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Qu’est-ce que la mémoire flash ?
Date de publication : 27 juin 2024
Contributeurs : Phill Powell, Ian Smalley
La mémoire flash est une forme de mémoire non volatile avec stockage continu, même sans source d’alimentation. Elle permet des réécritures et des suppressions de blocs de données au niveau de l’octet.
Le terme « flash » est synonyme de rapidité. Un flash est un bref éclair de lumière : il se produit soudainement, puis s’arrête. Les « cartes flash » traditionnelles sont des aides à l’apprentissage rapide conçues pour renforcer les techniques de mémorisation. Flash, le super-héros le plus rapide de tous, peut faire la course contre Superman et le laisser dans un nuage de poussière.
Les dispositifs de mémoire flash sont largement utilisés et stockent des données à des fins très spécifiques. On les trouve couramment dans toute une série d’appareils portables, tels que les clés USB, les smartphones, les appareils photo numériques, les jeux vidéo, les tablettes électroniques, les cartes mémoire flash et les cartes SD.
En outre, la mémoire flash comporte maintenant certaines des fonctionnalités autrefois réservées aux unités de disque dur des ordinateurs. Par exemple, lorsqu’un ordinateur est mis sous tension, la machine passe par une séquence d’amorçage connue sous le nom de système d’entrée/sortie de base (BIOS). Le micrologiciel qui contenait le BIOS auparavant nécessitait l’utilisation d’une puce de mémoire en lecture seule (ROM). Les systèmes ultérieurs sont passés à la mémoire flash pour le BIOS afin que le contenu puisse être réécrit sans avoir à extraire la puce de la carte système.
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La mémoire flash stocke les données dans des cellules de mémoire flash basées sur des transistors à grille flottante. Les cellules de mémoire informatique des puces de mémoire flash sont constituées de transistors, qui servent de commutateurs d’acheminement pour le courant électrique passant par la cellule de mémoire flash.
Les puces de mémoire flash sont disposées en grilles, un peu comme des pâtés de maison. Les cellules de mémoire sont réparties en rangées, celles-ci étant appelées rangées de bit. Comme les pâtés de maison, ces puces contiennent des intersections et chaque intersection comporte un transistor. À leur tour, ces transistors ont chacun deux portes.
L’une d’entre elles est la porte de contrôle, située sur la couche supérieure du transistor. L’autre porte est appelée porte flottante, ainsi nommée parce qu’elle flotte effectivement entre la porte de contrôle et la couche supérieure de la puce du transistor MOSFET.
De plus, il existe une fine couche de séparation entre la porte de contrôle et la porte flottante, appelée couche d’oxyde, bien qu’elle soit composée de dioxyde de silicium (SiO2).
La quantité particulière de mémoire flash indique si son utilisation relève d’une classification de faible densité, de densité moyenne ou de haute densité. Des spécifications de densité plus élevée indiquent des quantités de mémoire flash plus importantes.
Presque toutes les avancées dans le domaine de l’informatique sont le résultat d’un processus cumulatif. Ce fut tout d’abord le développement des premières unités centrales de traitement (CPU). Le transistor MOSFET est apparu en 1960, permettant de miniaturiser en masse l’industrie électronique.
En 1967, deux chercheurs de Bell Labs (Dawon Kahng et Simon Min Sze) ont suggéré que la porte flottante d’un MOSFET pourrait être réutilisée comme source de mémoire en lecture seule (ROM) reprogrammable. En 1971, l’ingénieur d’Intel Dov Frohman invente la mémoire programmable effaçable (EPROM). Les EPROM se repèrent facilement car elles comportent toutes une fenêtre transparente visibles sur le dessus de la puce.
L’étape suivante a vu la création d’une mémoire morte programmable effaçable électriquement (EEPROM), une autre forme de programme effaçable électriquement. Les EEPROM ont été développées à la fin des années 1970 et début des années 1980 en tant qu’évolution des EPROM.
Les EPROM et les EEPROM diffèrent notablement par la manière dont l’effacement des données se produit. Les données d’une EPROM peuvent être effacées par la présence de rayons ultraviolets (UV), tandis que les EEPROM doivent être effacées en utilisant des signaux électriques.
