Les disques SSD, la fin des disques durs

La mémoire flash, comment ça fonctionne ?

La mémoire flash NAND est une mémoire de stockage qui utilise des transistors comme support. Son fonctionnement est basé sur l’effet tunnel (plus précisément l’effet Fowler-Nordheim).

En simplifiant, les transistors utilisés dans la mémoire flash contiennent deux grilles, une de contrôle et une deuxième, appelée grille flottante, qui est en suspension dans un oxyde, le tout est placé sur un substrat qui contient deux électrodes.

(image Wikpedia)

Pour écrire une donnée, on doit faire passer un courant électrique (7 V) entre les deux électrodes (drain et source) et une tension plus élevée (aux environs de 12 V) dans la grille de contrôle. L’effet Fowler-Nordheim implique qu’une partie des électrons qui passent entre les électrodes va se déplacer vers la grille flottante, à travers l’oxyde. Une fois la grille saturée avec des électrons, elle devient isolante et est considérée comme un 0 binaire.

L’effacement d’une cellule s’effectue de la même façon, mais en faisant passer une tension négative dans la grille de contrôle. Les électrons se déplacent alors de la grille flottante vers le substrat. Une fois la grille flottante « vidée » de ses électrons, elle est considérée comme un 1 binaire.

Pour la lecture, c’est assez simple : il faut mesurer la résistance de la grille flottante, en faisant passer une tension faible (5 V) dans la grille de contrôle et dans une des électrodes. Si les électrons passent entre la grille de contrôle et l’électrode, la grille flottante n’est pas isolante, on a un 1 binaire. Si le courant ne passe pas, on a un 0 binaire. La lecture est donc plus rapide que l’écriture ou l’effacement, car on ne doit pas remplir ou vider la grille flottante avec des électrons.

Mémoire SLC et mémoire MLC

Notons qu’il existe deux types de NAND, la SLC (Single Layer Cell) qui stocke un seul bit dans la grille flottante, et la MLC (Multi Layer Cell), qui stocke plusieurs bits dans la même cellule. Techniquement, la MLC divise la grille flottante en deux parties, avec une différence de tension entre les deux parties. On peut donc doubler la capacité de stockage en gardant la même taille physique, ce qui est évidemment avantageux. La mémoire MLC a cependant des défauts : comme on doit travailler avec plusieurs tensions différentes, l’écriture et l’effacement des données sont plus lents qu’avec de la SLC. La lecture reste rapide, mais pas autant qu’avec de la mémoire SLC (environ 80 % du débit d’une SLC équivalente).

Actuellement, on utilise essentiellement de la mémoire MLC dans les SSD, pour des raisons de coût. Et pour des raisons de performances, c'est de la mémoire qui stocke deux bits par cellule qui est utilisée. Des mémoires à trois ou quatre bits existent, mais elles ont le gros défaut de diminuer la durée de vie et d'offrir des performances en écriture très faible. Les mémoires 3 bits et 4 bits actuelles se destinent essentiellement aux cartes microSD et aux clés USB d'entrée de gamme.