Como os micro cartões SD armazenam os dados?

É o sempre crescente chip NAND flash.

Um cartão microSD tem um chip NAND flash e um chip controlador SD. É tudo o que vai caber. Então a capacidade do maior cartão microSD é a capacidade do maior chip NAND flash em qualquer momento.

Uma célula de memória flash é apenas um tipo especial de transistor de efeito de campo. O FET usual tem uma porta de controle e um canal. Como uma tensão é aplicada à porta, a resistência elétrica do canal muda. Em uma célula flash, há uma porta separada chamada porta flutuante, que é rodeada por isoladores.

Usando um truque de magia quântico chamado Fowler-Nordheim tunneling. que permite que os elétrons sejam empurrados através de um isolador na presença de um forte campo elétrico. Remova o campo, e os elétrons ficam no lugar... praticamente. O número de electrões na porta flutuante terá o mesmo efeito no canal, para variar a sua resistência eléctrica. Isso é informação suficiente para usar isso como um dispositivo de armazenamento.

Armazenando mais no mesmo lugar

Como as geometrias do chip encolheram, mais e mais desses transistores poderiam ser colocados em um chip, aumentando gradualmente a capacidade de armazenamento do seu microSD. Mas eles também "enganaram" um pouco. Como eu disse, a voltagem ou carga elétrica em uma porta FET não simplesmente liga e desliga o canal, mas muda sua resistência. Então, em 1997 mais ou menos, alguns caras da Intel decidiram fazer uma memória flash que pudesse armazenar três níveis diferentes de elétrons, mais zero, é claro, para fornecer dois bits de informação por célula - a memória flash essencialmente dobra em capacidade de forma gratuita. O flash de célula multinível (MLC) nasceu.

Isto levou a TLC (flash de célula de três níveis) armazenando 3-bits (7 níveis mais zero) e QLC (flash de célula de quatro níveis) armazenando 4-bits (15 níveis mais zero) por célula. Parece ótimo, não é? Mas não é exatamente um passeio livre. No flash original de um nível, ou você tem uma carga ou não no portão flutuante. Com o tempo, a natureza aleatória da física quântica diz-lhe que os electrões vão sair por túneis aleatórios, mesmo sem ser um campo eléctrico forte. Além disso, cada vez que a memória do flash é apagada e escrita, ela é um pouco danificada, tornando estes vazamentos aleatórios mais comuns.

Se você só está procurando por carga/não carga como no flash de célula de nível único, a memória é bastante resiliente contra este ser um problema. Mas se você estiver armazenando quatro bits de dados, não é difícil perder elétrons suficientes para passar para o próximo nível de limite. Portanto, o SLC é bastante confiável para armazenamento de dados e suporta muitos ciclos de apagamento/programação. MLC, TLC e QLC são correspondentemente mais baixos em confiabilidade e longevidade.

The Dreadful Shrinking Flash Cell

I também mencionei que as geometrias dos chips têm diminuído, o que eu acho que é geralmente um conhecimento comum. As últimas CPUs usam regras de design de 7nm, permitindo CPUs mais complexas a preços mais baixos do que nunca. O PC em que estou digitando isso tem 16 núcleos de CPU em um único chip... bem, na verdade, um único pacote. Na verdade é composto por quatro "chiplets" nesse pacote.

E as memórias flash também encolheram. Em 2010, eles estavam a 25nm. Em 2012, algumas empresas estavam usando a tecnologia de chips de 19nm. Em 2016, elas estavam a 14nm. Mas recentemente, eles têm aumentado novamente... huh!?!

Então, como ilustrado acima, uma memória flash funciona através de túneis elétricos para sentar em um portão flutuante. O problema é que, à medida que se encolhe o tamanho desse portão flutuante, pode-se encaixar proporcionalmente menos electrões. Assim, quer o design em SLC, MLC, TLC ou QLC, o armazenamento fica menos confiável à medida que a geometria encolhe. Isso praticamente coloca uma parede no caminho do flash convencional chegando a densidades maiores.

Então eles começaram a se construir. O flash NAND moderno é composto de muitas, muitas camadas - pelo menos 96 em alguns chips - que fornecem linhas de células NAND orientadas verticalmente. Isto permite o uso de geometrias de células maiores para manter a confiabilidade em um ponto razoável, e ainda assim escalar em tamanho. E assim temos 1TB em um único dispositivo NAND, e o cartão microSD de 1TB para acompanhá-lo!