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22 avril 2020 |
La Revue POLYTECHNIQUE 02/2020 |
Électronique
Les atouts des disques à mémoire flash
Quand il s’agit de choisir une mémoire flash, de nombreux facteurs entrent en ligne de compte. Les disques à mémoire flash sont plus performants sur les trois critères essentiels de vitesse d’accès, d’intégrité des données et de solidité à long terme. Cet article explique pourquoi.
Si l’on ouvre une clé USB, on y trouve non seulement la ou les puces de mémoire flash, qui occupent la plus grande partie de l’espace, mais aussi le contrôleur et l’interface de communication, ainsi que l’alimentation. Les lecteurs les plus haut de gamme, comme les disques SSD (Solid State Drive) équipés d’une interface SATA ou PCI-E, disposent souvent d’une mémoire tampon qui accélère le transfert de données lors de l’écriture en mémoire flash.
Cette configuration n’est guère idéale pour les environnements hostiles. Les chocs et les vibrations mettent les contacts et les pièces mécaniques à rude épreuve, tandis que les changements de température des installations industrielles sollicitent fortement les soudures. Une solution monopuce combinant tous les composants dans un boîtier hermétiquement soudé permet de s’affranchir de ces problèmes.
Les boîtiers BGA (Ball Grid Array ou matrice de billes) peuvent généralement être soudés sur le circuit imprimé avec les autres composants. Le terme SSD désignera ci-après tous les dispositifs de stockage à contrôleur et mémoire flash, quelle que soit l’interface de raccordement au système hôte.
| Fig. 1 : Du fait de sa faible masse, le disque SSD monopuce est adapté aux composants soumis aux vibrations et aux chocs. |
Le principe de la technologie flash
Le principe de la technologie flash est le suivant : une charge électrique est emprisonnée entre deux couches isolantes. Lors de l’écriture et de l’effacement, une brève surtension rend ces couches conductrices, de sorte que la charge puisse passer. Ce phénomène sollicite la couche d’isolant : la résistance augmente alors avec le temps et la cellule « vieillit ».
Les caractéristiques techniques précisent le nombre de cycles PE (programmation/écrasement) de chaque cellule. Il est impossible d’effacer une cellule unique ; toute modification, même d’un seul octet, entraîne un cycle PE pour la totalité du bloc.
Lors de la lecture, le niveau de charge est évalué et traduit en une valeur numérique. Dans une mémoire SLC (Single Level Cell), un comparateur décide si la valeur de tension lue est inférieure ou supérieure à un seuil défini, puis renvoie « 0 » ou « 1 ». Dans une mémoire MLC (Multi Level Cell), la gradation est plus fine ; quatre niveaux de charge différents sont interprétés comme l’état de deux bits (00, 01, 10, 11).
Les progrès des semi-conducteurs ont permis d’améliorer encore l’isolation et donc la conservation de la charge. Les cellules TLC (Triple Level Cell) peuvent conserver huit valeurs de tension différentes, donc trois bits par cellule. La technologie QLC (Quad Level Cell), quant à elle, représente actuellement le nec plus ultra.
Si l’intégration plus poussée de structures plus petites réduit le coût par octet, l’endurance et la performance (taux de transfert) de la mémoire ont, quant à eux, tendance à diminuer. Les fabricants de NAND épousant la demande en capacités toujours plus élevées, il est presque impossible aujourd’hui de trouver des mémoires SLC à un prix abordable. Faire fonctionner une cellule MLC en « mode SLC », également dit « pseudo-SLC », offre un bon compromis entre capacité, nombre de cycles d’écriture et coût.
La cellule MLC n’écrit que deux valeurs au lieu des quatre possibles. La capacité utilisable est certes moindre, mais au bénéfice de la fiabilité et de la longévité. Cette méthode nécessite une coopération étroite entre les fabricants de NAND et de contrôleurs, puisque la structure interne de la mémoire flash joue un grand rôle ici.
La figure 4 montre quels états d’une mémoire MLC sont utilisés pour mapper le mode SLC. L’ordre non séquentiel des états binaires est le résultat d’une distance de Hamming plus grande, qui accroît l’immunité. Par rapport à une mémoire MLC, le nombre de cycles d’écriture est multiplié par dix pour un coût de fonctionnement seulement deux fois plus élevé.
| Fig. 2 : Une carte SSD monopuce m.2. (© HY-LINE Computer Components) |
Un contrôleur pilote le fonctionnement de la mémoire
Dans les faits, les périphériques flash ne sont pas directement raccordés à un processeur hôte. L’interface se fait par un contrôleur normalisé côté hôte, qui pilote le fonctionnement de la mémoire grâce à un micrologiciel spécialisé.
