O que são memórias flash NAND, NOR e quais são suas principais aplicações

Novos dispositivos eletrônicos simplificaram nossas vidas digitais, tornando diversos sistemas mais simples, eficientes, confiáveis e portáteis.

Memórias, unidades SSD e cartões SD estão presentes em vários equipamentos que fazem parte de nosso cotidiano, como computadores, servidores, smartphones, câmeras digitais e até mesmo automóveis.

O uso das memórias flash simplificou a fabricação de muitos desses aparelhos, tornando o armazenamento de dados mais compacto e durável.

Ao substituir os discos rígidos mecânicos, grandes, lentos e sensíveis a choques físicos, esses módulos permitiram a criação de dispositivos mais finos e leves, como celulares, tablets e ultrabooks.

O que é memória flash?

Memória flash é um dispositivo de armazenamento não volátil, ou seja, que mantém os dados armazenados mesmo quando o fornecimento de energia é interrompido. Este tipo de componente é usado em equipamentos como computadores, câmeras digitais, pendrives, cartões SD, smartphones e módulos SSD.

Inventado pela Toshiba na década de 1980, esse tipo de componente é chamado de "flash" porque seu processo de apagamento dos dados lembra o flash de uma câmera, ou seja, é rápido e simultâneo para toda a área sendo apagada.

Essa é uma das principais vantagens desses módulos sobre as antigas memórias EEPROM que, para limpar seus dados, precisava apagar um byte de cada vez.

Outra vantagem desse tipo de componente é a sua durabilidade. Como não possui partes móveis como hard disks, a memória flash é resistente a choques e vibrações.

Além disso, alguns modelos de memória podem gravar e apagar dados um grande número de vezes antes de falhar, porém seu custo por terabyte é mais caro do que os discos rígidos magnéticos tradicionais.

Como é feito o armazenamento de dados em módulos flash?

As memórias flash fazem a gravação de dados através de suas células, que são as menores unidades físicas de armazenamento. Essas células podem ser de diferentes tipos de tecnologias, ou seja, podem armazenar uma quantidade variável de bits por espaço físico disponível, dependendo do tipo de módulo e das células utilizadas.

Nos grupos NAND e NOR, os bits de informação são armazenados controlando a presença ou ausência de elétrons em uma área isolada de cada célula, chamada de porta flutuante.

A quantidade de elétrons na porta flutuante determina o estado do bit ou bits que a célula de memória está armazenando. Por exemplo, em uma célula NAND SLC (Single Level Cell), a ausência de elétrons pode representar um "1" e a presença de elétrons pode representar um "0".

Já em células MLC (Multi Level Cell) e TLC (Triple Level Cell), diferentes quantidades de elétrons são usadas para representar múltiplos bits de informação.

Quais são os diferentes tipos de célula de armazenamento na fabricação de SSDs?

As unidades de estado sólido (SSD) utilizam vários tipos de células, que variam em custo, desempenho, confiabilidade e capacidade. São elas:

SLC (Single-Level Cell): Esse tipo de tecnologia armazena apenas 1 bit de dados por célula. As memórias SLC custam mais caro, mas também são mais rápidos e confiáveis que os demais.

Esses módulos geralmente possuem um DWPD e TBW maiores do segmento, sendo frequentemente usados em SSDs empresariais de alto desempenho.

MLC (Multi-Level Cell): Os módulos MLC armazenam 2 bits de dados por célula. O padrão MLC custa um pouco menos, oferece mais capacidade do que o SLC, mas é mais lento e possui uma vida útil menor.

Esses módulos também podem ser encontrados em servidores corporativos e sistemas de armazenamento voltados para o mercado corporativo.

TLC (Triple-Level Cell): As células do padrão TLC suportam até 3 bits de dados. Esse padrão é mais barato e oferece mais capacidade do que os anteriores, mas sua velocidade e a vida útil também é reduzida.

Esse tipo de célula é muito usada na fabricação de SSDs de consumo, geralmente voltados para a computação doméstica e dispositivos móveis.

