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IV. Le stockage de masse (Partie 2)


4.5  La mémoire flash

Les SSD n’ont pas le monopole de la mémoire flash, bien au contraire. Celle-ci se trouve par exemple dans un périphérique que vous avez certainement déjà utilisé : la clé USB.


Les clés USB
Comme leur nom l’indique, les clés USB se connectent à l’ordinateur sur un port USB (USB 2 ou USB 3). Les clés USB 1 ont aujourd’hui quasiment disparues. Bien évidemment, les clés les plus rapides sont en USB 3, mais elles sont également les plus chères.
Il en existe de toutes capacités (de 1 à 512 Go voire 1 To ou plus).

Tout comme les SSD, elles sont à base de mémoire flash (MLC: multi-level cell). Cela dit, les contrôleurs utilisés ne sont pas les mêmes que dans les SSD, les performances constatées sont donc bien inférieures que sur ces derniers.
Un critère important à prendre en considération lors de l’achat d’une clé USB est sa vitesse de lecture/écriture (en Mo/s). Plus ces vitesses sont grandes, moins vous mettrez de temps à transférer un fichier depuis ou vers un ordinateur.
Enfin, certaines clés USB offrent des fonctionnalités supplémentaires telles que le cryptage des données qu’elles contiennent ou bien l’interdiction d’écriture.

Exemple : clé de 128 Mo:

1. Un connecteur USB
mâle (type A).

2. Un contrôleur. Ce circuit
gère la connexion USB et assure une interface entre des données transmises linéairement et la structure en blocs de la mémoire flash.

3. JP1 et JP2 : deux
connecteurs avec 10 pins,
principalement pour les
tests et le débogage.

4. mémoire flash qui contient ici 4 096 blocs indépendants
(chacun avec 16 kilooctets), soit 64 mégaoctets au total.

5. Un oscillateur à quartz cadencé ici à 12 MHz.

6. Une DEL pour indiquer
l’activité de la clé.

7. Un interrupteur à deux
positions pour protéger la
clé en écriture.

8. Une zone vierge prête à
recevoir une autre
mémoire flash pour offrir
un modèle de 128
mégaoctets sans avoir à
créer un autre schéma.



Principe et technologies
La mémoire flash stocke des informations dans un réseau de cellules de mémoire à base de transistors à effets de chant du type FGMOS (floating-gate MOSFET). Dans les dispositifs traditionnels cellule à niveau unique (SLC), chaque cellule stocke un seul bit d'information. Certaines mémoires flash plus récentes, sont des cellules multi-niveaux dites MLC (multi-level cell).
Il existe 2 technologies (NOR et NAND).

Exemple de fonctionnement d'une mémoire flash Nand :


Pour écrire une donnée, on doit faire passer un courant électrique (7 V) entre les deux électrodes (drain et source) et une tension plus élevée (aux environs de 12 V) dans la grille de contrôle. L’effet Fowler-Nordheim implique qu’une partie des électrons qui passent entre les électrodes va se déplacer vers la grille flottante, à travers l’oxyde. Une fois la grille saturée avec des électrons, elle devient isolante et est considérée comme un 0 binaire.
 
L’effacement d’une cellule s’effectue de la même façon, mais en faisant passer une tension négative dans la grille de contrôle. Les électrons se déplacent alors de la grille flottante vers le substrat. Une fois la grille flottante « vidée » de ses électrons, elle est considérée comme un 1 binaire.