La mémoire flash telle que nous la connaissons a vu le jour dans les années 1980 grâce aux travaux novateurs du Dr Fujio Masuoka, qui a inventé la mémoire flash alors qu’il travaillait chez Toshiba, le géant japonais de la fabrication.
Un collègue de l’inventeur a remarqué la rapidité avec laquelle toutes les données d’une puce semi-conductrice pouvaient être effacées, comme si ce processus correspondait à la vitesse du flash d’un appareil photo. La mémoire flash était née et porte désormais ce nom.
Il existe deux types fondamentaux de technologie de mémoire flash, chacune ayant sa propre architecture et ses propres algorithmes. De plus, chaque support de stockage présente ses propres avantages et inconvénients.
Mémoire flash NAND
La mémoire flash NAND doit son nom à la combinaison de « NOT » et « AND » en référence à la porte logique qui contrôle les circuits internes d’une cellule NAND.
Lorsqu’une cellule NAND est programmée, un courant électrique atteint la porte de contrôle et les électrons circulent sur la grille flottante, créant ainsi une charge positive nette qui interrompt le flux de courant. La couche d’oxyde maintient la porte flottante isolée, de sorte que tous les électrons sur la grille flottante y sont conservés, ainsi que les données stockées. C’est ce qui donne à la mémoire flash la capacité de contenir une charge électrique et de conserver des données.
L’effacement d’une cellule NAND est rapide, car il est conçu pour supprimer des blocs entiers de données. Là aussi, une charge électrique est appliquée à la cellule mémoire, ce qui a pour effet de refouler les électrons (et les données) qui ont été piégés dans la grille flottante vers une couche d’isolation inférieure de la puce. La cellule mémoire est ainsi effacée.
La production de puces de mémoire flash NAND n’est ni simple ni rapide.1 On estime que plus de 800 processus de fabrication distincts sont impliqués, et qu’il faut environ un mois pour créer une « plaquette » NAND (wafer), généralement de la taille d’une pizza moyenne d’un diamètre de 30 cm (12 po). Des puces NAND individuelles (à peu près de la taille d’un ongle) sont découpées dans ces plaquettes et classées en fonction de la qualité de la puce et de son utilité globale.
Les puces NAND offrent de nombreux avantages. Tout d’abord, elles ne contiennent pas de pièces mobiles. Elles sont donc plus robustes et capables de fonctionner même en cas de chocs mécaniques, de températures de fonctionnement excessives ou de haute pression. À cet égard, une puce NAND fonctionne mieux que les disques durs (HDD) qui sont davantage soumis aux vibrations.
Cependant, l’utilisation de puces NAND présente aussi des inconvénients. En particulier, ce support de stockage n’est pas illimité et ne permet pas un nombre infini de réécritures dans la mémoire. Les puces NAND ne peuvent être réécrites qu’un certain nombre de fois, ce qui limite leur utilité dans le temps.
De plus, la mémoire flash NAND est soumise aux mêmes contraintes que les autres systèmes ou appareils, c’est-à-dire que les organisations doivent traiter un tel volume de données que la technologie NAND a dû suivre le rythme en développant de nouvelles formes de cellules de mémoire. Ce qui a commencé par une mémoire à cellule à un seul niveau (SLC) et le stockage d’un bit pour chaque cellule et de deux niveaux de charge a évolué au fil du temps, aboutissant à la création de cellules à plusieurs niveaux (MLC), de cellules à trois niveaux (TLC) et même de cellules à quatre niveaux (QLC).
Mémoire flash NOR
Tout comme son homologue NAND, le nom de la mémoire flash NOR est une combinaison de deux mots, « NOT » et « OR », une référence au type de porte logique qui contrôle les circuits internes d’une cellule NOR.
Dans la mémoire flash NOR, les cellules de mémoire sont connectées en parallèle aux rangées de bits. Cela permet de les lire et de les programmer individuellement. Une extrémité de chaque cellule mémoire est reliée à la terre, l’autre à une rangée de bits.
Les principaux avantages de la NOR sont sa vitesse de lecture, un nombre élevé de réécritures possibles et sa capacité à prendre en charge les données à accès aléatoire. Les portes NOR sont donc idéales pour les systèmes de feux de signalisation municipaux, l’automatisation industrielle, les systèmes d’alarme, la conception de circuits numériques et les appareils électroniques. Par ailleurs, les appareils NOR peuvent gérer à la fois le stockage des données et l’exécution du code avec un seul appareil grâce à la mémoire flash NOR, un autre avantage notable.
