Qu’est-ce que la mémoire flash ?
Photo : Une clé USB typique et la puce de mémoire flash que vous trouverez à l’intérieur si vous la démontez (le grand rectangle noir à droite).
Les transistors ordinaires sont des interrupteurs électroniques activés ou désactivés par l’électricité – et c’est à la fois leur force et leur faiblesse. C’est une force, car cela signifie qu’un ordinateur peut stocker des informations en contournant simplement les schémas d’électricité à travers ses circuits de mémoire. Mais c’est aussi une faiblesse, car dès que l’alimentation est coupée, tous les transistors reviennent à leur état initial et l’ordinateur perd toutes les informations qu’il a stockées. C’est comme une attaque géante d’amnésie électronique !
Photo : iPods Apple, passés et présents. Le modèle blanc à gauche est un iPod classique à l’ancienne avec une mémoire de disque dur de 20 Go. Le modèle noir plus récent, à droite, est doté d’une mémoire flash de 32 Go, ce qui le rend plus léger, plus fin, plus robuste (moins susceptible de mourir si vous le faites tomber) et moins gourmand en énergie.
La mémoire qui » oublie » lorsque l’alimentation est coupée est appelée mémoire vive (RAM). Il existe une autre sorte de mémoire appelée mémoire morte (ROM) qui ne souffre pas de ce problème. Les puces ROM sont préenregistrées dans les informations lors de leur fabrication, de sorte qu’elles n' »oublient » pas ce qu’elles savent lorsque l’alimentation est mise sous tension et hors tension. Cependant, les informations qu’elles stockent sont là de manière permanente : elles ne peuvent plus jamais être réécrites. En pratique, un ordinateur utilise un mélange de différents types de mémoire à des fins différentes. Les éléments dont il doit se souvenir en permanence, comme ce qu’il faut faire lorsque vous l’allumez pour la première fois, sont stockés sur des puces ROM. Lorsque vous travaillez sur votre ordinateur et qu’il a besoin de mémoire temporaire pour traiter des données, il utilise des puces RAM ; peu importe que ces informations soient perdues par la suite. Les informations que vous voulez que l’ordinateur retienne indéfiniment sont stockées sur son disque dur. Il faut plus de temps pour lire et écrire des informations sur un disque dur que sur des puces mémoire, c’est pourquoi les disques durs ne sont généralement pas utilisés comme mémoire temporaire. Dans les gadgets comme les appareils photo numériques et les petits lecteurs MP3, la mémoire flash est utilisée à la place du disque dur. Elle a certains points communs avec la RAM et la ROM. Comme la ROM, elle se souvient des informations lorsque l’alimentation est coupée ; comme la RAM, elle peut être effacée et réécrite à plusieurs reprises.
Comment fonctionne la mémoire flash – l’explication simple
Photo : Retournez la carte mémoire flash d’un appareil photo numérique et vous pouvez voir les contacts électriques qui permettent à l’appareil de se connecter à la puce mémoire à l’intérieur du boîtier plastique de protection.
La mémoire flash fonctionne à l’aide d’un type de transistor entièrement différent qui reste allumé (ou éteint) même lorsque l’alimentation est coupée.Un transistor normal possède trois connexions (fils qui le contrôlent)appelées source, drain et grille. Imaginez un transistor comme un tuyau dans lequel l’électricité peut circuler comme de l’eau. L’une des extrémités du tuyau (où l’eau entre) est appelée source – pensez-y comme à un robinet. L’autre extrémité du tuyau s’appelle le drain, c’est-à-dire l’endroit où l’eau s’écoule et s’évacue. Entre la source et le drain, en bloquant le tuyau, il y a une vanne. Lorsque la grille est fermée, le tuyau est bouché, aucune électricité ne peut circuler et le transistor est éteint. Dans cet état, le transistor stocke de l’azote. Quand la porte est ouverte, l’électricité circule, le transistor est allumé et il stocke un. Mais lorsque l’on coupe le courant, le transistor s’éteint également. Lorsque vous remettez le courant, le transistor est toujours éteint, et comme vous ne pouvez pas savoir s’il était allumé ou éteint avant que le courant ne soit coupé, vous comprenez pourquoi nous disons qu’il » oublie » toute information qu’il stocke.
