Introduction aux mémoires flash NOR et NAND
Mémoire flash NOR
Intel a développé la technologie Nor Flash pour la première fois en 1988. La Nor Flash se caractérise par une exécution sur puce (XIP, eXecute In Place) et sa lecture est similaire à la lecture aléatoire de notre SDRAM courante. Les utilisateurs peuvent directement exécuter le programme chargé sur la Nor Flash. Le code qu'elle contient permet de réduire la capacité de la SRAM et de réaliser des économies. En raison de sa vitesse de lecture rapide et de sa faible sensibilité aux erreurs, elle est principalement utilisée pour stocker des informations importantes telles que des programmes et des systèmes d'exploitation.
Mémoire flash NAND
En 1989, Toshiba Corporation a publié la structure Nand Flash, mettant l'accent sur un coût par bit inférieur, des performances supérieures et la possibilité de la mettre à niveau facilement via l'interface, comme un disque. La mémoire Nand Flash n'utilise pas la technologie de lecture aléatoire. Elle lit sous la forme d'un bloc à la fois, généralement 512 octets à la fois. La mise en œuvre de la mémoire offre une solution économique et efficace.
La mémoire flash Nand présente les avantages d'une grande capacité et d'une vitesse de réécriture rapide. Elle est adaptée au stockage de grandes quantités de données et est donc de plus en plus largement utilisée, notamment dans les produits embarqués tels que les téléphones mobiles, les appareils photo numériques et les clés USB.
Mémoire flash NOR contre mémoire flash NAND
NOR et NAND sont les deux principales technologies de mémoire flash non volatile disponibles sur le marché. Intel a développé pour la première fois la technologie flash NOR en 1988, ce qui a complètement changé la donne sur un marché alors monopolisé par les technologies EPROM et EEPROM. Puis, en 1989, Toshiba a lancé la structure flash NAND, mettant l'accent sur la réduction du coût par bit, des performances supérieures et la possibilité de mise à niveau facile via l'interface, comme pour un disque. Nous expliquons ici la différence entre ces deux technologies :
| Feature | NAND Flash | NOR Flash |
|---|---|---|
| Capacity | Large | Small |
| Access Mode | Sequential Read/Write | Random Read/Write |
| Interface | Any I/O | Specific Full Memory Interface |
| XIP (Executable Code) | Not Supported | Supported |
| Read/Write Performance | Block Read (Sequential), Block Write, Block Erase (Erase by Block) | Block Read (RAM Mode), Slow Write, Slow Erase |
| Endurance | Approximately One Million Times | Approximately One Hundred Thousand Times |
| Price | Low | High |
| Applications | USB Drives, Memory Cards, SSDs, and Embedded Storage (eMMC, eMCP, UFS) | Automotive Electronics and IoT, 5G and Smartphones, and Accessories (such as TWS Earphones and Wearable Devices) |
Comparaison des performances
La mémoire flash est une mémoire non volatile qui peut être effacée, écrite et reprogrammée par blocs de cellules mémoire appelés blocs. L'opération d'écriture de tout dispositif flash ne peut être effectuée que dans des cellules vides ou effacées. Dans la plupart des cas, l'effacement doit donc être effectué avant l'opération d'écriture.
Il est très simple pour les dispositifs NAND d'effectuer des opérations d'effacement, tandis que les dispositifs NOR exigent que tous les bits du bloc cible soient écrits à 0 avant l'effacement. Étant donné que l'effacement des dispositifs NOR s'effectue par blocs de 64 à 128 Ko, le temps nécessaire pour effectuer une opération d'écriture/effacement est de 5 secondes. Au contraire, l'effacement des dispositifs NAND s'effectue par blocs de 8 à 32 Ko. L'opération ne prend que 4 ms au maximum. La différence de taille des blocs lors de l'effacement creuse encore davantage l'écart de performances entre NOR et NAND. Les statistiques montrent que pour un ensemble donné d'opérations d'écriture (en particulier lors de la mise à jour de petits fichiers), davantage d'opérations d'effacement doivent être effectuées dans les unités basées sur NOR. Les concepteurs doivent donc prendre en compte les facteurs suivants lors du choix d'une solution de stockage.
- La vitesse de lecture de la mémoire NOR est légèrement supérieure à celle de la mémoire NAND.
