Cos'è la memoria flash NAND?

Il termine "NAND" è la combinazione di "NOT" e "AND", riferendosi alla porta logica che controlla la struttura interna di una cella NAND.

Oltre alla sua alta densità di storage e alla non volatilità, la memoria flash NAND si distingue per trasferimento veloce dei dati, durata e basso consumo energetico. Queste caratteristiche hanno reso la memoria flash NAND la soluzione storage dominante per i dispositivi elettronici personali di uso quotidiano, dagli smartphone alle fotocamere digitali, dalle console di gioco ai tablet.

A livello aziendale e industriale, esempi di utilizzo di NAND includono data center, sistemi automobilistici embedded, attrezzatura per l'imaging medico e infrastrutture di telecomunicazione.

Spinta da una crescente domanda di data storage per applicazioni consumer ed enterprise, la dimensione del mercato della memoria flash NAND dovrebbe crescere da 55,73 miliardi di dollari USA nel 2025 a 72,60 miliardi di dollari USA entro il 2030. Questa crescita riflette un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 5,43% durante il periodo.¹ La crescita è guidata dall'investimento nelle infrastrutture di AI , dall'aumento dell'adozione di SSD nei dispositivi elettronici di consumo e dalla tecnologia dei chip 3D che riduce i costi di archiviazione.

La memoria flash NAND sta inoltre svolgendo un ruolo fondamentale nell'adozione a livello enterprise di AI generativa. Le applicazioni di gen AI richiedono enormi quantità di storage per i dati e i contenuti di formazione, tra cui testo, immagini e video, che vengono store su SSD alimentati da chip di memoria flash NAND.

A differenza della memoria volatile come la DRAM (memoria ad accesso casuale dinamico), che perde dati quando viene interrotta l'alimentazione, NAND è una memoria non volatile che trattiene le informazioni intrappolando la carica elettrica nelle sue porte fluttuanti.

La memoria flash NAND è utilizzata per memorizzare dati utilizzando componenti speciali chiamati transistor a porta fluttuante. Questi transistor sono disposti in una serie che funziona come una porta logica NAND, un circuito digitale fondamentale che elabora segnali binari (uno e zero) utilizzando le operazioni "NOT" e "AND".

Ogni cella di memoria nella flash NAND contiene due parti chiave: una porta di controllo e una porta flottante, separate da uno strato sottile di materiale ossido. Immaginiamolo come un piccolo contenitore in grado di intrappolare una carica elettrica.

Le operazioni di scrittura nelle celle NAND iniziano quando la carica elettrica viene applicata tramite un processo chiamato tunneling di Fowler-Nordheim. Questa carica spinge gli elettroni nella porta fluttuante, dove rimangono intrappolati, rappresentando un valore binario. Per cancellare i dati, la carica viene semplicemente rimossa dalla cella, liberando gli elettroni intrappolati.

Ciò che rende NAND Flash efficiente è la sua architettura basata su blocchi. Invece di scrivere o cancellare i dati bit alla volta, NAND elabora le informazioni in blocchi grandi. Questo processo lo rende ideale per operazioni sequenziali e storage su larga scala.

I vantaggi della memoria flash NAND includono:

• Storage non volatile: può conservare i dati anche quando la corrente è spenta, il che consente lo storage persistente per sistemi operativi, applicazioni e file utente.

• Bassa latenza: accelera la velocità di accesso ai dati per applicazioni ad alte prestazioni e ad alta intensità di dati.

• Alta densità di storage: racchiude una grande capacità di storage in formati compatti, dalle schede microSD agli SSD aziendali.

• Efficienza energetica: richiede meno potenza rispetto ai dischi meccanici, il che prolunga la durata della batteria e riduce i costi dei data center.

• Durabilità: più resistenti a urti fisici e vibrazioni rispetto ai storage per dischi rigidi (HDD) perché non hanno parti mobili.

• Affidabilità: tassi di guasto inferiori e tecniche di livellamento dell'usura garantiscono prestazioni costanti, supportando cyber resilience e continuità aziendale.

Le fondamenta della memoria flash NAND sono iniziate con lo sviluppo del MOSFET (transistor a effetto campo a ossido metallico e semiconduttore) nel 1960, che ha permesso la miniaturizzazione di massa dell'elettronica.

Nel 1967, Dawon Kahng e Simon Min Sze, ricercatori dei Bell Labs, proposero che il gate flottante di un MOSFET potesse essere riutilizzato come memoria di sola lettura riprogrammabile (ROM).

Questo concetto gettò le basi per le tecnologie di memoria cancellabile. Nel 1971, l'ingegnere Intel Dov Frohman inventò la memoria di sola lettura programmabile cancellabile (EPROM), che utilizzava la luce ultravioletta per cancellare i dati attraverso una finestra trasparente sul chip.

Il successivo avanzamento è arrivato con la memoria di sola lettura programmabile e cancellabile elettricamente (EEPROM) alla fine degli anni '70 e all'inizio degli anni '80. A differenza delle EPROM, le EEPROM possono essere cancellate tramite segnali elettrici. Questa innovazione rappresentò un miglioramento significativo in termini di comodità e funzionalità.

