Identifier la carte Flash industrielle appropriée pour une utilisation à long terme

Tous les ingénieurs possèdent une réserve suffisante de cartes microSD à portée de main. Les miennes étaient éparpillées sur mon bureau à divers endroits pratiques. Lorsque j'avais besoin d'une carte microSD pour un téléphone, une tablette ou un ordinateur monocarte (SBC), il y en avait toujours une qui apparaissait mystérieusement, comme Batman. Mon système fonctionnait bien jusqu'au « Grand incident de l'aspirateur de bureau de 2019 » lors duquel une carte microSD de 16 giga-octets (Go) contenant une distribution Linux expérimentale a soudainement disparu. Comme elle n'était pas dans le sac de l'aspirateur, je suppose qu'elle se trouve maintenant dans cette dimension cachée de l'espace-temps où disparaissent les vis non remplaçables et les rouleaux de ruban isolant.

Bien sûr, cela m'a conduit à ranger toutes mes cartes microSD au même endroit et, bien sûr, en bon ingénieur, je me je suis senti obligé de classer et de catégoriser mes cartes Flash. Alors que j'étais d'abord tenté de les organiser par capacité de mémoire, en regardant ma collection désordonnée, j'ai décidé d'opter pour une autre stratégie.

Au lieu de prendre en compte la capacité, j'ai cherché quelles cartes microSD m'avaient rendu service et lesquelles m'avaient fait défaut à cause de la corruption des données. J'ai commencé à faire des recherches sur les cartes et lorsque j'ai parcouru les évaluations des cartes Flash, j'ai trouvé une grande quantité d'informations erronées en ligne. J'ai eu des doutes lorsque j'ai constaté que les cartes microSD que je possédais et qui avaient été victimes de corruption des données étaient souvent présentées comme les plus rapides et les mieux classées en ligne par des évaluateurs « impartiaux ». Alors, comme tout bon ingénieur, j'ai fait mes propres recherches et j'ai découvert qu'avec les cartes Flash microSD, comme dans la vie, ce qui n'est pas dit compte beaucoup plus que ce qui est dit.

Principes de base des types de mémoire Flash

Pour comprendre le fonctionnement de la mémoire Flash, il faut examiner la structure du semi-conducteur de la cellule de mémoire. La mémoire Flash à cellule binaire (SLC) comporte un bit par cellule (Figure 1). La mémoire Flash à cellules multiniveaux (MLC) fait référence à plusieurs bits par cellule, ce qui se traduit en réalité par deux bits par cellule. Selon moi, il s'agit d'un échec marketing qui a des conséquences que j'aborderai plus tard. Les cellules à trois niveaux (TLC) ont trois bits par cellule et les cellules à quatre niveaux (QLC) ont quatre bits par cellule.

Figure 1 : Les types de mémoire Flash se distinguent par le nombre de bits par cellule, avec des implications pour chacun d'eux en fonction de l'augmentation du nombre de bits, de SLC à QLC. (Source de l'image : Micron Technology)

Plus le nombre de bits qu'une matrice Flash peut faire entrer dans une cellule est élevé, plus la matrice Flash est petite et moins le dispositif de mémoire coûte cher. Cependant, cette réduction de taille présente un inconvénient. Plus le stockage des bits de mémoire est petit, moins la cellule Flash peut supporter de cycles de programmation/effacement (P/E), ce qui augmente le risque de défaillance. En plaçant plusieurs bits par cellules et en les traitant avec un contrôleur mémoire Flash en cache, on peut atteindre des vitesses très élevées, mais la matrice de mémoire consomme alors plus de courant pour les lectures et les écritures. Ce point a pris de l'importance lorsque je me suis rendu compte que toutes les cartes microSD SLC et les vraies MLC ne m'avaient jamais posé de problème.

Je parle de « vraies » cartes MLC puisque, techniquement, la désignation de deux bits par cellule fait référence à plusieurs bits. Certains fabricants peu recommandables de produits de mémoire Flash (qui ne sont pas vendus par les distributeurs d'électronique agréés) aiment faire passer leurs produits TLC et QLC pour des MLC en partant du principe qu'il s'agit bien de « plusieurs bits ».

