Apa itu memori flash NAND?

Istilah “NAND” menggabungkan “NOT” dan “AND”, mengacu pada gerbang logika yang mengontrol struktur internal sel NAND.

Di luar kepadatan penyimpanan tinggi dan non-volatilitasnya, memori flash NAND menonjol karena kecepatan transfer data yang cepat, daya tahan, dan konsumsi daya yang rendah. Karakteristik ini telah menjadikan memori flash NAND sebagai solusi penyimpanan dominan untuk elektronik pribadi sehari-hari—dari ponsel pintar hingga kamera digital, konsol game, dan komputer tablet.

Pada tingkat perusahaan dan industri, contoh penggunaan NAND meliputi pusat data, sistem mobil bawaan, peralatan pencitraan medis, dan infrastruktur telekomunikasi.

Didorong oleh meningkatnya permintaan penyimpanan data di seluruh aplikasi konsumen dan perusahaan, ukuran pasar memori flash NAND diperkirakan akan tumbuh dari 55,73 miliar dolar AS pada tahun 2025 menjadi 72,60 miliar dolar AS pada tahun 2030. Pertumbuhan ini mencerminkan tingkat pertumbuhan tahunan majemuk (CAGR) 5,43% selama periode tersebut.¹ Pertumbuhan didorong oleh investasi infrastruktur AI, peningkatan adopsi SSD dalam perangkat elektronik konsumen dan teknologi chip 3D yang menurunkan biaya penyimpanan.

Memori flash NAND juga memainkan peran penting dalam adopsi AI generatif di tingkat perusahaan. Aplikasi Gen AI memerlukan penyimpanan dalam jumlah besar untuk data pelatihan dan konten, termasuk teks, gambar, dan video, yang disimpan pada SSD yang didukung oleh chip memori flash NAND.

Tidak seperti memori volatil seperti DRAM (dynamic random-access memory), yang kehilangan data ketika daya dimatikan, NAND adalah memori non-volatil yang menyimpan informasi dengan menjebak muatan listrik di gerbang mengambang.

Memori flash NAND diandalkan untuk menyimpan data dengan menggunakan komponen khusus yang disebut transistor floating-gate. Transistor ini disusun dalam pola seri yang berfungsi seperti gerbang logika NAND—sirkuit digital fundamental yang memproses sinyal biner (satu dan nol) menggunakan operasi “NOT” dan “AND”.

Setiap sel memori dalam flash NAND berisi dua bagian kunci: gerbang kontrol dan floating gate, dipisahkan oleh lapisan tipis bahan oksida. Anggap ini sebagai kontainer kecil yang bisa menangkap muatan listrik.

Operasi menulis dalam sel NAND dimulai ketika muatan listrik diterapkan melalui proses yang disebut tunneling Fowler-Nordheim. Muatan ini mendorong elektron ke floating gate, tempat mereka ditangkap dan kemudian akan merepresentasikan nilai biner. Untuk menghapus data, muatan hanya dikeluarkan dari sel, melepaskan elektron yang tertangkap.

Apa yang membuat flash NAND efisien adalah arsitektur berbasis blok-nya. Alih-alih menulis atau menghapus satu bit data pada satu waktu, NAND memproses informasi dalam blok besar. Proses ini membuatnya ideal untuk operasi berurutan dan penyimpanan berskala besar.

Manfaat memori flash NAND meliputi:

• Penyimpanan non-volatile: Dapat menyimpan data bahkan ketika daya  dimatikan, yang memungkinkan penyimpanan persisten untuk sistem operasi, aplikasi, dan file pengguna.

• Latensi rendah: Mempercepat kecepatan akses data untuk aplikasi dengan kinerja tinggi, padat data.

• Kepadatan penyimpanan tinggi: Mengemas kapasitas penyimpanan besar ke dalam faktor bentuk yang ringkas, dari kartu microSD hingga SSD perusahaan.

• Efisiensi energi: Membutuhkan daya lebih sedikit daripada drive mekanis, yang memperpanjang masa pakai baterai dan mengurangi biaya pusat data.

• Daya tahan: Lebih tahan terhadap guncangan fisik dan getaran daripada perangkat penyimpanan hard disk drive (HDD) karena tidak memiliki bagian yang bergerak.

• Keandalan: Tingkat kegagalan yang lebih rendah dan teknik perataan keausan memastikan kinerja yang konsisten, mendukung ketahanan siber dan keberlangsungan bisnis.

Penciptaan memori flash NAND dimulai dengan pengembangan MOSFET (transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor) pada tahun 1960, yang memungkinkan miniaturisasi massal elektronik.

Pada tahun 1967, Dawon Kahng dan Simon Min Sze, peneliti di Bell Labs, mengusulkan bahwa floating gate MOSFET dapat digunakan kembali sebagai memori read-only (ROM) yang dapat diprogram ulang.

Konsep ini meletakkan dasar untuk teknologi memori yang dapat dihapus. Pada tahun 1971, insinyur Intel Dov Frohman menemukan memori hanya baca yang dapat diprogram yang dapat dihapus (EPROM), yang menggunakan sinar ultraviolet untuk menghapus data melalui jendela transparan pada chip.

Kemajuan berikutnya datang dengan memori hanya baca yang dapat diprogram yang dapat dihapus secara elektrik (EEPROM) pada akhir 1970-an dan awal 1980-an. Tidak seperti EPROM, EEPROM dapat dihapus menggunakan sinyal listrik. Inovasi ini merupakan peningkatan yang signifikan dalam kenyamanan dan fungsionalitas.

