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La mémoire flash, comment ça fonctionne ?

Dossier - Le stockage des données informatiques
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Nous stockons toujours plus de données, un défi pour l’informatique. Cloud, disque dur, clé USB, carte SD : quel support choisir ? Peut-on encore faire confiance aux incontournables CD, DVD ou Blu-ray ? Quid de la mémoire flash ? Les réponses à toutes vos questions dans ce dossier spécial.

  
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L'avenir du stockage tend vers la mémoire flash, qu'il s'agisse des ordinateurs, mais aussi des serveurs de stockage en cloud. Rapidité, fiabilité, économies d'énergie : comment fonctionne cette technologie qui se trouve déjà dans nos mobiles et clés USB ?

Comment fonctionne la mémoire flash ? Ici, des exemples de grosses clés USB de marque Kingston dotées d'une capacité de 1 et 2 To. Il s'agit plus d'un gros disque dur d'appoint que d'une clé USB étant donné ses dimensions. © Kingston

Inventée, et commercialisée dans la foulée, au début des années 2000, la clé USB a révolutionné en très peu de temps le stockage informatique en mettant les fameuses disquettes à la retraite. Au fil des années, la capacité a gonflé et la clé USB a pratiquement remisé les CD enregistrables et donné vie à de nouveaux types de stockages, tels les cartes mémoire SD, les microSD et les disques durs SSD, que l'on trouve de plus en plus dans nos ordinateurs. Ces supports renferment tous des puces constituées de milliards de transistors qui viennent mémoriser les données. Chaque bit de donnée (0 ou 1) est contenu dans un transistor, appelé « cellule ».

À la fin des années 1980, le nom qui a été retenu pour définir cette mémoire est « le flash », car son inventeur apparentait la rapidité d'inscription des données à celle d'un flash d'appareil photo. Dès l'invention de ces mémoires non volatiles, deux technologies ont émergé :

  • NOR (transistors montés en parallèle) ;
  • Nand (transistors montés en série).

La technologie NOR a été rapidement abandonnée, car son coût était élevé, avec des cellules de stockage de grande taille, limitant la capacité. Enfin, elle était moins endurante. C'est la technologie Nand qui a été plébiscitée pour son bon compromis de coût, de fiabilité et de rapidité.

Fonctionnement des puces de mémoire flash

Ces puces électroniques se basent sur la technologie EEProm (Electrically Erasabe, Programmable, Read-Only Memory). Contrairement aux puces de la mémoire vive d'un ordinateur, ou d'un mobile, ces mémoires sont dites « non volatiles ». C'est-à-dire que même hors tension, elles peuvent conserver des données.

Pour rendre la mémoire non volatile, il est nécessaire de réaliser une modification sur les transistors. En plus de la classique grille de contrôle, la base d'un transistor classique est enrichie d'une grille supplémentaire. Celle-ci flotte dans un oxyde qui l'isole totalement. C'est dans cette grille flottante que la donnée va être mémorisée sous la forme d'une charge (0), ou d'une décharge (1).

La mémoire flash est constituée de transistors améliorés pour pouvoir conserver les données. Dans la base d'un transistor classique, une grille flottante est isolée par un oxyde. Cette grille peut être chargée (0) ou déchargée (1) en électrons. Pour cela, il faut forcer le passage des électrons à travers la barrière de l'isolant. © Sylvain Biget

Or, pour stocker durablement l'information, la difficulté va consister à injecter, ou bien retirer, des électrons en passant à travers l'isolant pour modifier l'état de la grille. Cette opération est réalisée par le truchement d'un processus quantique, baptisé « l'effet tunnel ». Il permet aux électrons de franchir la barrière de l'isolant. Pour cela, une forte tension positive entre les deux électrodes de la base est appliquée. Les électrons vont alors traverser la couche isolante et se déplacer vers la grille pour s'y agglutiner. Une fois chargé en électrons, elle bloque la conductivité du transistor. La donnée inscrite est alors un 0. En revanche, si la tension est négative, les électrons vont migrer de la grille flottante et celle-ci laissera passer le courant. La donnée retenue est alors un 1. Pour ne pas que les électrons fuient progressivement de la grille, il faut que l'isolant soit suffisamment épais.

À l'intérieur de cette famille de mémoire flash Nand, deux variantes d'enregistrement des données existent : SLC (Single Level Call) et MCL (Multi, Level Call). La seconde est la plus employée, car elle permet de stocker deux données par cellule au lieu d'une seule, et ce pour le même tarif. En revanche, pour écrire ces données, il faut quatre niveaux de tension au lieu de deux et l'écriture est trois fois plus lente qu'avec le SLC.

Une lecture rapide

Ecrire des données est l'opération la plus longue (900 microsecondes). En revanche, la lecture, quant à elle, est bien plus simple et instantanée (50 microsecondes). Une tension relativement faible est envoyée dans la base du transistor. Si la grille flottante est déchargée d'électrons, elle n'est pas isolante et la donnée relevée est le 1 binaire. Si elle l'est, c'est un 0.

C'est ainsi que le temps d'accès est presque équivalent à celui d'une mémoire vive, alors qu'un disque optique ou un disque mécanique doit faire face à des contraintes physiques de déplacement de la tête de lecture pour pouvoir accéder à des données.

Une capacité de stockage inférieure

Même si les tarifs baissent avec la démocratisation des disques SSD et des cartes microSD, la capacité de stockage en mémoire flash reste toujours largement inférieure à celle d'un disque dur traditionnel qui peut héberger 4, voire 8 à 10 téraoctets de données. Un disque classique de 8 To coûte à peu près le même tarif qu'un SSD de 1 To (env. 350 euros). Sachez qu'un pourcentage de la capacité sert à réattribuer le contenu des cellules déclinantes et gérer ces milliards de transistors.

Différentes puces de mémoire flash. © DR

Dans les prochaines années, la capacité de stockage devrait décoller en utilisant des procédés de stockage flash en trois dimensions (V-Nand). Le principe mis au point par Samsung consiste à empiler des dizaines de grilles (jusqu'à 64) de transistors pour faire grimper le nombre de Go sur la même surface. Ces V-Nand devraient faire fortement baisser le tarif de la mémoire flash. D'autres procédés existent pour densifier la capacité. Ainsi, Toshiba a mis au point une technologie baptisée QLC. Elle consiste à mémoriser quatre bits par cellule, grâce à huit niveaux de tension. Etant donné l'instabilité des transistors conséquente de ces niveaux de tension lors des cycles écriture-effacement, cette mémoire se destine essentiellement au stockage de longue durée.

Une durée de vie limitée, mais confortable

À force d'écrire et d'effacer à grand coup de tension, l'isolant va finir par perdre de ses capacités, et les électrons vont circuler plus facilement. C'est pour cette raison que les mémoires flash disposent d'une durée de vie limitée. Autrefois cantonnée à 10.000 cycles d'écriture-effacement, la longévité d'une cellule (un transistor) est estimée aujourd'hui à 100.000 cycles. Toutefois, il ne faut pas croire que ce déclin est rapide. En réalité, le contrôleur de mémoire est là pour réaffecter les données enregistrées dans des cellules « usées » dans d'autres saines. Ainsi, par exemple, un disque dur SSD très sollicité pour écrire des données peut contenir des données sans défaillir pendant au moins cinq ans.

Dans l'avenir, les technologies devraient augmenter considérablement cette longévité. Ainsi, au lieu de charger ces mémoires électriquement, une autre génération de flash pourrait émerger. Cette fois, l'écriture et la lecture se feraient de façon magnétique.