La memoria flash è emersa negli anni '80 grazie al lavoro del dottor Fujio Masuoka presso Toshiba. Il termine "flash" deriva da un collega che osservò che i dati potevano essere cancellati dal chip "alla stessa velocità del flash di una macchina fotografica".

Durante gli anni 2000 e 2010, i produttori hanno compiuto progressi significativi nella densità, nelle prestazioni e nell'affidabilità delle memorie flash NAND grazie alle innovazioni nella progettazione e nelle tecniche di produzione delle celle. Queste innovazioni trasformarono la memoria flash NAND da una tecnologia di archiviazione di nicchia alla base del data storage moderno.

Esistono due tipi di memoria flash: NOR flash e NAND flash.

La memoria flash NAND utilizza porte logiche booleane "NOT AND" con celle di memoria disposte in serie, dando priorità alla densità di storage e alle operazioni sequenziali per esigenze di storage ad alta capacità.

La memoria flash NOR utilizza porte logiche booleane "NOT OR" con celle di memoria flash collegate in parallelo, consentendo la lettura e la programmazione rapida dei singoli byte. Questo processo rende NOR flash particolarmente adatto per applicazioni che richiedono l'esecuzione di codice direttamente dalla memoria, come firmware, chip BIOS e sistemi embedded. Tuttavia, la memoria flash NOR ha velocità di scrittura e cancellazione più lente, una densità di storage inferiore e costi per bit più elevati.

Sebbene la flash NOR rimanga importante per le attività di esecuzione del codice, la flash NAND è diventata la principale tecnologia di storage per la maggior parte delle applicazioni. 

I tipi di memoria flash NAND sono classificati in base al numero di bit che le singole celle possono memorizzare. Ogni tipo ha diversi valori di resistenza, misurati in cicli P/E (cicli di programmazione o cancellazione).

Eccone alcune:

• SLC (cella a livello singolo): le SLC, o celle a livello singolo, memorizzano un bit per cella. Sebbene la NAND SLC sia la più costosa per gigabyte, offre le massime prestazioni, affidabilità e resistenza, con un massimo di 100.000 cicli di cancellazione. Viene utilizzato in ambienti aziendali che eseguono workload aziendali mission-critical.

• MLC (cella multilivello): MLC, ovvero celle multilivello, memorizzano due bit per cella. Raddoppia la densità di storage di SLC riducendo il costo per gigabyte, ma è più lento. Offrendo un prezzo accessibile nella fascia media, la tecnologia MLC è integrata in molti SSD consumer o workstation professionali in cui la resistenza è meno critica.

• TLC (cella a tre livelli): TLC, ovvero celle a triplo livello, memorizzano tre bit per cella. La tecnologia TLC offre una resistenza inferiore rispetto a SLC e MLC perché ha solo 3.000 cicli P/E. Tuttavia, offre una maggiore densità per lo storage dei dati a un costo inferiore ed è frequentemente utilizzato nei prodotti SSD consumer mainstream. 

• QLC (quad-level cell): le QLC, o celle a quattro livelli, memorizzano quattro bit per cella. Questa specifica massimizza la capacità di storage e riduce al minimo il costo per gigabyte, rendendola ottimale per workload ad alta intensità di lettura (ad esempio, streaming, archiviazione, file storage) in cui la durata del ciclo di scrittura è meno critico. Il QLC si basa anche molto sulla correzione avanzata degli errori per preservare l'integrità dei dati.

SLC, ovvero celle a livello singolo, immagazzinano un bit per cella. Sebbene la NAND SLC sia la più costosa per gigabyte, offre le massime prestazioni, affidabilità e resistenza, con un massimo di 100.000 cicli di cancellazione. Viene utilizzato in ambienti aziendali che eseguono workload aziendali mission-critical.

Gli SSD moderni utilizzano la memoria NAND 3D, un tipo di architettura che utilizza lo stack di più strati di celle di memoria su wafer di silicio. Rispetto al vecchio NAND 2D, che dispone le celle di memoria in una matrice piatta, il NAND 3D consente un numero maggiore di celle di memoria all'interno della stessa impronta. Questa funzionalità ottimizza la densità di data storage, la capacità e il costo complessivo per bit di dato, permettendo un maggior numero di celle di memoria.

Secondo un rapporto di S&S Insider, nel 2023 il mercato delle memorie flash NAND 3D avrebbe raggiunto i 17,59 miliardi di dollari. Si prevede inoltre che raggiungerà i 75,44 miliardi di USD entro il 2032, con un CAGR del 17,61% dal 2024 al 2032.²

La tecnologia 3D NAND svolge un ruolo cruciale nell'archiviazione dei dati nell'era dell'intelligenza artificiale (AI). Con velocità di scrittura fino al 50% superiori rispetto alle soluzioni NAND tradizionali, gli SSD alimentati da NAND 3D e all flash array vengono utilizzati come storage per gen AI. Ciò supporta un rapido accesso a modelli preaddestrati e set di dati di grandi dimensioni vicino alle unità di elaborazione. Riducendo la latenza nel recupero dei dati, la NAND 3D migliora le prestazioni dei workflow di AI e Apprendimento automatico (ML).