Apa itu memori flash?

Kata 'flash' identik dengan kecepatan. Kilatan (flash) adalah secercah cahaya singkat—itu terjadi dengan cepat dan kemudian berakhir. 'Kartu flash' tradisional adalah alat bantu pengajaran berkecepatan tinggi yang dirancang untuk memperkuat teknik menghafal. Flash, superhero tercepat, dapat membalap Superman dan meninggalkannya di awan debu.

Perangkat memori flash digunakan secara luas dan menyimpan data untuk tujuan yang sangat spesifik. Mereka umumnya ditemukan dalam berbagai perangkat portabel, seperti USB flash drive, smartphone, kamera digital, video game, komputer tablet, kartu memori flash dan kartu SD.

Selain itu, memori flash kini memiliki beberapa fungsi yang sebelumnya hanya diperuntukkan bagi hard disk drive komputer. Sebagai contoh, ketika seseorang menyalakan komputer, mesin tersebut akan melalui urutan booting yang dikenal sebagai Basic Input/Output System (BIOS). Firmware yang pertama kali berisi BIOS membutuhkan penggunaan chip memori hanya baca (ROM). Sistem yang lebih baru telah beralih ke memori flash untuk BIOS sehingga isinya dapat ditulis ulang tanpa harus mengeluarkan chip dari papan sistem.

Memori flash menyimpan data dalam sel memori flash yang didasarkan pada transistor floating-gate. Sel memori komputer pada chip memori flash terdiri dari transistor, yang berfungsi sebagai sakelar perutean untuk arus listrik yang melewati sel memori flash tersebut.

Chip memori flash disusun dalam kisi-kisi, hampir seperti blok kota. Sel-sel memori didistribusikan dalam baris, dengan baris ini dikenal sebagai garis bit. Sama seperti blok kota, chip ini berisi persimpangan, dan setiap persimpangan memiliki transistor. Karenanya, transistor ini masing-masing memiliki dua gerbang.

Salah satunya adalah gerbang kontrol, yang berada di lapisan atas transistor. Gerbang lainnya disebut gerbang mengambang, dinamakan demikian karena pada intinya mengambang di antara gerbang kontrol dan lapisan atas chip transistor MOSFET.

Selain itu, ada lapisan pemisah tipis antara gerbang kontrol dan gerbang mengambang, disebut sebagai lapisan oksida, meskipun diformulasikan dengan silikon dioksida (SiO2).

Jumlah memori flash tertentu menunjukkan apakah penggunaan memori flash tersebut masuk ke dalam klasifikasi densitas rendah, densitas sedang, atau densitas tinggi. Rekaman kepadatan yang lebih tinggi mencerminkan jumlah memori flash yang lebih besar.

Hampir semua kemajuan dalam komputasi telah melalui proses kumulatif. Pertama datang pengembangan unit pemrosesan pusat awal (CPU). Pada tahun 1960, transistor MOSFET telah diciptakan, yang memungkinkan miniaturisasi massal industri elektronik.

Pada tahun 1967, dua peneliti dari Bell Labs (Dawon Kahng dan Simon Min Sze) menyarankan bahwa gerbang mengambang MOSFET dapat digunakan kembali sebagai sumber memori hanya baca (ROM) yang dapat diprogram ulang. Pada tahun 1971, insinyur Intel Dov Frohman telah menemukan memori hanya baca yang dapat diprogram yang dapat dihapus (EPROM). EPROM dapat dengan cepat diidentifikasi secara visual karena semuanya memiliki jendela transparan di bagian atas chip.

Langkah tambahan berikutnya melibatkan pembuatan memori hanya baca yang dapat diprogram dan dihapus secara elektrik (EEPROM), bentuk lain dari program yang dapat dihapus secara elektrik. EEPROM dikembangkan selama akhir tahun 1970-an/awal 1980-an sebagai pembaruan untuk EPROM.

EPROM dan EEPROM paling berbeda dalam bagaimana penghapusan data terjadi di masing-masing. Data pada EPROM dapat dihapus dengan adanya sinar ultraviolet (UV) sedangkan EEPROM harus dihapus dengan menggunakan sinyal listrik.

Memori flash seperti yang kita ketahui dimulai pada tahun 1980-an karena karya perintis Dr. Fujio Masuoka, yang menemukan memori flash selama masa jabatannya di Toshiba, raksasa manufaktur Jepang.

Seorang kolega sang penemu memperhatikan, betapa cepatnya semua data dari chip semikonduktor terhapus—seolah-olah proses itu menyamai kecepatan unit lampu kilat kamera. Itulah bagaimana memori flash tercipta dan mendapatkan namanya sekarang.

