Cos'è la memoria flash?

La parola "flash" è sinonimo di velocità. Un lampo è un breve barlume di luce: arriva rapidamente e poi svanisce. Le "flash card" tradizionali sono ausili didattici ad alta velocità, progettati per rafforzare le tecniche di memorizzazione. Flash, il supereroe più veloce di tutti, può competere con Superman e superarlo.

I dispositivi di memoria flash sono ampiamente utilizzati e memorizzano i dati per scopi molto specifici. Si trovano comunemente in una vasta gamma di dispositivi portatili, come unità flash USB, smartphone, fotocamere digitali, videogiochi, tablet, schede di memoria flash e schede SD.

Inoltre, la memoria flash ora assume alcune delle stesse funzionalità precedentemente riservate alle unità hard disk del computer. Ad esempio, quando qualcuno accende un computer, quel computer passa attraverso una sequenza di avvio nota come BIOS (Basic Input/Output System). Il firmware che per primo conteneva il BIOS richiedeva l'uso di un chip di memoria di sola lettura (ROM). Nei sistemi successivi, si è passati alla memoria flash per il BIOS, in modo che i contenuti possano essere riscritti senza dover estrarre il chip dalla scheda di sistema.

La memoria flash memorizza i dati in celle di memoria flash basate su transistor floating-gate. Le celle di memoria dei chip di memoria flash sono costituite da transistor, che fungono da commutatori di instradamento per la corrente elettrica che passa attraverso la cella di memoria flash.

I chip di memoria flash sono disposti in griglie, quasi come isolati urbani. Le celle di memoria sono distribuite in righe, note come linee di bit. Come gli isolati urbani, questi chip contengono intersezioni e ogni incrocio presenta un transistor. A loro volta, questi transistor hanno due gate ciascuno.

Uno di questi è il gate di controllo, che si trova sullo strato superiore del transistor. L'altro gate è il floating gate, così chiamato perché di fatto "fluttua" tra il gate di controllo e lo strato superiore del chip del transistor MOSFET.

Inoltre, c'è un sottile strato di separazione tra il gate di controllo e il floating gate, indicato come strato di ossido, sebbene sia formulato con biossido di silicio (SiO2).

La quantità specifica di memoria flash indica se tale uso della memoria flash rientra in una classificazione a bassa, media o alta densità. Registrazioni con densità più elevata riflettono quantità maggiori di memoria flash.

In campo informatico, quasi tutti i progressi sono avvenuti attraverso un processo cumulativo. Innanzitutto, c'è stato lo sviluppo delle prime unità di elaborazione centrale (CPU). Nel 1960 è stato creato il transistor MOSFET, che ha consentito la miniaturizzazione di massa del settore dell'elettronica.

Nel 1967, due ricercatori dei Bell Labs (Dawon Kahng e Simon Min Sze) hanno suggerito la possibilità di riutilizzare il floating gate di un MOSFET come fonte di memoria di sola lettura (ROM) riprogrammabile. Nel 1971, l'ingegnere Intel Dov Frohman ha inventato la memoria di sola lettura programmabile cancellabile (EPROM). Le EPROM sono facilmente riconoscibili perché hanno tutte una finestra trasparente sulla parte superiore del chip.

Il passo incrementale successivo ha riguardato la creazione di una memoria di sola lettura programmabile e cancellabile elettricamente (EEPROM), un'altra forma di programma cancellabile elettricamente. Le EEPROM sono state sviluppate tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80 come aggiornamento delle EPROM.

La differenza più evidente tra EPROM ed EEPROM è il modo in cui avviene la cancellazione dei dati. I dati su una EPROM possono essere cancellati tramite la presenza di raggi ultravioletti (UV), mentre le EEPROM devono essere cancellate utilizzando segnali elettrici.

La memoria flash così come la conosciamo è nata negli anni '80 grazie al lavoro pionieristico del dottor Fujio Masuoka, che ha inventato la memoria flash durante il suo impiego presso Toshiba, il colosso manifatturiero giapponese.

