Pengantar NOR Flash dan NAND Flash
NOR Flash
Intel pertama kali mengembangkan teknologi NOR Flash pada tahun 1988. NOR Flash memiliki ciri khas eksekusi di dalam chip (XIP, eXecute In Place), dan cara pembacaan datanya mirip dengan pembacaan acak pada SDRAM yang umum kita kenal. Pengguna dapat langsung menjalankan program yang dimuat di dalam Nor Flash, yang dapat mengurangi kapasitas SRAM dan menghemat biaya. Karena kecepatan pembacaan yang tinggi dan tingkat kesalahan yang rendah, teknologi ini umumnya digunakan untuk menyimpan informasi penting seperti program dan sistem operasi.
NAND Flash
Pada tahun 1989, Toshiba Corporation memperkenalkan struktur NAND Flash, yang menonjolkan biaya per bit yang lebih rendah, kinerja yang lebih tinggi, serta kemudahan pembaruan melalui antarmuka layaknya disk. NAND Flash tidak menggunakan teknologi pembacaan acak pada memori. Pembacaannya dilakukan dengan membaca satu blok sekaligus, biasanya sebesar 512 byte per blok. Penerapan memori ini menawarkan solusi yang murah dan efektif.
Memori NAND Flash memiliki keunggulan kapasitas besar dan kecepatan penulisan ulang yang tinggi, serta cocok untuk menyimpan data dalam jumlah besar, sehingga semakin banyak digunakan, seperti pada produk tertanam termasuk ponsel, kamera digital, dan flash disk.
NOR Flash vs. NAND Flash
NOR dan NAND adalah dua teknologi memori flash non-volatil utama yang ada di pasaran. Intel pertama kali mengembangkan teknologi flash NOR pada tahun 1988, yang sepenuhnya mengubah situasi di mana pasar saat itu didominasi oleh EPROM dan EEPROM. Kemudian, pada tahun 1989, Toshiba meluncurkan struktur flash NAND, yang menekankan pengurangan biaya per bit, kinerja yang lebih tinggi, dan kemampuannya untuk di-upgrade dengan mudah melalui antarmuka seperti disk. Berikut ini penjelasan mengenai perbedaan di antara keduanya:
| 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) |
Perbandingan Kinerja
Memori flash adalah memori non-volatil yang dapat dihapus, ditulis, dan diprogram ulang dalam kelompok sel memori yang disebut blok. Operasi penulisan pada perangkat flash apa pun hanya dapat dilakukan pada sel yang kosong atau telah dihapus, sehingga dalam kebanyakan kasus, penghapusan harus dilakukan sebelum operasi penulisan.
Proses penghapusan pada perangkat NAND sangat sederhana, sedangkan pada NOR, semua bit dalam blok target harus ditulis menjadi 0 sebelum dihapus. Karena penghapusan pada perangkat NOR dilakukan dalam blok berukuran 64-128KB, waktu yang dibutuhkan untuk operasi tulis/hapus adalah 5 detik. Sebaliknya, penghapusan pada perangkat NAND dilakukan dalam blok berukuran 8-32KB. Operasi ini hanya memakan waktu maksimal 4 milidetik. Perbedaan ukuran blok saat melakukan penghapusan semakin memperlebar kesenjangan kinerja antara NOR dan NAND. Statistik menunjukkan bahwa untuk sekumpulan operasi penulisan tertentu (terutama saat memperbarui file kecil), lebih banyak operasi penghapusan harus dilakukan pada unit berbasis NOR. Oleh karena itu, perancang harus mempertimbangkan faktor-faktor berikut saat memilih solusi penyimpanan.
- Kecepatan baca NOR sedikit lebih cepat daripada NAND.
- Kecepatan penulisan NAND jauh lebih cepat daripada NOR.
- Kecepatan penghapusan NAND sebesar 4 ms jauh lebih cepat daripada NOR yang membutuhkan waktu 5 detik.
- Sebagian besar operasi penulisan memerlukan operasi penghapusan terlebih dahulu.
- Unit penghapusan NAND lebih kecil, dan sirkuit penghapusan yang sesuai juga lebih sedikit.
