Qu’est-ce que la mémoire flash NAND ?

Le terme « NAND » est issu de la combinaison de « NOT » et « AND », en référence à la porte logique qui contrôle la structure interne d’une cellule NAND.

Au-delà de sa forte densité de stockage et de sa non-volatilité, la mémoire flash NAND se distingue par des vitesses de transfert de données rapides, sa durabilité et une faible consommation d’énergie. Ces caractéristiques en ont fait la solution de stockage privilégiée pour les appareils électroniques personnels de tous les jours, des smartphones aux appareils photo numériques, en passant par les consoles de jeu et les tablettes.

Aux niveaux entreprise et industriel, la mémoire NAND est notamment utilisée dans les centres de données, les systèmes automobiles embarqués, les équipements d’imagerie médicale et les infrastructures de télécommunications.

Portée par une demande croissante de stockage de données pour les applications grand public et professionnelles, le marché des mémoires flash NAND devrait passer de 55,73 milliards de dollars en 2025 à 72,60 milliards de dollars en 2030. Cette croissance reflète un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 5,43 % au cours de cette période.¹ La croissance est due aux investissements dans l’infrastructure de l’IA, à l’adoption accrue des SSD dans les appareils électroniques grand public et à la technologie des puces 3D qui réduit les coûts de stockage.

La mémoire flash NAND joue également un rôle essentiel dans l’adoption de l’IA générative au sein des entreprises. Les applications d’IA générative nécessitent de grandes quantités de stockage pour les données d’entraînement et le contenu, notamment le texte, les images et les vidéos, qui sont stockés sur des SSD alimentés par des puces de mémoire flash NAND.

Contrairement à la mémoire volatile comme la DRAM (mémoire vive dynamique), qui perd des données lorsque l’alimentation est coupée, la NAND est une mémoire non volatile qui retient l’information en emprisonnant la charge électrique dans ses portes flottantes.

La mémoire flash NAND permet de stocker des données à l’aide de composants spéciaux appelés transistors à grille flottante. Ces transistors sont disposés selon un motif en série qui fonctionne comme une porte logique NAND, un circuit numérique fondamental qui traite les signaux binaires (uns et zéros) en utilisant les opérations « NOT » et « AND ».

Chaque cellule de mémoire dans la mémoire flash NAND contient deux éléments clés : une porte de contrôle et une grille flottante, séparées par une fine couche d’oxyde. On peut la considérer comme un petit contenant capable de retenir une charge électrique.

Les opérations d’écriture dans les cellules NAND commencent lorsque la charge électrique est appliquée par le biais d’un processus appelé tunnel de Fowler-Nordheim. Cette charge fait pénétrer les électrons dans la porte flottante, où ils sont piégés, représentant ainsi une valeur binaire. Pour effacer les données, la charge est simplement retirée de la cellule, libérant les électrons piégés.

L’efficacité de la mémoire flash NAND réside dans son architecture en blocs. Plutôt que d’écrire ou d’effacer les données bit par bit, elle traite les informations par gros blocs. Ce processus le rend idéal pour les opérations séquentielles et le stockage à grande échelle.

Voici quelques avantages de la mémoire flash NAND :

• Stockage non volatil : conserve les données même en cas de coupure de courant, permettant un stockage permanent des systèmes d’exploitation, des applications et des fichiers utilisateurs.

• Faible latence : accélère les vitesses d’accès aux données pour les applications à forte intensité de données et hautes performances.

• Haute densité de stockage : regroupe une grande capacité de stockage dans des formats compacts, des cartes microSD aux disques SSD d’entreprise.

• Efficacité énergétique : nécessite moins d’énergie que les disques mécaniques, ce qui prolonge la durée de vie des batteries et réduit les coûts des centres de données.

• Durabilité : résiste mieux aux chocs physiques et aux vibrations que les dispositifs de stockage à disque dur (HDD) car elle ne comporte pas de pièces mobiles.

• Fiabilité : les taux de défaillance plus faibles et les techniques de nivellement de l’usure garantissent des performances constantes, favorisant la cyber résilience et la continuité d’activité.

Les bases de la mémoire flash NAND ont été jetées avec le développement du MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) en 1960, qui a permis la miniaturisation massive de l’électronique.

En 1967, Dawon Kahng et Simon Min Sze, chercheurs de Bell Labs, ont proposé que la porte flottante d’un MOSFET puisse être réutilisée comme mémoire morte (ROM) reprogrammable.

Ce concept a posé les bases des technologies de mémoire effaçable. En 1971, Dov Frohman, ingénieur chez Intel, a inventé la mémoire morte programmable et effaçable (EPROM), qui utilisait la lumière ultraviolette pour effacer les données via une fenêtre transparente sur la puce.

L’avancée suivante a été la mémoire morte programmable et effaçable électriquement (EEPROM) à la fin des années 1970 et au début des années 1980. Contrairement aux EPROM, les EEPROM peuvent être effacées à l’aide de signaux électriques. Cette innovation a constitué une amélioration notable en termes de commodité et de fonctionnalité.