Memori flash muncul pada 1980-an melalui karya Dr. Fujio Masuoka di Toshiba. Istilah “flash” berasal dari seorang rekan yang mengamati bahwa data dapat dihapus dari chip “secepat flash kamera.”

Sepanjang tahun 2000-an dan 2010-an, produsen membuat langkah signifikan dalam kepadatan, kinerja, dan keandalan memori flash NAND melalui inovasi dalam desain sel dan teknik manufaktur. Inovasi ini mengubah flash NAND dari teknologi penyimpanan khusus menjadi fondasi penyimpanan data modern.

Ada dua jenis memori flash: flash NOR dan flash NAND.

Flash NAND menggunakan gerbang logika Boolean “NOT AND” dengan sel memori yang diatur secara seri, memprioritaskan kepadatan penyimpanan dan operasi berurutan untuk kebutuhan penyimpanan berkapasitas tinggi.

Flash NOR menggunakan gerbang logika Boolean “NOT OR” dengan sel memori flash yang terhubung secara paralel, memungkinkan byte individu untuk dibaca dan diprogram dengan cepat. Proses ini membuat flash NOR sangat cocok untuk aplikasi yang memerlukan menjalankan kode langsung dari memori, seperti firmware, chip BIOS, dan sistem bawaan. Namun, flash NOR memiliki kecepatan tulis dan hapus yang lebih lambat, kepadatan penyimpanan yang lebih rendah, dan biaya per bit yang lebih tinggi.

Meski NOR flash tetap penting untuk tugas eksekusi kode, NAND flash telah menjadi teknologi penyimpanan utama untuk sebagian besar aplikasi. 

Jenis memori flash NAND diklasifikasikan berdasarkan jumlah bit yang dapat toko sel individu. Setiap jenis memiliki peringkat daya tahan yang berbeda yang diukur dalam siklus P/E (siklus program atau hapus).

Hal ini termasuk:

• SLC (sel tingkat tunggal): SLC, atau sel tingkat tunggal, menyimpan satu bit per sel. Meski SLC NAND memiliki biaya per gigabyte termahal, solusi memberikan kinerja, keandalan, dan daya tahan tertinggi, dengan hingga 100.000 siklus penghapusan. Ini digunakan dalam pengaturan perusahaan yang menjalankan beban kerja perusahaan yang sangat penting.

• MLC (sel multi-level): MLC, atau sel multi-level, menyimpan dua bit per sel. Ini menggandakan kepadatan penyimpanan SLC sambil mengurangi biaya per gigabyte, tetapi lebih lambat. Menawarkan keterjangkauan kelas menengah, MLC tertanam di banyak SSD konsumen atau anjungan kerja profesional tempat daya tahannya kurang menjadi prioritas.

• TLC (sel tingkat tiga): TLC, atau sel tingkat tiga, menyimpan tiga bit per sel. TLC menawarkan daya tahan yang lebih rendah daripada SLC dan MLC karena hanya memiliki 3.000 siklus P/E. Namun, teknologi ini menawarkan kepadatan penyimpanan yang lebih tinggi dengan biaya yang lebih rendah, dan sering digunakan pada produk SSD konsumer arus utama. 

• QLC (sel tingkat empat): QLC, atau sel quad-level, toko empat bit per sel. Spesifikasi ini memaksimalkan kapasitas penyimpanan dan meminimalkan biaya per gigabyte, sehingga optimal untuk beban kerja intensif baca (misalnya, streaming, pengarsipan, penyimpanan file) di mana ketahanan siklus tulis kurang penting. QLC juga sangat bergantung pada koreksi kesalahan tingkat lanjut untuk menjaga integritas data.

SLC, atau sel tingkat tunggal, menyimpan satu bit per sel. Sementara SLC NAND adalah yang paling mahal per gigabyte, ia memberikan kinerja, keandalan, dan daya tahan tertinggi, dengan hingga 100.000 siklus penghapusan. Ini digunakan dalam pengaturan perusahaan yang menjalankan beban kerja sangat penting.

SSD modern menggunakan memori NAND 3D, sejenis arsitektur yang menumpuk beberapa lapisan sel memori secara vertikal pada wafer silikon. Dibandingkan dengan NAND 2D yang lebih lama, yang mengatur sel memori dalam matriks datar, 3D NAND memungkinkan lebih banyak sel memori dalam jejak yang sama. Kemampuan ini mengoptimalkan kepadatan penyimpanan data, kapasitas, dan biaya keseluruhan per bit data, memungkinkan lebih banyak sel memori.

Dalam laporan dari S & S Insider, ukuran pasar memori flash NAND 3D bernilai USD 17,59 miliar pada tahun 2023. Hal ini juga diperkirakan akan mencapai USD 75,44 miliar pada tahun 2032, tumbuh dengan CAGR sebesar 17,61% dari 2024–2032.²

Teknologi 3D NAND memegang peran penting dalam menyimpan data di era kecerdasan buatan (AI). Dengan kecepatan tulis hingga 50% lebih cepat daripada solusi NAND tradisional, SSD bertenaga NAND 3D dan all-flash array digunakan sebagai penyimpanan untuk gen AI. Hal ini mendukung akses cepat ke model yang telah dilatih sebelumnya dan kumpulan data besar di dekat unit pemrosesan. Dengan mengurangi latensi pengambilan data, 3D NAND meningkatkan kinerja AI dan alur kerja machine learning (ML).