Memoria Flash

Cos’è la memoria flash?

La memoria flash, nota anche come storage flash, è un tipo di memoria non volatile che cancella i dati in unità chiamate blocchi e riscrive i dati a livello di byte. La memoria flash è ampiamente utilizzata per l’archiviazione e il trasferimento dati in dispositivi di consumo, sistemi aziendali e applicazioni industriali. La memoria flash conserva i dati per un periodo prolungato indipendentemente dal fatto che un dispositivo dotato di flash sia acceso o spento.

La memoria flash è utilizzata nei server dei data center aziendali, nella tecnologia di archiviazione e di rete, nonché in un’ampia gamma di dispositivi di consumo, tra cui unità flash USB, note anche come memory stick, schede SD, telefoni cellulari, fotocamere digitali, tablet e schede PC in computer portatili e controller integrati.

Esistono due tipi di memoria flash: NAND e NOR. Le unità a stato solido (SSD) basate su flash NAND sono spesso utilizzate per accelerare le prestazioni di applicazioni ad alta intensità di I/O. La memoria flash NOR è spesso utilizzata per contenere codice di controllo, come il BIOS in un PC.

La memoria flash viene anche utilizzata per l’elaborazione in memoria per aiutare ad accelerare le prestazioni e la scalabilità dei sistemi che gestiscono e analizzano grandi set di dati.

Origini delle tecnologie di archiviazione flash

Il dott. Fujio Masuoka è accreditato per aver inventato la memoria flash quando lavorava per Toshiba negli anni ’80. Il collega di Masuoka, Shoji Ariizumi, avrebbe coniato il termine flash perché il processo di cancellazione di tutti i dati da un chip semiconduttore gli ricordava il flash di una macchina fotografica.

La memoria flash si è evoluta da memoria di sola lettura programmabile cancellabile (EPROM) a memoria di sola lettura programmabile cancellabile elettricamente (EEPROM). La flash è tecnicamente una variante della EEPROM, ma il settore riserva il termine EEPROM alla memoria cancellabile a livello di byte e applica il termine memoria flash alla memoria cancellabile a livello di blocco più grande.

Come funziona la memoria flash?

La memoria flash memorizza le informazioni in celle di memoria che utilizzano transistor a gate flottante per memorizzare e recuperare i dati. Un’alta tensione intrappola gli elettroni nel gate flottante per memorizzare i dati e, quando i dati devono essere cancellati, la carica dal gate flottante viene rilasciata. Per leggere i dati memorizzati, viene controllata la carica sul gate flottante.

Di seguito vengono esaminati i vari componenti e processi della memoria flash:

Struttura. L’architettura della memoria flash include una matrice di memoria impilata con una moltitudine di celle flash. Una cella di memoria flash di base è costituita da un transistor di memorizzazione con un gate di controllo e un gate flottante, che è isolato dal resto del transistor da un sottile materiale dielettrico o strato di ossido. Il gate flottante memorizza la carica elettrica e controlla il flusso della corrente elettrica.

Programmazione. Gli elettroni vengono aggiunti o rimossi dal gate flottante per modificare la tensione di soglia del transistor di memorizzazione. La modifica della tensione influisce sulla programmazione di una cella come zero o uno.

Un processo chiamato tunneling di Fowler-Nordheim rimuove gli elettroni dal gate flottante. Sia il tunneling di Fowler-Nordheim che un fenomeno noto come iniezione di elettroni caldi nel canale intrappolano gli elettroni nel gate flottante.

Cancellazione e tunneling. Con il tunneling Fowler-Nordheim, i dati vengono cancellati tramite una forte carica negativa sul gate di controllo. Ciò forza gli elettroni nel canale, dove esiste una forte carica positiva. Il contrario avviene quando si utilizza il tunneling Fowler-Nordheim per intrappolare gli elettroni nel gate flottante. Gli elettroni riescono a forgiare attraverso il sottile strato di ossido fino al gate flottante in presenza di un campo elettrico elevato, con una forte carica negativa sulla sorgente della cella e sul drain, nonché una forte carica positiva sul gate di controllo.

