Memoire flash


Memoire flash

Mémoire flash

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La mémoire flash est une mémoire de masse à semi-conducteurs ré-inscriptible, c'est-à-dire une mémoire possédant les caractéristiques d'une mémoire vive mais dont les données ne disparaissent pas lors d'une mise hors tension. Ainsi, la mémoire flash stocke les bits de données dans des cellules de mémoire, mais les données sont conservées en mémoire lorsque l'alimentation électrique est coupée.

Sa vitesse élevée, sa durée de vie et sa faible consommation (qui est même nulle au repos) la rendent très utile pour de nombreuses applications : appareils photo numériques, téléphones cellulaires, imprimantes, assistants personnels (PDA), ordinateurs portables ou dispositifs de lecture et d'enregistrement sonore comme les baladeurs numériques, clefs USB. De plus, ce type de mémoire ne possède pas d'éléments mécaniques, ce qui lui confère une grande résistance aux chocs.

Une clé USB. La puce de gauche est la mémoire flash, celle de droite le microcontrôleur.
Un lecteur USB de cartes mémoires utilisées par exemple dans les appareils photo numériques.

Sommaire

Technologie

La mémoire flash est un type d'EEPROM qui permet la modification de plusieurs espaces mémoires en une seule opération. La mémoire flash est donc plus rapide lorsque le système doit écrire à plusieurs endroits en même temps.

La mémoire flash utilise comme cellule de base un transistor MOS possédant une grille flottante enfouie au milieu de l'oxyde de grille, entre le canal et la grille. L'information est stockée grâce au piégeage d'électrons dans cette grille flottante. Deux mécanismes sont utilisés pour faire traverser l'oxyde aux électrons :

  • l'injection d'électrons chauds ;
  • l'effet tunnel obtenu en appliquant une haute tension sur la « vraie » grille (appelée grille de contrôle).

La technique flash se décline sous deux principales formes : flash NOR et NAND, d'après le type de porte logique utilisée pour chaque cellule de stockage.

L'écriture et l'effacement des données dans une mémoire Flash (on parle de programmation) s'effectuent par l'application de différentes tensions aux points d'entrée de la cellule. Ces opérations soumettent la grille flottante à rude épreuve ; on estime qu'une mémoire Flash peut supporter jusqu'à 100 000 écritures et effacements, selon la qualité de l'oxyde utilisé pour la grille.

Il existe des systèmes de fichiers spécialement conçus pour la mémoire flash : JFFS, JFFS2, YAFFS, UBIFS. Ils permettent, entre autres, d'éviter la réécriture répétée sur une même zone, ceci afin de prolonger la durée de vie de la mémoire flash.

Dans les applications exigeantes (cas des Solid State Drive) le matériel intègre directement un contrôleur implémentant des algorithmes de wear levelling chargés de répartir les écritures de manière uniforme sur l'ensemble de la mémoire flash. Ces techniques permettent d'améliorer significativement la durée de vie de ces supports, et ceci est d'autant plus vrai que la capacité des puces devient grande (l'usure est alors en effet mieux répartie).

NOR

La flash NOR fut la première à être développée, inventée par Intel en 1988. Les temps d'effacement et d'écriture sont longs mais elle possède une interface d'adressage permettant un accès aléatoire et rapide à n'importe quelle position. Le stockage des données est 100 % garanti par le fabricant.

Elle est adaptée à l'enregistrement de données informatiques destinées à être exécutées directement à partir de cette mémoire. Cette caractéristique est appelée XIP (eXecute In Place). De fait, la quasi totalité des OS des appareils électroniques grand public sont stockés dans une mémoire NOR, que ce soit dans les téléphones portables (principal marché des Flash NOR), les décodeurs télés, les cartes mères ou leurs périphériques (imprimantes, appareils photos, etc.).

Du fait de son coût, bien plus élevé que celui de la NAND et de sa densité limitée, elle n'est en général pas utilisée pour le stockage de masse.

NAND

La flash NAND, développée par Toshiba, suivit en 1989. Elle est plus rapide à l'effacement et à l'écriture, offre une plus grande densité et un coût moins important par bit. Toutefois son interface d'entrée / sortie n'autorise que l'accès séquentiel aux données.

Le fabricant en général ne garantit pas le stockage des données à 100 % mais un taux d'erreurs inférieur à une limite donnée. Cette fiabilité limitée nécessite la mise en place d'un système de gestion des erreurs (ECC - Error Code Correction, Bad blocks management, etc.) au niveau de l'application — comme cela est le cas, par exemple, pour les disques durs. Cela tend à limiter — au niveau système — sa vitesse effective de lecture et à compliquer le boot direct à partir d'une mémoire NAND. De ce fait elle est moins bien adaptée que la NOR pour des applications de type XIP. Elle est donc utilisée pour le stockage d'informations. Quasiment toutes les mémoires de masse externes Carte MMC, Carte SD et Carte MS sont basées sur ce format.