 
Le point mémoire est constitué de deux transistors MOS disposés en sandwich, à l'intersection de la ligne de mot, sélectionnée par l'adresse du mot que l'on veut atteindre et de la ligne de bit, correspondant au bit dans le mot. Ces deux transistors constituent respectivement la grille de commande et la grille flottante. La tension sur la grille de la ligne de mot (grille de commande) agit sur le courant en bas (ligne grise). Lorsque la mémoire est livrée il n'y a pas de charge dans la grille flottante, ce qui correspond à la valeur 1. Pour mettre cette cellule à 0 il faut appliquer une tension entre source et drain qui créera un courant si une tension est également appliquée sur la grille de commande. Si ce courant est suffisant, un certain nombre des électrons de ce courant traversent la couche d'oxyde (en rouge) et restent piégés dans la grille flottante même après que la tension a été coupée.a

Pour la lecture, c’est assez simple : il faut mesurer la résistance de la grille flottante, en faisant passer une tension faible (5 V) dans la grille de contrôle et dans une des électrodes. Si les électrons passent entre la grille de contrôle et l’électrode, la grille flottante n’est pas isolante, on a un 1 binaire. Si le courant ne passe pas, on a un 0 binaire. La lecture est donc plus rapide que l’écriture ou l’effacement, car on ne doit pas remplir ou vider la grille flottante avec des électrons.


Durée de vie
Le nombre de cycles écriture/lecture est limité aujourd'hui à 100.000 environ. La raison en est que ces écritures nécessitent l'application de tensions élevées qui endommagent peu à peu la zone écrite. En revanche, les lectures même répétées ne lui causent aucun dommage.



Les cartes mémoires
Les appareils photos, caméras numériques, lecteurs de musique, smartphones actuels sont équipés de cartes mémoires, elles aussi de type flash.

Tout les formats suivants sont basés sur des mémoires Flash :

  • CompactFlash (CF) : Il s'agit en fait de cartes PCMCIA raccourcies. On distingue les cartes CompactFlash de type I (CFI) et de type II (CFII) qui se distinguent par l'épaisseur. Dans les cartes CompactFlash, on trouve aussi les Microdrive.
  • SmartMedia cards (SM)
  • xD Card : Nouveau format développé par Olympus et Fujifilm, censé remplacer les SmartMedia.
  • MultiMedia cards (MMC) : Cartes en voie d'obsolescence au profit de la SD.
  • Secure Digital (SD) : Elles ont le même format physique que les MMC et sont compatibles avec celles-ci. Elles s'en distinguent par la possibilité de chiffrer les données et de gérer les « droits d'auteurs ».
  • Mini SD : version réduite de la SD classique, utilisée dans certains téléphones mobiles anciens, elle est généralement livrée avec un adaptateur pour les lecteur SD classiques.
  • Micro SD ou Transflash : version minuscule de la SD, souvent utilisée dans les téléphones portables et également vendue avec un adaptateur pour les SD classiques.
  • SDHC : (SD High Capacity) SD version haute capacité, pour pallier la limite des 4 Go des SD classiques, elles sont déclinées dans les 3 formats SD, Mini SD et Micro SD
  • SSD : Solid State Drive . c'est une unité de stockage à base de Flash
  • MemoryStick : Développé par Sony Corporation et SanDisk. Il existe un nouveau format, le « MemoryStick Duo » et aussi « MemoryStick Pro Duo ».
  • MemoryStick Micro M2 : Mémoire minuscule utilisée dans les téléphones portable Sony Ericsson, généralement vendue avec un adaptateur pour les lecteurs memorystick classiques.



 



4.6  Les supports optiques (CD, DVD, ….)

Le disque compact repose sur une méthode optique : un faisceau de lumière cohérente (laser : « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », en français, « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ») vient frapper le disque en rotation. Les irrégularités (cavités) dans la surface réfléchissante de celui-ci produisent des variations binaires. Le rayon réfléchi est enregistré (ou non) par un capteur selon l'angle d'incidence.



Histoire
Le disque compact fut inventé conjointement par les firmes Philips et Sony Corporation. Il est à l'origine exclusivement dédié à la musique avant d'être utilisé en informatique sous l'appellation CD-ROM.