Dans un disque SSD, le contrôleur remplit de nombreuses fonctions pour assurer une durée de vie et une vitesse élevées, avec une fiabilité maximale. En font partie l’uniformisation de l’usure, qui répartit les opérations d’écriture sur l’ensemble de la mémoire pour augmenter la durée de vie du système, ainsi que la gestion des blocs défectueux. Le contrôleur gère également un cache qui augmente la vitesse d’accès, en particulier lors de l’écriture. Dans les systèmes les plus rapides, ce cache comporte plusieurs couches (cf. fig. 4).
L’intégration dans un seul boîtier permet d’optimiser le micrologiciel du contrôleur en fonction des caractéristiques de la mémoire et donc d’améliorer les performances matérielles (vitesse d’accès, stockage des données et endurance).
| Fig. 3. : Description du mode SLC.(Source : UDInfo) |
La technologie TLC
La technologie TLC (Triple Level Cell) constitue une solution peu coûteuse. Certaines parties de la mémoire TLC fonctionnent en mode SLC (Single Level Cell), ce qui augmente la sécurité des données pour les disques systèmes et offre également un cache à la mémoire TLC plus lente. De plus, sa conception compacte garantit un bon couplage thermique, ainsi que la résistance aux influences environnementales, telles que les chocs et vibrations.
La diversité des produits (différentes tailles de mémoire et plages de température, avec ou sans mémoire vive) disponibles pour un même boîtier constitue un atout supplémentaire. Pour évaluer la performance d’un disque SSD monopuce, il suffit d’insérer une carte m.2 (cf. fig. 2).
De par sa compacité, cette solution est particulièrement adaptée aux appareils de mesure portatifs et aux enregistreurs de données, aux dispositifs médicaux et de laboratoire, ainsi qu’à tous les composants soumis aux vibrations et aux chocs, du fait de sa faible masse. Le fait que la mémoire soit soudée et non enfichée la protège du risque de manipulation ou de remplacement.
Le tableau de la figure 4 présente les exigences spécifiques de diverses applications typiques.
| Fig. 4. : Schéma fonctionnel d’une cartes SSD monopuce. (© HY-LINE Computer Components) |
La capacité de stockage
Les fabricants ont recours à des technologies de plus en plus intégrées pour augmenter la capacité de stockage. Les vraies puces SLC sont devenues presque introuvables, les mémoires TLC constituant le gros de la production. Cependant, de nombreuses applications ont toujours besoin des fonctions typiques d’une mémoire SLC, comme la longue durée de conservation des données, le grand nombre de cycles d’écriture, ainsi que la fiabilité.
Les mémoires TLC sont donc exploitées en « mode dégradé ». La baisse de la capacité est compensée par le plus grand nombre de cycles d’écriture possibles. Le tableau de la figure 5 indique les capacités théoriques offertes par les différentes densités d’intégration.
La technologie « NAND 3D » superpose plusieurs puces de mémoire (matrices) dans un même boîtier, avec à la clé une densité élevée. La figure 5 présente les capacités nettes d’un SSD monopuce en fonction de la configuration de la mémoire et du mode de fonctionnement.
| Fig. 5. : Applications et exigences. (© HY-LINE Computer Components) |
Perspectives
La figure 7 illustre la répartition des différentes technologies de mémoire flash NAND. Alors que l’offre de mémoires flash à faible intégration, telles que SLC et MLC, accuse un net recul, la nouvelle technologie QLC se profile à l’horizon. La densité d’intégration en gigaoctets par puce augmentant et le prix par octet diminuant en parallèle, le coût unitaire d’une puce restera approximativement le même. La technologie TLC, qui bénéficie d’un contexte porteur avec la mise en service de nouvelles lignes de fabrication, devrait se tailler la part du lion. Le qualificatif « 3D » se réfère aux puces à intégration verticale de plusieurs matrices.
| Fig. 6. : Capacité de stockage. (Source : Silicon Motion) |
Cas d’utilisation n° 1 : système de vidéosurveillance numérique
Les véhicules utilitaires sont de nos jours de plus en plus souvent équipés de caméras pour surveiller la zone de travail et aider le conducteur ou l’opérateur à voir des zones non accessibles depuis l’endroit où il se trouve (angle mort, intérieur du godet ou trappe des bacs à ordures). Le signal vidéo peut être directement enregistré sur un support numérique à des fins de conservation. Ce support de stockage doit offrir un débit binaire minimal constant, pour ne pas perdre de trames, ainsi qu’un nombre élevé de cycles d’écriture, allant si possible au-delà de la durée de vie du véhicule. Or, les cartes SD classiques ont une durée de vie d’un à deux ans.
