Lecteurs à base de mémoire flash. Comment faire les bons choix ?

Dans cet article, nous examinerons brièvement l'architecture et la structure de la mémoire flash et choisiront un lecteur SSD industriel.

Le disque SSD ou lecteur SSD (Solid State Drive) est une unité de mémoire informatique non mécanique, composée de puces mémoires et de microcontrôleur.

La mémoire flash (de l’anglais flash memory) – est une technologie à semi-conducteurs ré-inscriptible électriquement EEPROM (de l’anglais Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory).

Architectures NOR et NAND

Il existe deux architectures de mémoire flash – NOR et NAND qui diffèrent, au premier lieu, par le type de connexion des cellules de mémoire. Chacune d’elles a ses propres avantages et inconvénients déterminant les champs d’application de chaque technologie.

Mémoire NOR, nommée d’après les balises spéciales de données (Not OR – NON-OU logique). La structure NOR se base sur la matrice de conducteurs bidimensionnelle classique avec une cellule à l'intersection des lignes et des colonnes.

Cette structure permet à NOR de fournir un accès haut débit aléatoire aux données et assure la capacité d'écrire et de lire des données sur une section donnée sans accéder séquentiellement à la mémoire. Contrairement à la mémoire NAND, la mémoire NOR permet d’accéder aux données d'une taille jusqu'à un octet.

La technologie NOR est à son avantage lorsque les données sont écrites ou lues de façon aléatoire. C’est pourquoi la mémoire NOR est plus souvent utilisée comme mémoire de programme des microprocesseurs : par exemple, la mémoire BIOS de l’ordinateur personnel, la mémoire de stockage de petites données auxiliaires ou la mémoire de stockage du système d'exploitation des portables et tablettes.

Mémoire NAND, nommée d’après les balises spéciales de données (Not AND – NON-ET logique). Elle se base sur la même matrice que la mémoire NOR, mais au lieu d'une cellule (transistor) chaque intersection abrite une colonne de cellules connectées en série.

La mémoire NAND écrit et lit les données à haut débit, en mode de lecture séquentielle, en triant les données en petits blocs, pages. La mémoire NAND peut lire et écrire des informations page par page, mais contrairement à NOR, elle ne peut pas accéder à un octet donné.

Le prix du SSD NAND est inférieur à celui du SSD NOR, et les puces NAND possèdent d’une densité d'information par matrice plus élevée. En général, l'architecture NAND est utilisée au niveau des disques SSD, clés USB, cartes mémoire et portables dans le but de stocker les informations utilisateur et au niveau d’autres appareils qui assurent l’écriture séquentielle des données.

Nous sommes particulièrement intéressés par l'architecture NAND utilisée pour la plupart des disques SSD actuels.

Deuxième génération NAND – 3D NAND

Dans des conditions où le processus technique est proche de 10 nanomètres et une réduction continue des cristaux le long des axes X et Y est devenue impossible, le souhait des fabricants de réduire le coût de fabrication de la mémoire flash a conduit à la création de la deuxième génération NAND.

La disposition verticale du bloc de cellules sur le cristal qui a permis d’ajouter un autre axe, notamment l'axe vertical Z, est particulière à cette nouvelle architecture NAND. Les cellules sont superposées en couches, c’est pourquoi chaque cristal a une structure 3D multicouche.

Cette structure verticale a permis un bond technologique dans le domaine de densité de la mémoire flash. La parution de l'axe vertical a permis de sortir de la dépendance vis-à-vis des autres axes et d’éviter de réduire le cristal, par conséquent, plusieurs fabricants ont repris la technologie de 30 nanomètres, ce qui a finalement conduit à une diminution du coût de la production.

Cellules de mémoire

Il existe des appareils dont la cellule élémentaire stocke un, deux, trois ou quatre bits d’information. Tous les quatre cellules de mémoire NAND sont composées de transistors identiques. Seule la quantité de charge stockée dans la cellule de mémoire est différente.

Dans les cellules à un seul bit, il n’existe que deux niveaux de charge sur la grille flottante. Ces cellules sont les cellules mono-niveau (single-level cell, SLC). La mémoire SLC est la plus chère et possède de meilleures performances, de cadence d’écriture maximale et de plus grand nombre de cycles Program/Erase.