Iniezione di elettroni caldi nel canale. Conosciuta anche come iniezione di hot-carrier, l’iniezione di elettroni caldi nel canale consente agli elettroni di sfondare l’ossido del gate e modificare la tensione di soglia del gate flottante. Questa sfondamento si verifica quando gli elettroni acquisiscono energia sufficiente dall’elevata corrente nel canale e dalla carica di attrazione sul gate di controllo.

Isolamento elettrico e archiviazione persistente. Gli elettroni sono intrappolati nel gate flottante indipendentemente dal fatto che un dispositivo contenente la cella di memoria flash riceva alimentazione, a causa dell’isolamento elettrico creato dallo strato di ossido. Questa caratteristica consente alla memoria flash di fornire archiviazione persistente.

Esempi di applicazioni della memoria flash

Grazie alle sue dimensioni ridotte, al rapido accesso ai dati e alla natura non volatile, la memoria flash è ampiamente utilizzata in una varietà di dispositivi elettronici.

Di seguito sono riportati alcuni casi di utilizzo comuni per la memoria flash:

Unità flash USB. Le unità flash USB, note anche come unità thumb, utilizzano la memoria flash per archiviare i dati. Queste unità sono utilizzate principalmente per archiviare e trasferire dati tra diversi computer e dispositivi elettronici e hanno un’interfaccia USB integrata.
SSD. Gli SSD sono dispositivi di archiviazione che sostituiscono i tradizionali dischi rigidi meccanici (HDD) con la memoria flash come supporto di archiviazione primario. Gli SSD sono popolari per laptop, computer desktop e server perché forniscono un accesso ai dati più rapido, una maggiore affidabilità e un consumo energetico inferiore.
Schede di memoria. Le schede di memoria sono disponibili in molti formati: schede Secure Digital Card (SD), schede microSD, memory stick, schede CompactFlash e utilizzano la memoria flash per l’archiviazione. Le schede di memoria sono comunemente utilizzate per estendere la capacità di archiviazione in fotocamere digitali, tablet e dispositivi come console di gioco portatili.
Smartphone e tablet. La memoria flash funge da archiviazione principale in smartphone e tablet. Consente tempi di caricamento più rapidi, archiviazione dati efficace e accesso rapido ai file multimediali.
Dispositivi indossabili. La tecnologia indossabile utilizza la memoria flash per archiviare dati utente, app e sistemi operativi. Esempi includono smartwatch, fitness tracker e occhiali intelligenti.
Robot industriali. Molte industrie utilizzano robot industriali per sostituire i processi indotti dalla manodopera. Le istruzioni per le loro operazioni e attività sono in genere programmate nella loro memoria flash interna.
Strumenti scientifici. La maggior parte degli strumenti scientifici moderni, tra cui il microscopio elettronico, i misuratori di pH e i misuratori di conduttività elettrica, contengono la propria memoria flash per archiviare temporaneamente i dati.

Memoria flash NOR vs. NAND

La memoria flash NOR e NAND differiscono per architettura e caratteristiche di progettazione. La flash NOR non utilizza componenti condivisi e può collegare singole celle di memoria in parallelo, consentendo l’accesso casuale ai dati. Una cella flash NAND è più compatta e ha meno linee di bit, collegando insieme transistor a gate flottante per aumentare la densità di archiviazione.

La NAND è più adatta all’accesso seriale piuttosto che casuale ai dati. Le geometrie di processo della flash NAND sono state sviluppate in risposta al fatto che la NAND planare ha raggiunto il suo limite di scalabilità pratico.

La flash NOR è veloce nelle letture dei dati, ma è in genere più lenta della NAND nelle cancellazioni e nelle scritture. La flash NOR programma i dati a livello di byte. La flash NAND programma i dati in pagine, che sono più grandi dei byte, ma più piccole dei blocchi. Ad esempio, una pagina potrebbe essere di 4 kilobyte (KB), mentre un blocco potrebbe essere di 128 KB o 256 KB o megabyte. La flash NAND consuma meno energia della flash NOR per applicazioni ad alta intensità di scrittura.

La flash NOR è più costosa da produrre rispetto alla flash NAND e tende a essere utilizzata principalmente in dispositivi consumer e embedded per scopi di avvio e applicazioni di sola lettura per l’archiviazione del codice. La flash NAND è più adatta per l’archiviazione dei dati in dispositivi consumer e sistemi di archiviazione e server aziendali grazie al suo costo inferiore per bit per l’archiviazione dei dati, alla maggiore densità e alle maggiori velocità di programmazione e cancellazione.