Selain itu, penerapan NAND yang sebenarnya jauh lebih rumit daripada NOR. NOR dapat digunakan secara langsung dan kode dapat dijalankan langsung di atasnya; sedangkan NAND memerlukan antarmuka I/O, sehingga diperlukan driver untuk menggunakannya. Namun, sistem operasi populer saat ini mendukung Flash berstruktur NAND. Selain itu, kernel Linux juga menyediakan dukungan untuk Flash berstruktur NAND.
Perbandingan Antarmuka
Perangkat NAND menggunakan port I/O yang kompleks untuk mengakses data secara serial, dan metode yang digunakan pada setiap produk atau produsen dapat berbeda-beda. Terdapat 8 pin yang digunakan untuk mentransmisikan informasi kontrol, alamat, dan data.
NOR Flash memiliki antarmuka SRAM, dilengkapi dengan jumlah pin alamat yang cukup untuk mengakses alamat, dan dapat dengan mudah mengakses setiap byte di dalamnya.
Perbandingan Kapasitas dan Biaya
NAND Flash umumnya digunakan pada produk berkapasitas 8–128 MB, cocok untuk penyimpanan data, dan ukuran unitnya hampir setengah dari perangkat NOR; selain itu, strukturnya memungkinkan kapasitas yang lebih besar dalam ukuran cetakan yang sama, sehingga dapat menekan biaya secara proporsional. Harga: NOR Flash mendominasi sebagian besar pasar memori flash dengan kapasitas 1–16 MB, dan umumnya digunakan sebagai media penyimpanan kode; harganya pun lebih tinggi dibandingkan NAND.
Perbandingan Keandalan dan Ketahanan
1. Ketahanan (masa pakai)
Pada memori flash NAND, jumlah maksimum proses penghapusan dan penulisan pada setiap blok adalah satu juta kali, sedangkan pada memori flash NOR adalah 100.000 kali.
2. Pertukaran bit
Semua perangkat flash rentan terhadap bit swapping: dalam kondisi tertentu, sebuah bit dapat terbalik atau dilaporkan sebagai terbalik. Jika hal ini terjadi pada file penting, hal itu dapat menyebabkan sistem mengalami downtime yang serius. Setelah terjadi perubahan bit, sebuah bit dapat terbalik atau dilaporkan sebagai terbalik. Masalah ini lebih sering terjadi pada memori flash NAND. Pemasok NAND merekomendasikan penggunaan algoritma EDC/ECC saat menggunakan memori flash NAND.
3. Pemrosesan blok rusak
Blok rusak pada perangkat NAND tersebar secara acak. Perangkat NAND memerlukan pemindaian awal media untuk mendeteksi blok rusak dan menandai blok-blok tersebut sebagai tidak dapat digunakan. Pada perangkat yang diproduksi, kegagalan dalam melaksanakan proses ini dengan metode yang andal akan mengakibatkan tingkat kegagalan yang tinggi.
Perbandingan Penggunaan
Penggunaan NAND Flash lebih rumit, dan driver harus ditulis terlebih dahulu sebelum melanjutkan ke operasi lainnya. Menulis informasi ke perangkat NAND juga memerlukan keterampilan tertentu, dan pemetaan virtual harus dilakukan dari awal hingga akhir.
Penggunaan NOR Flash relatif sederhana; Anda dapat langsung menggunakan memori flash berbasis NOR, menghubungkannya seperti memori lainnya, dan menjalankan kode secara langsung di atasnya.
Perbandingan Dukungan Perangkat Lunak
Saat menjalankan kode pada perangkat NAND, biasanya diperlukan driver, yang juga dikenal sebagai driver teknologi memori (MTD), tetapi tidak diperlukan dukungan perangkat lunak saat menggunakan perangkat NOR. Keduanya memerlukan MTD untuk operasi penulisan dan penghapusan.
Bagaimana Cara Kerja NOR dan NAND Flash?
Metode Penyimpanan Data
Baik memori flash NOR maupun NAND menggunakan perangkat tiga terminal sebagai unit penyimpanan, yaitu sumber (source), saluran (drain), dan gerbang (gate). Prinsip kerjanya sama dengan transistor efek medan, yang terutama memanfaatkan efek medan listrik untuk mengontrol sumber dan saluran. Konsumsi arus pada gerbang sangat kecil. Perbedaannya adalah bahwa transistor efek medan memiliki struktur gerbang tunggal, sedangkan Flash memiliki struktur gerbang ganda, dan gerbang mengambang ditambahkan di antara gerbang dan substrat silikon. Gerbang mengambang terbuat dari nitrida yang diapit di antara dua lapisan bahan silikon dioksida. Nitrida di tengah adalah sumur potensial muatan yang dapat menyimpan muatan. Ketebalan lapisan oksida atas dan bawah lebih besar dari 50 angstrom untuk menghindari kerusakan.
