Évolution de la Mémoire Flash : Capacité, Coût et Format

Le terme « mémoire flash » évoque l'image d'un flash lumineux soudain. Il est intéressant de noter que c'est exactement l'image qu'avait en tête Fujio Masuoka, ingénieur chez Toshiba Corp., lorsqu'il a inventé la mémoire flash au début des années 1980. 

Il a baptisé son invention « flash » car le processus d'effacement des données lui rappelait le flash d'un appareil photo. Ce nom était presque une prémonition de l'impact révolutionnaire que la technologie flash allait avoir sur le stockage des données numériques.

Avant l'invention et la commercialisation de la mémoire flash, le stockage des données présentait de nombreux défis : tous les types de stockage qui existaient avant la mémoire flash avaient des limites importantes.

• Les disques durs et les disquettes offraient un excellent espace de stockage pour de grandes quantités de données, mais ils étaient encombrants, fragiles et lents. 
• La mémoire vive (RAM) était plus rapide, mais ne pouvait stocker des données que tant qu'une alimentation électrique régulière était disponible. 
• La mémoire ROM (mémoire morte) ne pouvait pas être modifiée après sa fabrication.
• Avec la mémoire ROM programmable (PROM), les données pouvaient être écrasées une seule fois, mais ne pouvaient pas être modifiées par la suite. 
• L'EPROM (mémoire morte programmable effaçable) était plus performante, car elle pouvait être effacée et réécrite, mais ce processus était très lent, peu pratique et nécessitait l'utilisation de rayons ultraviolets. 

La mémoire flash a surmonté tous ces problèmes. 

• Elle pouvait stocker des données même lorsque l'appareil était éteint, pouvait être effacée et réécrite, était rapide, portable et beaucoup plus durable que les disques durs. 
• Au fil du temps, la mémoire flash est devenue de plus en plus abordable et efficace, ce qui en fait l'un des types de mémoire les plus utilisés aujourd'hui. On la trouve partout, des clés USB et smartphones aux disques durs à état solide modernes des ordinateurs. 

Dans cette série d'articles en deux parties, nous explorerons l'histoire fascinante et l'évolution de la mémoire flash. Nous comprendrons comment la capacité et le prix de la mémoire flash ont évolué depuis le début des années 1980 jusqu'à aujourd'hui, comment différents types de mémoire flash ont évolué, comment les fabricants ont résolu des problèmes tels que la dégradation des données, et comment les caractéristiques de performance de la mémoire flash, telles que la vitesse de lecture/écriture, la latence et la durabilité, se sont améliorées.

Développement de la mémoire flash en termes de capacité, de densité et de coût

Au cours des quatre dernières décennies, la capacité de la mémoire flash est passée de quelques kilo-octets à plusieurs téraoctets. Cela a été rendu possible par des avancées technologiques significatives telles que la miniaturisation des processus semi-conducteurs et les technologies de cellules multi-niveaux telles que MLC, TLC et QLC, ainsi que l'empilement 3D NAND. 

Lorsque la mémoire flash a été inventée, sa capacité était encore très limitée. Les premières puces flash n'avaient qu'une capacité de quelques centaines de kilobits. 

• En 1985, Toshiba a inventé une puce mémoire flash d'une capacité de 256 Ko.

Au fil du temps, cependant, les techniques de fabrication des semi-conducteurs ont continué à s'améliorer, permettant aux fabricants de produire des puces d'une capacité toujours plus grande. 

• En 1989, des mémoires flash d'une capacité de l'ordre du mégaoctet étaient disponibles, et en quelques années, cette capacité est passée à 16 Mo, puis à 32 Mo.

Les fabricants ont suivi deux stratégies importantes : tout d'abord, la taille des cellules de mémoire individuelles a été réduite grâce à un processus appelé « réduction des nœuds », puis la capacité de stockage de chaque cellule a été augmentée.

L'une des étapes les plus importantes dans le développement de la capacité des mémoires flash a été la technologie des cellules multi-niveaux (MLC). Cette technologie a permis de stocker plus d'un bit d'information dans une seule cellule de mémoire flash. 

• Le fabricant NEC a été le premier à présenter la technologie MLC en 1998 avec une puce de 80 Mo pouvant stocker 2 bits par cellule.
• Plus tard, STMicroelectronics a lancé une puce flash NOR de 64 Mo utilisant la même conception MLC.

Ces produits à succès ont ouvert la voie à la technologie TLC (triple-level cell), qui stocke 3 bits par cellule, puis à la technologie QLC (quadruple-level cell), qui stocke 4 bits par cellule. Ces technologies ont permis de multiplier la capacité de stockage d'une puce de mémoire flash sans augmenter sa taille.

Cependant, cette évolution en deux dimensions a rapidement atteint ses limites physiques. 

La prochaine grande technologie pour l'industrie était une solution tridimensionnelle appelée 3D NAND, également connue sous le nom de NAND verticale. Ce type de technologie de mémoire flash empile plusieurs couches de cellules de mémoire flash les unes sur les autres. Grâce à cette technologie, les fabricants peuvent augmenter considérablement la capacité de stockage par puce sans avoir à réduire davantage la taille des cellules individuelles.