QLC (Quad-Level Cell): Celulas QLC armazenam 4 bits de dados. Esse padrão de memória fornece a maior capacidade da família e o menor custo, porém a velocidade e a vida útil dos produtos são as menores.

Módulos SSD do tipo QLC são comumente usados para substituir hard disks de uso pessoal sem custar muito mais caro, mas exigem a atenção de seus usuários contra a eventual perda de dados.

Quais são os tipos de memória flash disponíveis?

As memórias flash podem ser agrupadas em dois grandes grupos de componentes, os módulos do tipo NOR e NAND.

As flash NOR se assemelham em funcionamento com as portas lógicas de mesmo nome, além de possuir uma estrutura paralela onde cada célula tem seu próprio endereço lógico.

Esse endereçamento permite que o dispositivo hospedeiro acesse qualquer célula de armazenamento diretamente, facilitando a leitura e a gravação de aplicações e dados aleatórios.

Esse tipo de memória é mais rápido para leitura, mas mais lento na escrita e exclusão de dados. Além disso, esses módulos são mais caros e possuem uma densidade de armazenamento menor quando comparados à tecnologia NAND.

Com essas características, um módulo NOR pode ser usado para armazenar programas que precisam ser executados diretamente de uma memória, como a BIOS de um computador.

Por outro lado, uma flash NAND tem uma estrutura de armazenamento em série, ou seja, suas células são agrupadas em páginas, que por sua vez, são reagrupadas em blocos.

A leitura e a gravação são feitas em nível de página, enquanto a exclusão de dados é feita em nível de bloco. Isso faz com que a memória NAND seja mais lenta para ler dados, mas mais rápida para escrever e apagar informações.

Além disso, esses módulos custam menos e possuem uma densidade maior quando comparadas à tecnologia NOR. Por causa dessas características, memórias desse tipo são usadas para a fabricação de dispositivos como módulos SSD, cartões SD e pen drives.

Além desses dois grandes grupos, vale ainda lembrar das flash 3D NAND. Trata-se de uma variante do tipo NAND, mas que permite empilhar as células verticalmente para aumentar a densidade de armazenamento.

Quais são as principais aplicações de memória NOR?

A memória flash NOR é usada principalmente onde é necessária a leitura rápida de dados, como armazenar e executar softwares de inicialização (boot code) em dispositivos. São eles:

Firmware de dispositivos eletrônicos: Em muitos equipamentos eletrônicos, esse tipo de memória não volátil é usado para armazenar o firmware do dispositivo.

Nesse caso, essa tecnologia é útil porque permite a leitura e a execução do código diretamente da memória, sem que haja necessidade de copiá-lo para uma área da memória RAM.

BIOS de computadores: O sistema básico de entrada e saída (BIOS) de um computador é frequentemente armazenado na memória flash NOR.

Assim como no exemplo anterior, a flash NOR é útil por permitir a execução direta de códigos e aplicações, simplificando a inicialização de dispositivos e rotinas de auto-teste.

Dispositivos embarcados: Os módulos NOR também são usados por sistemas que realizam uma ou mais tarefas dedicadas (dispositivos embarcados), que incluem desde controles de sistemas automotivos até dispositivos médicos.

Quais são as principais aplicações para as memórias NAND?

Memórias flash NAND são usadas em várias aplicações devido ao seu baixo custo, alta densidade de armazenamento, velocidade de gravação e de exclusão de dados. São elas:

SSDs (Solid State Drives): A NAND é a principal tecnologia de armazenamento usada nos módulos SSDs. Esse tipo de componente permite acesso mais rápido aos dados quando comparado com hard disks tradicionais e é mais resistente a impactos.

Pen drives e cartões de memória: Essa tecnologia também é usada em pen drives, cartões SD e microSD, principalmente por sua alta densidade de armazenamento e durabilidade.

Dispositivos móveis: Smartphones e tablets também usam esse tipo de memória para o armazenamento interno, que incluem o sistema operacional, aplicativos e outros arquivos armazenados.

Datacenters e soluções de nuvem: A memória NAND também tem forte presença em datacenters e em infraestruturas de nuvem, ou seja, em ambientes onde a densidade de armazenamento e a eficiência energética são essenciais para as operações.

