O que é a memória flash NAND? Definição, tipos e usos
Memória flash NAND é um tipo de memória semicondutora não volátil que armazena dados digitais sem necessidade de alimentação contínua. Ela é utilizada como meio de armazenamento em SSDs, pen drives, cartões SD e muitos smartphones. Armazenamento flash NAND geralmente se refere ao armazenamento baseado nessa tecnologia.
A NAND é o meio de memória dentro de um dispositivo. Um dispositivo de armazenamento completo também precisa de um controlador e de um software de suporte para organizar o acesso, se comunicar com o sistema host e gerenciar erros. Essa distinção explica por que produtos que utilizam chips flash semelhantes podem apresentar desempenho e confiabilidade diferentes.
Índice
Visão geral da memória flash NAND
Recurso | Significado |
Categoria de tecnologia | Memória flash não volátil |
Mecanismo de armazenamento | A carga elétrica altera os estados das células de memória |
Requisitos de alimentação | É necessária energia para ler, programar e apagar dados, mas não de forma contínua para mantê-los armazenados |
Organização básica | Células organizadas em páginas e blocos de apagamento |
Tipos comuns de células | SLC, MLC, TLC e QLC |
Layouts físicos | NAND planar e NAND 3D empilhada verticalmente |
Aplicações típicas | SSDs, dispositivos de armazenamento removíveis, dispositivos móveis e sistemas embarcados |
Principais limitações | Resistência finita à gravação/apagamento e retenção de dados dependente das condições |
A NAND pertence à família mais ampla de tecnologias de memória flash, que também inclui memória flash NOR.
O armazenamento em memória flash NAND explicado de forma simples
Quando um celular salva uma foto, a imagem se transforma em dados digitais armazenados em células de memória flash. Essas células mantêm os dados armazenados mesmo após o celular ser desligado. Quando a foto é aberta novamente, o sistema de armazenamento recupera os dados para que o aplicativo possa exibi-la.
Várias camadas atuam em conjunto:
- O sistema de arquivos organiza nomes de arquivos, pastas e informações sobre onde o conteúdo dos arquivos está armazenado.
- O controlador de armazenamento gerencia o acesso à memória física.
- O Células NAND contêm os bits subjacentes.
As células não reconhecem um nome de arquivo como holiday.jpg. Os nomes dos arquivos e as informações das pastas são, por si só, armazenados como dados, que o software interpreta.
No uso cotidiano, Memória flash NAND e Armazenamento flash NAND frequentemente se referem à mesma tecnologia subjacente. Mais precisamente, memória refere-se ao meio semicondutor, enquanto armazenamento pode descrever a implementação completa desenvolvida em torno dela.
Como funciona a memória flash NAND
Três operações explicam o mecanismo básico: leitura, programação e apagamento. Programação é o termo técnico para a gravação de dados nas células de memória flash.
A carga elétrica representa dados
Uma célula NAND armazena informações por meio de uma carga elétrica que altera sua tensão de limiar — a tensão necessária para que seu transistor conduza.
O circuito de leitura distingue entre faixas de tensão e as interpreta como valores digitais. Uma célula de um bit precisa de dois estados distintos. Células que armazenam vários bits precisam de estados adicionais.
Os projetos de memória NAND utilizam diferentes estruturas de armazenamento de carga, incluindo portas flutuantes e armadilhas de carga. Consequentemente, descrever todas as memórias NAND como memórias de porta flutuante é muito restritivo. A KIOXIA’s resumo técnico sobre a durabilidade da memória NAND aborda o uso da tecnologia de armadilha de carga na NAND 3D.
As páginas são programadas e os blocos são apagados
As operações NAND ocorrem em diferentes níveis:
Unidade | Função |
Célula | Contém um estado elétrico que representa um ou mais bits |
Página | Uma unidade utilizada para leitura e programação de dados |
Bloqueio | Um grupo de páginas apagadas de uma só vez |
Os tamanhos exatos das páginas e dos blocos, bem como as restrições de programação, dependem do chip. Uma página física de NAND é diferente de uma unidade de alocação do sistema de arquivos ou de um setor lógico exposto ao sistema operacional.
A principal restrição é que o espaço previamente programado não pode ser sobrescrito livremente, como acontece com a RAM comum. É necessário apagar um bloco antes que suas páginas programadas possam ser reutilizadas. A Kingston’s explicação sobre a coleta de lixo descreve essa diferença entre gravações no nível da página e apagamento no nível do bloco.
Atualizar dados geralmente significa escrever em outro lugar
Suponha que parte de um documento esteja armazenada em Página A. Quando essa parte é alterada, um dispositivo flash gerenciado normalmente grava o conteúdo atualizado em um espaço disponível Página B e altera o mapeamento de endereços para que aponte para lá.
