Cos’è un’unità flash a stato solido (SSD)?

Un’unità flash a stato solido (SSD) è un dispositivo di archiviazione non volatile che archivia dati persistenti nella memoria flash. Esistono due tipi di memoria flash utilizzati negli SSD: NAND e NOR.

Sia NAND che NOR sono memorie di archiviazione non volatili, il che significa che sono in grado di conservare dati e codice di programma anche quando l’alimentazione viene interrotta. I nomi si riferiscono al tipo di porta logica utilizzata in ogni cella di memoria. Le porte logiche sono un elemento fondamentale dei circuiti digitali. Prendono decisioni logiche basate su una combinazione di input di segnali digitali.

Il dott. Fujio Masuoka ha inventato le flash NAND e NOR mentre lavorava alla Toshiba negli anni ’80. Intel ha introdotto il primo chip flash NOR commerciale nel 1988. Toshiba ha introdotto il primo supporto di archiviazione con chip flash NAND commerciale nel 1989.

Qual è la differenza tra la memoria flash NAND e NOR?

I chip di memoria NAND e NOR sono simili per certi aspetti, ma nel profondo sono strutturalmente diversi. Questa differenza li rende più adatti ad applicazioni specifiche.

Sia la memoria flash NAND che quella NOR memorizzano i dati in celle di memoria. Tuttavia, le celle stesse sono cablate in modo diverso nel circuito. In un chip NAND, più celle sono collegate insieme in una serie. Un’estremità della serie è collegata alla linea sorgente e l’altra estremità alla linea di bit. In un chip NOR, ogni cella ha un connettore diretto alla linea sorgente e alla linea di bit.

Questa differenza strutturale ha una serie di implicazioni importanti per NAND rispetto a NOR, tra cui le seguenti:

• NOR supporta letture casuali più veloci di NAND.
• NAND supporta letture sequenziali più veloci di NOR.
• Le velocità di scrittura e cancellazione di NOR sono molto più lente di NAND.
• NAND richiede meno corrente di NOR quando viene accesa per la prima volta, ma ne richiede di più in modalità standby.
• NAND supporta capacità maggiori di NOR.
• NOR è più costoso da produrre di NAND.

Grazie a queste qualità, NOR è generalmente più adatto all’esecuzione di codice. NAND è più adatto per l’archiviazione di dati di massa.

Alcuni dispositivi potrebbero utilizzare sia chip NAND che NOR. Ad esempio, una fotocamera digitale o uno smartphone potrebbero includere NOR incorporato per avviare il sistema operativo e utilizzare l’archiviazione NAND per gli altri requisiti di memoria. In generale, tuttavia, quando si parla di SSD flash, ci si riferisce alla memoria flash NAND. Gli SSD NAND sono il dispositivo di archiviazione principale nella maggior parte dei PC, laptop, schede di memoria e unità flash USB.

Archiviazione SSD flash NAND

Gli SSD aziendali odierni includono in genere un controller per la gestione delle operazioni dell’unità, una cache integrata per ottimizzare le prestazioni e più chip NAND per l’archiviazione dei dati. Il fattore di forma dell’SSD, il tipo di chip e le preferenze del produttore determinano tutti il ​​numero di chip in un’unità.

Ogni chip contiene un numero specifico di celle di memoria. Tale numero dipende dalle dimensioni delle celle e dall’architettura del chip sottostante. Più piccole sono le celle, più dati possono essere archiviati sul chip. Tuttavia, le celle più piccole comportano compromessi in termini di prestazioni e resistenza.

Inoltre, i chip NAND utilizzano un’architettura planare o 3D. I chip planari sono l’approccio tradizionale. Hanno tutte le celle costruite su un singolo strato. In un chip flash NAND 3D, le celle sono distribuite su più strati, rendendo possibile comprimere più celle su un chip senza doverle rimpicciolire troppo.

Le celle di memoria NAND sono anche definite dal numero di bit di dati memorizzati in ogni cella. I vari tipi sono i seguenti:

• NAND a cella singola memorizza 1 bit per cella.
• NAND a cella multilivello memorizza 2 bit per cella.
• NAND a cella tripla memorizza 3 bit per cella.
• NAND a cella quadrupla memorizza 4 bit per cella.
• NAND a cella pentalivello memorizza 5 bit in ogni cella.

Più bit per cella, più dati può contenere ogni chip e più economico è il costo per gigabyte (GB) dell’archiviazione. Tuttavia, inserire più bit per cella può avere un impatto negativo sulle prestazioni e sulla durata dell’unità, proprio come ridurre troppo le dimensioni delle celle.

Come funzionano gli SSD NAND

A causa del modo in cui sono costruite le celle di memoria NAND, possono supportare solo un numero finito di cicli di programmazione/cancellazione (P/E). Sebbene questa sia una caratteristica intrinseca della flash NAND, le dimensioni delle celle e il numero di bit per cella possono limitare ulteriormente i cicli P/E. Il numero di cicli P/E dipende anche dal fatto che le celle utilizzino la tecnologia floating gate o charge trap. Le celle charge trap tendono a essere meno suscettibili a difetti e perdite, rendendo possibile supportare più cicli P/E.

La tecnologia di archiviazione SSD utilizza una varietà di tecniche per rallentare l’usura della flash NAND. Queste tecniche includono le seguenti:

• garbage collection
• comando TRIM
• wear leveling
• overprovisioning

Il modo in cui queste tecniche vengono implementate può avere un effetto significativo sulla resistenza di un SSD.

Un obiettivo importante dello sviluppo della flash NAND è stato quello di ridurre il costo per gigabyte e aumentare la capacità di archiviazione, le prestazioni e la resistenza. In questo modo, la memoria flash può competere con le unità disco rigido magnetiche (HDD) in azienda. Gli SSD sono più veloci degli HDD e non hanno parti mobili. Molti data center si affidano ampiamente alle soluzioni di archiviazione flash NAND per supportare i carichi di lavoro critici per la missione.

Sebbene gli SSD flash siano molto più veloci dei dischi rotanti, non sono veloci quanto gli SSD basati su RAM o RAM dinamica, specialmente per carichi di lavoro ad alta intensità di scrittura. Tuttavia, pochi fornitori offrono SSD basati su RAM a causa dei significativi progressi negli SSD NAND e in altri tipi di memoria.