DRAM vs flash NAND : volatilité, vitesse, capacité, usages

La DRAM stocke les données sous forme de charge dans un condensateur : elle se lit et s’écrit rapidement, mais perd ses données quand on coupe l’alimentation. La flash NAND stocke les données en piégeant des électrons dans une couche entourée d’isolant : les données sont conservées sans alimentation et le coût par bit peut être faible, mais la lecture et l’écriture sont bien plus lentes qu’en DRAM, et le nombre de réécritures est limité. C’est pourquoi, dans les PC et les smartphones, la DRAM sert de mémoire principale de travail et la NAND de stockage, dans les SSD par exemple.

Critère	DRAM	Flash NAND
Principe de mémorisation	Un transistor et un condensateur (1T1C). Le bit correspond à la présence ou à l’absence de charge sur le condensateur	Un transistor à tension de seuil modifiable. Le bit correspond à la quantité d’électrons stockés dans une grille flottante ou une couche de piégeage de charge
Sans alimentation	Les données sont perdues (volatile)	Les données sont conservées (non volatile)
Rafraîchissement	Nécessaire (typiquement toutes les lignes en moins de 64 ms)	Inutile. Mais la charge s’échappe peu à peu, si bien que la durée de rétention des données est limitée
Unité de lecture et d’écriture	Lecture et écriture aléatoires par petites unités (en pratique, transferts en rafale de quelques dizaines d’octets)	Lecture et écriture par page (de quelques Ko à une dizaine de Ko et plus), effacement par bloc, unité encore plus grande
Réécriture	Écrasement direct possible	Écrasement impossible. Il faut effacer le bloc avant d’écrire
Temps d’accès	Quelques dizaines de nanosecondes	Lecture : de l’ordre de quelques dizaines de microsecondes ; écriture encore plus longue, de l’ordre de quelques centaines de microsecondes
Endurance	Pas de limite en pratique	Limitée (ordre de grandeur : environ 50 000 à 100 000 cycles en SLC, quelques milliers en TLC, environ 1 000 en QLC)
Augmentation de la capacité	Miniaturisation et condensateurs en trois dimensions (structures profondes et hautes)	NAND 3D, qui empile les cellules verticalement, et stockage de plusieurs bits par cellule (multiniveau)
Coût par bit	Élevé	Bien plus faible que la DRAM
Usages principaux	Mémoire principale des PC et des serveurs, LPDDR des smartphones, GDDR et HBM des GPU	SSD, stockage interne des smartphones, clés USB, cartes SD

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

DRAM: Quand le CPU ou le GPU doit lire et écrire rapidement les données en cours de traitement. Elle sert de mémoire principale pour les programmes et les données en cours d’exécution.
Flash NAND: Pour stocker à faible coût de grandes quantités de données qui doivent survivre sans alimentation. Elle sert de stockage pour le système d’exploitation, les applications, les photos et les vidéos.
Combinaison: L’ordinateur charge en DRAM les données stockées en NAND avant de les traiter. Certains SSD embarquent aussi de la DRAM pour y conserver temporairement leurs informations de gestion.

Questions fréquentes

Quelle est la principale différence entre DRAM et NAND ?

La conservation des données sans alimentation. La DRAM est une mémoire volatile qui perd ses données quand on coupe l’alimentation ; la NAND est une mémoire non volatile qui les conserve. La DRAM est rapide, la NAND offre une grande capacité à bas coût : on les utilise donc dans des rôles distincts.

Est-ce la même chose que la différence entre « mémoire » et « stockage » d’un PC ?

C’est globalement la même relation. Dans les caractéristiques d’un PC, la « mémoire » désigne la DRAM, et le SSD du « stockage » contient de la flash NAND.

Pourquoi le nombre de réécritures de la NAND est-il limité ?

Parce qu’à chaque écriture et chaque effacement, des électrons traversent une fine couche d’isolant, qui se dégrade peu à peu et retient de moins en moins bien la charge. Le contrôleur du SSD prolonge la durée de vie grâce au wear leveling, qui répartit les écritures sur l’ensemble de la mémoire, et à la correction d’erreurs.

Les mêmes entreprises fabriquent-elles la DRAM et la NAND ?

Certaines fabriquent les deux : Samsung Electronics, SK hynix et Micron Technology produisent à la fois de la DRAM et de la NAND. Kioxia fabrique principalement de la NAND.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la constitution correcte d'une cellule mémoire 1 bit d'une DRAM courante ?