- La vitesse d'écriture de la NAND est beaucoup plus rapide que celle de la NOR.
- La vitesse d'effacement de 4 ms du NAND est beaucoup plus rapide que celle de 5 s du NOR.
- La plupart des opérations d'écriture nécessitent d'abord une opération d'effacement.
- L'unité d'effacement de la NAND est plus petite et le circuit d'effacement correspondant est moins important.
De plus, l'application réelle de la NAND est beaucoup plus compliquée que celle de la NOR. La NOR peut être utilisée directement et le code peut être exécuté directement dessus, tandis que la NAND nécessite une interface E/S, donc un pilote est nécessaire pour son utilisation. Cependant, les systèmes d'exploitation populaires actuels prennent en charge la mémoire Flash de structure NAND. De plus, le noyau Linux prend également en charge la mémoire Flash de structure NAND.
Comparaison des interfaces
Les dispositifs NAND utilisent des ports d'E/S complexes pour accéder aux données en série, et les méthodes peuvent varier selon les produits ou les fabricants. 8 broches sont utilisées pour transmettre les informations de contrôle, d'adresse et de données.
La mémoire flash NOR dispose d'une interface SRAM, d'un nombre suffisant de broches d'adresse et permet d'accéder facilement à chaque octet qu'elle contient.
Comparaison des capacités et des coûts
La mémoire flash NAND est principalement utilisée dans les produits de 8 à 128 Mo, adaptés au stockage de données. Sa taille unitaire est presque deux fois moins importante que celle des dispositifs NOR, et sa structure permet également d'offrir une capacité supérieure pour une taille de moule donnée, ce qui réduit d'autant son coût. Prix : la mémoire flash NOR occupe la majeure partie du marché des mémoires flash avec une capacité de 1 à 16 Mo. Elle est principalement utilisée dans les supports de stockage de code, et son prix est supérieur à celui de la mémoire NAND.
Comparaison de la fiabilité et de la durabilité
1. Durabilité (durée de vie)
Dans une mémoire flash NAND, le nombre maximal d'opérations d'effacement et d'écriture pour chaque bloc est d'un million, tandis que celui d'une mémoire NOR est de 100 000.
2. Permutation de bits
Tous les périphériques Flash souffrent du bit swapping : dans certaines conditions, un bit est inversé ou signalé comme inversé. Si cela se produit sur un fichier critique, cela peut entraîner une interruption grave du système. Après un changement de bit, un bit est inversé ou signalé comme inversé. Ce problème est plus fréquent dans les mémoires flash NAND. Les fournisseurs de NAND recommandent d'utiliser des algorithmes EDC/ECC lors de l'utilisation de mémoires flash NAND.
3. Traitement des blocs défectueux
Les blocs défectueux dans les dispositifs NAND sont répartis de manière aléatoire. Les dispositifs NAND nécessitent un scan initial du support afin de détecter les blocs défectueux et de les marquer comme inutilisables. Dans les dispositifs fabriqués, le fait de ne pas effectuer ce processus à l'aide de méthodes fiables entraîne des taux de défaillance élevés.
Comparaison d'utilisation
L'utilisation de la mémoire flash NAND est plus compliquée, et le pilote doit être écrit avant de pouvoir effectuer d'autres opérations. L'écriture d'informations sur le dispositif NAND nécessite également certaines compétences, et un mappage virtuel doit être effectué du début à la fin.
L'utilisation de la mémoire flash NOR est relativement simple : vous pouvez utiliser directement la mémoire flash NOR, la connecter comme les autres mémoires et exécuter directement du code dessus.
Comparaison des services d'assistance logicielle
Lors de l'exécution de code sur des périphériques NAND, un pilote, également appelé pilote de technologie mémoire (MTD), est généralement nécessaire, mais aucun support logiciel n'est requis lors de l'utilisation de périphériques NOR. Les deux nécessitent un MTD pour les opérations d'écriture et d'effacement.
Comment fonctionnent les mémoires flash NOR et NAND ?