Un transistor flash est différent car il possède une deuxième porte au-dessus de la première. Lorsque la porte s’ouvre, une partie de l’électricité s’échappe par la première porte et reste là,entre la première et la deuxième porte, enregistrant un chiffre un.Même si l’alimentation est coupée, l’électricité est toujours là entre les deux portes. C’est ainsi que le transistor stocke ses informations, que l’alimentation soit activée ou non. L’information peut être effacée en faisant redescendre l' »électricité piégée ».
Comment fonctionne la mémoire flash-une explication plus complexe
C’est une explication très glosée et très simplifiée de quelque chose qui est extrêmement complexe. Si vous voulez plus de détails, il est utile que vous lisiez d’abord notre article sur les transistors, en particulier la partie en bas sur les MOSFETs – et que vous lisiez ensuite la suite.
Les transistors de la mémoire flash sont comme les MOSFETs, sauf qu’ils ont deux portes sur le dessus au lieu d’une. Voici à quoi ressemble un transistor flash à l’intérieur. Vous pouvez voir que c’est un sandwich n-p-n avec deux grilles sur le dessus, l’une appelée grille de contrôle et l’autre grille flottante. Les deux grilles sont séparées par des couches d’oxyde à travers lesquelles le courant ne peut normalement pas passer :
Dans cet état, le transistor est éteint et stocke effectivement un zéro.Comment l’allume-t-on ? Les régions de la source et du drain sont toutes deux riches en électrons (car elles sont constituées de silicium de type n), mais les électrons ne peuvent pas circuler de la source au drain en raison du matériau de type p, déficient en électrons, qui les sépare. Mais si l’on applique une tension positive aux deux contacts du transistor, appelés ligne de bit et ligne de mot, les électrons se précipitent de la source vers le drain. Un petit nombre d’entre eux parvient également à se faufiler à travers la couche d’oxyde par un processus appelé tunneling et se retrouve coincé sur la grille flottante :
La présence d’électrons sur la grille flottante est la façon dont un transistor flash stocke un. Les électrons y restent indéfiniment, même lorsque les tensions positives sont supprimées et que le circuit est alimenté ou non. Les électrons peuvent être évacués en appliquant une tension négative sur la ligne de mot – ce qui repousse les électrons par où ils sont venus, effaçant la grille flottante et faisant que le transistor stocke à nouveau un zéro.
Pas un processus facile à comprendre, mais c’est ainsi que la mémoire flash opère sa magie !
Combien de temps dure la mémoire flash ?
La mémoire flash finit par s’user parce que ses portes flottantes prennent plus de temps pour fonctionner après avoir été utilisées un certain nombre de fois. Il est très largement cité que la mémoire flash se dégrade après avoir été écrite et réécrite environ » 10 000 fois « , mais c’est trompeur. Selon un brevet sur les mémoires flash déposé dans les années 1990 par Steven Wells d’Intel, « bien que la commutation commence à prendre plus de temps après environ dix mille opérations de commutation, environ cent mille opérations de commutation sont nécessaires avant que le temps de commutation prolongé n’ait un quelconque effet sur le fonctionnement du système » Que ce soit 10 000 ou 100 000 fois, c’est généralement suffisant pour une clé USB ou la carte mémoire SD d’un appareil photo numérique que vous utilisez une fois par semaine, mais moins satisfaisant pour le stockage principal d’un ordinateur, d’un téléphone portable ou d’un autre gadget utilisé quotidiennement pendant des années. Un moyen pratique de contourner cette limite consiste à faire en sorte que le système d’exploitation utilise différents bits de la mémoire flash à chaque fois que des informations sont effacées et stockées (techniquement, cela s’appelle le wear-leveling), de sorte qu’aucun bit ne soit effacé trop souvent. Dans la pratique, les ordinateurs modernes peuvent tout simplement ignorer et contourner les parties défectueuses d’une puce de mémoire flash, tout comme ils peuvent ignorer les secteurs défectueux d’un disque dur, de sorte que la limite réelle de la durée de vie pratique des lecteurs flash est beaucoup plus élevée : quelque part entre 10 000 et 1 million de cycles. Des dispositifs flash de pointe ont été démontrés qui survivent pendant 100 millions de cycles ou plus.