AUn transistor et un condensateur
BSix transistors
CUn transistor à grille flottante

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Réponse : A. Un transistor et un condensateur

Une cellule DRAM se compose d'un transistor et d'un condensateur (1T1C) et mémorise 1 bit selon la présence ou l'absence de charge dans le condensateur. Le condensateur est minuscule, environ 10 fF, et 0 et 1 se distinguent par une différence de seulement quelques dizaines de milliers d'électrons. Le faible nombre de composants donne une surface de cellule réduite, environ 6F², propice aux grandes capacités. Six transistors constituent la cellule SRAM, et le transistor à grille flottante celle de la mémoire flash.

Pourquoi une opération de rafraîchissement périodique est-elle nécessaire dans une DRAM ?

APour augmenter la vitesse de lecture
BParce que le nombre d'écritures est limité
CParce que la charge stockée dans le condensateur se perd progressivement par courant de fuite

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Réponse : C. Parce que la charge stockée dans le condensateur se perd progressivement par courant de fuite

La charge du condensateur se perd peu à peu par fuite sous le seuil et fuite de jonction du transistor de cellule. Le rafraîchissement lit et réécrit les données avant qu'elles ne deviennent indiscernables ; toutes les rangées sont parcourues en 64 ms au plus selon les normes jusqu'à la DDR4, et en 32 ms au plus en DDR5. Pendant le rafraîchissement, la banque concernée est inaccessible et de l'énergie est consommée ; la charge augmente avec la capacité. La limite du nombre d'écritures est une caractéristique de la mémoire flash.

Quelle propriété de la DRAM est correcte ?

AC'est une mémoire volatile qui perd ses données hors tension
BC'est une mémoire non volatile qui conserve ses données hors tension
CC'est une mémoire morte non réinscriptible

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Réponse : A. C'est une mémoire volatile qui perd ses données hors tension

La DRAM mémorise l'information sous forme de charge ; hors tension, la charge n'est plus maintenue et les données sont perdues : c'est une mémoire volatile. Le besoin de rafraîchissement même sous tension la distingue de la SRAM, également volatile. Toutefois, si elle est refroidie juste après la coupure, les données peuvent subsister de quelques secondes à quelques minutes ; l'« attaque par démarrage à froid » exploite ce phénomène pour lire des clés de chiffrement en mémoire. Les mémoires non volatiles sont notamment les mémoires flash.

Questions d'entraînement sur DRAM

Termes clés expliqués

Cellule 1T1C: Cellule mémoire de DRAM qui stocke 1 bit avec un transistor et un condensateur. La présence ou l'absence de charge dans le condensateur représente 0 ou 1.
Rafraîchissement (refresh): Opération qui lit puis réécrit périodiquement les données d'une DRAM avant que la charge des condensateurs ne soit perdue par fuite.
Mémoire flash NAND: Mémoire non volatile dont les cellules sont connectées en série. Très dense et facile à porter à grande capacité, elle est utilisée dans les SSD et les cartes mémoire.
3D NAND: Flash NAND dont les cellules sont empilées verticalement en grand nombre pour augmenter la capacité. Introduite pour dépasser les limites de la miniaturisation planaire, elle dépasse 200 couches.
Mémoire non volatile: Mémoire qui conserve les données même hors tension, comme la mémoire flash ou la MRAM. La DRAM et la SRAM sont volatiles.
Répartition de l'usure (wear leveling): Technique qui répartit les écritures pour éviter qu'elles se concentrent sur certains blocs de la mémoire flash, afin d'en prolonger la durée de vie.

DRAM vs flash NAND : volatilité, vitesse, capacité, usages

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Questions fréquentes

Quelle est la principale différence entre DRAM et NAND ?

Est-ce la même chose que la différence entre « mémoire » et « stockage » d’un PC ?

Pourquoi le nombre de réécritures de la NAND est-il limité ?

Les mêmes entreprises fabriquent-elles la DRAM et la NAND ?

Vérifier vos connaissances

Quelle est la constitution correcte d'une cellule mémoire 1 bit d'une DRAM courante ?

Pourquoi une opération de rafraîchissement périodique est-elle nécessaire dans une DRAM ?

Quelle propriété de la DRAM est correcte ?

Termes clés expliqués

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