Dispositivi come i cellulari con fotocamera possono utilizzare sia la flash NOR che la flash NAND, oltre ad altre tecnologie di memoria, per facilitare l’esecuzione del codice e l’archiviazione dei dati.

Fattori di forma della memoria flash

I supporti basati su flash si basano su un substrato di silicio. Noti anche come dispositivi a stato solido, sono ampiamente utilizzati sia nell’elettronica di consumo che nei sistemi di archiviazione dati aziendali.

I seguenti tre fattori di forma SSD sono stati identificati dalla Solid State Storage Initiative, un progetto della Storage Networking Industry Association:

SSD che si adattano agli stessi slot utilizzati dai tradizionali HDD elettromeccanici. Gli SSD hanno un’architettura simile a un circuito integrato.
Schede a stato solido che risiedono su una scheda a circuito stampato e utilizzano un fattore di forma della scheda standard, come Peripheral Component Interconnect Express (PCIe).
Moduli a stato solido che si adattano a un modulo di memoria dual inline (DIMM) o a un modulo di memoria dual inline small outline che utilizza un’interfaccia HDD standard, come Serial Advanced Technology Attachment (SATA).

Un’ulteriore sottocategoria è un disco rigido ibrido che combina un HDD convenzionale con un modulo flash NAND. Un disco rigido ibrido è generalmente visto come un ponte tra supporti rotanti e memoria flash.

Memoria flash ibrida e all-flash

L’avvento della memoria flash ha alimentato l’ascesa degli array all-flash. Questi sistemi, che contengono solo SSD, offrono vantaggi in termini di prestazioni e potenzialmente costi operativi ridotti rispetto a tutti gli array di archiviazione basati su disco. La differenza principale, a parte il supporto, è nell’architettura fisica sottostante utilizzata per scrivere i dati su un dispositivo di archiviazione.

Gli array basati su HDD hanno un braccio attuatore che consente di scrivere i dati su un blocco specifico su un settore specifico sul disco. I sistemi di archiviazione all-flash non richiedono parti mobili per scrivere i dati. Le scritture vengono eseguite direttamente sulla memoria flash e il software personalizzato gestisce la gestione dei dati.

Un array flash ibrido unisce disco e SSD. Gli array ibridi utilizzano gli SSD come cache per accelerare l’accesso ai dati hot richiesti di frequente, che vengono successivamente riscritti sul disco back-end. Molte aziende archiviano comunemente i dati dal disco man mano che invecchiano replicandoli su una libreria a nastro magnetico esterna.

Flash più nastro, noto anche come flape, descrive un tipo di archiviazione a livelli in cui i dati primari in flash vengono scritti simultaneamente su un sistema a nastro lineare.

Oltre alle matrici di memoria flash, la possibilità di inserire SSD in server basati su x86 ha aumentato la popolarità della tecnologia. Questa disposizione è nota come memoria flash lato server e consente alle aziende di eludere il vendor lock-in associato all’acquisto di costose e integrate matrici di archiviazione flash.

Lo svantaggio di posizionare la memoria flash in un server è che gli utenti devono creare il sistema hardware internamente, incluso l’acquisto e l’installazione di uno stack software di gestione dell’archiviazione da un fornitore terzo.

Pro e contro della memoria flash

Ecco alcuni vantaggi della memoria flash:

La memoria flash è la forma meno costosa di memoria a semiconduttore.
A differenza della memoria dinamica ad accesso casuale (DRAM) e della RAM statica (SRAM), la memoria flash è non volatile, offre un consumo energetico inferiore e può essere cancellata in grandi blocchi.
La memoria flash NOR offre maggiori velocità di lettura casuale mentre la memoria flash NAND è veloce con letture e scritture seriali.
Un SSD con chip di memoria flash NAND offre prestazioni significativamente più elevate rispetto ai tradizionali supporti di archiviazione magnetici, come HDD e nastro.
Le unità flash consumano meno energia e producono meno calore rispetto agli HDD. I sistemi di archiviazione aziendali dotati di unità flash sono in grado di raggiungere una bassa latenza, misurata in microsecondi o millisecondi.