Ada dua jenis dasar teknologi memori flash, masing-masing dengan arsitektur dan algoritmanya sendiri. Selain itu, setiap media penyimpanan menawarkan kelebihan dan kekurangannya masing-masing.

Memori flash NAND mendapatkan namanya dari gabungan kata “NOT” dan “AND.” Ini merujuk pada gerbang logika yang mengendalikan sirkuit internal sel NAND.

Ketika sel NAND sedang diprogram, arus listrik mencapai gerbang kontrol dan elektron mengalir ke gerbang mengambang, menciptakan muatan positif bersih yang mengganggu aliran arus. Lapisan oksida menjaga gerbang apung tetap terisolasi sehingga setiap elektron pada gerbang apung tetap berada di sana, bersama dengan data yang disimpan. Inilah yang memberi memori flash kemampuan untuk menahan muatan listrik dan menyimpan data.

Menghapus sel NAND cepat karena dirancang untuk menghapus seluruh blok data. Sekali lagi, muatan listrik diterapkan ke sel memori, dan ini menyebabkan elektron (dan data) yang telah terperangkap di dalam gerbang mengambang mengalir kembali ke lapisan isolasi bawah dalam chip. Ini secara efektif menghapus sel memori.

Memproduksi chip memori flash NAND tidaklah mudah atau cepat.¹ Diperkirakan lebih dari 800 proses manufaktur yang berbeda terlibat, serta sekitar satu bulan untuk membuat satu 'wafer' NAND, yang biasanya seukuran pizza berukuran sedang dengan diameter 12 inci. Chip NAND individual—kira-kira seukuran kuku manusia—dipotong dari wafer ini dan dinilai berdasarkan kualitas chip dan kegunaannya secara keseluruhan.

Chip NAND menawarkan banyak keuntungan. Sebagai permulaan, chip NAND tidak memiliki bagian yang bergerak, yang membuatnya lebih kokoh dan mampu beroperasi bahkan ketika mengalami guncangan mekanis, suhu pengoperasian yang berlebihan, atau tekanan tinggi. Dalam hal ini, operasi NAND-chip lebih baik dibandingkan dengan hard disk drive (HDD) yang lebih rentan terhadap getaran.

Di sisi lain, penggunaan NAND juga memiliki kekurangan. Yang paling menonjol di antara semua itu adalah, bahwa media penyimpanan ini tidak bersifat terbuka, sehingga memungkinkan penulisan ulang memori dalam jumlah tak terbatas. Chip NAND hanya dapat ditulis ulang beberapa kali, yang membatasi utilitas berkelanjutan mereka.

Selain itu, memori flash NAND tunduk pada batasan yang sama seperti sistem atau perangkat lain, yaitu bahwa organisasi dipenuhi dengan data dan sel memori NAND harus mengimbangi dengan merekayasa bentuk sel memori yang baru. Apa yang dimulai dengan memori sel tingkat tunggal (SLC) dan penyimpanan satu bit untuk setiap sel dan dua tingkat muatan telah meningkat dari waktu ke waktu, sehingga menghasilkan penciptaan sel bertingkat (MLC), sel tingkat tiga (TLC) dan bahkan sel tingkat empat (QLC).

Serupa dengan NAND, nama memori flash NOR merupakan kombinasi dari dua kata: "NOT" dan "OR"—merujuk pada jenis gerbang logika yang mengontrol sirkuit internal sel NOR.

Dalam memori flash NOR, sel memori terhubung secara paralel dengan garis bit. Ini memungkinkan mereka untuk dibaca dan diprogram secara individual. Salah satu ujung dari setiap sel memori melekat pada tanah, dengan ujung lainnya melekat pada garis bit.

Keunggulan utama NOR adalah kecepatan pembacaannya, jumlah penulisan ulang yang tinggi, dan kemampuannya untuk mengakomodasi data akses acak. Hal ini membuat gerbang NOR sempurna untuk digunakan dalam sistem lampu lalu lintas kota, otomatisasi industri, sistem alarm, desain sirkuit digital, dan perangkat elektronik. Keuntungan utama lainnya dari flash NOR adalah, perangkat NOR dapat menangani penyimpanan data dan eksekusi kode dengan satu perangkat apabila menggunakan flash NOR.

Dalam hal kekurangannya, memori flash NOR menggunakan ukuran sel yang lebih besar. Ini menghasilkan kecepatan tulis dan hapus yang lebih lambat daripada memori flash NAND.