A página A contém, então, uma cópia desatualizada. Marcá-la como inválida não apaga imediatamente o bloco que a contém.
Palco | O que acontece | Resultado |
Antes da atualização | O mapeamento aponta para a Página A | As leituras retornam os dados originais |
Escreva a atualização | Os dados atualizados são inseridos na Página B | A nova versão ocupa um local físico distinto |
Alterar o mapeamento | O mapeamento aponta para a Página B | As leituras futuras recuperam a versão atualizada |
Desativar a versão antiga | A página A não é mais necessária | Esse espaço poderá ser recuperado posteriormente |
Recuperar o quarteirão | As páginas válidas restantes são movidas antes que o bloco antigo seja apagado | O bloco apagado fica disponível para reutilização |
Este é um exemplo simplificado de atualização de dados, e não uma afirmação de que um documento inteiro sempre cabe em uma página.
O processo de recuperação posterior é chamado de coleta de lixo. Ele preserva os dados que ainda são necessários e, em seguida, apaga o bloco selecionado. A KIOXIA’s Resumo técnico sobre coleta de lixo explica as etapas de separação, realocação e apagamento.
A movimentação de dados válidos gera gravações internas adicionais. Isso contribui para amplificação de gravação, em que a memória flash recebe mais gravações do que o host solicitou originalmente. Essa é uma das razões pelas quais a carga de trabalho e o gerenciamento interno afetam a durabilidade.
O gerenciamento mantém a memória disponível
Memória flash NAND necessita de funções de gerenciamento relacionadas às suas células físicas:
- Correção de erros detecta e corrige erros dentro das limitações do sistema.
- Gerenciamento ruim de blocos evita blocos que não conseguem armazenar dados de forma confiável.
- Nivelamento de desgaste distribui a atividade de gravação/apagamento, em vez de desgastar repetidamente os mesmos locais.
No caso da memória NAND “bruta”, o host é responsável por grande parte desse gerenciamento. A memória flash gerenciada integra um controlador para assumir essas responsabilidades, embora também existam projetos intermediários. A Micron’s guia para a escolha de memórias NAND explica essas distinções.
Tipos de memória flash NAND
Há duas classificações que se destacam: quantos bits cada célula armazena e como as células estão dispostas fisicamente. Essas propriedades descrevem características diferentes.
SLC, MLC, TLC e QLC
Armazenar mais bits em cada célula aumenta a densidade. Isso também exige que o dispositivo distinga mais estados elétricos.
Tipo | Nome completo | Bits por célula | Estados obrigatórios |
SLC | Célula de nível único | 1 | 2 |
MLC | Célula multinível | 2 | 4 |
TLC | Célula de nível triplo | 3 | 8 |
QLC | Célula de quatro níveis | 4 | 16 |
Na terminologia convencional de produtos, MLC normalmente significa dois bits por célula, embora o termo “multinível” possa ter um significado técnico mais amplo.
Em projetos comparáveis, um número menor de bits por célula geralmente proporciona maior durabilidade e programação mais simples. Um número maior de bits aumenta a densidade e pode reduzir o custo por gigabyte. A KIOXIA’s visão geral da resistência da memória NAND explica essas vantagens e desvantagens.
Essas especificações não determinam a velocidade nem a vida útil total de um dispositivo. O projeto do controlador, o firmware, a capacidade disponível, a interface e a carga de trabalho também são fatores importantes. Um valor universal de resistência para todos os produtos TLC ou QLC seria, portanto, enganoso.
NAND planar e NAND 3D
A memória NAND planar organiza as células em uma superfície bidimensional. 3D NAND empilha as células verticalmente, aumentando a densidade de armazenamento dentro de uma determinada área ocupada.
As duas classificações podem ser combinadas. Um chip descrito como 3D TLC NAND utiliza um layout empilhado verticalmente e armazena três bits por célula. Da mesma forma, o QLC 3D armazena quatro bits por célula.
Da Micron visão geral da tecnologia Flash explica como o empilhamento vertical aumenta a capacidade sem que a área ocupada pelo chip aumente proporcionalmente.
Benefícios e limitações do armazenamento em memória flash NAND
As características que tornam a memória NAND útil também explicam suas limitações.
Armazenamento compacto sem peças móveis
A tecnologia NAND armazena dados eletronicamente, permitindo uma capacidade considerável em dispositivos compactos. Ela não requer pratos giratórios nem uma cabeça de leitura/gravação móvel.
