Stockage Flash (SSD)
Omniprésente dans les petits appareils informatiques, la mémoire Flash se répand de plus en plus dans les applications de grande envergure. La taille et la complexité des systèmes Flash varient en fonction de la destination du stockage : des appareils informatiques grand public aux baies 100 % Flash d'entreprise, en passant par les systèmes embarqués, les smartphones, les clés USB et bien d'autres encore. La technologie Flash se présente sous diverses formes, selon la finalité du stockage.
Usages et avantages du stockage Flash :
La mémoire Flash est aujourd'hui bien plus utilisée que le disque dur mécanique, même si elle ne l'a pas encore supplanté en tant que technique de stockage principale des ordinateurs de bureau.
Dans les ordinateurs portables, le stockage Flash offre l'avantage de mieux résister aux fortes accélérations, aux chocs et aux chutes que les appareils subissent souvent sur leur durée de vie. Cette robustesse naturelle permet aux lecteurs Flash de continuer à fonctionner pendant ces épisodes, évitant ainsi la perte de données.
Le stockage Flash se rencontre plus souvent dans les ordinateurs portables que dans leurs homologues de bureau, tandis que les disques mécaniques ont pour ainsi dire totalement disparu des smartphones et des lecteurs MP3.
La technologie Flash l'emporte haut la main en termes de compacité et de consommation électrique et s'impose également comme mode de stockage standard sur les appareils photo et caméscopes numériques, ainsi que sur les tablettes.
Les procédés photolithographiques de réduction ne cessent de permettre des gains de capacité, ce qui rend la technologie Flash adaptée à des applications de plus en plus miniaturisées.
Comment fonctionne le stockage Flash ?
La mémoire Flash s'apparente en fait à une mémoire morte effaçable et programmable électriquement : l'EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory).
Mais contrairement à la mémoire EEPROM standard, la mémoire Flash est de type non volatile. Cela signifie qu'elle n'a pas besoin d'être alimentée électriquement pour assurer l'intégrité des données stockées, de sorte qu'un système peut être mis hors tension (ou subir des coupures de courant) sans perdre la moindre information.
Par ailleurs, la mémoire Flash permet d'effacer des blocs entiers de données en une seule fois, au lieu de procéder bit par bit comme le fait la mémoire EEPROM conventionnelle. Il n'est donc pas nécessaire de l'effacer entièrement pour la rendre de nouveau inscriptible.
La technologie Flash constitue un stockage sur composants semiconducteurs, dit « à l'état solide » (solid state storage) ; ici, les données sont stockées au moyen d'impulsions électriques au sein de composants montées en surface (CMS) sur une carte de circuits imprimés (PCB, Printed Circuit Board).
Aucune pièce mécanique n'intervient, ce qui réduit la consommation électrique.
Un disque Flash SATA typique consomme moitié moins de courant qu'un lecteur mécanique, voire encore moins, et peut atteindre des vitesses de lecture séquentielle supérieures à 500 Mo/s dans le cas de lecteurs grand public. Soit une vitesse supérieure à celle des disques durs mécaniques d'entreprise les plus performants.
Mais ce tableau est incomplet, car les temps d'accès sont vraiment le point fort de la technologie Flash. Avec un fonctionnement ressemblant plus à celui d'une mémoire vive (RAM) qu'à celui d'une mémoire morte (ROM), les lecteurs Flash ne présentent aucune limitation mécanique en termes d'accès aux fichiers. Leurs temps de recherche sont de l'ordre de la nanoseconde, au lieu des quelques millisecondes nécessaires aux disques durs mécaniques, soit une latence considérablement inférieure.
La plupart des systèmes de stockage Flash se composent d'une puce mémoire et d'un contrôleur d'accès Flash. La puce sert à stocker les données, tandis que le contrôleur gère l'accès à l'espace de stockage sur l'unité de mémoire.
Intérieur d'un lecteur Flash USB. La puce mémoire Flash est sur la gauche, le contrôleur sur la droite.
Le contrôleur Flash est souvent multicanal ; il fonctionne avec un cache (antémémoire) RAM qui n'utilise que 10 pour cent de la capacité totale de l'unité. Le cache met en tampon les données qui circulent vers et depuis plusieurs puces. Cette mise en tampon permet d'accélérer le traitement, lecture et écriture s'effectuant en parallèle sur les puces.
Petite histoire du stockage Flash :
Les mémoires NOR et NAND, les deux principaux types de mémoire Flash, ont été inventées en 1984 par le Dr. Fujio Masuoka alors qu'il travaillait chez Toshiba.
Comparé à la lenteur de la mémoire EEPROM, le nouveau format, programmable et effaçable par blocs entiers, évoquait pour le Dr. Masuoka le flash d'un appareil photo. Les noms NOR et NAND proviennent de la technique des grilles flottantes (ou portes logiques) des cellules de mémoire qui contiennent des données.