Méthode de stockage de données
Les mémoires flash NOR et NAND utilisent toutes deux des dispositifs à trois bornes comme unités de stockage, à savoir la source, le drain et la grille. Le principe de fonctionnement est le même que celui des transistors à effet de champ, utilisant principalement l'effet du champ électrique pour contrôler la source et le drain. La consommation de courant de la grille est extrêmement faible. La différence réside dans le fait que le transistor à effet de champ possède une structure à grille unique, tandis que la mémoire flash possède une structure à double grille, et qu'une grille flottante est ajoutée entre la grille et le substrat en silicium. La grille flottante est constituée de nitrure pris en sandwich entre deux couches de dioxyde de silicium. Le nitrure au milieu est le puits de potentiel de charge qui peut stocker la charge. L'épaisseur des couches d'oxyde supérieure et inférieure est supérieure à 50 angströms afin d'éviter toute rupture.
Redécharge de la grille flottante
Le processus d'écriture des données dans la cellule de données consiste à injecter une charge dans le puits de potentiel de charge. Il existe deux techniques pour écrire des données : l'injection d'électrons chauds et l'effet tunnel F-N (effet tunnel Fowler-Nordheim). La première consiste à alimenter la grille flottante via la source de charge, tandis que la seconde consiste à charger la grille flottante via la couche de base en silicium. La mémoire Flash de type NOR charge la grille flottante par injection d'électrons chauds, tandis que la mémoire NAND charge la grille flottante par effet tunnel F-N. Avant d'écrire de nouvelles données, les données d'origine doivent d'abord être effacées. Cela diffère du disque dur, c'est-à-dire que la charge sur la grille flottante est libérée. Les deux types de mémoire Flash sont déchargés par effet tunnel F-N.
Mode de connexion et d'adressage
Les deux types de mémoire Flash ont la même unité de stockage et leur principe de fonctionnement est identique. Afin de réduire le temps d'accès, il ne s'agit pas d'une opération d'accès distincte pour chaque unité, mais d'une opération collective pour un certain nombre d'unités d'accès.
Les unités de stockage du Flash de type NAND sont connectées en série, tandis que celles du Flash de type NOR sont connectées en parallèle ; afin de gérer efficacement toutes les unités de stockage, celles-ci doivent être adressées de manière uniforme. Les dispositifs NAND utilisent des ports d'E/S multiplexés pour accéder aux données, et 8 broches sont utilisées pour transmettre les informations de contrôle, d'adresse et de données en temps partagé. Toutes les unités de stockage NAND sont divisées en plusieurs blocs, et chaque bloc est divisé en plusieurs pages, chaque page étant de 512 octets, soit 512 nombres à 8 chiffres, c'est-à-dire que chaque page comporte 512 lignes de bits, chaque ligne de bits comportant 8 unités de stockage ; ainsi, chaque fois que NAND lit des données, il spécifie l'adresse du bloc, l'adresse de la page et l'adresse de la colonne (l'adresse de colonne est l'adresse de départ dans la page lue).
Chaque unité de stockage de la mémoire NOR est connectée en parallèle à la ligne de bits. Elle dispose d'une interface SRAM, d'un nombre suffisant de broches d'adresse et permet d'accéder facilement à chaque octet qu'elle contient. Elle facilite l'accès aléatoire à chaque bit et ne nécessite pas de pilote. Elle dispose d'une ligne d'adresse dédiée, qui permet un adressage direct unique, et réduit le temps d'exécution des instructions du processeur vers la mémoire Flash.
Application des mémoires flash NOR et NAND
Mémoire flash NOR
La mémoire flash NOR est principalement utilisée pour stocker et exécuter du code et des données dans des appareils tels que les microcontrôleurs, les systèmes embarqués, les appareils photo numériques, les smartphones et les disques SSD (Solid State Drive).
Mémoire flash NAND
L'application de la mémoire flash NAND dans le stockage à semi-conducteurs peut être étendue aux domaines militaire, automobile, du contrôle industriel, de la vidéosurveillance, de la surveillance réseau, des terminaux réseau, de l'énergie électrique, médical, aéronautique, des équipements de navigation et autres.
Par conséquent, la mémoire flash NOR est plus adaptée aux situations où les lectures et écritures aléatoires sont fréquentes. Elle est généralement utilisée pour stocker des codes de programme et s'exécute directement dans la mémoire flash. Les téléphones mobiles sont de grands utilisateurs de mémoire flash NOR ; la mémoire flash NAND est principalement utilisée pour stocker des données. Nos produits de mémoire flash couramment utilisés, tels que les clés USB et les cartes mémoire numériques, utilisent tous la mémoire flash NAND.
