Mémoire Flash : tous les NAND ne se valent pas

Posted By : Alice Matthews
Mémoire Flash : tous les NAND ne se valent pas

Les mémoires Flash NAND sont disponibles avec différentes technologies - SLC, MLC, TLC, 3D. Si vous les connaissez, il est plus facile de trouver la mémoire optimale pour une application. Le Flash NAND est une mémoire non volatile qui conserve les informations durablement, même sans alimentation électrique. Mais cette durée a ses limites, les cellules mémoire finissent par s’abîmer, n’enregistrent plus rien et perdent même les données déjà enregistrées.

Auteur: Patrick Twele, Product Sales Manager chez Rutronik

Toutes les mémoires Flash enregistrent les données sur une grille flottante, entourée par une couche d’oxyde isolante. Des électrons sont déplacés dans la grille flottante pendant l’écriture, la suppression et la lecture. Lors de ces opérations, l’isolation de la couche d’oxyde s’use avec pour conséquence la disparition de la charge préalablement déplacée. La cellule mémoire est alors défectueuse. Le nombre de cycles d’écriture ou de suppression (P/E cycles) est donc limité.

La durée pendant laquelle des informations restent stockées dans une cellule (Data Retention) dépend du nombre de P/E cycles, mais aussi de la température ambiante et de la technologie Flash utilisée.

Fig. 1 : Data Retention en fonction des P/E cycles Fig. 2 : Data Retention en fonction de la température (Source : Swissbit)
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La technologie Flash SLC (single-level cell) permet de mémoriser un bit par cellule. Ceci signifie que deux niveaux de tension différents peuvent exister sur la grille flottante : chargé ou non chargé. Les différencier est facile, ce qui ne cause donc presque jamais de défaut. Cette technologie offre donc jusqu’à 100 000 P/E avant la perte des données.

L'inconvénient est toutefois le prix relativement élevé par bit. Pour le baisser, il faut mémoriser plus de données sur une cellule et donc augmenter le nombre de bits. Pour y arriver, on procède à un dosage plus précis de la quantité chargée dans une cellule mémoire et une analyse plus exacte lors de la lecture.

Concernant la technologie MLC (multi-level cell), on peut stocker deux bits par cellule. Il y a donc quatre niveaux de tension différents sur la grille flottante. La probabilité d’erreur augmente car ils sont plus difficiles à différencier. Le nombre de cycles prévisible est de 3 000 P/E dans ce cas.

La technologie eMLC est un dérivé du MLC. Dans cette technologie, on déplace moins d’électrons grâce aux différents niveaux de tension. Les P/E cycles augmentent donc jusqu’à 30 000 alors que la Data Retention baisse.

Quant à la technologie MLC en mode SLC (Pseudo-SLC, SuperMLC, SLC Lite, etc.), il s’agit d'une technologie MLC qui est adressée à la manière d'une technologie SLC : on utilise seulement deux bits par cellule afin d’avoir moins de niveaux de tension et donc de réduire la probabilité d’erreur. Le nombre de P/E-cycles s’élève à 20 000 pour cette technologie.

La technologie Flash TLC (triple-level cell) permet d’enregistrer trois bits par cellule, soit huit niveaux de tension possibles sur la grille flottante. Il est très complexe de les différencier et la probabilité d’erreur est donc élevée. Et le nombre de P/E cycles attendus passe de 600 à 900.

(Source : Transcend)

Le rétrécissement est une autre étape dans la fabrication Flash qui permet de réduire le coût au bit. Ce procédé consiste à réaliser les structures NAND dans des dimensions de plus en plus petites pour produire avec plus d’efficacité. La grille flottante et sa couche d’oxyde réduisent donc également, tout comme l’isolation.