Qui a inventé la mémoire flash ?
La mémoire flash a été développée à l’origine par l’ingénieur électrique de ToshibaFujio Masuoka, qui a déposé le brevet américain 4,531,203sur l’idée avec son collègue Hisakazu Iizuka en 1981. Connue à l’origine sous le nom d’EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) simultanément effaçable, elle a été surnommée « flash » parce qu’elle pouvait être effacée et reprogrammée instantanément, aussi rapidement que le flash d’un appareil photo. À l’époque, il fallait une vingtaine de minutes pour effacer les puces mémoire effaçables de pointe (EPROMS ordinaires) et les réutiliser à l’aide d’un faisceau de lumière ultraviolette, ce qui nécessitait un emballage coûteux et transparent à la lumière. Des EPROMS moins chères et effaçables électriquement existaient bien, mais elles utilisaient une conception plus encombrante et moins efficace qui nécessitait deux transistors pour stocker chaque bit d’information. La mémoire flash a résolu ces problèmes.
Photo : 1) Mémoire effaçable avant le flash : les puces EPROM avaient des petites fenêtres rondes sur le dessus à travers lesquelles vous pouviez effacer leur contenu en utilisant un long coup de lumière UV.Si cela vous intéresse, celle-ci est une AMD AM27C256 de 32KB (kilobyte) datant de 1986,donc elle a environ 1000 fois moins de capacité de stockage que même la petite carte SD de 32MB (mégaoctet) sur la photo du haut.2) Un gros plan de la fenêtre transparente aux UV et de la puce câblée à l’intérieur de l’emballage.
Toshiba a sorti les premières puces flash en 1987, mais la plupart d’entre nous n’ont pas rencontré cette technologie avant une dizaine d’années, après l’apparition des cartes mémoire SD en 1999 (soutenues conjointement par Toshiba, Matsushita et SanDisk). Les cartes SD ont permis aux appareils photo numériques d’enregistrer des centaines de photos et les ont rendus beaucoup plus utiles que les anciens appareils à pellicule, qui étaient limités à la prise de 24 à 36 photos à la fois. L’année suivante, Toshiba a lancé le premier lecteur de musique numérique utilisant une carte SD. Il a fallu quelques années supplémentaires à Apple pour rattraper son retard et adopter pleinement la technologie flash dans son propre lecteur de musique numérique, l’iPod. Les premiers iPod « classiques » utilisaient tous des disques durs, mais la sortie du minuscule iPod Shuffle en 2005 a marqué le début d’un basculement progressif, et tous les iPod et iPhones modernes utilisent désormais plutôt la mémoire flash.
Quel est l’avenir de la mémoire flash ?
La mémoire flash a rapidement dépassé le stockage magnétique au cours de la dernière décennie environ ; dans tous les domaines, des superordinateurs aux ordinateurs portables en passant par les smartphones et les iPods, les disques durs ont de plus en plus cédé la place aux SSD (disques à état solide) rapides et compacts basés sur des puces flash. Cette tendance a été stimulée par une autre, et a contribué à la stimuler : le passage des ordinateurs de bureau et des téléphones fixes aux appareils mobiles (smartphones et tablettes) et aux téléphones cellulaires, qui ont besoin de mémoires ultra-compactes, à haute densité et extrêmement fiables, capables de résister aux tensions et aux contraintes liées aux déplacements dans nos sacs à dos et nos mallettes. Ces tendances favorisent aujourd’hui la technologie flash 3D (« stacked »), développée au début des années 2000 et officiellement lancée par Samsung en 2013, dans laquelle des dizaines de couches différentes de cellules de mémoire peuvent être cultivées sur la même tranche de silicium pour augmenter la capacité de stockage (tout comme les multiples étages d’une tour de bureaux nous permettent d’entasser plus de bureaux sur la même surface de terrain). Au lieu d’utiliser des portes flottantes (comme décrit ci-dessus), la flash 3D utilise une technique alternative (bien que parfois moins fiable) appelée piégeage de charge, qui permet de réaliser des mémoires de bien plus grande capacité dans le même espace, bien à l’échelle du térabit (Tbit) (1 trillion de bits = 1 000 000 000 000 bits).
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