Isso permite um armazenamento compacto e silencioso, além de resistência a choques mecânicos. Os dispositivos baseados em NAND também podem oferecer baixa latência de acesso e são adequados para equipamentos alimentados por bateria.
No entanto, a ausência de peças móveis não significa que não haja pontos de falha. Conectores, controladores, componentes eletrônicos de apoio e células de memória ainda podem apresentar falhas. A velocidade real e o consumo de energia dependem do dispositivo como um todo.
Programa finito/Resistência à apagagem
Programação e apagamento de células flash sensíveis ao estresse. O desgaste acumulado torna mais difícil distinguir com confiabilidade os estados armazenados nessas células.
Não existe uma classificação única de gravação/apagamento para todos Memória flash NAND. A classificação depende da tecnologia, da geração de fabricação, das condições operacionais e dos requisitos de confiabilidade especificados.
Os SSDs prontos para uso geralmente utilizam índices de resistência no nível do dispositivo, tais como terabytes gravados, ou TBW. O TBW descreve um volume específico de gravação para a unidade; ele difere da classificação de ciclos de programação/apagamento da memória NAND subjacente.
A retenção de dados é limitada
“Não volátil” significa que não é necessária alimentação contínua para reter os dados. Isso não garante que os dados permaneçam legíveis indefinidamente.
A carga armazenada pode sofrer alterações ao longo do tempo. O desgaste anterior, a temperatura e as interferências elétricas afetam a confiabilidade. A correção de erros compensa dentro dos limites previstos, mas não pode garantir a recuperação de todos os erros. Pesquisas sobre Erros na memória flash e medidas de mitigação analisa esses mecanismos.
No que diz respeito a informações importantes, é mais importante manter outra cópia verificada do que presumir que um dispositivo de memória flash desconectado irá preservá-las para sempre.
O desempenho depende do sistema como um todo
O tipo de memória NAND é um dos fatores que influenciam o desempenho. O controlador, a interface, o firmware e a carga de trabalho também afetam a velocidade percebida pelos usuários.
Por exemplo, uma carga de trabalho de gravação contínua pode exigir a coleta de lixo e a realocação de dados. A quantidade de trabalho interno depende, em parte, da quantidade de espaço reutilizável disponível.
Portanto, o uso de NAND em um produto não determina uma taxa de transferência específica. A Micron identifica o controlador, o tipo de NAND e a interface do host como fatores que afetam o desempenho do armazenamento.
Memória Flash NAND em comparação com tecnologias relacionadas
As comparações mais úteis distinguem o meio de armazenamento do dispositivo ou da interface criada em torno dele.
Comparação | Principal diferença | Significado prático |
Flash NAND x NOR | Diferentes arquiteturas de memória flash e características de acesso | A memória NAND é adequada para armazenamento denso de dados; a memória NOR é adequada para aplicações como firmware e acesso direto ao código |
NAND x memória RAM do sistema | Armazenamento persistente versus memória de trabalho volátil | A DRAM comum perde seu conteúdo quando fica sem energia; a NAND mantém os dados armazenados |
NAND x SSD | Suporte de memória versus dispositivo de armazenamento completo | Um SSD típico contém memória NAND, um controlador, firmware e uma interface de host |
NAND x HDD | Armazenamento em semicondutores versus armazenamento magnético | Ambos retêm os dados mesmo sem energia, mas utilizam mecanismos físicos diferentes |
NAND x eMMC ou UFS | Tecnologias de mídia de memória versus tecnologias de armazenamento gerenciado | Os produtos eMMC e UFS incorporam memória NAND, funções de gerenciamento e uma interface de host definida |
As características de acesso da NOR são úteis para a leitura de pequenas quantidades de dados e para dar suporte à execução de código. A organização da NAND favorece o armazenamento de alta densidade. Nenhuma das duas é universalmente melhor: sua adequação depende dos requisitos do sistema. A Kingston’s Guia sobre memórias flash explica as diferenças no acesso.
Da mesma forma, o artigo “NAND ou SSD?” compara diferentes camadas. NAND é o meio de armazenamento utilizado em um SSD típico.
Onde você encontra a memória flash NAND
Entre as aplicações mais comuns estão:
- SSDs: sistemas operacionais, aplicativos e arquivos do usuário.
- Pen drives: dispositivo de armazenamento removível acessado via USB.
- Cartões SD e microSD: armazenamento para câmeras e outros dispositivos compatíveis.
- Smartphones e tablets: armazenamento interno, geralmente utilizando flash gerenciado.
- Equipamentos embarcados: armazenamento em redes, no setor automotivo e em sistemas industriais.
