Qu’est-ce que le stockage flash ?

Les solutions de stockage flash vont des clés USB aux baies d’entreprise, et ne doivent pas être confondues avec la mémoire vive (RAM), ni avec la mémoire à court terme. Comparées aux disques durs contenant des composants mobiles, les clés USB proposent des temps de réponse plus rapides (par exemple, une latence de l’ordre des microsecondes). Elles disposent d’une mémoire non volatile (NVM), ce qui évite de perdre des données lorsque l’alimentation est coupée.

Le stockage flash utilise également des disques durs solides (« solid state drive », SSD) hautement disponibles et nécessite moins d’énergie et d’espace physique que le stockage sur disque mécanique.

Aujourd’hui, la mémoire flash est un composant essentiel des périphériques de stockage (clés USB, cartes SD), des smartphones, des appareils mobiles et des appareils photo numériques. 

Le stockage flash a été développé pour répondre au besoin croissant de stockage non volatil, compact et peu gourmand en énergie, au fur et à mesure que les appareils électroniques devenaient plus petits et plus portables.

En 1986, Toshiba a lancé la première puce de mémoire flash NAND, optimisée pour allier stockage compact et vitesse d’écriture élevée, et prendre en charge les applications de stockage (SSD, cartes mémoire). En 1993, Intel a lancé la flash NOR, qui convient mieux aux applications nécessitant une lecture rapide des données, telles que les systèmes intégrés (code d’amorçage, micrologiciels).

La mémoire flash a offert des performances révolutionnaires et a rapidement bouleversé le monde du stockage de données en améliorant les disques rotatifs et les cartes mémoire. À mesure que l’utilisation des données augmentait et que les appareils devenaient plus légers et plus petits, les systèmes flash se sont avérés le moyen le plus rapide de stocker, d’écrire, de reprogrammer et de transférer des informations numériques.

En l’an 2000, la clé USB a été développée pour stocker et transférer des fichiers. Cet appareil portable était compact, avec une capacité bien supérieure à celle des systèmes de stockage précédents. En 2005, Apple a sorti ses premiers iPods à mémoire flash, accélérant l’adoption générale de la technologie du stockage flash.

À la fin des années 2000, les SSD (solid state drive) à mémoire flash sont venus remplacer progressivement les disques durs (HDD) utilisés dans les ordinateurs portables et les centres de données. Parmi les avantages offerts, citons un démarrage plus rapide, une consommation d’énergie réduite et une durabilité améliorée.

L’évolution de la technologie cellulaire a entraîné des progrès significatifs en matière de capacité de stockage flash. De la cellule mono-niveau, ou SLC (Single Level Cell), stockant 1 bit par cellule, l’industrie a évolué vers la cellule multiniveau (MLC), stockant 2 bits par cellule, au milieu des années 2000. Toshiba a lancé la cellules à trois niveaux (TLC) en 2009, et Samsung l’a adoptée en 2010, permettant le stockage de 3 bits d’informations par cellule. Chaque génération a augmenté la densité de stockage, tout en répondant aux exigences en matière de performance.

Ce changement s’est accéléré dans les années 2010 avec l’arrivée de la technologie 3D NAND, qui empile les cellules de mémoire verticalement pour augmenter la densité de stockage et réduire le coût par gigaoctet.

Début 2011, la sortie de l’interface flash native NVMe (Nonvolatile Memory Express) a davantage libéré le potentiel de la mémoire flash, permettant une latence ultra-faible et une performance haut débit sur les connexions PCIe (Peripheral Component Interconnect Express).

En 2018, Micron a lancé les disques flash QLC (cellule à quatre niveaux), qui utilisent 4 bits de données par cellule, augmentant la densité de 33 % par rapport à la technologie TLC. Si les QLC offrent une meilleure capacité et sont plus abordables que les TLC, ils sont également plus lents et ont une endurance moindre. Ils conviennent davantage aux workloads à forte intensité de lecture comme le stockage d’archives, la diffusion de contenu et l’inférence de l’IA, qu’aux applications à forte intensité d’écriture comme les plateformes de réseaux sociaux.

Avec sa vitesse et sa densité, la mémoire flash est devenue une technologie de stockage de choix pour les grandes entreprises. Elle a largement remplacé le disque dur, autrefois le support de stockage principal des centres de données. La technologie flash est également devenue indispensable à l’infrastructure informatique moderne puisqu’elle alimente tout, de l’edge computing à l’entraînement des modèles d’IA.