Les machines agricoles, les engins de chantier, les chariots de manutention, les poids lourds et les chemins de fer sont des domaines d’application typiques. La détection d’angle mort pour les camions lors des virages à droite, actuellement au cœur de l’actualité, exige également la présence d’une caméra, dont l’enregistrement servira de preuve en cas d’accident.
Cas d’utilisation n° 2 : distribution automatique de médicaments dans une pharmacie
Les hôpitaux et les grandes pharmacies manipulent des quantités importantes de médicaments. Comment réduire le taux d’erreur lors des distributions, connaître l’état du stock à tout moment et ne pas perdre de vue les dates d’expiration ?
Un système automatisé est ici essentiel. Des caméras capables de numériser et d’identifier chaque emballage de médicament entrant ou sortant du stock, fournissent une aide précieuse. L’ordinateur conserve une trace de tous les mouvements. Il peut à tout moment fournir des informations sur les niveaux de stock et passer commande lorsque c’est nécessaire. Les images haute résolution prises sous plusieurs angles sont stockées en mémoire et affectées à la fiche du médicament, grâce à un code ou à la reconnaissance automatique de caractères. Le disque SSD utilisé doit présenter un taux de transfert de données élevé, car les images se succèdent à un rythme rapide, et autoriser un nombre élevé de cycles d’écriture.
| Fig. 7 : Parts de marché des diverses technologies. (Source : Silicon Motion) |
Conclusion
Le degré d’intégration des mémoires flash continuera à augmenter dans un avenir proche. La capacité unitaire par puce augmentera elle aussi, grâce à la diminution de taille des semi-conducteurs et à la technologie QLC, tandis que le nombre de cycles P/E possibles diminuera pour la même raison. Un système fiable devra donc disposer d’un contrôleur à même de piloter de manière optimale la mémoire, d’offrir des fonctions d’uniformisation de l’usure et de correction d’erreur. Il devra également assurer un fonctionnement stable avec des débits de données toujours élevés, y compris dans des conditions peu favorables.
Le disque SSD monopuce associe, dans un seul boîtier IC, les blocs de fonction importants que sont le contrôleur hôte, le contrôleur flash, les puces flash et le micrologiciel créés par le fabricant du contrôleur en étroite collaboration avec le fabricant de la mémoire. Il offre le meilleur compromis possible entre intégrité des données et rapport coût/performance, pour n’importe quelle application embarquée.
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Glossaire
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Références
HY-LINE Computer Components Vertriebs GmbH – www.hy-line.de/
Silicon Motion – www.siliconmotion.com/
UDInfo – www.udinfo.com.tw |
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La mémoire flash NAND
La mémoire flash NAND est une technologie de stockage à base de semi-conducteurs qui ne requiert pas d’alimentation électrique pour conserver les données. Elle est donc dite « non volatile », car contrairement à une mémoire vive (DRAM) les données ne s’effacent pas lorsque l’on cesse d’alimenter la mémoire avec du courant électrique. |
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La distance de Hamming
La distance de Hamming est une notion mathématique utilisée en informatique, en traitement du signal et dans les télécommunications. Elle joue un rôle important en théorie algébrique des codes correcteurs et permet de quantifier la différence entre deux séquences de symboles. |
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À propos d’HY-LINE Computer Components
La société HY-LINE Computer Components Vertriebs GmbH fait partie du groupe HY-LINE, un groupe de distributeurs spécialisés. HY-LINE Computer Components est responsable des systèmes avec écrans et écrans tactiles. Elle fournit des solutions pour la transmission de signaux internes (LVDS, V-by-One®) et externes (DVI, HDMI, DisplayPort, USB), ainsi que des solutions embarquées sur puces à des clients des secteurs médical et industriel.
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Rudolf Sosnowsky
Directeur technique
HY-LINE Computer Components Vertriebs GmbH
D-82008 Unterhaching
Tél. +49 89 614 503 40
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