La mémoire flash est apparue dans les années 1980 grâce au travail du Dr Fujio Masuoka chez Toshiba. Le terme « flash » vient d’un collègue qui a observé que les données pouvaient être effacées de la puce « aussi vite qu’un flash d’appareil photo ».

Au cours des années 2000 et 2010, les fabricants ont fait des progrès significatifs en matière de densité, de performance et de fiabilité de la mémoire flash NAND grâce à des innovations dans les techniques de conception et de fabrication des cellules. Grâce à ces innovations, la technologie flash NAND est passée d’une solution de stockage de niche à un élément central du stockage de données moderne.

Il existe deux types de mémoire flash : la mémoire flash NOR et la mémoire flash NAND.

La mémoire flash NAND utilise des portes logiques booléennes « NOT AND » avec des cellules de mémoire organisées en série, donnant la priorité à la densité de stockage et aux opérations séquentielles pour les besoins de stockage de grande capacité.

La mémoire flash NOR utilise des portes logiques booléennes « NOT OR » avec des cellules de mémoire flash connectées en parallèle, ce qui permet de lire et de programmer rapidement des octets individuels. Ce processus rend la mémoire flash NOR particulièrement adaptée aux applications nécessitant l’exécution de code directement depuis la mémoire, comme les micrologiciels, les puces BIOS et les systèmes embarqués. Cependant, elle présente des vitesses d’écriture et d’effacement plus lentes, une densité de stockage plus faible et des coûts par bit plus élevés.

Bien que la mémoire flash NOR reste importante pour les tâches d’exécution de code, la mémoire flash NAND est devenue la principale technologie de stockage pour la plupart des applications. 

Les types de mémoires flash NAND sont classés selon le nombre de bits que chaque cellule peut stocker. Chaque type a des valeurs d’endurance différentes, mesurées en cycles P/E (cycles de programmation ou d’effacement).

En voici quelques exemples :

• SLC (cellule à un seul niveau) : les SLC, ou cellules à un seul niveau, stockent un bit par cellule. Bien que la NAND SLC soit la plus coûteuse par gigaoctet, elle offre des performances, une fiabilité et une endurance optimales, avec jusqu’à 100 000 cycles d’effacement. Elle est utilisée dans les environnements d’entreprise qui exécutent des workloads essentiels.

• MLC (cellule multi-niveaux) : les MLC, ou cellules multi-niveaux, stockent deux bits par cellule. Elles doublent la densité de stockage des SLC tout en réduisant le coût par gigaoctet, mais sont plus lentes. Offrant une accessibilité moyenne, les MLC sont intégrées dans de nombreux SSD grand public ou postes de travail professionnels où l’endurance est moins critique.

• TLC (cellule à triple niveau) : les TLC, ou cellules à trois niveaux, stockent trois bits par cellule. Les TLC offrent une endurance inférieure aux SLC et MLC car elles ne comportent que 3 000 cycles P/E. Cependant, elle offre une densité de stockage de données plus élevée à moindre coût et est fréquemment utilisée dans les produits SSD grand public. 

• QLC (cellule à quatre niveaux) : les QLC, ou cellules à quatre niveaux, stockent quatre bits par cellule. Cette spécification maximise la capacité de stockage et minimise le coût par gigaoctet, ce qui la rend optimale pour les workloads gourmands en lecture (par exemple, le streaming, l’archivage, le stockage de fichiers volumineux) où l’endurance des cycles d’écriture est moins critique. Les QLC s’appuient également largement sur la correction avancée des erreurs pour préserver l’intégrité des données.

Les cellules SLC, ou cellules à un seul niveau, stockent un bit par cellule. Bien que la NAND SLC soit la plus coûteuse par gigaoctet, elle offre des performances, une fiabilité et une endurance optimales, avec jusqu’à 100 000 cycles d’effacement. Elle est utilisée dans les entreprises qui exécutent des workloads essentiels.

Les SSD modernes utilisent la mémoire NAND 3D, un type d’architecture qui empile plusieurs couches de cellules de mémoire verticalement sur des plaquettes de silicium. Par rapport à l’ancienne NAND 2D, qui organise les cellules mémoire selon une matrice plate, la NAND 3D permet d’en créer un plus grand nombre sur le même espace. Cette capacité optimise le stockage de données, la capacité et le coût global par bit de données, permettant d’intégrer davantage de cellules mémoire.

Selon un reportage de S&S Insider, le marché des mémoires flash NAND 3D était évalué à 17,59 milliards de dollars en 2023. Il devrait atteindre 75,44 milliards de dollars d’ici 2032, avec un TCAC de 17,61 % entre 2024 et 2032.²

La technologie NAND 3D joue un rôle crucial dans le stockage des données à l’ère de l’intelligence artificielle (IA). Avec des vitesses d’écriture jusqu’à 50 % plus rapides que les solutions NAND traditionnelles, les SSD et les baies 100 % flash équipés de NAND 3D sont utilisés comme solutions de stockage pour l’IA générative. Cela permet un accès rapide à des modèles pré-entraînés et à de grands jeux de données près des unités de traitement. En réduisant la latence de récupération des données, la technologie NAND 3D améliore la performance des workflows de l’IA et du machine learning (ML).