Gli svantaggi principali della memoria flash sono il meccanismo di usura e l’interferenza tra celle man mano che le matrici diventano più piccole. I bit possono guastarsi con un numero eccessivamente elevato di cicli di programmazione/cancellazione, che alla fine rompono lo strato di ossido che intrappola gli elettroni. Il deterioramento può distorcere il valore di soglia impostato dal produttore in base al quale una carica viene determinata come zero o uno. Gli elettroni potrebbero fuoriuscire e rimanere incastrati nello strato di isolamento dell’ossido, causando errori e deterioramento dei bit.

Prove aneddotiche suggeriscono che le unità flash NAND non si stanno usurando al punto che una volta si temeva. I produttori di unità flash hanno migliorato la resistenza e l’affidabilità tramite algoritmi di codice di correzione degli errori, livellamento dell’usura e altre tecnologie.

Inoltre, gli SSD non si usurano senza preavviso. In genere avvisano gli utenti nello stesso modo in cui un sensore potrebbe indicare uno pneumatico sgonfio.

Tipi di archiviazione della memoria flash NAND

I produttori di semiconduttori flash NAND hanno sviluppato diversi tipi di memoria adatti a un’ampia gamma di casi di utilizzo dell’archiviazione dati. Nella tabella seguente vengono spiegati i vari tipi di flash NAND.

Types of NAND flash memory storage
	Descrizione	Vantaggi	Svantaggi	Uso Primario
Single-level cell (SLC)	Memorizza un bit per cella e due livelli di carica.	Prestazioni, resistenza e affidabilità più elevate rispetto ad altri tipi di flash NAND.	Più costoso rispetto ad altri tipi di flash NAND.	Archiviazione aziendale, applicazioni mission-critical.
Multi-level cell (MLC)	Può memorizzare più bit per cella e più livelli di carica. Il termine MLC equivale a due bit per cella.	Più economico di SLC ed enterprise MLC (eMLC), alta densità.	Resistenza inferiore rispetto a SLC ed eMLC, più lento di SLC.	Dispositivi consumer, storage aziendale.
eMLC	Solitamente memorizza due bit per cella e più livelli di carica; utilizza algoritmi speciali per estendere la durata in scrittura.	Meno costoso del flash SLC, maggiore resistenza del flash MLC.	Più costoso del MLC, più lento del SLC.	Applicazioni aziendali con elevati carichi di lavoro di scrittura.
Triple-level cell (TLC)	Memorizza tre bit per cella e più livelli di carica. Chiamato anche MLC-3, X3 o MLC a 3 bit.	Costi inferiori e densità maggiore rispetto a MLC e SLC.	Prestazioni e resistenza inferiori rispetto a MLC e SLC.	Applicazioni di archiviazione di massa per i consumatori, come unità USB e schede di memoria flash.
Vertical/ 3D NAND	Impila le celle di memoria una sopra l’altra in tre dimensioni, diversamente dalla tradizionale tecnologia NAND planare.	Maggiore densità, migliori prestazioni di scrittura e costo per bit inferiore rispetto alla NAND planare.	Costi di produzione più elevati rispetto alla NAND planare; difficoltà nella produzione mediante processi di produzione NAND planare; potenziale minore conservazione dei dati.	Archiviazione per privati e aziende.
Quad-level cell (QLC)	Utilizza un’architettura a 64 livelli, considerata la prossima iterazione della NAND 3D.	Memorizza quattro bit di dati per cella NAND, aumentando potenzialmente la densità degli SSD.	Un numero maggiore di bit di dati per cella può influire sulla durata, con conseguenti maggiori costi di progettazione.	Per lo più scrivi una volta, leggi molti casi d’uso.
Nota: l’usura della memoria flash NAND è un problema minore nelle memorie flash SLC rispetto alle tipologie di memoria flash meno costose, come MLC e TLC, per le quali i produttori possono impostare più valori soglia per la carica.

