Tecnologia NAND
La NAND viene utilizzata per l’archiviazione dei dati e questi chip possono essere trovati in molti dispositivi sul mercato.
Per esempio su telefoni cellulari, tablet, laptop, fotocamere, unità di archiviazione, anche nella tecnologia spaziale.
La tecnologia NAND consente l’archiviazione in dispositivi sempre più piccoli, dagli apparecchi Internet of Things alle schede microSD e agli smartwatch.
In breve, gran parte di ciò che memorizziamo ogni giorno digitalmente è archiviato su un chip NAND.
Introduzione alla NAND
NAND Flash (noto anche come chip di memoria o memoria flash) è un supporto di memorizzazione a stato solido non volatile: ciò significa che i dati memorizzati su un chip NAND Flash rimangono intatti anche quando il dispositivo è scollegato dalla fonte di alimentazione.
NAND Flash si basa su circuiti elettrici per memorizzare i dati.
Il ruolo di NAND Flash è quello di memorizzare i valori dei bit (“0s” e “1s”) nelle celle che costituiscono i dati.
Un singolo chip NAND Flash contiene milioni di celle che possono essere programmate e cancellate molto rapidamente.
Pertanto, per aumentare la capacità di un chip NAND Flash, è necessario aumentare il numero di celle per memorizzare i bit di dati.
Tipi di NAND
Esistono diversi tipi di NAND Flash disponibili sul mercato e ogni tipo offre diverse caratteristiche basandosi su capacità, prestazioni e resistenza.
Il tipo di flash NAND utilizzato su un dispositivo consumer può essere molto diverso da quelli utilizzati su applicazioni e dispositivi industriali e aziendali.
Le scelte disponibili per NAND Flash consentono allo sviluppo del prodotto di mirare all’efficienza dei costi o alle funzionalità avanzate, tra cui una maggiore resistenza, prestazioni, correzione avanzata degli errori e così via.
I tipi più comuni di NAND Flash attualmente sul mercato sono:
- Cella a triplo livello NAND (TLC)
- Quad-Level Cell NAND (QLC)
Man mano che la tecnologia NAND si evolve, i tipi più vecchi vengono infine interrotti o spostati per l’uso solo in applicazioni di nicchia: server e applicazioni industriali.
NAND Single-Level Cell (SLC) e NAND Multi-Level Cell (MLC) non sono più comunemente utilizzate per i dispositivi consumer basati su NAND.
Esistono anche due distinte implementazioni di progettazione di NAND sul mercato: 2D e 3D.
La NAND 3D offre miglioramenti come una maggiore densità (capacità), un minore consumo energetico e un costo per gigabyte inferiore rispetto alla NAND 2D.
L’industria è passata all’uso della 3D NAND proprio per tali aspetti.
In combinazione con i tipi di NAND, troverai 2D TLC, 3D TLC, 3D QLC e così via.
Su NAND 2D le celle di memoria sono disposte orizzontalmente, il che comporta una limitazione della capacità in quanto è possibile adattare solo una quantità specifica di celle su una superficie piana con dimensioni limitate.
Il modo per aggiungere più celle di memoria è ridurre le dimensioni delle celle che possono portare alla corruzione dei dati poiché gli elettroni possono saltare da una cella all’altra.
La tecnologia 3D NAND ha una struttura diversa e l’array di celle di memoria è impilato verticalmente.
Ecco perché 3D NAND è talvolta chiamata 3D V-NAND o NAND verticale.
Questa nuova struttura consente di aumentare notevolmente la quantità di celle di memoria su una NAND Flash.
Curiosità in merito la Nand
pSLC (pseudo SLC) NAND è un’altra tecnologia disponibile sul mercato.
Utilizza il controller/firmware del dispositivo per fare in modo che le celle flash NAND MLC, TLC e QLC si comportino come NAND SLC memorizzando solo 1 bit di dati per cella.
Ciò offre prestazioni e longevità migliori alla NAND.
Differenze nella NAND
Con tutti i diversi tipi di flash NAND disponibili, quali sono le differenze, i vantaggi e i vantaggi tra ciascuno di essi?
Come potete vedere dalla tabella che confronta SLC, MLC, TLC e QLC NAND, le differenze principali sono le prestazioni, la resistenza, il prezzo per GB e la capacità di archiviazione.
Quando si progettano prodotti che utilizzano NAND Flash, è importante determinare quali caratteristiche sono una priorità per le caratteristiche del prodotto e quali sono le aspettative di utilizzo del dispositivo.
La resistenza (endurance) è la quantità totale di dati che possono essere scritti su una NAND Flash finché non diventa inaffidabile.
Ogni volta che i dati vengono scritti o cancellati dalla NAND Flash, le celle si consumano compromettendo la loro capacità di memorizzare i dati.