Os usuários normalmente se deparam com essas categorias de dispositivos, e não com os chips NAND individuais.
Como interpretar as especificações de uma memória NAND
Considere um produto descrito como “SSD de 1 TB com NAND 3D TLC.”
Especificações | O que isso significa | O que isso não estabelece |
1 TB | Capacidade de armazenamento anunciada | Resistência de gravação ou velocidade de acesso |
SSD | A categoria de dispositivo de armazenamento | Sua arquitetura NAND precisa |
3D | As células utilizam um layout empilhado verticalmente | Bits armazenados por célula |
TLC | Cada célula armazena três bits | O desempenho exato ou a vida útil da unidade pronta |
Para identificar o tipo de NAND em um dispositivo específico, consulte a documentação para verificar o modelo exato e a revisão do hardware. A letra da unidade, o formato da partição ou o nome do sistema de arquivos não permitem identificar o tipo de célula.
Para obter informações sobre o comportamento do controlador e outros detalhes relativos ao dispositivo, consulte o documento separado Guia sobre memória flash NAND para SSDs.
Equívocos comuns sobre a tecnologia NAND
“Não volátil significa permanente”
Isso significa que os dados armazenados podem permanecer intactos mesmo após o desligamento da energia. Isso não garante retenção ilimitada, proteção contra exclusão nem a sobrevivência após falha de hardware.
“Cada atualização de arquivo apaga um bloco inteiro imediatamente”
O flash gerenciado normalmente grava os dados atualizados em outro local e altera seu mapeamento. O apagamento de blocos ocorre quando o espaço é recuperado. Confundir essas etapas torna mais difícil compreender tanto o desempenho quanto a durabilidade.
“A exclusão de um arquivo apaga imediatamente suas células NAND”
A exclusão de arquivos, a desalocação de endereços lógicos e o apagamento físico são operações diferentes.
Em caminhos de armazenamento compatíveis, o comando TRIM ou um comando semelhante informa ao dispositivo que determinados intervalos lógicos não são mais necessários. O dispositivo, então, lida com esses intervalos de acordo com sua implementação.
Mesmo que o apagamento físico ainda não tenha ocorrido, os dados originais podem não estar mais legíveis por meio da interface normal. A Microsoft’s Documentação do TRIM explica que as leituras subsequentes podem retornar os dados originais, zeros, uns ou uma combinação desses valores.
“O software de recuperação lê os chips diretamente”
Os softwares comuns de recuperação de arquivos leem o armazenamento acessível por meio do sistema operacional e da interface do dispositivo. Eles não examinam diretamente as células NAND individuais nem contornam um controlador com falha.
Uma varredura mais aprofundada não consegue reconstruir o conteúdo original a partir de intervalos que não exibem mais esse conteúdo. A carga física remanescente em algum ponto dentro de um chip, por si só, não garante a recuperabilidade por meio de software.
Quando forem necessárias medidas adicionais
Compreensão Armazenamento flash NAND ajuda a interpretar as especificações e a reconhecer os limites de um dispositivo. O uso rotineiro não exige o gerenciamento manual de suas páginas nem a exclusão de blocos.
Caso os arquivos desapareçam, evite gravar novos dados ou reformatar o dispositivo afetado antes de avaliar a situação. A recuperação depende dos dados legíveis restantes e do tipo de falha ocorrida.
No caso de arquivos ausentes no armazenamento da câmera, o Guia de recuperação de cartão SD apresenta as próximas etapas relevantes. Um dispositivo que se desconecta repetidamente ou cujos dados não podem ser lidos pode exigir uma avaliação de hardware, em vez de verificações repetidas por meio de software.
Conclusão
Memória flash NAND armazena informações na forma de estados elétricos que persistem mesmo sem alimentação contínua. Sua programação baseada em páginas, apagamento baseado em blocos e estruturas compactas de células oferecem suporte a uma ampla variedade de dispositivos de armazenamento.
Distinguir as células do controlador e do dispositivo final torna as especificações mais fáceis de entender. Isso também explica por que o armazenamento rápido e não volátil ainda apresenta limites relacionados ao desgaste, à retenção e à disponibilidade dos dados.
PERGUNTAS FREQUENTES
O que significa NAND?
O armazenamento em flash NAND é a mesma coisa que a memória flash NAND?
A memória flash NAND precisa de uma bateria para reter os dados?
A leitura da memória flash NAND causa desgaste?
A formatação pode reparar células NAND desgastadas?
A memória flash NAND pode substituir a RAM de um computador?
Por que um dispositivo apresenta uma capacidade útil menor do que sua capacidade NAND?
Um arquivo corrompido significa que os chips NAND estão danificados?