Un collega dell'inventore notò la velocità con cui tutti i dati di un chip semiconduttore potevano essere cancellati, un processo paragonabile alla velocità del flash di una macchina fotografica. Da qui è nata, e ha preso il nome, la memoria flash.

Esistono due tipi fondamentali di memoria flash, ognuno con la propria architettura e i propri algoritmi. Inoltre, ogni supporto di storage offre i propri vantaggi e svantaggi.

La memoria flash NAND deve il suo nome alla combinazione di "NOT" e "AND". Questo è un riferimento al gate logico che controlla i circuiti interni di una cella NAND.

Quando una cella NAND viene programmata, una corrente elettrica raggiunge il gate di controllo e il flusso di elettroni arriva al floating gate, creando una carica positiva netta che interrompe il flusso di corrente. Lo strato di ossido mantiene isolato il floating gate, in modo che gli elettroni presenti sul floating gate rimangano lì, insieme ai dati memorizzati. Questo è ciò che conferisce alla memoria flash la capacità di mantenere una carica elettrica e di conservare i dati.

Una cella NAND può essere cancellata rapidamente, perché è progettata per eliminare interi blocchi di dati. Ancora una volta, viene applicata una carica elettrica alla cella di memoria e questo fa sì che gli elettroni (e i dati) che erano rimasti intrappolati all'interno del floating gate vengano riversati in uno strato di isolamento inferiore nel chip. In questo modo la cella di memoria viene effettivamente cancellata.

La produzione di chip di memoria flash NAND non è rapida né semplice.¹ Si stima che siano necessari oltre 800 diversi processi di produzione e circa un mese per creare un "wafer" NAND, che in genere ha le dimensioni di una pizza media con un diametro di 30 cm. I singoli chip NAND, delle dimensioni di un'unghia umana, vengono ricavati da questi wafer e classificati in base alla qualità del chip e all'utilità complessiva.

I chip NAND offrono molti vantaggi. Per cominciare, i chip NAND non contengono parti mobili, il che li rende più solidi e in grado di funzionare anche in caso di urti meccanici, temperature di esercizio eccessive o pressione elevata. Da questo punto di vista, il funzionamento dei chip NAND è più vantaggioso rispetto alle unità HDD (Hard Disk Drive), che sono più soggette a vibrazioni.

Nonostante ciò, l'uso della tecnologia NAND presenta anche degli svantaggi. Tra questi, il più importante è che questo supporto di storage non consente un numero infinito di riscritture nella memoria. I chip NAND possono essere riscritti solo un certo numero di volte, il che limita la loro utilità sul lungo periodo.

Inoltre, la memoria flash NAND è soggetta agli stessi vincoli di altri sistemi o dispositivi. Le organizzazioni, infatti, sono traboccanti di dati e le celle di memoria NAND hanno dovuto tenere il passo progettando nuove forme di celle di memoria. La memoria SLC (single-level cell), con la memorizzazione di un bit per ogni cella e due livelli di carica, si è evoluta nel tempo, dando vita alle celle multilivello (MLC), alle celle a tre livelli (TLC) e persino alle celle a quattro livelli (QLC).

Simile alla sua controparte NAND, il nome della memoria flash NOR è una combinazione di due parole: "NOT" e "OR", un riferimento al tipo di gate logico che controlla i circuiti interni della cella NOR.

Nella memoria flash NOR, le celle di memoria sono collegate in parallelo alle linee di bit. In questo modo possono essere lette e programmate individualmente. Un'estremità di ogni cella di memoria è collegata alla massa, mentre l'altra estremità è collegata a una linea di bit.

I principali vantaggi della memoria NOR sono la velocità di lettura, l'elevato numero di riscritture possibili e la capacità di gestire dati ad accesso casuale. Questo rende i gate NOR perfetti per l'uso in impianti semaforici urbani, automazione industriale, sistemi di allarme, progettazione di circuiti digitali e dispositivi elettronici. Un altro vantaggio importante della flash NOR è il fatto che i dispositivi NOR possono gestire sia il data storage che l'esecuzione del codice con un unico dispositivo.