Les disques durs utilisent un matériel électromécanique pour stocker des informations numériques. Ils sont rentables et idéaux pour le stockage à long terme et les fichiers volumineux. Cependant, ils sont vulnérables aux dommages physiques au fil du temps et présentent des problèmes de temps d’attente dus aux composants mobiles.

La mémoire flash assume désormais des fonctions autrefois réservées aux disques durs des ordinateurs. Par exemple, lorsqu’un ordinateur démarre, il exécute une séquence du système élémentaire d’entrée/sortie (BIOS). Le micrologiciel qui contenait initialement le BIOS nécessitait des puces de mémoire en lecture seule (ROM), mais les systèmes modernes ont recours à la mémoire flash pour le BIOS, ce qui permet de réécrire le contenu sans extraire les puces de la carte mère.

Les supports flash peuvent être utilisés pour compléter ce type de stockage, ce qui permet aux applications de fonctionner plus rapidement et d’évoluer davantage. Si les disques durs continuent d’être utilisés comme solution de stockage d’archivage économique, les workloads d’entreprise exigent de plus en plus la vitesse et la fiabilité offertes par les technologies flash.

Les environnements de stockage primaire associent désormais la latence réduite à la microseconde et les capacités IOPS élevées de la mémoire flash, tandis que le stockage défini par logiciel (SDS) crée des pools virtualisés qui optimisent la gestion des données sur les deux types de supports. Cette convergence technologique permet aux entreprises de mettre en œuvre des approches hybrides qui consistent à utiliser la mémoire flash pour les workloads critiques, tout en dirigeant les données les moins consultées, y compris les sauvegardes SaaS, vers des systèmes de stockage traditionnels, plus économiques.

Le stockage flash repose sur la mémoire flash, un semi-conducteur composé de millions de minuscules transistors MOSFET à grille flottante. Ces transistors sont disposés en quadrillage, un peu comme les pâtés de maisons, chaque intersection contenant un transistor spécialisé capable de stocker des informations.

La cellule mémoire flash est l’unité de stockage fondamentale de la mémoire flash. Chaque cellule contient un transistor à grille flottante capable de conserver une charge électrique même lorsque l’alimentation est coupée.

Ces transistors se distinguent par leur conception unique à deux grilles. Située dans la partie supérieure, la grille de contrôle gère le flux d’électricité, tandis que la grille flottante reste isolée par une couche d’oxyde isolante. Lorsque des données sont écrites dans la mémoire flash, une tension est appliquée à la grille de contrôle, forçant les électrons à traverser l’isolant et à se piéger sur la grille flottante. Ces électrons piégés modifient les propriétés électriques du transistor, représentant les 1 et 0 binaires. Comme la grille flottante est entourée d’un isolant, ces électrons restent piégés indéfiniment, préservant l’accès aux données sans nécessiter d’alimentation constante.

La mémoire flash est classée en trois catégories : basse, moyenne et haute densité, la densité de stockage la plus élevée permettant de regrouper davantage de cellules dans le même espace physique. Cette avancée technologique a permis le développement d’appareils de plus en plus compacts dotés d’une capacité de stockage considérable, des clés USB aux smartphones en passant par les disques SSD capables de stocker des téraoctets d’informations.

Les technologies de mémoire flash peuvent être mises en œuvre sous différentes formes et configurations, chacune répondant à des besoins de performance et à des cas d’utilisation différents. Voici un aperçu des principaux types :

Voici quelques exemples d’interfaces et de protocoles de stockage flash parmi les plus importants :

• NVMe

• Interfaces SAS et SATA

• NVMe over Fabrics (NVMe-oF)

La mémoire non volatile express (NVMe) est une interface utilisée pour accéder au stockage flash sur un bus PCIe (Peripheral Component Interconnect Express). Le stockage NVMe permet de traiter des milliers de requêtes parallèles sur une seule connexion. Il rationalise l’interaction entre les applications et le stockage et améliore considérablement les performances. NVMe est désormais le protocole dominant pour le stockage flash haute performance et est essentiel pour les applications sensibles à la latence telles que l’analytique en temps réel et les workloads d’IA.

SAS (Serial Attached SCSI) et SATA (Serial Advanced Technology Attachment) sont deux interfaces largement utilisées, qui relient les périphériques de stockage aux systèmes informatiques. Développées à l’origine pour les disques durs, ces interfaces sont également utilisées avec les disques SSD à mémoire flash. L’interface SATA est généralement présente dans les appareils grand public, tandis que l’interface SAS est privilégiée dans les environnements de stockage d’entreprise, en raison de sa fiabilité et son débit plus élevé.