Quant aux inconvénients, la mémoire flash NOR utilise une taille de cellule plus importante. Les vitesses d’écriture et d’effacement sont donc plus lentes qu’avec une mémoire flash NAND…
Lisez la suite pour en savoir plus sur les différences entre les deux types de mémoire flash.
Concevoir
L’une des principales différences de conception entre la technologie flash NAND et la technologie flash NOR est la manière dont les cellules de mémoire sont distribuées au sein d’un semi-conducteur. Dans les puces NAND, les cellules de mémoire sont alignées verticalement. Dans les puces NOR, les cellules sont disposées à l’horizontale. En raison de leur conception, ces systèmes de mémoire fonctionnent différemment, avec des vitesses et des performances différentes.
Latence
Les technologies NAND présentent généralement des latences comprises entre 80 et 120 microsecondes, alors qu’il est communément admis que les taux de latence NOR (lien externe à ibm.com) varient entre 160 et 210 nanosecondes, soit une latence plus faible avec la mémoire flash NOR selon les observations.
Longévité
La durée de vie estimée d’une mémoire flash NAND standard est généralement de trois à cinq ans. En revanche, la durée de vie d’une mémoire flash NOR peut atteindre 20 à 100 ans (ou plus) d’après les estimations.
Consommation électrique
Une autre différence entre les technologies NAND et NOR est la quantité d’électricité nécessaire à leur fonctionnement. Cependant, chacune implique un compromis quant à la quantité d’énergie consommée. Par exemple, la NAND consomme moins d’énergie lors de ses procédures de démarrage, mais davantage en mode veille. La NOR, au contraire, consomme plus d’énergie à la première mise sous tension, mais moins en veille.
Sur la base d’un taux d’utilisation de la mémoire et d’opérations équivalent, la quantité d’énergie consommée en fonctionnement par chaque type de mémoire est comparable. La NOR est conçue pour les lectures rapides de données et consomme moins d’énergie. La NAND consomme moins d’énergie que la NOR lors des opérations d’écriture et d’effacement des données.
Rapidité
Il convient de noter ici que ni la mémoire flash NAND ni la mémoire flash NOR ne peuvent approcher les vitesses de traitement couramment atteintes par d’autres formes de mémoire. La mémoire cache est souvent considérée comme la mémoire la plus rapide de toutes, en raison de sa position entre la mémoire vive (RAM) d’un ordinateur et son unité centrale de traitement (CPU).
Quant à savoir si la NAND est plus rapide que la NOR ou vice versa, le débat n’est pas tranché. Tout dépend de l’application actuelle qui les utilise. Si l’on compare la vitesse de lecture, la NOR est plus rapide. Si l’on compare l’exécution des tâches et la gestion des données, la NAND est plus rapide.
Ni la NAND ni la NOR ne peuvent rivaliser avec la mémoire vive dynamique (DRAM), une forme unique de RAM qui atteint des vitesses haute performance jusqu’à 100 fois plus rapides que la NAND et fournit un espace de stockage de fichiers temporaire pendant le fonctionnement des applications ou des programmes. À noter cependant que la DRAM est une forme de mémoire volatile, ce qui signifie qu’elle est surtout utile pour aider le traitement effectué sur le moment. Une fois que son alimentation est coupée ou perdue, la mémoire DRAM perd toutes les données avec lesquelles elle fonctionnait.
Capacité de stockage
Par ailleurs, la mémoire flash NAND offre une capacité de stockage nettement supérieure à celle de la NOR généralement proposée par incréments de mémoire de 64 Mo à 2 Go, tandis que la capacité des solutions de stockage NAND va de 1 à 16 Go, soit 8 fois supérieure à celle de la NOR.
Utilisations
La NAND et la NOR présentent d’autres différences importantes en fonction de l’utilisation prévue. Il est communément admis que la NAND est davantage adaptée à l’exécution de processus « en profondeur » tels que les réécritures et l’effacement de blocs de données, tandis que la NOR excelle dans les recherches de données rapides moins approfondies.
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Notes de bas de page
1 « Understanding NAND Flash Technology » (lien externe à ibm.com), Simms.