Qu'est-ce que la mémoire flash ? Types, travail, avantages et défis

La mémoire flash est une technologie de stockage qui utilise une conception de cellule à grille flottante pour mémoriser son état avant d'être éteinte, conservant ainsi les données indépendamment de l'alimentation électrique active/inactive, ce qui en fait une forme durable de mémoire de lecture, d'écriture et d'effacement.

Comment fonctionne la mémoire flash

Source:eeNews EmbeddedOuvre une nouvelle fenêtre

La mémoire flash est une puce de mémoire non volatile utilisée pour le stockage et la transmission de données entre les équipements numériques et les ordinateurs personnels. Il est capable d'être reprogrammé électriquement et nettoyé. Il est souvent inclus dans les clés USB, les lecteurs MP3, les appareils photo ou les disques SSD. Ces dernières années, la technologie flash est devenue plus abordable et plus durable, ce qui a conduit à son utilisation généralisée dans l'informatique d'entreprise.

Voici des exemples de mémoire flash que l'on trouve le plus fréquemment dans les ordinateurs :

Dans la mémoire flash, les informations sont stockées dans des cellules de mémoire. Ces cellules ont des transistors à grille flottante qui peuvent capturer des électrons pendant une période prolongée, mais pas indéfiniment. Selon l'endroit où une tension est appliquée, ces cellules peuvent effectuer des tâches de lecture, d'écriture et d'effacement. Pour effectuer une opération d'écriture, la grille flottante de la cellule mémoire doit être soit chargée, soit déchargée ; un état chargé implique un 0 logique, et un état déchargé implique un 1 logique.

Les systèmes de stockage modernes regroupent les cellules de mémoire en pages, ce qui permet de récupérer simultanément d'énormes quantités de données plutôt que cellule par cellule. La forme la plus courante de mémoire flash, non-et (NAND) flash, se compose de blocs de 32 ou 64 pages.

Une puce NAND peut "pousser" des électrons dans un support d'oxyde et dans une "porte" en silicone. Ces portes retiennent les électrons qu'un ordinateur peut interpréter comme des 1 et des 0. La puce relie des centaines ou des milliers de ces transistors et utilise un contrôleur logique pour les faire fonctionner comme une unité.

En 1981, Fujio Masuoka, un ingénieur électricien basé à Toshiba, et Hisakazu Iizuka, un collègue, ont déposé le brevet américain 4 531 203 pour l'invention du flash. Initialement appelée EEPROM effaçable simultanément (mémoire morte programmable effaçable électriquement), elle a été surnommée "flash" car elle pouvait être effacée et reprogrammée instantanément - rapidement comme un flash d'appareil photo.

Dans le passé, les puces de mémoire effaçables (EPROM typiques) nécessitaient environ 20 minutes pour être effacées pour être réutilisées avec un rayon de lumière ultraviolette, ce qui nécessitait un emballage coûteux et transparent à la lumière. Il y avait des EPROM moins chères et effaçables électriquement, mais leur architecture était plus lourde et moins efficace, nécessitant deux transistors pour contenir chaque bit d'information. La mémoire flash a résolu ces limitations.

Au cours de la dernière décennie, la mémoire flash a rapidement dépassé le stockage magnétique. Dans les appareils allant des superordinateurs ou ordinateurs portables aux téléphones portables et iPads, les disques durs sont remplacés par des SSD à mémoire flash (disques SSD) qui sont petits, rapides et compacts. La transition des PC et des appareils fixes vers les appareils portables (tablettes et smartphones) et les téléphones portables (qui nécessitent des unités de mémoire super compactes, à haute densité et incroyablement stables qui peuvent supporter les tensions et les contraintes liées aux déplacements) a contribué à cette tendance.

Ces tendances favorisent actuellement la technologie flash 3D ("empilée"), que Samsung a développée au début des années 2000 et officiellement introduite en 2013. Plusieurs niveaux de cellules mémoire peuvent être développés sur une seule plaquette de silicium pour améliorer la capacité de stockage. Au lieu de portes flottantes (qui seront expliquées dans les sections suivantes), le flash 3D utilise un mécanisme connu sous le nom de piège de charge. Il fournit des capacités de mémoire profondes dans la gamme des térabits dans la même empreinte de taille.

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Les types de mémoire flash les plus notables incluent :

Types de mémoire flash

Le stockage flash traditionnel, tel qu'il est utilisé par les consommateurs, est similaire aux disques durs (HDD) et aux disques à semi-conducteurs (SSD) dans son application. Il permet de stocker des données sur une puce portable isolée avec des connecteurs pour s'adapter à un port USB. Le principal avantage d'un périphérique de stockage flash conventionnel est sa capacité évolutive et économique, ainsi que son stockage fiable. Cependant, cette technique de stockage est vulnérable à des failles telles que le vol physique.

Le stockage flash principal est conçu pour la vitesse et une latence minimale. Il est responsable du traitement des entrées/sorties en première ligne. Le stockage flash principal est parfaitement adapté aux applications d'entreprise sensibles au facteur temps et aux données structurées. Il excelle dans la réception et le renvoi de blocs de données avec des tailles prévisibles et le fait rapidement.

Le stockage flash pour le Big Data est l'endroit où se déroulent les principales opérations d'analyse de données. Le Big Data nécessite la vitesse et la capacité offertes par le stockage flash, mais la latence n'est pas aussi importante. En règle générale, le stockage flash pour le Big Data est utilisé pour les analyses traitées par lots impliquant d'énormes ensembles de données de différentes tailles. C'est un type de stockage flash à haute densité.