Ce CD-ROM (abréviation de Compact Disc Read Only Memory) est un disque compact contenant toutes sortes de données numériques destinées à être lues par un ordinateur. Le CD-ROM est une évolution du disque compact original, qui est dédié aux données numériques musicales prévues pour un lecteur de CD de chaîne Hi-fi. Les cédéroms ont supplanté les disquettes dans la distribution des logiciels et autres données informatiques avant d'être à leur tour supplantés aux cours des années 2000 par le téléchargement et les mémoires flash.

Description
Un CD-ROM ne contient que des données non modifiables : il peut être lu par un lecteur de disque optique (lecteur CD), mais ne peut être écrit que par un graveur industriel.
C’est un disque optique en matière plastique, de 12 cm de diamètre pour 1,2 mm d’épaisseur. Cela en fait un support très léger, pouvant contenir de 650 ou 700 Mo de données informatiques, soit respectivement 74 ou 80 minutes d’enregistrement audio dans le format de données des disques compacts originaux (16 bits, stéréo, non compressé, 44 100 Hz).

Comme le procédé de lecture est optique (fait à l'aide de lumière), il n’est pas soumis à l’usure mécanique directe.

Dans la pratique, il est en fait assez modérément fiable : s’il est censé conserver les données durant une centaine d’années, cet argument a été sur-vendu et la réalité se rapprocherait plutôt des dix, voire cinq ans, même en entourant le produit de protections adaptées. Le matériau plastique est en effet sensible aux rayonnements ultraviolets contenu dans la lumière, à la chaleur, et aux rayures de surface (frottements durant les manipulations) qui entraînent rapidement des erreurs de lectures, puis l’impossibilité totale de le lire.

Les différents formats.
La technologie va évoluer et les CD-ROM vont peu à peu céder leur place aux DVD puis aux Blu-ray. Il va aussi exister des disques sur lesquels on pourra lire et surtout écrire des données, soit une seul fois  (CD-R ou DVD-R) soit de nombreuses fois (CD-RW ou DVD-RW).


Technologie

Les disques compacts sont constitués d’une galette de polycarbonate (plastique) de 1,2 millimètre d’épaisseur recouverte d’une fine couche d’aluminium (ou d’or sur les disques à longue durée de vie) protégée par un film de laque (vernis). Ce film peut aussi être imprimé pour illustrer le disque.

Les informations sont codés sous forme de bosses ou creux. Les creux et les bosses ne représentent pas directement les «0» et les «1» des informations binaires. C’est le passage d’un creux à une bosse ou d’une bosse à un creux qui indique un «1». S’il n’y a pas de passage bosse-creux, alors il s’agit d’un «0». On appelle cela un «front». La taille d’un bit sur le CD correspond à la distance parcourue par le faisceau lumineux en 231,4 ns (nanosecondes).



Principe :

Une diode laser émet un faisceau. Ce faisceau traverse un miroir semi-réfléchissant et va frapper la surface du disque sur laquelle il se réfléchit. Suivant le changement de type de surface rencontré (alternance plat/bosse), le faisceau lumineux est réfléchi différemment. L’onde réfléchie atteint ensuite un capteur de lumière associé à un système électronique qui converti le signal en 0 ou 1.




En détail : un faisceau de lumière cohérente (laser) vient frapper le disque en rotation. Les irrégularités (appelées « pits », cavités dont la longueur oscille entre 0,833 et 3,56 µm, et la largeur de 0,6 μm) dans la surface réfléchissante de celui-ci produisent des variations binaires. Le rayon réfléchi est enregistré par un capteur. Plus précisément, lorsque le faisceau passe de la surface plane à cette cavité, il se produit des interférences : lorsque le faisceau ne rencontre qu'une surface plane, la longueur d'onde reçue par le capteur est identique à celle émise par la diode, et fait correspondre à cet état la valeur binaire 0 ; quand le faisceau passe sur le pit (front : creux puis bosse), le capteur détecte les interférences et la valeur binaire 1 est attribuée.