Qu’est-ce que la NAND 3D et comment fonctionne-t-elle ?

Qu’est-ce que la NAND 3D et comment fonctionne-t-elle ?

Qu’est-ce que la NAND 3D ?

La NAND 3D, ou NAND verticale (V-NAND), est un type de mémoire flash non volatile selon lequel les cellules de mémoire flash dans une puce de transistor sont empilées verticalement pour augmenter la densité de stockage. Plus on peut empiler de couches de cellules sur un seul transistor sans compromettre de manière significative l’intégrité des données, plus la densité de stockage sera élevée.

Comment fonctionne la NAND 3D ?

Une puce de mémoire flash stocke des données sous la forme d’états de tension au sein d’un circuit électrique. Pour saisir le fonctionnement de la NAND 3D, il est important de comprendre d’abord le fonctionnement interne d’une cellule NAND.

Que signifie le terme NAND ?

NAND signifie « NOT AND » et fait référence à l’opérateur booléen ou à la porte logique qui commande le circuit interne d’une cellule NAND. Un opérateur NAND produit une valeur FAUX uniquement si les deux entrées ont pour valeur VRAI.

Principes de base du fonctionnement de la mémoire flash

La cellule NAND la plus élémentaire est un transistor composé de deux grilles :

  • Une grille de contrôle, connectée électriquement au reste du circuit, permet de programmer la cellule.
  • Une grille flottante, isolée du circuit, permet de stocker une charge sans alimentation.

La grille flottante est piégée entre deux couches d’isolation, avec la grille de contrôle en haut et le canal reliant la source et le drain dessous.

Pour programmer une cellule NAND, on applique une tension à la grille de contrôle, ce qui permet aux électrons du canal de dépasser la tension de seuil de la première couche d’isolation et d’entrer par effet tunnel dans la grille flottante. Quand la grille flottante est chargée, les données sont stockées efficacement et la valeur binaire de la cellule passe à zéro.

Pour effacer la cellule, une tension élevée doit être appliquée sur la source et le drain pour induire une tension négative sur la grille de contrôle. Cela permet aux électrons piégés dans la grille flottante de traverser la couche d’isolation inférieure par effet tunnel et de revenir dans le canal, ce qui efface la cellule et passe la valeur binaire à 1.

Pourquoi empiler les cellules NAND verticalement ?

Si la taille des cellules diminue, la distance entre les cellules sur un seul plan de transistors diminue également. Cela peut devenir problématique lorsqu’on sait que la mémoire flash fonctionne en stockant des états de tension dans une seule cellule de transistor. La fuite d’électrons en dehors des cellules pourrait nuire au stockage de la mémoire persistante. L’empilement des cellules NAND en couches verticales offre plusieurs avantages, en permettant notamment d’espacer les cellules des transistors pour éviter les interférences avec les cellules adjacentes. Cela améliore la stabilité et la longévité de la cellule.

Où se situe la NAND 3D dans l’évolution de la mémoire flash ?

La NAND 3D a joué un rôle majeur en aidant le secteur à suivre le rythme de la loi de Moore, malgré les limites physiques imposées par la réduction de la taille des cellules. Voici une brève présentation de l’évolution de cette technologie :

  • Stockage flash cellule à niveau unique (SLC) : un bit par cellule, deux états de tension possibles
  • Stockage flash cellule multi-niveaux (MLC) : deux bits par cellule, quatre états de tension possibles
  • Stockage flash cellule à trois niveaux (TLC) : trois bits par cellule, huit états de tension possibles
  • Stockage flash cellule à quatre niveaux (QLC) : quatre bits par cellule, 16 états de tension possibles

À chaque nouvelle génération, on augmente le nombre de bits par cellule en doublant le nombre d’états de tension possibles. Comme vous pouvez l’imaginer, la gestion de plusieurs états de tension sur une seule cellule est complexe et exige une plus grande précision électrique, ce qui peut se traduire par une réduction des performances et de la longévité du périphérique NAND.

En règle générale, les cellules à niveau unique (SLC) sont plus rapides et stables, tandis que les cellules à quatre niveaux (QLC) fournissent une capacité plus importante. Cela dit, il est important de noter que ce compromis entre performance et endurance est relatif. Le stockage flash reste beaucoup plus performant que les disques durs et à mesure que la technologie évolue, la stabilité des cellules avec un nombre de niveaux plus élevé s’améliore également. Les craintes concernant l’endurance limitée de la NAND à cellules à triple niveau (TLC) se sont dissipées au fil du temps, et les datacenters actuels peuvent désormais profiter de la haute performance, de la fiabilité et de la vitesse de cette technologie moderne.

Quels sont les avantages de la NAND 3D ?

Maintenant que nous connaissons les principes de base du fonctionnement des cellules NAND 3D, intéressons-nous à leurs avantages. Grâce à la NAND 3D, vous pouvez :

  • Placer davantage de cellules de mémoire flash dans une seule puce pour augmenter la capacité.
  • Profiter de la liberté dimensionnelle pour organiser les cellules de manière optimale afin d’éviter les interférences ainsi que les fuites d’électrons et de garantir une plus grande fiabilité des cellules.
  • Stocker davantage d’états de tension, et donc de bits, dans chaque cellule pour améliorer encore la capacité.

Quels sont les inconvénients de la NAND 3D ?

Comme évoqué précédemment, la gestion de tous ces états de tension n’est pas facile. Plus le nombre de bits par cellule est élevé, plus la précision électrique pour effectuer des opérations de lecture/écriture de manière fiable devra être grande.

Cela a plusieurs inconvénients :

  • les coûts de fabrication sont plus élevés ;
  • il faut faire un compromis entre la capacité et la fiabilité ou la longévité de la cellule.

Un SSD NAND 3D est-il fiable ?

Par comparaison à la NAND 2D, la NAND 3D est plus performante, plus rapide, moins gourmande en énergie, plus endurante et plus rentable. Néanmoins, certaines architectures utilisent un empilement de couches de NAND 2D à cellules multi-niveaux. Ces systèmes peuvent concurrencer les architectures NAND 3D. C’est pour cela qu’il est important d’évaluer la fiabilité de l’ensemble du système de stockage au cas par cas, plutôt que de faire des hypothèses générales basées sur les seuls composants.

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