La mémoire flash est une technologie de stockage non volatile, programmable et à grande vitesse, basée sur des puces, qui conserve les données même sans alimentation électrique permanente. Il existe deux types de mémoire flash, NAND et NOR, chacun présentant des atouts et des faiblesses différents, ce qui les rend mieux adaptés à certains usages qu'à d'autres.
La mémoire flash NOR est généralement utilisée dans les téléphones mobiles, les appareils de l'Internet des objets (IoT), les dispositifs médicaux et les instruments scientifiques, tandis que la NAND équipe les appareils photo numériques, les clés USB, les cartes mémoire Secure Digital (SD), les tablettes et les ordinateurs. Dans certains cas, les appareils numériques comme les ordinateurs et les téléphones mobiles utilisent à la fois de la NAND et de la NOR : par exemple, de la mémoire flash NAND dans le disque SSD et de la mémoire flash NOR dans le BIOS du système d'exploitation.
Cet article propose une présentation générale des deux types de mémoire flash et de ce qui les différencie.
Qu'est-ce que la NAND ?
La mémoire flash stocke les données dans des matrices de cellules mémoire définies par des transistors à effet de champ métal-oxyde à grille flottante, qui stockent un 1 ou un 0 binaire. Chaque transistor possède deux grilles, à la manière d'un interrupteur électrique dans lequel le courant circule entre deux points. Le nom NAND signifie NOT-AND, le type de porte logique utilisé.
Contrairement à la mémoire DRAM, elle ne nécessite pas de source d'alimentation permanente. Lorsque le SSD ou la carte mémoire est déconnecté d'une source d'alimentation, des semi-conducteurs métal-oxyde appelés transistors à grille flottante (FGT) fournissent des charges électriques aux cellules mémoire et les données restent intactes.
La mémoire NAND est le type de mémoire flash de stockage le plus répandu pour les clés USB, les cartes mémoire et les disques SSD (SSD). Les matrices de cellules NAND stockent entre un et quatre bits de données.
Types de NAND
Les types de NAND les plus courants sont les SLC, MLC et TLC, qui contiennent entre un et trois bits dans chaque cellule. La NAND 3D, qui empile les cellules verticalement, gagne également du terrain dans les environnements à hautes performances et forte densité.
- SLC : La NAND à cellule à un niveau (Single-Level Cell) stocke un bit d'information par cellule. Cette architecture offre la meilleure endurance, les meilleures performances et la meilleure intégrité des données du lot, avec un taux d'endurance de 100 000 cycles de programmation/effacement (P/E), c'est-à-dire le nombre de fois qu'une cellule peut être effacée puis réécrite. La NAND SLC est aujourd'hui la mémoire flash la plus chère du marché et est utilisée dans les applications industrielles qui exigent endurance et rapidité.
- MLC : La NAND à cellule multiniveau (Multi-Level Cell) stocke deux bits d'information par cellule. Son prix par capacité est inférieur à celui de la SLC, mais elle est davantage exposée aux erreurs de données et présente une endurance moindre. Les puces MLC se trouvent généralement dans des produits grand public tels que les ordinateurs portables et les PC, en raison de leur prix abordable et de leurs performances.
- eMLC : Dérivée de la MLC, la cellule multiniveau pour entreprises (Enterprise Multi-Level Cell) stocke toujours deux bits par cellule, mais elle est optimisée pour un usage commercial. Les disques eMLC sont plus chers que les disques MLC, mais moins chers que les disques SLC, et disposent d'un contrôleur intelligent qui gère la répartition de l'usure et le placement des données afin de prolonger leur durée de vie utile.
- TLC : La NAND à cellule à trois niveaux (Triple-Level Cell) stocke trois bits par cellule, ce qui réduit le coût et l'endurance tout en augmentant la capacité. Avec un taux d'endurance de seulement 3 000 cycles P/E, c'est le type le moins cher et il est principalement utilisé dans les produits grand public.
- QLC: La NAND à cellule à quatre niveaux (Quad-Level Cell) stocke quatre bits par cellule, créant des dispositifs de stockage à plus forte densité et grande capacité. La latence de lecture plus faible de la QLC convient aux opérations intensives en lecture, dans des applications comme l'intelligence artificielle (IA), l'apprentissage automatique, le Big Data et la diffusion de contenu. Bien que la QLC soit excellente pour les opérations de lecture, son endurance se limite à 1 000 cycles P/E, ce qui la rend inadaptée aux applications intensives en écriture. Sa faible consommation d'énergie contribue toutefois à améliorer l'autonomie des appareils.
- NAND 3D : Les fabricants de mémoire flash cherchent à réduire la taille des cellules afin d'intégrer davantage de transistors sur les microprocesseurs et d'augmenter la capacité d'un dispositif NAND. Cependant, le rétrécissement des cellules au moyen des technologies précitées au niveau des cellules a entraîné des interférences entre cellules, réduisant l'intégrité des données dans la mémoire flash NAND. La mémoire flash multicouche augmente la capacité et maintient les coûts à un niveau bas en empilant verticalement les cellules mémoire sur plusieurs couches. En passant de deux à trois dimensions, les dispositifs NAND 3D offrent une densité supérieure et une consommation d'énergie réduite, des lectures et écritures plus rapides ainsi qu'une endurance accrue. En outre, les fabricants utilisent un film de nitrure de silicium appelé mémoire flash à piège de charge lorsqu'ils empilent verticalement les cellules mémoire afin de réduire les coûts de fabrication, de diminuer la taille des puces et d'améliorer leur fiabilité. La mémoire flash à piège de charge remplace la technologie à grille flottante, ce qui contribue à réduire les coûts globaux de fabrication.