Pour ce qui est de cellules multi-bit, il existe plus de niveaux de charge ; ce sont les cellules multi-niveaux (multi-level cell, MLC). Les appareils MLC sont moins chers et possèdent de plus grande capacité que les appareils SLC, pourtant ils ont un temps d'accès plus élevé et un nombre maximum de réinscription d'un ordre de grandeur inférieur. En général, la MLC sous-entend la mémoire à 4 niveaux de charge (2 bits) par chaque cellule.

La mémoire moins chère avec 8 niveaux (3 bits) est appelée TLC (Triple Level Cell). En plus, la cadence de lecture et d’écriture et le potentiel de cycles Program/Erase de TLC sont pires que ceux de SLC et MLC.

Il existe aussi les appareils à 16 niveaux par cellule (4 bits), QLC (quad-level cell). La QLC est la plus abordable en termes de coût de stockage de 1 Go de données, car ce paramètre se rapproche des disques durs traditionnels.

A l’heure actuelle, la mémoire multi-niveaux prédomine sur le marché. Néanmoins, malgré leur capacité beaucoup plus faible et leur coût élevé, le développement des produits SLC est toujours en cours, et ces produits sont fabriqués pour des applications particulières.

Choisir un lecteur flash pour ordinateurs industriels de l’exemple des solutions de la société Innodisk

Le choix du disque SSD pour l’ordinateur est conditionné par plusieurs facteurs. Au premier lieu, ce sont : le facteur d’encombrement, le champ d’application, l’environnement, la cadence et le potentiel.

Facteur d’encombrement

Pout sélectionner un périphérique de stockage il faut commencer par le slot et la prise dans lesquels ce périphérique sera installé. Aujourd’hui le marché propose plusieurs facteurs de forme et interfaces pour connecter des lecteurs à base de mémoire flash. Le plus répandu, peut-être, est le facteur de forme 2,5 pouces avec une interface de connexion SATA de troisième génération. Presque chaque ordinateur personnel ou portable actuel dispose d’une prise SATA 2,5". Cette prise est vraiment universelle pour installer un disque dur classique, ainsi que pour installer un disque SSD à base de mémoire flash.

Environnement

Au premier lieu, l’ordinateur industriel diffère de son homologue personnel par la capacité de travailler en continu en mode 24/7/365 et par la résistance aux sauts de température, aux vibrations, aux chocs et à une humidité élevée. Les exigences élevées imposées à l’ordinateur industriel s'appliquent à tous ses composants, y compris le périphérique de stockage des données.

L’indice de résistance aux facteurs ci-dessus influe sur le prix d'un appareil à base de mémoire flash. C’est pourquoi, il est important de déterminer les températures et les conditions d’utilisation du produit fini.

Malgré que tous les produits Innodisk soient de qualité industrielle et disposent de plusieurs protections physiques et technologiques contre les forces externes.

Les appareils à base de mémoire flash peuvent être divisés en deux grands groupes :

• Produits avec fonctionnement sur une plage de température normale
• Produits avec fonctionnement sur une plage de température étendue

Potentiel. Cadence

Comme nous l'avons déjà découvert, il existe des cellules de mémoire flash capables de stocker 2 (SLC), 4 (MLC), 8 (TLC) ou 16 (QLC) niveaux de charge. La mémoire flash industrielle Innodisk n’utilise que trois premières variantes ce qui est conditionné par les exigences élevées en matière de fiabilité. L'algorithme de traitement d'une charge à 16 niveaux, est trop complexe, et dans des conditions de surtensions et d'interférences radio pouvant être causées par le fonctionnement de l’ordinateur industriel, cela peut conduire à une diminution rapide du potentiel résiduel et, par conséquent, à la perte de données.

En plus de trois cellules de mémoire de base, il existe les cellules MLC pour le domaine industriel – eMLC. Chez Innodisk, ces cellules sont appelées iSLC et elles sont le juste milieu entre l'endurance de SLC et le prix plus abordable de MLC.

