Hard du Hard • Technologies de Mémoires — partie 2/3 |
• 27 Juin 2023
La mémoire Flash
Le changement majeur de conception dans les EEPROM s'est produit en 1980 avec l'invention de la mémoire flash par Toshiba. Plutôt que d'avoir un transistor d'écriture/effacement par bit de données, cette architecture mutualise la fonction par bloc, la rendant plus dense et plus rapide. Deux types de mémoires flash émergent, nommés d'après les portes logiques sur lesquelles elles sont basées : la flash NOR et la flash NAND. Le flash NOR a très peu de changement de concept par rapport aux précédentes EEPROM, mais est plus efficace. Cependant, la flash NAND est plus radicale dans son concept : plutôt que de s'adresser à un mot d'un seul bit, elle s'adresse à une chaîne de données entière, appelée bloc.
Schéma d’une flash NAND
À cet égard, une adresse dans la mémoire flash NAND ressemble beaucoup à un code temporel dans un stockage optique ou sur bande, et a une fonction similaire à celle d'un lecteur de disque dur. Très vite, elle est utilisée comme support mémoire amovible.
ROM et RAM ont bénéficié des progrès de la technologie silicium, mais la flash NAND a également fait l'objet d'une attention particulière avec le développement de la NAND verticale. Plutôt qu'une technologie entièrement planaire, le flash NAND a été fabriqué à partir des années 2010 en colonnes. Pour un coût similaire, sa densité a été multipliée par 100. En 2022, la fabrication de pointe de flash NAND était de 100 à 238 couches en fonction du fabricant.
De la Flash NAND... à la 3D NAND
La mémoire flash est en passe de devenir la solution de stockage de masse de référence. Elle a dépassé les disques durs magnétiques en termes de nouvelles unités en 2020. La mémoire Flash NAND a réalisé un volume de ventes mondial d'environ 50 milliards USD en 2020, le flash NOR 2 milliards USD.
Cependant, la 3D NAND nécessite des lignes de production complètement différentes des autres technologies de mémoire. De la même façon que la RAM, la mémoire flash est considérée comme une commodity.
Le marché de la Flash NAND / Juin 2023 via dramexchange.com
Dans ce marché de la Flash NAND, on entend aujourd'hui parler de SLC, MLC, TLC ou QLC, qui sont des "qualités" de mémoire flash. La SLC, la plus durable (100000 cycles de lecture/écriture) et la plus rapide, sera aussi la plus chère. La QLC, la moins durable (un millier de cycles), sera aussi la moins cher. On parle de prix au gigabit, ici. Mais physiquement, ce sont presque les mêmes puces. Ce qui va les différencier, c'est l'information que l'on stocke dans leur cellule mémoire.
| SLC | MLC | TLC | QLC | PLC | |
|---|---|---|---|---|---|
| Bits par cellule | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Cycles P/E | 100 000 | ~10 000 | ~3 000 | ~500 | ~300 |
| Latence de lecture | 25 µs | 50 µs | ~125 µs | ~ 175 µs | on |
| Latence de programmation | 100-200 µs | 600-900 µs | 900-1350 µs | 2,5 ms | en |
| Latence d'effacement | 1,5 - 2 ms | 3 ms | 4,5 ms | 6 ms | sait rien |
Les niveaux de performance de la Flash (en gros)
Dans une cellule SLC, on va stocker l'information sur deux niveaux de tension : le niveau pour le "0", le niveau pour le "1". On appelle ça V0 et V1, Mais mettons qu'en plus, on décide de mettre aussi un niveau V2 double de V1 et V3 triple de V1. Si la cellule tient le coup et ne claque pas, on va avoir la place pour stocker 4 valeurs différentes: 0, 1, 2 et 3. Ou, en binaire, 00, 01, 10 et 11. On stocke 2 bits dans la même cellule. C'est le MLC. Et si on continue, pour 8 valeurs on stocke 3 bits, 16 valeurs de tension on en stocke 4. Dans le même nombre de cellules.
Niveaux de codage de l’information dans les cellules de flash NAND
Mais le problème, c'est qu'il faut que les cellules encaissent le choc des tensions de seuil bien plus élevées pendant l'écriture et la lecture. Et donc fatiguent plus vite. On privilégiera le QLC pour des mémoires qui ne seront pas réécrites souvent, les mémoires qui ont besoin d'être denses ou les mémoires vraiment pas chères (les cartes SD et autres périphériques de stockage externes par exemple). Et à l'inverse, le SLC sera cher et plutôt réservé aux usages serveur les plus critiques, comme certains caches. Le TLC ou plus rarement le MLC est ce qu'on retrouve le plus souvent dans les SSD de nos ordinateurs.
Il existe le même concept dans les bus de données : entre le PCIe 4.0 et le PCIe 5.0, on passe d'un codage NRZ (sur 2 niveaux) à un PAM-4 (sur 4 niveaux) qui permet de doubler le bitrate sans devoir doubler la fréquence. Mais nous parlerons de ça plus tard.
En attendant, sur le sujet des NAND ou pour relire la première partie de cette chronologie, vous pouvez re consulter :
Technologie et histoire de la mémoire→1ère partie /3 →3ème partie /3
→Comment les différences entre chaque technologie influencent-elles nos SSDs et leur durée de vie ?
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