Per quanto riguarda gli svantaggi, la memoria flash NOR utilizza celle di dimensioni maggiori. Ciò si traduce in velocità di scrittura e cancellazione inferiori rispetto alla memoria flash NAND,

Continua a leggere per scoprire altre differenze tra i due tipi di memoria flash.

Una delle principali differenze di progettazione tra la tecnologia flash NAND e la tecnologia flash NOR è il modo in cui le celle di memoria sono distribuite all'interno di un semiconduttore. Nei chip NAND, le celle sono allineate verticalmente. Nei chip NOR, le celle di memoria sono disposte orizzontalmente. Questa differenza di progettazione fa sì che questi sistemi di memoria funzionino in modo diverso, con velocità e prestazioni diverse.

Le tecnologie NAND mostrano solitamente latenze comprese tra 80 microsecondi e 120 microsecondi, mentre si ritiene comunemente che i tassi di latenza NOR varino tra 160 nanosecondi e 210 nanosecondi, dimostrando che la memoria flash NOR sperimenta una minore quantità di latenza.

Secondo le stime, la durata tipica della memoria flash NAND è compresa tra i tre e i cinque anni. In netto contrasto, la durata della memoria flash NOR è stimata tra i 20 fino ai 100 anni (o più).

Un'altra area di differenza tra le tecnologie NAND e NOR riguarda la quantità di elettricità richiesta da ciascuna. Tuttavia, il consumo energetico di ciascuna di esse comporta un compromesso. Ad esempio, la NAND utilizza meno energia durante le procedure di avvio, ma più energia quando è in modalità standby. La NOR, invece, utilizza più corrente elettrica quando viene accesa per la prima volta, ma meno energia quando è in standby.

La quantità di energia che utilizzano durante i processi che ciascuna svolge è più o meno comparabile, anche se questa misurazione è soggetta alla quantità di memoria utilizzata da ciascuna, che dipende dalle attività svolte da ciascuna tecnologia. La NOR è specializzata nella lettura rapida dei dati e consuma meno energia quando svolge questo compito. Durante la scrittura e la cancellazione dei dati, la NAND utilizza meno energia rispetto alla NOR.

È opportuno sottolineare che né la memoria flash NAND né quella flash NOR possono avvicinarsi alle velocità di elaborazione normalmente raggiunte da altre forme di memoria. La memoria cache è spesso considerata la memoria più veloce di tutte, in virtù della sua posizione tra la memoria ad accesso casuale (RAM) di un computer e la sua unità di elaborazione centrale (CPU).

Inoltre, non esiste una risposta univoca per stabilire se la NAND sia più veloce della NOR o viceversa. Dipende dall'applicazione immediata in cui sono impegnate. Se il confronto si basa sulla lettura rapida, la NOR è più veloce. Se il confronto riguarda l'esecuzione di attività e la gestione dei dati, è più veloce la NAND.

Né la NAND né la NOR possono tenere il passo con la Dynamic Random Access Memory (DRAM), una forma unica di RAM che raggiunge velocità ad alte prestazioni fino a 100 volte superiori alla NAND e offre il file storage temporaneo durante l'esecuzione di app o programmi. (Vale anche la pena notare, tuttavia, che la DRAM è una forma di memoria volatile, il che significa che la sua massima utilità consiste nel supportare l'elaborazione in corso, poiché una volta spenta o persa l'alimentazione di supporto, la memoria DRAM perde tutti i dati con cui stava lavorando.)

Un altro elemento di differenziazione chiave è che la memoria flash NAND offre una capacità di archiviazione sostanzialmente maggiore rispetto alla NOR, che è in genere disponibile in incrementi di memoria da 64 Mb a 2 Gb, mentre le soluzioni di archiviazione NAND variano in capacità da 1 Gb a 16 Gb, rendendo la capacità di archiviazione massima della NAND 8 volte maggiore della capacità massima della NOR.

Ci sono altre differenze fondamentali tra NAND e NOR, in base agli scopi per cui ciascuna di esse viene utilizzata. Si crede spesso che la NAND sia più adatta per eseguire processi "approfonditi" come riscritture e cancellazioni di blocchi di dati, mentre la NOR eccelle nelle ricerche rapide di dati meno impegnative.