Soluções all flash: Alguns servidores e storages corporativos usam apenas memórias flash em vez de discos rígidos para armazenar dados.

Esses sistemas oferecem desempenho superior e podem ser usados para aplicações que exigem acesso rápido aos dados, como aplicações que envolvem grandes bancos de dados e análises em tempo real.

As memórias NAND e os novos módulos 3D NAND

Os módulos NAND, também conhecidos como memórias NAND planares, já possuem uma versão mais avançada da tecnologia, os módulos 3D NAND. A principal diferença entre esses módulos é a forma como as células de armazenamento são organizadas.

Na memória flash planar, as células são organizadas em um único plano ou camada. Isso significa que a capacidade de armazenamento é limitada pelo tamanho físico das células e pelo espaço plano disponível.

Por outro lado, um módulo 3D NAND supera essa limitação, organizando as células de memória em várias camadas verticais sobrepostas.

Em outras palavras, as células são empilhadas umas sobre as outras, criando uma estrutura tridimensional. Isso permite alocar mais células, o que se traduz em maior capacidade no mesmo espaço físico.

Apesar de fornecer maior confiabilidade, eficiência energética e durabilidade, memórias 3D NAND também são mais difíceis de serem fabricadas e custam mais caro.

A boa notícia é que, conforme essa tecnologia avança, o custo das flash 3D estão gradativamente sendo reduzidos, tornando esses módulos mais presentes em muitos tipos de dispositivos de armazenamento.

Como os dispositivos flash são conectados aos sistemas computacionais?

As memórias flash possuem diversos tipos de encapsulamento e podem se conectar a outros sistemas através de várias interfaces. São elas:

SATA (Serial Advanced Technology Attachment): O padrão SATA é uma interface comum para conexão de dispositivos como discos rígidos e SSDs a computadores e servidores.

PCIe (Peripheral Component Interconnect express): O barramento PCIe possui alta velocidade e pode ser usado para conectar dispositivos de alto desempenho, como placas gráficas e memórias SSDs.

Unidades SSDs de alto desempenho utilizam esse tipo de interface em servidores e sistemas de armazenamento para aproveitar as maiores velocidades na transferência de dados.

NVMe (Non-Volatile Memory Express): NVMe é um protocolo desenvolvido especificamente para memórias flash que também opera através da interface PCIe, mas consegue entregar altíssimo desempenho na transferência de dados.

USB (Universal Serial Bus): A porta USB é uma interface disponível na maioria dos computadores e notebooks que permite conectar diversos dispositivos, inclusive drives de SSD externos de baixo custo.

eMMC (embedded MultiMediaCard): O eMMC é uma interface comumente usada nas memórias NAND de smartphones, tablets e outros dispositivos eletrônicos de consumo. Esse padrão combina o módulo flash e o controlador em um único pacote, simplificando o design do sistema.

UFS (Universal Flash Storage): UFS é uma interface de alta velocidade para smartphones e outros dispositivos móveis.

Essa tecnologia foi projetada para ser uma sucessora do eMMC, oferecendo velocidades mais rápidas e maior eficiência energética na transferência de dados.

As memórias flash não são infalíveis

O uso das memórias flash simplificou a fabricação de muitos dispositivos eletrônicos e tornou o armazenamento de dados mais compacto e durável.

Ao substituir os discos rígidos mecânicos, que são grandes, lentos e sensíveis a choques físicos, esses módulos tornaram possível a criação de dispositivos mais finos e leves, como tablets e ultrabooks.

Apesar disso, as memórias flash não são infalíveis. Assim como qualquer outra tecnologia, elas têm suas limitações, por isso manter o backup sempre atualizado sempre é uma boa ideia.

Independentemente da durabilidade ou confiabilidade da tecnologia computacional em uso, nenhum sistema é completamente à prova de falhas.

Manter cópias de segurança regulares de seus arquivos importantes é a melhor maneira de garantir que seus dados estarão seguros, independentemente de qualquer falha que possa ocorrer na memória flash.

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