Tipi di memoria flash NOR

I due tipi principali di memoria flash NOR sono parallela e seriale, nota anche come interfaccia periferica seriale. La flash NOR era originariamente disponibile solo con un’interfaccia parallela. La NOR parallela offre elevate prestazioni, sicurezza e funzionalità aggiuntive. I suoi usi principali includono sistemi e apparecchiature industriali, automobilistiche, di rete e di telecomunicazione.

Le celle NOR sono collegate in parallelo per l’accesso casuale. La configurazione è orientata per letture casuali associate a istruzioni del microprocessore e per eseguire codici utilizzati in dispositivi elettronici portatili, quasi esclusivamente di tipo consumer.

La flash NOR seriale ha un numero di pin inferiore e un packaging più piccolo, il che la rende meno costosa della NOR parallela. I casi d’uso per la NOR seriale includono computer personali e ultrasottili, server, HDD, stampanti, fotocamere digitali, modem e router.

Ripartizione dei fornitori di prodotti di memoria flash NAND aziendali

I principali produttori di chip di memoria flash NAND includono Kioxia (ex Toshiba Memory Corp.), Micron Technology Inc., Samsung, SK Hynix Inc. e Western Digital Corp. Intel, che un tempo era un produttore leader di chip, ha venduto la sua attività SSD nel 2020 a SK Hynix.

Nel 2016 si è verificata una carenza di flash NAND, che ha sconvolto il mercato. La carenza ha causato un aumento dei prezzi degli SSD e un allungamento dei tempi di consegna. La domanda ha superato l’offerta in gran parte a causa della crescente domanda da parte dei produttori di smartphone. Nel 2018, i segnali hanno iniziato a mostrare che la carenza era vicina alla fine.

Altre turbolenze stanno esercitando un’influenza sul mercato. A novembre 2017, il principale fornitore di flash Toshiba ha accettato di vendere la sua unità di produzione di chip a un gruppo di investitori aziendali e istituzionali guidati da Bain Capital. Toshiba ha venduto l’attività flash come parte del suo sforzo per coprire le perdite finanziarie ed evitare di essere cancellata dalla Borsa di Tokyo.

Di recente, la domanda dei consumatori nel mercato dei dispositivi elettronici è diminuita a causa dell’elevata inflazione, dell’instabilità post-pandemia e dei colli di bottiglia della catena di fornitura, causando il crollo dei prezzi della memoria NAND a causa di un eccesso di scorte. Secondo la società di intelligence di mercato TrendForce, i prezzi della memoria NAND sono scesi del 10-15 percento nel primo trimestre del 2023. Tuttavia, si prevede una ripresa se la domanda rimane stabile.

Prodotti dei principali fornitori NOR

I principali produttori di memoria flash NOR includono Cypress Semiconductor Corp., GigaDevice, Macronix International Co. Ltd., Microchip Technology Inc., Micron Technology Inc. e Winbond Electronics Corp.

Di seguito sono riportate alcune delle caratteristiche e delle offerte dei produttori NOR:

Cypress Semiconductor ha acquisito il fornitore di flash NOR Spansion nel 2015. Il portafoglio Cypress NOR include prodotti FL-L, FL-S, FS-S e FL1-K.
GigaDevice è un progettista di memoria flash NOR che sviluppa anche microcontrollori, alcuni dei quali sono basati sull’architettura Arm e altri sull’architettura RISC-V, o computer V a set di istruzioni ridotto.
Macronix OctaFlash utilizza più banche per abilitare l’accesso in scrittura a una banca e la lettura da un’altra. Macronix MX25R Serial NOR è una versione a basso consumo che mira alle applicazioni Internet of Things (IoT).
Microchip NOR è marchiato come SPI Serial Flash e Serial Quad I/O Flash. I prodotti NOR paralleli del fornitore includono le famiglie di dispositivi Multi-Purpose Flash e Advanced Multi-Purpose Flash.
Micron vende Serial NOR Flash e Parallel NOR Flash, nonché Micron Xccela NOR flash ad alte prestazioni per applicazioni automotive e IoT.
La linea di prodotti Winbond serial NOR è marchiata come SpiFlash Memories e include le memorie SpiFlash Multi-I/O W25X e W25Q. Nel 2017, Winbond ha ampliato la sua linea di Secure Flash NOR per usi aggiuntivi, tra cui la progettazione system-on-a-chip per supportare applicazioni AI, IoT e mobili.