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Actualité des entreprises

Augmenter les capacités des Flash NAND au profit d’un avenir axé sur les données

Publication: 1er août

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Aperçu des innovations mises en œuvre pour accroître les capacités unitaires et augmenter les performances des mémoires Flash...
 

Les données sont imbriquées dans le tissu de nos vies, quelle que soit notre niveau personnel d’interaction avec le monde numérique. Un stockage de données efficace, fiable et pérenne garantit que tout, depuis les énormes centres de données et les plateformes d’IA, jusqu’aux capteurs sans fil les plus rustres et même nos appareils ménagers, continue de fonctionner autour de nous. Et c’est la mémoire Flash à base de silicium, à laquelle nous faisons de plus en plus appel pour assurer cela.

Au niveau mondial, il est vrai que les disques durs magnétiques (HDD pour Hard Disk Drive en anglais) représentent encore la majorité du stockage, avec environ 66% de la capacité mondiale en 2018. Toutefois, la part du stockage mondial sous forme de mémoire Flash devrait augmenter considérablement, et passer de 17% en 2018 à 40% en 2025, la part des disques magnétiques tombant à 51% (Figure 1). Au cours de cette période, la capacité de stockage mondiale devrait passer de 16 Zo (zettaoctets) aujourd’hui, à environ 163 Zo.

Les produits grand-public, tels que les smartphones, les tablettes et les appareils-photo, ainsi que les équipements industriels et les capteurs, les systèmes automobiles et les dispositifs médicaux, s’appuient tous sur de la mémoire Flash, souvent intégrée à leurs processeurs, pour stocker à la fois les données et le code à exécuter. Cependant, les centres de données sont séduits par la mémoire Flash en raison de sa réponse quasi-immédiate aux demandes de lecture / écriture, et de sa vitesse de transfert de données élevée. Alors que la demande de traitement massif de données pour les applications d’IA (Intelligence Artificielle) et d’apprentissage machine augmente, l’intérêt pour le stockage Flash va évoluer de concert.

Invention de la mémoire Flash

Avant la mémoire Flash, la rétention des données en mémoire à semiconducteurs nécessitait soit une alimentation continue (mémoire RAM statique ou SRAM), soit une programmation et un effacement complets à l’aide d’outils dédiés (mémoire morte programmable et effaçable, ou EPROM). L’invention de la mémoire Flash a changé cela. Désormais, la mémoire non volatile en silicium peut être programmée et modifiée in-situ, sans qu’il soit nécessaire de démonter physiquement la puce ou d’utiliser des outils supplémentaires. De plus, elle peut être intégrée à la puce elle-même à côté d’autres dispositifs, comme par exemple un microprocesseur, pour stocker le code exécutable et les données non-volatiles.

La technologie Flash a été développée par des ingénieurs de Toshiba en 1984, et a conduit à la production des premières mémoires Flash NAND en 1987 (Figure 2). Chaque cellule mémoire était constituée d’un transistor à grille flottante, capable de stocker un bit de données ou (SLC pour Single Level Cell, ou cellule simple niveau). Comme souvent dans le secteur des semiconducteurs, les évolutions successives utilisant une lithographie de plus en plus fine suivant la loi de Moore, ont permis d’intégrer davantage de cellules, et donc de données, sur une même puce. Cependant, au niveau de lithographie actuel (12 nm), la finesse de gravure pose un défi physique pour la fiabilité d’écriture et de lecture des données dans les cellules mémoire. Si les cellules mémoire ne peuvent plus être réduites en taille, d’autres approches sont nécessaires pour pouvoir stocker plus de données dans le même espace.

La seule solution est d’empiler

Une manière d’augmenter la capacité mémoire avec une approche lithographique traditionnelle consiste à augmenter la quantité de données stockées par cellule mémoire. Cela a donné naissance aux technologies MLC (multi-level cell, ou cellule multi-niveaux) et TLC (Triple Layer Cell, ou cellule triple niveau), qui permettent de stocker plusieurs bits de données par cellule, et ainsi de doubler ou tripler la capacité, pour une puce de taille donnée. Cependant, cette approche pour étendre la capacité de stockage a l’inconvénient d’accroître l’usure des cellules, ce qui réduit leur durée de vie et leur durabilité. Selon les marchés concernés, les fournisseurs peuvent choisir entre fournir un stockage de grande capacité, à faible endurance et à faible coût, comme souvent pour les applications grand-public, ou fournir un stockage plus endurant mais plus coûteux, adapté aux applications informatiques, industrielles et automobiles, où l’endurance reste une préoccupation majeure.