Ce dont on parle peu à propos des cartes Flash microSD, c'est de leur consommation d'énergie. Les fabricants de cartes Flash de grade grand public publient rarement la consommation d'énergie de leurs dispositifs. Aussi, si vous utilisez des cartes Flash pour une tâche sérieuse, assurez-vous de vérifier ce paramètre. Il m'a fallu mener mon enquête, mais j'ai découvert que toutes les cartes microSD que je possédais et qui avaient subi une corruption des données se situaient dans la partie supérieure de la plage de consommation d'énergie, même pour certaines des cartes les plus rapides.

Ainsi, si vous utilisez une carte Flash dans un ordinateur monocarte (SBC), comme un Raspberry Pi 3 modèle A+ (Figure 2), vous pouvez privilégier une faible consommation d'énergie dans votre liste d'attributs souhaitables si la carte doit fonctionner sans surveillance dans un endroit éloigné où des contrôles de maintenance réguliers ne seront peut-être pas possibles pour examiner le comportement de la carte Flash. La carte la plus rapide ou à la densité la plus élevée n'est pas forcément la solution la plus fiable à long terme.

Figure 2 : Lors de la sélection d'une carte microSD pour un SBC comme le Raspberry Pi 3 modèle A+, vous devez privilégier la basse consommation, car cela entraîne une plus grande fiabilité. (Source de l'image : Raspberry Pi)

La carte microSD de 4 Go S304TLNJM-U1000-3 de Delkin Devices est un bon exemple de carte Flash fiable pour un usage industriel (Figure 3). Il s'agit d'une carte Flash SLC avec une vaste plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C, adaptée aux environnements industriels difficiles. S'il est courant pour les cartes microSD de spécifier une durée de conservation des données de trois ans, voire cinq ans, cette carte Flash SLC de 4 Go a une durée de conservation des données de 10 ans, ce qui est très élevé pour une carte microSD.

Figure 3 : La carte S304TLNJM-U1000-3 est une carte Flash microSD SLC de grade industriel de 4 Go avec une consommation d'énergie exceptionnellement faible et une longue durée de conservation des données de 10 ans. (Source de l'image : Delkin Devices)

La consommation d'énergie pour la carte S304TLNJM-U1000-3 est exceptionnellement faible. Le courant de lecture spécifié est < 50 milliampères (mA) (typique), ce qui est bien inférieur au courant de lecture de la plupart des cartes de grade grand public. Le courant d'écriture spécifié est < 100 mA (typique), ce qui est également nettement inférieur aux cartes de grade grand public. Le courant d'écriture est important pour les nœuds Internet des objets (IoT) alimentés par batterie qui peuvent avoir à mettre à niveau la mémoire Flash dans le système. Le courant de repos est < 0,500 mA (typique), ce qui est primordial pour les nœuds IoT alimentés par batterie, car dans certaines applications, une carte microSD peut passer beaucoup plus de temps en repos qu'en fonctionnement.

Tout cela contribue à un degré d'endurance très élevé de 60 000 cycles P/E. Il est difficile de comparer ces chiffres à ceux des cartes Flash concurrentes, car de nombreux fabricants ne précisent pas et ne divulguent pas ces chiffres au public et, lorsqu'ils le font, il faut lire attentivement les conditions. Par exemple, la conservation des données pendant 50 ans proposée par une autre carte semble intéressante jusqu'à ce que vous vous rendiez compte que cela ne fonctionne que si rien n'est plus jamais écrit sur la carte pendant la période de conservation. Les spécifications de Delkin Devices sont très précises : la conservation des données de la carte S304TLNJM-U1000-3 est de 10 ans si 10 % des 60 000 cycles P/E spécifiés sont utilisés.

Conclusion

De toute évidence, toutes les cartes microSD ne se valent pas. Choisissez-les donc avec soin, en particulier pour les systèmes embarqués qui peuvent être amenés à fonctionner sans surveillance pendant de nombreuses années, avec une faible probabilité de contrôles de maintenance pour la conservation de la mémoire. La mémoire SLC présente de nombreux avantages pour ces applications particulières.

Les spécifications me rappellent un adage plein de sagesse tiré de The Worker's Dilemma : « Ce que vous ne faites pas ou ne dites pas est toujours plus important que ce que vous faites ou dites réellement. »