Qu'est-ce que la mémoire flash NOR ?
La mémoire flash NOR est le premier type de mémoire flash à avoir été développé. Les cellules d'une puce NOR sont disposées parallèlement les unes aux autres, ce qui la rend efficace en lecture, mais moins rapide en écriture. Elle est le plus souvent utilisée lorsque le code est écrit une seule fois et lu fréquemment.
Elle peut être fabriquée sur de petites puces et est constituée de composants statiques, ce qui la rend résistante aux chocs et adaptée aux appareils susceptibles d'être déplacés ou de tomber. Son nom signifie NOT-OR, le type de porte logique qu'elle utilise.
Il existe deux grands types de mémoire flash NOR : parallèle et série. Avec la NOR parallèle, un contrôleur mémoire utilise un bus d'adresses parallèle de huit ou 16 bits pour adresser la mémoire. La NOR série, ou NOR à interface périphérique série (SPI), stocke les données à la fois dans des pages et dans des secteurs plus volumineux.
NAND ou NOR
Les mémoires flash NOR et NAND sont toutes deux intégrées dans de petits appareils électroniques comme les appareils photo et les smartphones, mais seule la NAND est suffisamment économique et dense pour être utilisée dans les environnements de stockage d'entreprise basé sur la mémoire flash. Aucune de ces technologies n'est nouvelle : elles ont été développées par Toshiba au début des années 1980.
- Déploiement. La mémoire NAND est beaucoup plus utilisée que la mémoire flash NOR. L'une des puces NAND 3D les plus avancées lancées cette année par Kioxia et Western Digital est une puce NAND 3D à 218 couches dotée d'une vitesse d'interface record de 3 200 MT/s, soit un débit effectif de 25 600 Mo/s. Elle est plus rapide et mieux adaptée au stockage à long terme, couramment utilisé par les applications d'entreprise critiques.
- Connexions des cellules mémoire. La mémoire flash NOR relie chaque cellule mémoire à la ligne source et l'autre extrémité à une ligne de bits, ce qui permet à plusieurs cellules de se connecter simultanément à une même ligne de bits. Comme les cellules sont connectées en parallèle, le système peut écrire et lire les cellules mémoire individuellement. La mémoire flash NOR est particulièrement adaptée aux petits volumes de données, comme le code du BIOS d'un système d'exploitation qui contrôle la séquence de démarrage initiale et l'initialisation matérielle d'un ordinateur. À l'inverse, les cellules NAND sont connectées en série, ce qui prend moins de place et n'autorise pas l'écriture sur des cellules mémoire individuelles. Ces connexions en série occupent moins d'espace, mais ne permettent pas d'écrire directement sur des cellules mémoire individuelles.
- Performances en lecture. La mémoire flash NOR est plus rapide en lecture que la mémoire flash NAND. En comparant un dispositif flash NAND MLC à un dispositif NOR MLC, le débit de lecture du dispositif NAND est d'environ 20,5 Mo/s, contre 61,5 Mo/s pour le dispositif NOR. Cela s'explique par le fait que la NOR permet un accès aléatoire à n'importe quelle adresse mémoire. La mémoire flash NOR permet au système de lire les octets indépendamment des pages et des blocs. Les lectures NAND sont plus lentes, car elle prend en charge l'accès aux pages et aux blocs, mais pas l'accès aléatoire. La NAND lit les données par blocs, dont la taille habituelle varie de quelques centaines à plusieurs milliers de bits.
- Performances en écriture et en effacement. À l'inverse des performances en lecture, l'écriture et l'effacement sont plus rapides sur les puces NAND que sur les dispositifs NOR.
- Endurance. La mémoire flash NOR permet une écriture au niveau de l'octet, ce qui contribue à améliorer son endurance par rapport à la mémoire NAND. La NAND doit effacer des blocs (c'est-à-dire 512 octets de données), même lorsqu'un seul octet a été modifié. Les cellules NOR disposent de blocs fonctionnels à 100 % pendant toute leur durée de vie, tandis que les cellules NAND présentent généralement 98 % de bits fonctionnels à la livraison — les fabricants de NAND ajoutent habituellement un code correcteur d'erreurs (ECC), dont la NOR n'a pas besoin.
- Densité. La mémoire NOR offre une densité inférieure à celle d'une puce de mémoire flash NAND équivalente. Les densités NOR vont de 64 Mo à 2 Go, tandis que les capacités NAND ont atteint 2 To avec la puce NAND à 232 couches de Micron.
Tableau comparatif de la NAND et de la NOR
En résumé : mémoire flash NAND ou NOR
Bien que la mémoire NAND reste le type de mémoire flash le plus répandu, la mémoire flash NOR demeure pertinente lorsqu'elle est utilisée dans le contexte technologique approprié. Toutes deux ont leur place dans les appareils modernes, avec des améliorations importantes apportées à chacune selon un cycle d'environ deux ans. À la mi-2023, une offre excédentaire a fait chuter fortement le prix des puces NAND. En conséquence, le coût des SSD utilisant de la mémoire flash NAND a également diminué, rendant les solutions de stockage plus rapides et de plus grande capacité plus abordables. Les prix de la NOR ont suivi une tendance similaire, ce qui constitue un moment favorable pour les entreprises souhaitant acheter des solutions reposant sur ces technologies.