarefas de execução de código, a flash NAND se tornou a principal tecnologia de armazenamento para a maioria das aplicações.

Os tipos de memória flash NAND são classificados pelo número de bits que as células individuais podem armazenar. Cada tipo tem classificações de resistência diferentes medidas em ciclos de P/E (ciclos de programar ou apagar).

Entre eles:

• SLC (single-level cell): SLC, ou células de nível único, armazenam um bit por célula. Embora a memória NAND SLC seja a mais cara por gigabyte, ela oferece o melhor desempenho, confiabilidade e durabilidade, com até 100.000 ciclos de apagamento. É usada em ambientes corporativos que executam cargas de trabalho empresariais de missão crítica.

• MLC (multi-level cell): MLC, ou células de vários níveis, armazenam dois bits por célula. Ele dobra a densidade de armazenamento do SLC e reduz o custo por gigabyte, mas é mais lento. Oferecendo um custo intermediário, a MLC é incorporada em muitos SSDs para consumidores ou em estações de trabalho profissionais, onde a resistência é menos crítica.

• TLC (triple-level cell): TLC, ou células de nível triplo, armazenam três bits por célula. O TLC oferece menor resistência do que a SLC e a MLC porque tem apenas 3.000 ciclos de P/E. No entanto, oferece uma densidade maior para armazenar dados a um custo menor e é frequentemente usada em produtos SSD de consumo convencionais.

• QLC (quad-level cell): QLC, ou células de quatro níveis, armazenam quatro bits por célula. Essa especificação maximiza a capacidade de armazenamento e minimiza o custo por gigabyte, tornando-a ideal para cargas de trabalho de uso intensivo de leitura (por exemplo, streaming, arquivamento, armazenamento de arquivo), em que a resistência do ciclo de gravação é menos crítico. A QLC também depende muito da correção avançada de erros para preservar a integridade dos dados.

SLC, ou células de nível único, armazenam um bit por célula. Embora a memória NAND SLC seja a mais cara por gigabyte, ela oferece o melhor desempenho, confiabilidade e durabilidade, com até 100.000 ciclos de apagamento. É usada em ambientes corporativos que executam cargas de trabalho empresariais de missão crítica.

Os SSDs modernos usam memória 3D NAND, um tipo de arquitetura que empilha várias camadas de células de memória verticalmente em pastilhas de silício. Em comparação com a NAND 2D mais antiga, que organiza as células de memória em uma matriz plana, a 3D NAND permite acomodar um número maior de células de memória no mesmo espaço. Esse recurso otimiza a densidade e a capacidade de armazenamento de dados e o custo geral por bit de dados, permitindo mais células de memória.

Segundo um relatório da S&S Insider, o mercado de memória flash 3D NAND foi avaliado em USD 17,59 bilhões em 2023. Também é esperado que atinja US$ 75,44 bilhões até 2032, crescendo a uma CAGR de 17,61% de 2024-2032.²

A tecnologia 3D NAND desempenha um papel essencial no armazenamento de dados na era da inteligência artificial (IA). Com velocidades de gravação até 50% mais rápidas do que as soluções NAND tradicionais, os SSDs com tecnologia 3D NAND e matriz all-flash estão sendo usados como armazenamento para IA generativa. Isso permite o acesso rápido a modelos pré-treinados e grandes conjuntos de dados próximos às unidades de processamento. Ao reduzir a latência de recuperação de dados, a tecnologia 3D NAND melhora o desempenho dos fluxos de trabalho de IA e aprendizado de máquina (ML).