Come le schede micro SD memorizzano i dati?

È il chip NAND flash in continua crescita.

Una scheda microSD ha un chip NAND flash e un chip controller SD. Questo è tutto ciò che ci sta. Quindi la capacità della più grande scheda microSD è la capacità del più grande chip NAND flash in qualsiasi momento.

Una cella di memoria flash è solo un tipo speciale di transistor a effetto campo. Il solito FET ha un gate di controllo e un canale. Quando viene applicata una tensione al gate, la resistenza elettrica del canale cambia. In una cella flash, c'è un gate separato chiamato floating gate, che è circondato da isolanti.

Utilizzando un trucco di magia quantistica chiamato Fowler-Nordheim tunneling. che permette agli elettroni di essere spinti attraverso un isolante in presenza di un forte campo elettrico. Rimuovi il campo e gli elettroni rimangono al loro posto... più o meno. Il numero di elettroni sul gate fluttuante avrà lo stesso effetto sul canale, per variare la sua resistenza elettrica. Questa è un'informazione sufficiente per usare questo come un dispositivo di memorizzazione.

Memorizzare di più nello stesso posto

Come le geometrie dei chip si sono ridotte, sempre più di questi transistor potrebbero essere messi su un chip, aumentando gradualmente la capacità di memorizzazione della vostra microSD. Ma hanno anche "barato" un po'. Come ho detto, la tensione o la carica elettrica al gate di un FET non accende e spegne semplicemente il canale, ma cambia la sua resistenza. Così nel 1997 o giù di lì, alcuni ragazzi di Intel decisero di fare una memoria flash che poteva memorizzare tre diversi livelli di elettroni, più lo zero, naturalmente, per fornire due bit di informazioni per cella - la memoria flash essenzialmente raddoppia in capacità gratuitamente. È nata la Multi-Level Cell flash (MLC).

Questo ha portato alla TLC (three-level cell flash) che memorizza 3 bit (7 livelli più zero) e alla QLC (quad-level cell flash) che memorizza 4 bit (15 livelli più zero) per cella. Sembra fantastico, eh? Ma non è esattamente un giro gratis. Nella flash originale a livello singolo, o hai una carica o non ce l'hai sul floating gate. Nel corso del tempo, la natura casuale della fisica quantistica ti dice che gli elettroni si staccheranno casualmente, anche senza essere un forte campo elettrico. Inoltre, ogni volta che la memoria flash viene cancellata e scritta, viene leggermente danneggiata, rendendo queste perdite casuali più comuni.

Se state cercando solo la carica/non carica come nella flash cellula a singolo livello, la memoria è abbastanza resistente contro questo problema. Ma se stai memorizzando quattro bit di dati, non è difficile che si perdano abbastanza elettroni per passare al livello di soglia successivo. Quindi SLC è abbastanza affidabile per la memorizzazione dei dati e supporta molti cicli di cancellazione/programmazione. MLC, TLC e QLC sono corrispondentemente inferiori in termini di affidabilità e longevità.

Il terribile restringimento della cella flash

Ho anche menzionato che le geometrie dei chip si sono ridotte, cosa che penso sia generalmente nota. Le ultime CPU usano regole di progettazione a 7nm, permettendo CPU più complesse a prezzi più bassi che mai. Il PC su cui sto scrivendo questo ha 16 core di CPU su un singolo chip... beh, in realtà, un singolo pacchetto. In realtà è composto da quattro "chiplet" in quel pacchetto.

E anche le memorie flash si sono ridotte. Nel 2010, erano a 25nm. Nel 2012, alcune aziende stavano usando la tecnologia dei chip a 19 nm. Nel 2016, erano scese a 14nm. Ma recentemente, si sono ingrandite di nuovo... eh!?!

Così come illustrato sopra, una memoria flash funziona mettendo in tunnelling gli elettroni per sedersi su un gate flottante. Il problema è che, riducendo le dimensioni di quel floating gate, si possono inserire proporzionalmente meno elettroni. Quindi, che il design sia SLC, MLC, TLC o QLC, l'archiviazione diventa meno affidabile man mano che la geometria si restringe. Questo ha praticamente messo un muro nel modo in cui le flash convenzionali raggiungono densità più elevate.

Così hanno iniziato a costruire. La moderna NAND flash è composta da molti, molti strati - almeno 96 in alcuni chip - che forniscono linee di celle NAND orientate verticalmente. Questo permette l'uso di geometrie di celle più grandi per mantenere l'affidabilità ad un punto ragionevole, e tuttavia scalare le dimensioni. E così abbiamo 1TB in un singolo dispositivo NAND, e la scheda microSD da 1TB che lo accompagna!