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Prérequis : fonctionnement d’une puce NAND Flash
Pour comprendre la problématique de fiabilité liée aux SSD, il convient de saisir le principe de fonctionnement d’écriture et d’effacement des données sur de la mémoire Flash NAND. Une puce mémoire Flash est composée de nombreuses cellules dans lesquelles vont être stockées les données. Chaque cellule est composée d’un substrat de silicium surmonté d’un « floating gate » (FG) et d’un « control gate » (CG). La « Floating Gate » ou « barrière flottante » est utilisée dans toutes les mémoires Flash grâce à sa capacité à stocker une charge électrique même sans alimentation durant un long lapse de temps, mais pas indéfiniment comme nous le verrons ci-après. Pour stocker cette charge, un transistor « Floating Gate » est généralement composée d’un MOSFET et d’un ou plusieurs condensateurs destinés à contrôler la tension délivrée. A noter que la Floating Gate est entièrement entourée d’oxyde dans le but de l’isoler pour que la charge envoyée reste dans la « Barrière Flottante ». Au-dessus de cette Floating Gate se trouve la « Control Gate » comme dans tous Mosfet. Lorsqu’une tension est appliquée à la Control Gate, le Mosfet transmet un flux ou reste isolé, toujours selon la tension appliquée. Dans le cas d’un flux, ce dernier se traduit sous forme binaire, à savoir des 0 et des 1, et reproduit alors les données à stocker dans la Floating Gate. C’est ici que l’on distingue le SLC du MLC. Le SLC stocke un bit de données par cellule (0 ou 1) tandis qu’une puce MLC peut stocker plusieurs bits de données. Par exemple un MLC à 4 niveaux pourra stocker 2 bits de données par cellule : 11, 10, 01 et 00. C’est ce qui explique que les puces MLC sont moins chères car elles peuvent stocker plus d’informations que les puces SLC. En contrepartie, les SLC ont de meilleures performances et une durée de vie supérieure.
Une cellule d'une Puce NAND Flash
Afin de terminer cette introduction sur le fonctionnement de la Flash, ajoutons encore que l’écriture de la NAND Flash s’opère via ce qu’on appelle un tunnel d’injection et que l’effacement passe par un « tunnel release » que l’on pourrait traduire par un tunnel libérateur. Ce terme « tunnel » est utilisé lorsqu’une particule transporte une charge électrique qui est ensuite injectée dans un transistor électrique via une fine couche d’isolant électrique. Vous suivez ? Dans le cas de la mémoire NAND Flash, ce tunnel est lui aussi en oxyde. Pour résumer, on peut dire que l’écriture d’une donnée dans une cellule d’une mémoire Flash consiste à injecter des électrons dans la Floating Gate en appliquant une certaine tension tandis que l’effacement consiste à sortir ces électrons de cette barrière flottante en appliquant la tension inverse.
Après la cellule, les blocs…
Dans le cas d’un produit à base de Flash comme une clé USB ou en l’occurrence un SSD, on a droit à des « blocs » qui renferme des cellules comme celle que nous venons d’évoquer. Chaque bloc est composé d’un certain nombre de pages dont la taille (512, 2048, 4096 bytes, etc.) détermine la taille du bloc. Au sein d’un bloc de NAND Flash, les cellules sont organisées en série les une à la suite des autres. Si la lecture des cellules au sein d’une mémoire NAND Flash ne peut s’effectuer qu’en série de par la disposition des cellules, c’est valable aussi pour l’écrasement qui est le préalable à toute nouvelle écriture et qui se fait par bloc. Tous les bits du bloc passent alors du statut 0 (données stockées) au statut 1 (données effacées). Ceci signifie que pour changer le statut « 0 » d’un bit de données, il faut effacer l’entièreté du bloc pour le refaire passer au statut « 1 ». Il n’est donc pas possible d’offrir une écriture et un effacement aléatoire sur un produit basé sur de la mémoire NAND Flash. Ce principe d’écrasement massif combiné avec le nombre limité de cycles d’écrasement/écriture entraîne que les produits à base de mémoire Flash ont une durée de vie limitée. Cette dernière va bien évidemment dépendre de la quantité de données écrites chaque jour.
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