Durée de vie

Une cellule de mémoire flash ne peut être écrite (2008) que de 10 000 (MLC - multiple-level-cell, 3 bits par cellule) à 100 000 (SLC - single-level-cell, 1 bit par cellule) fois[1]. La raison en est que ces écritures nécessitent l'application de tensions plus élevées que la simple lecture, qui endommagent peu à peu la zone écrite. Les lectures, même répétées, ne lui causent en revanche aucun dommage.

La technique de répartition de l'usure, par des procédés variant selon les constructeurs, diminue cet inconvénient; cependant, dans quelques mémoires destinées à remplacer les disques dur d'ordinateur[2], on aurait observé à l'usage des ralentissements sensibles à l'écriture[3], dus aux relocalisations de blocs successives.

Les constructeurs Sun et Micron envisagent de porter cette durée de vie à un million de cycles au moyen de la technologie NAND dans les disques SSD[4]. Enfin, les promoteurs de la mémoire ferroélectrique (autre technique flash en cours de développement) attribuent à cette dernière un potentiel de cent millions d'écritures[5].

Les types de cartes Flash

En bref

  • CompactFlash (CF) : il s'agit en fait de cartes PCMCIA raccourcies. On distingue les cartes CompactFlash de type I (CFI) et de type II (CFII) qui se distinguent par l'épaisseur. Dans les cartes CompactFlash, on trouve aussi les Microdrive (les premiers furent lancés par IBM) qui sont des micro-disques durs. La capacité maximale admise par la norme 2.0 utilisée actuellement est 137 Go. C'est le modèle de carte utilisé pour les appareils photo professionnels.
  • SmartMedia cards (SM) : support fin, sans électronique embarquée. En voie de disparition : les constructeurs qui soutiennent ce format sont passés au xD Picture. De plus, il existe deux types de cartes suivant l'alimentation (3 V ou 5 V). Appelées aussi SSFDC (Solid State Floppy Disk Card).
xD Card.
  • xD Card : format développé par Olympus et Fujifilm, censé remplacer les SmartMedia. De taille beaucoup plus petite et plus rapide, mais plus chère. Seul Olympus continue de produire des appareils photos numériques compacts utilisant les cartes xD.
  • MultiMedia cards (MMC) : cartes en voie d'obsolescence au profit de la SD.
  • Secure Digital (SD) : elles ont une forme similaire aux MMC, légèrement plus épaisses, et sont compatibles avec celles-ci (une MMC rentre dans un lecteur SD, et non l'inverse). Elles s'en distinguent par la possibilité de chiffrer les données et de gérer les « droits d'auteurs ».
  • Mini SD : version réduite de la SD classique, utilisée dans certains téléphones mobiles anciens, elle est généralement livrée avec un adaptateur pour les lecteur SD classiques.
  • Micro SD ou Transflash : version minuscule de la SD, souvent utilisée dans les téléphones portables et également vendue avec un adaptateur pour les SD classiques.
  • SDHC : (SD High Capacity) SD version haute capacité, pour pallier la limite des 2 Go des SD classiques, elles sont déclinées dans les 3 formats SD, Mini SD et Micro SD. Elles proposent une capacité entre 4 et 32 Go (le format SDXC en cours de développement proposera des cartes à partir de 64 Go).
  • SSD : Solid State Drive. C'est une unité de stockage à base de Flash. Aujourd'hui il utilise principalement une technique du type SLC (certains constructeurs produisent des SLC en utilisant la technique SaDPT (Self-Aligned Double Patterning Technology)), elles ont un temps de réponse beaucoup plus court, un meilleur débit . Certains constructeurs produisent déjà (fin 2007) des disques SSD de 64 Go. (Il s'agit d'ailleurs du type d'unité de stockage proposé en option par Apple dans son MacBook Air) . À terme, les SSD utiliseront des flash Multi Level Cell, et seront beaucoup moins chères pour des performances acceptables.

Les formats SD sont aujourd'hui les plus répandus et les moins onéreux.

  • MemoryStick : Développé par Sony Corporation et SanDisk. Il existe un nouveau format, le « MemoryStick Duo » et aussi « MemoryStick Pro Duo ».
  • MemoryStick Micro M2 : Mémoire minuscule utilisée dans les téléphones portable Sony Ericsson, généralement vendue avec un adaptateur pour les lecteurs MemoryStick classiques.

En détail

La mémoire CompactFlash

Article détaillé : CompactFlash.

La mémoire Memory Stick

Memory Stick de 32 Mo à 8 Go (face avant)

La mémoire Memory Stick (notée MS) est un type de carte mémoire créé conjointement par Sony et SanDisk en janvier 2000. L'architecture des cartes Memory Stick est basée sur des circuits de mémoire flash (EEPROM) de type NAND.

La mémoire Memory Stick originale est de petites dimensions (21,5 mm x 50 mm x 2,8 mm), équivalentes à celles d'une petite boîte d'allumettes, et pèse à peine 4 g.

La Memory Stick se décline dorénavant en trois dimensions :

  • Memory Stick : 50 x 21,5 x 2,8mm. Poids : 4g ; ce format n'est plus vendu en raison de sa trop grande taille.
  • Memory Stick Duo : 31 x 20 x 1,6mm. Poids : 2g ;
  • Memory Stick Micro ou M2 : 15 x 12,5 x 1,2mm. Poids : 1g.