Ce type de périphérique de stockage, également appelé stockage en cache, offre les taux d'accès les plus rapides au détriment de la capacité. La popularité du serveur flash a augmenté ces dernières années car il augmente les activités/opérations d'entrée/sortie par seconde (IOPS). Il améliore également la mémoire flash tout en fonctionnant parallèlement au programme hôte. Cela permet à une équipe informatique d'accélérer le stockage et de minimiser la latence plus efficacement qu'avec d'autres types de mémoire flash.

Une solution de mise en cache intelligente est un moyen de définir une baie hybride. Il permet un accès inférieur à la milliseconde à vos données stockées tout en utilisant la capacité de stockage de votre disque dur. Une baie hybride nécessite une charge de travail plus importante.

Le stockage flash au niveau du rack est une forme de stockage spécialisée. Ce type est simplement un sous-ensemble de données flash volumineuses, mais son utilisation principale est le traitement d'analyse de données en temps réel. Pour offrir le délai d'exécution le plus court possible, le stockage flash à l'échelle du rack exige une latence très faible.

Un lecteur flash de disque à semi-conducteurs (SSD) utilise la mémoire flash pour stocker des données. Un SSD offre des avantages par rapport à un disque dur (HDD). Le retard intrinsèque des disques durs est dû aux composants mécaniques. Un système à semi-conducteurs ne possède aucun composant mobile et par conséquent une latence minimale, nécessitant moins de SSD. Étant donné que la plupart des SSD actuels sont basés sur la mémoire flash, le stockage flash est associé à des périphériques à semi-conducteurs.

Les baies 100 % flash stockent les informations exclusivement dans la mémoire flash. Ces conceptions contemporaines sont destinées à améliorer les performances sans les limitations imposées par les fonctionnalités historiques du réseau de stockage SSD (SAN). Ils ont une latence très faible et une disponibilité élevée. Ils conviennent aux paramètres multicloud et aux normes de stockage telles que la mémoire non volatile express (NVMe).

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Le fonctionnement de la mémoire flash est basé sur le concept de transistors. Un transistor est un type de semi-conducteur utilisé pour améliorer ou commuter l'alimentation et les signaux électriques. Dans le stockage informatique, le transistor fonctionne comme un bouton ou un interrupteur qui permet aux circuits de la puce mémoire de changer d'état.

Le fait que les transistors conventionnels soient des interrupteurs électriques commandés par l'électricité a été à la fois leur avantage et leur inconvénient. Il est avantageux car il permet à un ordinateur de stocker des données en transmettant des motifs électriques via ses circuits de mémoire. Cependant, dès que l'alimentation est coupée, tous les transistors reviennent à leur état d'origine, ce qui fait perdre à l'ordinateur toutes les données qu'il a enregistrées. Cela explique également le fonctionnement de la mémoire vive (RAM).

Un autre type de mémoire, connu sous le nom de mémoire morte (ROM), n'est pas affecté par ce problème. Lorsque les puces ROM sont créées, elles sont préprogrammées avec des données afin qu'elles ne "perdent" pas tout ce qu'elles ont appris lorsqu'elles sont allumées ou éteintes. De plus, les données qu'ils stockent sont permanentes.

La mémoire flash partage ses principales caractéristiques avec la ROM et la RAM. Comme la ROM, il conserve les informations même lorsqu'il n'y a pas d'alimentation ; comme la RAM, il peut être effacé et écrasé à plusieurs reprises. Pour ce faire, le flash utilise un tout nouveau type de transistor qui reste allumé (ou éteint) que l'alimentation soit éteinte ou allumée. Voilà comment cela fonctionne:

Les dispositifs de mémoire flash cartographient les données à l'aide de deux technologies logiques distinctes : non-ou (NOR) et non-et (NAND). Il peut récupérer des quantités infinitésimales de données, comme un seul octet. NOR sert à stocker les systèmes d'exploitation des téléphones mobiles, les pilotes de périphériques, ainsi que le logiciel BIOS qui s'exécute lors du démarrage de l'ordinateur.

Le stockage NAND gère les données dans des pages compactes lues et écrites séquentiellement à grande vitesse. Ce flash est utilisé dans les clés USB, les caméras, les vidéos, les lecteurs audio et les décodeurs pour téléviseurs. Le stockage NAND lit plus vite qu'il n'écrit, permettant la transmission rapide de pages entières de données. La technologie NAND est moins chère que le stockage NOR et offre plus de stockage pour une taille de puce comparable.

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Le plus grand avantage de la mémoire flash est sa vitesse et sa portabilité. Ses inconvénients incluent un composant de coût plus élevé que les autres types de stockage, une capacité limitée pour le même prix et une érosion des données au fil du temps si elles sont laissées déconnectées d'une alimentation électrique pendant trop longtemps. Discutons en détail de ces avantages et défis.

La mémoire flash est :

Lors de l'utilisation de la technologie flash, il est également important de se rappeler ses inconvénients. C'est:

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Flash est l'une des technologies les plus répandues de notre époque. Des périphériques de stockage grand public aux centres de données 100 % flash, il a révolutionné la manière dont les données sont stockées. La mémoire flash peut accélérer les processus d'analyse des données en réduisant la dépendance au stockage magnétique qui constituerait les serveurs, les centres de données et les entrepôts de données traditionnels. En fait, en janvier 2023, Micron a lancé un nouveau SSD basé sur flash pour les centres de données, qui promet 77 % d'IOPS en plus. De plus, le SSD a une capacité de 30 To, ce qui est une prouesse exceptionnelle pour une mémoire flash !

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Rédacteur technique