Au bout du compte, plus de capacité nécessite plus de cellules de stockage par puce, mais s’en tenir à une approche plane sur une seule couche, en tablant sur la seule loi de Moore pour résoudre le problème de capacité, n’est pas la bonne solution. Au lieu de cela, les fabricants de mémoires Flash se sont tournés vers la troisième dimension, et ont développé des approches 3D pour créer des mémoires Flash ressemblant à des immeubles de plusieurs étages, avec un nombre croissant de couches (Figure 3).

Technologie Flash nouvelle génération

Certains fabricants ont beaucoup investi dans la technologie Flash, notamment Toshiba avec sa technologie 3D NAND BiCS (Bit Column Stacked, ou colonne de bits empilés) introduite en 2007. Après avoir commencé avec 48 couches, le développement s’est poursuivi pour atteindre 64 couches avec BiCS3 et, plus récemment, 96 couches avec BiCS4. L’approche 3D permet non seulement d’offrir plus de capacité par unité de surface, mais aussi d’augmenter la vitesse de transfert des données. Cependant, cet avantage peut rapidement disparaître une fois la puce mise en boîtier, du fait de l’impact du "wire bonding" (liaisons à fils). Pour résoudre ce problème, de nouvelles approches ont dû être développées pour améliorer la connectivité entre les puces empilées, ce qui a donné la technologie TSV (Through Silicon Via, ou trou de traversée dans le silicium). Ce raccourcissement des chemins électriques offre des avantages au niveau vitesse de transfert des données et énergie consommée, tout en simplifiant l’assemblage de structures à plusieurs puces empilées.

Le gain de vitesse a aussi eu un impact sur les interfaces normalisées des PC et des ordinateurs portables, NVMe remplaçant progressivement SAS/SATA, et l’UFS prenant de plus en plus le pas sur la norme eMMC traditionnelle. Un autre bond en avant de la capacité de stockage est dû à l’arrivée de cellules QLC (Quad Level Cell, ou cellule à quatre niveaux) à quatre bits par cellule. Grâce à cette technologie, on peut désormais obtenir jusqu’à 2,66 To de stockage dans un boîtier unique, en utilisant des empilages de 16 puces, offrant chacun une capacité de 1,33 To. Les premiers disques SSD équipés de mémoire Flash BiCS4 ont été les disques client NVMe M.2 de la série XG6, ainsi que les mémoires de la série BG4 en boîtier BGA.

Agrégation de stockage Flash dans les centres de données

Même si les disques SSD apportent des gains sensibles au niveau performances par rapport aux autres supports de stockage, ils nécessitent toujours des investissements importants. Dans cette optique, Toshiba a développé une solution logicielle permettant aux centres de données d’optimiser l’utilisation de cette précieuse ressource, à moindre coût. Traditionnellement, le stockage DAS (Direct Attached Storage, ou stockage connecté en direct) est exclusivement affecté à un certain matériel serveur. Cela se traduit en général par des serveurs dont les processeurs sont sous-utilisés, ou dont le stockage n’est pas utilisé à pleine capacité.

Grâce à l’utilisation généralisée de la technologie réseau haut débit à faible latence, on peut désagréger le stockage et les CPU. Cela permet la création d’un pool de stockage SSD à haut débit, utilisable par plusieurs unités de traitement hautes-performances. Cette technologie, connue sous le nom de NVMe-oF (NVMe over Fabrics, ou NVMe sur maillage), est fournie par le logiciel KumoScale™ (Figure 4). Elle permet une allocation optimale de la capacité de stockage et des performances au niveau de chaque nœud, la ressource NVMe partagée fournissant des performances de type DAS.

Résumé

Il est stupéfiant de constater l’impact que la technologie Flash a eu sur nos vies en un peu plus d’une génération. Qu’il s’agisse de grandes plateformes informatiques ou de simples capteurs légers et compacts, la mémoire Flash a fourni et continue de fournir un stockage durable, rapide et à faible consommation, adapté à une multitude d’applications. Et grâce aux investissements soutenus en recherche et développement de fournisseurs comme Toshiba, les consommateurs vont continuer de profiter des avantages issus des progrès de la technologie mémoire Flash dans leurs smartphones et leurs ordinateurs, et aussi indirectement grâce aux services en ligne et aux technologies d’apprentissage machine.

http://www.toshiba-memory.com/

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