L'accès aléatoire autorisé par la mémoire NOR éveilla la curiosité d'Intel. La firme commercialisa le premier appareil de stockage Flash en 1988. Toshiba lui emboîta le pas avec le premier stockage Flash NAND en 1989.
Une vidéo du Computer History Museum retrace l'histoire de la mémoire Flash. (Suite de la définition ci-dessous)
Formats de stockage Flash :
La mémoire NOR permet un adressage mémoire à l'échelle de l'octet, autorisant ainsi un véritable accès aléatoire, ainsi que de bonnes vitesses de lecture. C'est cette capacité d'adressage qui a suscité l'intérêt d'Intel pour la technologie NOR, que la société utilise souvent pour son interface EFI (Extensible Firmware Interface).
En revanche, la mémoire NOR coûte plus cher au gigaoctet (Go) que la NAND en raison de la taille plus importante de ses cellules.
Elle présente également des vitesses d'écriture et d'effacement moins élevées et une résistance moindre que la NAND en cas de lectures, écritures et surtout effacements à répétition. En effet, ce processus implique de soumettre des électrons à un effet tunnel afin de transpercer le matériau isolant diélectrique de la paroi des cellules, ce qui finit par le détériorer à la longue.
Ces caractéristiques rendent la NOR particulièrement adaptée pour remplacer les puces BIOS et EFI des microprogrammes qui reposent sur la technologie EEPROM ou ROM, dans lesquels la capacité d'adressage et la vitesse de lecture font merveille, tandis que la durabilité en matière de réinscription importe moins.
A l'inverse, un système d'exploitation, un stockage de fichiers ou un lecteur de sauvegarde risquera plus de pâtir des inconvénients liés à la technologie NOR lorsque certaines unités deviendront inutilisables.
La mémoire NAND cumule des vitesses d'écriture et une longévité plus élevées à un coût inférieur au Go.
Ce dernier paramètre découle en partie de la constitution de la porte de la cellule mémoire NAND qui, plus mince, permet d'économiser de l'espace et de réduire la taille globale d'une puce par Go.
La NAND existe aux formats SLC (Single-Level Cell) et MLC (Multi -Level Cell), ce dernier incluant les formats MLC d'entreprise (eMLC) et TLC.
Le format SLC stocke un seul bit d'informations par cellule. Il offre généralement des vitesses supérieures, notamment en matière d'écriture, une plus grande longévité et moins d'erreurs binaires.
Le format MLC stocke plus de données. En effet, sa cellule accepte davantage de niveaux (ou états) de charge, ce qui lui permet de stocker plusieurs bits d'informations. Le format MLC de première génération possède une capacité double par rapport au SLC, tandis que le TLC fournit un troisième bit. Les niveaux de charge supplémentaires, associés à des contrôleurs et microprogrammes Flash plus intelligents, autorisent également la correction des erreurs binaires. Grâce à Samsung en particulier, qui travaille d'arrache-pied à améliorer les formats MLC de la mémoire Flash NAND, la technologie Flash a atteint des capacités de l'ordre du téraoctet et a vu l'apparition de formats TLC plus rapides.
Comparaison des stockages à l'état solide
| Nom |
Description |
Usage |
| Oxyde métallique conducteur (CMOx) |
Support de stockage non volatile dans lequel des ions d'oxygène transitent entre des couches d'oxyde métallique conductrices et isolantes au sein d'une seule et même puce. |
Technologies émergentes |
| Flash MLC d'entreprise (eMLC) |
Forme de stockage Flash MLC (Multi-Level Cell) qui offre un nombre supérieur de cycles de programmation/effacement (PE) pour une durée de vie et une fiabilité accrues. |
Stockage de données pour des applications d'informatique hautes performances (HCP, High Performance Computing) en moyennes et grandes entreprises. |
| Stockage à l'état solide de type Flash |
Tout référentiel de données ou système qui fait appel à la mémoire Flash. Selon leur taille et leur complexité, ces systèmes vont de la clé USB aux systèmes de stockage d'entreprise organisés en batteries. |
Stockage de données destiné à un large éventail d'utilisateurs et d'environnements, dont les performances sont cruciales. |
| Mémoire vive magnétique (MRAM, Magnetoresistive Random-Access Memory) |
Méthode de stockage de bits de données faisant appel à des charges magnétiques à la place des charges électriques utilisées par la mémoire vive dynamique (DRAM). |
Mémoire à l'état solide de haute densité ; technologies émergentes. |
| Flash MLC (Multi-Level Cell) |
Approche de la mémoire Flash dans laquelle il est possible d'écrire deux segments de données dans la même cellule, ce qui permet de doubler la capacité de stockage d'un composant Flash SLC (Single-Level Cell). |
Systèmes de stockage autonomes, hybrides et 100 % Flash, utilisés aussi bien dans des ordinateurs personnels que dans des systèmes de petites et grandes entreprises. |
| Mémoire Flash NAND |
Technologie ou dispositifs à mémoire Flash construits à partir de portes logiques NAND. |