En bref : toutes les méthodes de réduction des coûts de production entraînent une dégradation de la qualité de la mémoire Flash. Le taux d’erreur par bit augmente, alors que les P/E-cycles baissent en même temps que les performances et la Data Retention. Pour transformer des mémoires Flash de mauvaise qualité en mémoire de qualité professionnelle, il faut donc une gestion de la mémoire de plus en plus complexe.

Mémoire Flash pour l'industrie
Outre les composants de mémoire, une mémoire Flash contient aussi un contrôleur avec un firmware qui se charge de sa gestion. Ces fonctions (features) de gestion se chargent des tâches indispensables dans un environnement industriel :

  • Wear Leveling veille à un usage homogène de toutes les cellules mémoire en écrivant dans les cellules les moins usées.
  • Paged Based Mapping réduit la quantité réelle de données écrites sur la mémoire Flash lors de l’enregistrement des données. En raison de l’architecture, ce sont toujours des blocs mémoire complets qui sont adressés. La quantité de données écrite peut donc être largement supérieure à la quantité qui doit en réalité être enregistrée.
  • Auto Refresh procède à un scan de toutes les cellules mémoire pendant un moment d'inactivité et vérifie la qualité des informations enregistrées par rapport à une valeur limite. Lorsque cette valeur est dépassée, les informations dans la cellule sont copiées vers un autre bloc. Ceci permet donc de conserver les informations même rarement utilisées.
  • Read Disturb compte le nombre d’accès en lecture d'une cellule mémoire et copie son contenu vers une autre cellule lorsque le compteur atteint un nombre prédéfini. À chaque lecture d’une cellule mémoire, la cellule elle-même mais également toutes ces voisines sont sollicitées, raison pour laquelle cette limite supérieure protège contre tout risque de perte de données.
  • Read Retry renouvelle un accès en lecture en cas de survenance d’erreurs non corrigeables. La deuxième tentative a lieu avec des niveaux de tension internes différents. Ceci permet d’exclure les erreurs dues à des températures différentes entre la lecture et l’écriture.
  • Power Fail Protection protège les données en cas de chute de tension imprévisible. Cette fonction peut être assurée par le firmware ou des condensateurs.

Focus sur l’industrie
Pour une utilisation industrielle, il est également décisif de disposer d'une BoM fixe (nomenclature) en association avec une gestion des PCN (Product Change Notification). Avant le passage en série d'une mémoire Flash, tous les composants sont testés quant à leur compatibilité avec un usage industriel. Une BoM 100 % fixe garantit que l’ensemble du matériel et des logiciels de la mémoire est identique à celui testé préalablement. Les modifications d'un composant ou du firmware peuvent en effet avoir des conséquences graves en fonction de l’application. Pour y remédier, les fabricants qui se concentrent sur le marché industriel avertissent de ces changements au préalable à l’aide d'une PCN. Ainsi les clients disposent de suffisamment de temps pour réaliser des tests et éventuellement trouver des alternatives. Ces PCN contiennent également des informations sur le Last Time Buy et l’End of Life.

Les évolutions technologiques, comme par exemple le rétrécissement, touchent à des limites physiques. Les structures de 70 nm au départ ont aujourd'hui été réduites pour ne mesurer plus que 15 nm et sont ainsi arrivées à des dimensions qu’il serait difficile de réduire encore. Au lieu de continuer à partir dans ce sens, les fabricants ont préféré modifier la répartition en deux dimensions des cellules Flash pour lui ajouter une troisième dimension. Cette technologie NAND 3D empile des couches de cellules mémoire à la verticale et produit ainsi une densité mémoire beaucoup plus élevée que celle possible en deux dimensions. En comparaison avec le NAND 2D, on obtient ainsi des facteurs de forme plus petits, une consommation électrique réduite, des capacités bien plus élevées et une endurance supérieure.

C’est Intel qui a commercialisé les premières mémoires Flash NAND 3D au 3e trimestre 2016, d’autres partenaires de Rutronik se lanceront au 1e trimestre 2017.

(Source : Transcend)


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