Si le Memory Stick a rétréci pour s'intégrer dans les appareils mobiles ultra compacts, il délivre néanmoins les mêmes fonctions et performances que le Memory Stick de taille standard. Seuls les qualificatifs PRO, PRO High Speed ou PRO-HG témoignent d'une différence de technique. C'est pourquoi il existe des adaptateurs pour insérer et utiliser les cartes Duo ou Micro dans des lecteurs pour Memory Stick classiques. Il en existe également un pour utiliser les cartes Micro dans un lecteur de cartes Duo.

Avec le temps la technique des Memory Sticks a également évolué :

Memory Stick 
  • transfert en série, horloge à 20 MHz.
  • capacités : 32, 64, 128 Mo et 2 × 128 Mo (avec Memory Select Function).
  • débit en lecture théorique : 2,5 Mo/s (20 Mbit/s).
  • débit en écriture théorique : 2,5 Mo/s (20 Mbit/s).
Memory Stick PRO et PRO High Speed 
  • transfert parallèle sur 4 bits, horloge à 40 MHz. Compatible transfert série.
  • capacités : 256, 512 Mo, 1, 2 Go Système de fichier FAT.
  • capacités : 4, 8, 16 Go : Système de fichier FAT32 (à savoir que sur les 8 Go, un seul fichier ne peut pas dépasser 4 Go).
  • débit en lecture théorique pour le PRO : 20 Mo/s (160 Mbit/s).
  • débit en écriture théorique pour le PRO : 20 Mo/s (160 Mbit/s).
  • débit en écriture obtenu lors de tests pour le PRO High Speed : 10 Mo/s (80 Mbit/s).
Memory Stick PRO-HG 
  • transfert parallèle sur 8 bits. Compatible transfert parallèle sur 4 bits et transfert série.
  • débit en lecture théorique : 30 Mo/s (240 Mbit/s).
  • débit en écriture théorique en transfert parallèle 8 bits : 30 Mo/s (240 Mbit/s).
  • débit en écriture théorique en transfert parallèle 4 bits : 20 Mo/s (160 Mbit/s).

Toutes les cartes actuelles au format Standard et Duo sont équipées d'un connecteur latéral possédant 10 broches. Les cartes Micro comportent 11 broches et les futures technologies PRO-HG nécessiteront un connecteur à 14 contacts.

Pour une compatibilité ascendante avec les anciens appareils, les cartes Memory Stick PRO et plus récentes sont également capables de fonctionner en série mais avec des débits inférieurs. Les lecteurs MS Pro peuvent lire et écrire des cartes MS classiques, mais les lecteurs MS classiques ne peuvent ni lire ni écrire les cartes MS Pro.

De plus, pour lire les cartes Memory Stick PRO d'une capacité supérieure à 2 Go, votre appareil doit non seulement prendre en charge les Memory Stick PRO, mais aussi utiliser le système de fichier FAT32[6]

La technique «Magic Gate» est la solution Sony de protection des droits d'auteur, utilisée notamment dans le format audio ATRAC 3. Cela n'empêche en aucun cas les appareils n'utilisant pas cette technique (ie. appareils photo) de fonctionner avec des cartes Magic Gate.

Il existe aussi un modèle particulier, dit « with Memory Select Function » (à sélection de mémoire), qui sépare physiquement la mémoire disponible en 2 parties égales. Le choix de l'une ou l'autre partition se fait par un interrupteur au dos de la carte.

La mémoire Smart Media

La mémoire SmartMedia est un type de carte mémoire créé par Toshiba et Samsung. Son architecture est basée sur des circuits de mémoire flash (EEPROM) de type NAND La mémoire SmartMedia possède de très petites dimensions (45 mm × 37 mm × 0,76 mm), équivalentes à celles d'un timbre poste, et pèse à peine 3 g. Il existe deux types de cartes SmartMedia fonctionnant à des tensions différentes :

  • Les cartes SmartMedia 3,3 V possèdent une encoche à DROITE (ex: photo)
  • Les cartes SmartMedia 5 V possèdent une encoche à GAUCHE

L'accès aux données est réalisé par l'intermédiaire d'une puce possédant 22 broches. Quelle que soit la capacité de la carte Smartmedia, les dimensions et l'emplacement de la puce sont les mêmes. Le temps d'accès à la mémoire est d'environ 25 µs pour le premier accès et de cycles de 50 ns pour les suivants.

Tailles comparées des différentes cartes

Toutes les dimensions sont en millimètres et les masses en grammes.

Type Largeur Profondeur Épaisseur Masse approximative
CompactFlash I 42,6 36,4 3,3 (variable)
CompactFlash II 42,6 36,4 5 (variable)
MultiMediaCard 24 32 1.4 2
Secure Digital 24 32 2,1 3
SmartMedia 37 45 0,76 2
MemoryStick 21,5 50 2,8 4
MemoryStick Duo 20 31 1,6 2
xD Picture 24,9 20,1 1,8 3
Micro SD/TransFlash 15 11 1 1
MiniSD 20,3 20,3 1,3 2

Notes

Voir aussi

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