En empilant 24, 48 ou même plus de couches, les boîtiers de mémoire flash modernes ont pu atteindre des capacités de plus d'un téraoctet dans un seul boîtier de puce. Toshiba a été l'un des premiers fabricants à expérimenter la 3D NAND, et en 2013, Samsung a lancé une version commerciale d'un produit V-NAND à 24 couches. 

En 2020, Micron a présenté une puce NAND à 176 couches, suivie d'une version à 232 couches. Aujourd'hui, les fabricants vont encore plus loin : Samsung a lancé la production en série de sa 9e génération de V-NAND à 290 couches et prévoit de commercialiser une puce à 430 couches d'ici 2025. Kioxia et SanDisk ont développé une puce à 332 couches, tandis que SK Hynix prévoit de produire une NAND à 321 couches d'ici début 2025. YMTC travaille également sur une NAND à 300 couches.

Étapes importantes dans le développement de la mémoire flash – capacité

Avec l'augmentation de la densité des mémoires flash, le coût par Mo a fortement baissé. Les mémoires flash étaient autrefois très coûteuses et n'étaient utilisées que dans des applications de niche. Cependant, grâce à des améliorations techniques telles que les technologies MLC, TLC, QLC et 3D NAND, les mémoires flash sont désormais la technologie de stockage dominante. On les trouve dans les smartphones, les clés USB et les disques durs à état solide haute performance. La réduction du coût unitaire a fait des mémoires flash un composant omniprésent dans l'électronique moderne.

Le tableau suivant montre comment la densité de stockage des mémoires flash NAND n'a cessé d'augmenter depuis 2008, accompagnée d'une baisse correspondante des prix.  

Étapes importantes dans le développement de la mémoire flash – stockage, densité et coûts 

Développement de la mémoire flash en termes d'innovations en matière de format et d'emballage

Contrairement au format des disques durs, qui fait référence au diamètre des plateaux, le format de la mémoire flash désigne la forme et la manière dont une puce de mémoire flash est connectée à un appareil.

Le format de la mémoire flash a considérablement évolué au cours des quatre dernières décennies en raison de la demande pour des appareils toujours plus petits et plus puissants. Les innovations dans le domaine de la technologie de la mémoire flash ont suivi le rythme de ces demandes des consommateurs, voire ont été révolutionnaires. 

Au début, les puces flash étaient intégrées directement sur les cartes de circuits imprimés. Avec l'avènement de l'électronique grand public, le besoin de formats interchangeables s'est fait sentir. 

La carte CompactFlash a été introduite en 1994 et s'est largement répandue dans les appareils photo professionnels. En 1999, la carte Secure Digital (SD) était devenue la norme industrielle. La capacité initiale de ces cartes était de 2 Go. Le format a rapidement évolué vers SDHC, SDXC, puis SDUC, chaque nouveau format offrant une capacité plus élevée et de meilleures performances. Les cartes MiniSD ont fait leur apparition sur le marché pendant un certain temps, avant d'être rapidement remplacées vers 2005 par les cartes microSD, qui continuent d'être utilisées dans les smartphones, les tablettes et les appareils IoT.

Les disques flash USB sont également devenus très populaires au début des années 2000 grâce à leur conception plug-and-play facile à utiliser. Dans le domaine du stockage interne, la première vague importante de mémoires flash a pris la forme de SSD 2,5 pouces, qui sont devenus populaires en tant que remplacement direct des disques durs dans les ordinateurs portables et les PC. Ce format est apparu peu après, mais a finalement été remplacé par la norme M.2, qui est désormais la norme industrielle pour les SSD haute performance.

Étapes importantes dans le développement de la mémoire flash – formats

Nouvelles avancées dans les performances des mémoires flash

Depuis son invention, la mémoire flash a connu une transformation spectaculaire. Des puces volumineuses et de faible capacité des années 1980 aux SSD ultra-rapides de plusieurs téraoctets d'aujourd'hui, elle n'a cessé d'évoluer en termes de capacité, de vitesse et de rentabilité. Si les disques durs ont également connu une croissance exponentielle en termes de capacité, de vitesse, etc., l'importance de la mémoire flash s'est accrue car elle est beaucoup plus mobile que les disques durs et offre des vitesses de lecture/écriture plus rapides.

Pour plus d'informations sur les avancées technologiques en matière de vitesse de lecture/écriture et d'autres caractéristiques de performance telles que la latence et la durabilité, consultez notre guide sur l'évolution de la mémoire flash en termes de performances et de fiabilité.

Remarque : bien que la mémoire flash domine le marché du stockage portable, les disques durs restent indispensables pour le stockage à faible coût de grandes quantités de données. Si vous êtes intéressé par le développement des disques durs, nous vous recommandons notre guide sur l'histoire des disques durs, leurs caractéristiques de performance et les spécifications les plus importantes à prendre en compte avant d'acheter un disque dur.