Les performances et la fiabilité des iSLC sont comparables à celles des produits SLC, mais les produits iSLC sont basés sur le matériel de mémoire MLC, ce qui en fait une solution plus abordable et adaptée aux serveurs et aux systèmes du domaine industriel.

En cas d’utilisation du SSD à base de technologie iSLC, on peut être sûr de la sécurité des données – la durée de vie est plusieurs fois augmentée par rapport aux produits MLC types.

A titre illustratif, on peut faire un tableau comparatif des cellules de mémoire utilisées au niveau des lecteurs flash, en fonction du prix / endurance / cadence.

Comparons quatre disques SSD Innodisk à facteur d’encombrement SATA 2,5" 128 Go avec une température de fonctionnement étendue (-40 ... + 85), destinés aux systèmes à insérer.

Interprétation du nom SSD par la société Innodisk

Facteur d’encombrement. Mémoire. Série.

Les grands fournisseurs des solutions industrielles à base de mémoire flash tels qu'Innodisk proposent une grande variété de périphériques avec des spécifications identiques de différentes séries.

Pour ne pas se tromper de chemin et pour choisir un lecteur qui satisferait à vos tâches, il faut d'abord comprendre que sont les SSD et à quoi ils servent.

Par exemple, je vous propose de faire le point sur le SSD SATA 2,5'' :

Partie gauche du nom (2,5" SATA SSD) – facteur d’encombrement.
Partie droite (3MV2-P) – série. Donnons plus de détails.
(3) – Génération : 1, 2, 3.
Peut être de première, deuxième ou troisième génération.

(M), signifie la mémoire flash de type NAND : S, M, I, T.

(V) – champ d’application, série. Il existe : E, G, R, V, S.

(2) – produits de série industrielle.

La valeur peut être comprise entre 1 et 10, ou elle peut être absente. Pourtant, ce n’est pas un facteur déterminant du choix d'un disque SSD.

(-P) signifie la présence d'un cache basé sur mémoire DRAM.

Zwischenspeicher (Cache) wird hauptsächlich zur Speicherung der Adressübersetzungstabelle für schnelleren Zugriff auf Flash und Schreiben von Dateien verwendet.

Le presse-papiers (cache) est généralement utilisé pour stocker la table de traduction d'adresses, ce qui augmente la cadence d'accès à la mémoire flash et d'écriture des fichiers.

Chaque 1 Go de capacité de SSD doit avoir 1 Mo de cache. De cette façon, le SSD à une capacité de 120-128 Go devrait avoir 128 Mo, 240-256 Go – 256 Mo, 500-512 Go – 512 Mo, 960-1024 Go – 1024 Mo de cache.

La cadence du SSD sans tampon DRAM ralentira en cas de longues opérations d'écriture des petits fichiers.

Gammes de base de lecteurs SSD Innodisk

En plus des séries ci-dessus, Innodisk propose un produit unique dans sa gamme – les lecteurs ignifuges 3.5” Fire Shield SSD.

Les SSD 3.5” Fire Shield SSD sont capables de résister à un feu ouvert à une température de 800 °C pendant 30 minutes, en protégeant les éléments de mémoire contre les forces externes.

Conclusion

A titre de synthèse, je tiens à noter que cet article nous a permis de :

• Apprendre ce qu’est le SSD
• Donner une définition de la mémoire flash et découvrir les types des architectures (NOR, NAND)
• Comprendre pourquoi l'architecture NAND est mieux adaptée aux SSD
• Nous avons compris la différence entre les types de cellules de mémoire NAND (SLC, MLC, TLC, QLC)
• Nous avons comparé plusieurs produits Innodisk, avons déterminé les cellules les plus robustes et fiables et les plus abordables
• Nous avons compris ce qu’est le facteur d’encombrement et quels facteurs d’encombrement sont utilisés au niveau des ordinateurs industriels
• A l’exemple du SSD Innodisk, nous avons analysé les séries de produits et avons déterminé les tâches qu’ils accomplissent le mieux

J’espère que les informations ci-dessus sont utiles et que dès maintenant vous vous sentez à l'aise dans le monde des lecteurs industriels à base de mémoire flash.

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