Pengosongan Ulang Katup Apung
Proses penulisan data ke dalam sel data adalah proses penyuntikan muatan ke dalam sumur potensial muatan. Ada dua teknik untuk menulis data, yaitu injeksi elektron panas dan terowongan F-N (terowongan Fowler-Nordheim). Teknik pertama adalah mengisi gerbang mengambang melalui sumber muatan, sedangkan teknik kedua adalah mengisi gerbang mengambang melalui lapisan dasar silikon. Flash tipe NOR mengisi gerbang mengambang melalui injeksi elektron panas, sedangkan NAND mengisi gerbang mengambang melalui efek terowongan F-N. Sebelum menulis data baru, data asli harus dihapus terlebih dahulu. Hal ini berbeda dengan hard disk, yaitu muatan pada gerbang mengambang dilepaskan. Kedua jenis Flash tersebut dilepaskan melalui efek terowongan F-N.
Mode Koneksi dan Penentuan Alamat
Kedua jenis Flash tersebut memiliki unit penyimpanan yang sama, dan prinsip kerjanya pun serupa. Untuk mempersingkat waktu akses, prosesnya tidak dilakukan secara terpisah untuk setiap unit, melainkan sebagai operasi kolektif untuk sejumlah unit penyimpanan tertentu.
Unit penyimpanan Flash tipe NAND dihubungkan secara seri, sedangkan unit Flash tipe NOR dihubungkan secara paralel; untuk mengelola semua unit penyimpanan secara efektif, unit penyimpanan harus dialamatkan secara seragam. Perangkat NAND menggunakan port I/O multiplexed untuk mengakses data, dan 8 pin digunakan untuk mentransmisikan informasi kontrol, alamat, dan data secara bergantian. Semua unit penyimpanan NAND dibagi menjadi beberapa blok, dan setiap blok dibagi menjadi beberapa halaman, setiap halaman berukuran 512 byte, yaitu 512 angka 8 digit, artinya setiap halaman memiliki 512 jalur bit, dan setiap jalur bit memiliki 8 unit penyimpanan; sehingga setiap kali NAND membaca data, ia menentukan alamat blok, alamat halaman, dan alamat kolom (alamat kolom adalah alamat awal pada halaman yang dibaca).
Setiap unit penyimpanan NOR terhubung ke jalur bit secara paralel, memiliki antarmuka SRAM, memiliki pin alamat yang cukup untuk pengalamatan, dan mudah untuk mengakses setiap byte di dalamnya. Hal ini memudahkan akses acak ke setiap bit, dan tidak memerlukan driver; memiliki jalur alamat khusus, yang dapat mewujudkan pengalamatan langsung satu kali; hal ini mempersingkat waktu eksekusi instruksi Flash ke prosesor.
Penerapan NOR dan NAND Flash
NOR Flash
NOR flash terutama digunakan untuk menyimpan dan menjalankan kode serta data pada perangkat seperti mikrokontroler, sistem tertanam, kamera digital, ponsel pintar, dan solid-state drive (SSD).
NAND Flash
Penerapan memori flash NAND dalam penyimpanan solid-state dapat diperluas ke bidang-bidang seperti militer, kendaraan, kontrol industri, pengawasan video, pemantauan jaringan, terminal jaringan, tenaga listrik, medis, penerbangan, peralatan navigasi, dan bidang-bidang lainnya.
Oleh karena itu, memori NOR flash lebih cocok untuk situasi yang sering melibatkan pembacaan dan penulisan acak. Memori ini biasanya digunakan untuk menyimpan kode program dan dijalankan langsung di dalam memori flash. Ponsel merupakan pengguna utama memori NOR flash; sedangkan memori NAND flash terutama digunakan untuk menyimpan data. Produk memori flash yang umum kita gunakan, seperti flash drive dan kartu memori digital, semuanya menggunakan memori NAND flash.