Stockage à grande vitesse pour tous types d'appareils, que ce soit grand public (électronique personnelle), de PME ou de grandes entreprises. |
| Mémoire Flash NOR |
Technologie ou appareils à mémoire Flash à accès aléatoire et de faible densité, construits à partir de portes logiques NOR. |
En général, destinés à la téléphonie mobile et à l'électronique grand public, pour le stockage du code exécutable. |
| Mémoire à changement de phase (PCM, Phase-Change Memory) |
Type de mémoire vive (RAM) d'ordinateur qui stocke les données en faisant passer rapidement la matière de l'état amorphe à l'état cristallin et vice versa, à une échelle microscopique. |
Technologies émergentes se distinguant par une vitesse de commutation exceptionnelle et une densité de stockage élevée. |
| Stockage à l'état solide sur mémoire vive |
Support de stockage à l'état solide volatile basé sur une technologie de RAM et relativement insensible au nombre de cycles PE. |
Applications de mémoire à grande vitesse pour environnements personnels, professionnels et gouvernementaux. |
| Mémoire résistive (RRAM) |
Type de stockage non volatile dont le fonctionnement repose sur la variation de résistance d'un matériau diélectrique solide spécialement formulé. |
Technologies émergentes se distinguant par une vitesse de commutation exceptionnelle et une densité de stockage élevée. |
| Flash SLC (Single-Level Cell) |
Dispositif ou technologie de stockage à l'état solide non volatile qui assure une fiabilité et des performances accrues par rapport aux supports Flash MLC et eMLC. |
Stockage de données à grande vitesse pour moyennes et grandes entreprises et organismes publics. |
Interfaces de stockage Flash :
Le stockage Flash pour mémoire informatique existe avec diverses interfaces, dont USB, SATA, M.2 et PCIe.
Avec l'interface USB 3, les lecteurs externes autorisent des vitesses que les disques durs internes atteignent à peine, ce qui les rend particulièrement adaptés aux systèmes d'exploitation portables.
Les interfaces SATA 3 Gbits et 6 Gbits sont les formats les plus courants dans les ordinateurs de bureau et portables. Avec des vitesses de lecture et d'écriture dépassant largement les 500 Mo/s, la version 6 Gbits permet d'éviter pratiquement tout goulot d'étranglement au niveau de la bande passante.
Le stockage Flash connecté par bus PCIe et M.2 offre une bande passante qui autorise une extension future et représente la gamme extrême des solutions exigeantes en termes de vitesse, avec 985 Mo/s et 1969 Mo/s respectivement.
La technologie Flash dans le datacenter :
Les gestionnaires de datacenter cherchant une solution à la perte d'énergie que représentent les disques durs envisagent le stockage Flash pour réaliser des bancs d'essai en matière d'informatique verte ou de datacenter écologique.
Les entreprises disposant d'applications à fort volume d'E/S, comme les systèmes de traitement de cartes de crédit, jugent également le stockage Flash comme efficace et économique.
En conséquence, des fournisseurs de solutions de stockage d'entreprise tels qu'EMC, des fabricants de puces tels que Samsung ont investi le marché du stockage Flash.
Flash pour les amateurs écairés:
De nombreux passionnés ont eus aussi adopté le stockage Flash. Ces utilisateurs placent souvent leur système d'exploitation, quelques jeux et des applications telles que les logiciels audio, vidéo et d'édition d'images sur un lecteur Flash, voire sur une batterie RAID Flash.
Les fichiers qui n'exigent pas de vitesse (ainsi qu'éventuellement ceux qui subissent de nombreux effacements) pourraient être stockés en priorité sur un disque dur conventionnel, économique et de très grande capacité.
D'autres fervents adeptes sont susceptibles d'utiliser le 100 % Flash, qu'ils apprécient la technologie en elle-même ou ses caractéristiques : silence, vitesse et élimination des goulots d'étranglement. Le Flash satisfait à toutes ces exigences.
Avec l'intérêt accru que suscite le stockage Flash, les observateurs du secteur ne manquent pas de pointer un inconvénient souvent négligé : si la vitesse et l'accès en lecture aléatoire sont de loin supérieurs à ceux des disques durs traditionnels, la longévité d'un composant Flash diminue en utilisation intensive (en particulier pour certains formats).
Cette réduction est due à la tolérance relativement limitée que cette technologie présente à l'alternance des cycles d'écriture et d'effacement. Les utilisateurs devront donc tenir compte de ce facteur, ainsi que du coût supplémentaire par Go et de la charge de travail concernée, pour sélectionner et provisionner soigneusement les données destinées à ce type de support.
Pour améliorer les performances du stockage Flash tout en réduisant l'amplification d'écriture SSD afin de gagner en fiabilité, les fabricants planchent actuellement sur des fonctions comme la répartition de l'usure, ou « wear leveling », et la mise en cache DRAM/NVRAM.