I cicli P/E (Program/Erase cycles) si riferiscono al numero di volte in cui ciascuna cella può essere programmata e cancellata prima che diventi inaffidabile e non possa più memorizzare correttamente i dati.
Maggiore è il numero di cicli P/E, maggiore è la quantità di dati che possono essere scritti sull’unità USB, sulla scheda Flash o sull’SSD durante la sua durata.
I bit di dati sono determinati dalla quantità o livello di elettroni intrappolati in una cella di memoria Flash.
Per TLC NAND ci sono 8 livelli di elettroni.
I bit di dati programmati in una cella di memoria dipendono dal livello di elettroni che sono stati intrappolati.
L’illustrazione seguente mostra che il livello Electron 3 si riferisce a un valore binario (bit) di “101”.
NAND nelle unità USB
Le unità USB esistono da anni, le prime unità USB prodotte da Kingston Technology nel 2001 partivano con una capacità modesta di 32 megabyte.
Oggi le unità USB possono essere prodotte per supportare capacità che raggiungono facilmente 1 terabyte: in altre parole, è possibile archiviare i contenuti di 31.250 unità USB del 2001 in una singola unità USB oggi.
Le unità USB utilizzano flash NAND che consentono capacità elevate e sono convenienti.
Le specifiche delle prestazioni dell’unità USB includono principalmente le velocità di trasferimento sequenziale dei file in megabyte al secondo (MB/s).
Per un utilizzo a prestazioni più elevate, il controller e NAND Flash vengono scelti con cura per soddisfare le aspettative di prestazioni.
Alcuni dei prodotti USB di fascia alta utilizzano la tecnologia SSD, che include funzionalità SSD come prestazioni casuali migliorate, livellamento avanzato dell’usura e raccolta dei rifiuti, nonché monitoraggio dello stato e avviabilità.
Inoltre, le unità USB crittografate includono funzionalità di crittografia tramite controller appositamente progettati.
NAND nelle schede di memoria
Le schede di memoria (note anche come schede Flash) come le schede SD e microSD utilizzano NAND Flash per l’archiviazione dei dati.
La caratteristica chiave di questo tipo di supporto di archiviazione è la buona prestazione in un fattore di forma piccolo e sottile.
In genere tutte le schede SD e microSD si concentrano sulle prestazioni sequenziali (MB/s), mentre alcune includono l’ottimizzazione delle prestazioni per l’uso dell’applicazione.
Sono disponibili anche molte classi di prestazioni, che indicano le capacità delle schede, sia che si tratti di registrazione video 4K, uso professionale di fotocamere, utilizzo di droni e altro ancora.
La NAND utilizzata insieme al controller determina le capacità della scheda di memoria.
NAND negli SSD
Le unità a stato solido o SSD utilizzano NAND Flash proprio come le schede di memoria e le unità USB.
Tuttavia, gli SSD hanno requisiti diversi, ampiamente spiegati su questo articolo.
Gli SSD possono essere approssimativamente classificati come SSD client e SSD server, ciascuno con differenze distinte in termini di caratteristiche e capacità.
Le unità a stato solido utilizzano NAND in grado di gestire trasferimenti di dati sia sequenziali che casuali (IOPS).
Poiché gli SSD vengono utilizzati per un’ampia varietà di utilizzo, è importante che le unità possano gestire tutti i tipi di richieste di I/O di file.
Gli SSD client sono progettati per gestire le tipiche attività di I/O di file, dall’avvio in un sistema operativo all’accesso rapido ad applicazioni e file.
In genere la NAND utilizzata sugli SSD client è di tipo 3D TLC o 3D QLC: sono convenienti e offrono grandi capacità fino a 4 TB.
Gli SSD aziendali o gli SSD server richiedono un approccio diverso per soddisfare le aspettative dei clienti; a differenza degli SSD client, gli SSD aziendali richiedono specifiche aggiuntive: prestazioni prevedibili (noto anche come qualità del servizio) e compatibilità della configurazione server/RAID tra le altre funzionalità avanzate.
Si prevede che gli SSD aziendali siano in uso continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e offrano prestazioni costanti e bassa latenza (tempo di risposta) per soddisfare le richieste (requisiti specifici come Data Center SLA: impegni di uptime del 100% e altro).
È inoltre fondamentale che gli SSD corrispondano o superino i requisiti di resistenza stabiliti dal mercato di riferimento; la NAND utilizzata sugli SSD aziendali offre la massima resistenza.
La NAND utilizzata sulle unità SSD aziendali include 3D TLC, specificamente testato e convalidato per l’utilizzo su applicazioni aziendali, dall’avvio del sistema operativo del server all’archiviazione dei dati ad accesso continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Le capacità disponibili sugli SSD aziendali possono raggiungere fino a 8 TB.