Terus bbaca untuk mempelajari lebih lanjut perbedaan antara kedua jenis memori flash.

Perbedaan desain utama antara teknologi flash NAND dan teknologi flash NOR adalah cara sel memori didistribusikan di dalam semikonduktor. Dalam chip NAND, sel-sel ini disejajarkan secara vertikal. Dalam chip NOR, sel memori diatur secara horizontal. Perbedaan desain ini membuat sistem memori ini berfungsi secara berbeda, dengan tingkat kecepatan dan kinerja yang berbeda.

Teknologi NAND biasanya menunjukkan latensi pada suatu titik di kisaran 80 mikrodetik hingga 120 mikrodetik, meski umumnya dianggap bahwa tingkat latensiNOR bervariasi antara 160 nanodetik hingga 210 nanodetik—menunjukkan bahwa jumlah latensi yang lebih kecil cenderung dialami oleh memori flash NOR.

Sering diperkirakan bahwa umur tipikal memori flash NAND adalah antara tiga dan lima tahun. Sebaliknya, perkiraan tentang umur memori flash NOR dapat berkisar antara 20 tahun hingga 100 tahun (atau lebih lama).

Perbedaan lain antara teknologi NAND dan NOR melibatkan jumlah listrik yang dibutuhkan masing-masing. Akan tetapi, konsumsi daya yang digunakan oleh masing-masingnya melibatkan pertukaran. Misalnya, NAND menggunakan lebih sedikit daya selama prosedur permulaan tetapi lebih banyak arus ketika dalam mode siaga. Ini berbeda sepenuhnya dengan NOR, yang menggunakan lebih banyak arus listrik saat pertama kali dinyalakan, tetapi lebih sedikit energi saat dalam keadaan siaga.

Jumlah daya yang mereka gunakan selama 'pekerjaan' yang dilakukan masing-masing secara kasar sebanding, meskipun pengukuran ini tunduk pada tingkat memori yang digunakan oleh masing-masing, dan ini bergantung pada aktivitas yang dilakukan oleh masing-masing teknologi. NOR mengkhususkan diri dalam pembacaan data cepat dan mengkonsumsi lebih sedikit daya saat melakukannya. Saat menulis dan menghapus data, NAND menggunakan daya lebih sedikit daripada NOR.

Perlu dicatat di sini bahwa baik memori flash NAND maupun memori flash NOR tidak dapat mendekati kecepatan pemrosesan yang secara rutin dicapai oleh bentuk memori lainnya. Memori cache sering dianggap sebagai memori tercepat, karena posisinya yang berada di antara memori akses acak komputer (RAM) dan unit pemrosesan pusat (CPU).

Selanjutnya, tidak ada jawaban yang jelas apakah NAND lebih cepat dari NOR, atau sebaliknya. Itu tergantung pada aplikasi langsung yang mereka lakukan. Jika perbandingan didasarkan pada pembacaan cepat, maka NOR lebih cepat. Jika perbandingannya adalah tentang menjalankan tugas dan manajemen data, maka NAND lebih cepat.

NAND atau NOR juga tidak dapat mengikuti Dynamic Random Access Memory (DRAM), bentuk RAM unik yang mencapai kecepatan kinerja tinggi hingga 100 kali lebih cepat daripada NAND dan menawarkan penyimpanan file sementara selama pengoperasian aplikasi atau program. (Perlu juga dicatat, bahwa DRAM adalah bentuk memori yang mudah berubah, yang berarti bahwa kegunaan terbesarnya adalah membantu pemrosesan yang sedang berlangsung pada saat itu, karena begitu daya pendukungnya dimatikan atau hilang, memori DRAM akan kehilangan semua data yang sedang diproses).

Pembeda utama lainnya, memori flash NAND menawarkan kapasitas penyimpanan yang jauh lebih besar daripada NOR, yang biasanya tersedia dalam peningkatan memori 64 Mb hingga 2 Gb, sementara solusi penyimpanan NAND berkisar dalam kapasitas dari 1 Gb hingga 16 Gb—yang menjadikan kapasitas penyimpanan teratas NAND 8 kali lebih besar daripada kapasitas teratas NOR.

Ada perbedaan utama lainnya antara NAND dan NOR, berdasarkan tujuan masing-masing digunakan. Sering disarankan bahwa NAND lebih cocok untuk melakukan proses 'mendalam' seperti penulisan ulang dan penghapusan blok data, sementara NOR unggul dalam pencarian data cepat yang tidak terlalu banyak terlibat.