Si les protocoles plus récents comme NVMe les remplacent progressivement, les interfaces SAS et SATA demeurent courantes dans les systèmes hérités et les déploiements à budget restreint. Elles contribuent également à prolonger la durée de vie de l’infrastructure existante, ce qui les rend utiles dans les environnements faisant l’objet de mises à niveau progressives.

NVMe over Fabrics étend le protocole NVMe aux structures réseau telles qu’Ethernet, Fibre Channel et InfiniBand. Ces structures réseau permettent d’accéder à distance aux périphériques de stockage flash, avec une faible latence et une performance élevée, tout comme les disques NVMe à connexion directe. NVMe-oF est parfaitement adapté aux environnements distribués à grande échelle, tels que les centres de données modernes et l’infrastructure cloud, où le stockage doit être rapide, résilient et partageable.

Le stockage flash est utilisé dans un large éventail d’applications en raison de sa vitesse, de sa durabilité et de son efficacité énergétique :

• Centres de données d’entreprise : les grandes entreprises s’appuient sur les solid state drives (SSDs) et les baies 100 % flash pour assurer leurs workloads essentielles, réduire la latence et garantir une haute disponibilité des centres de données. Le stockage flash accélère le traitement des données à des fins d’analyse en temps réel, les services cloud et les applications d’intelligence artificielle (IA). Dans les centres de données, le stockage flash améliore également les capacités de gestion des données. En effet, ils accélèrent l'indexation, la récupération et le traitement d’immenses jeux de données, afin d’optimiser la performance des bases de données et d’améliorer l’efficacité globale du système.

• Appareils mobiles : le stockage flash est essentiel aux smartphones, aux tablettes et aux ordinateurs portables, car il offre un accès rapide aux applications, aux fichiers système et aux données utilisateur. Compacte, la mémoire flash permet un design fin et léger, sans compromettre la performance.

• Jeux vidéo et graphisme : les gamers profitent du transfert de données à haut débit du stockage flash, qui accélère le chargement et améliore le traitement graphique. Le stockage flash améliore également la performance des consoles de jeu et des outils de montage vidéo.

• Appareils IdO : la mémoire flash est largement utilisée dans les appareils IdO (Internet des objets), en raison de sa vitesse et de sa faible consommation d’énergie. Qu’il s’agisse d’objets connectés domestiques ou de capteurs IdO industriels, le stockage flash accélère la collecte, le traitement et la transmission des données.

• Edge computing : dans un contexte où la demande de traitement des données au plus près de la source ne cesse de croître, le stockage flash joue un rôle essentiel dans les environnements edge. Il accélère le stockage et la récupération des données sur site, ce qui le rend indispensable aux applications nécessitant une prise de décision en temps réel.

• Stockage cloud : le stockage flash est à la base de l’infrastructure cloud moderne, offrant un accès haut débit à de grandes quantités de données dans des environnements distribués. Son évolutivité et ses performances sont des facteurs clés de l’adoption croissante du stockage cloud et d’autres services.

• Automobile : la mémoire flash est de plus en plus utilisée dans les applications automobiles telles que la navigation, les systèmes de divertissement et les technologies de conduite autonome.

En entreprise, le stockage flash est devenu un élément important des stratégies de sécurité des données. La vitesse du stockage flash permet d’améliorer les pratiques de sauvegarde et de restauration. En effet, elle réduit les délais de récupération lors de la réponse aux incidents de sécurité et aux défaillances du système.

De nombreuses entreprises adoptent désormais une approche de la sauvegarde en air gap avec des dispositifs de stockage flash amovibles. Il s’agit de déconnecter physiquement les données de sauvegarde critiques des réseaux, afin de se prémunir contre les rançongiciels et autres cybermenaces. Cette séparation physique fournit une couche de protection efficace contre les attaques visant le réseau.

La performance du stockage flash favorise la cyber résilience grâce à des applications pratiques telles que la réplication des données, les instantanés et le chiffrement. L’impact sur la performance du système est moins important que celui du stockage traditionnel. Dans les secteurs réglementés, le stockage flash permet aux entreprises de respecter leurs obligations de conformité grâce à des fonctionnalités telles que les fonctions WORM (Write Once Read Many) et les contrôles d’accès, qui contribuent à l’architecture de sécurité globale.