MÉMOIRES NUMÉRIQUES

Format des données

Le format des données correspond à la taille des tiroirs, au nombre de bits que l'on peut stocker par tiroir (emplacement mémoire). On parle aussi de largeur de mot mémorisable.

Technologie

Technologie à semi-conducteurs

Parce qu'un ordinateur est avant tout un assemblage de composants électroniques, il est logique que la technologie à semi-conducteurs soit la plus fréquemment employée pour représenter un point mémoire. Schématiquement, il existe trois types de points mémoires électriques : le point mémoire statique (static RAM, ou SRAM), le point mémoire dynamique (dynamic RAM, ou DRAM), et le point mémoire Flash. Seul ce dernier conserve l'information binaire en absence d'alimentation électrique.

Point mémoire statique (SRAM)

La technique de mémorisation dans un point mémoire statique SRAM repose sur l'utilisation d'un amplificateur en boucle fermée, qui forme un système électriquement stable. En l'absence de stimulation électrique externe, cette boucle électrique conserve ou mémorise l'information binaire. L'amplificateur est généralement réalisé par deux portes logiques inverseuses rebouclées (fig. 2), contenant chacune deux transistors MOS (metal oxide semiconductor). La commande C permet d'activer les deux transistors latéraux et de propager le contenu du point mémoire sur les sorties D et /D, ou d'en modifier le contenu. Un point mémoire statique utilise six transistors au total (deux transistors par inverseur et les deux transistors latéraux). Son principal intérêt est sa rapidité d'accès, et son principal défaut le nombre de transistors nécessaires à sa réalisation, ce qui réduit la densité de points mémoires sur un même support en silicium.

Point mémoire dynamique (DRAM)

Cette technologie s'appuie sur la capacité d'un condensateur C à stocker l'énergie électrique pour conserver un bit (fig. 3). La représentation d'un bit par une charge électrique permet de réduire à deux le nombre de transistors utiles et donc de diviser par trois la surface de silicium nécessaire pour représenter un point mémoire dynamique DRAM par rapport au point mémoire statique SRAM. Cette technologie permet ainsi d'obtenir une très grande densité d'intégration. Son principal défaut est lié aux courants de fuite électriques qui, même très faibles, déchargent progressivement le condensateur au cours du temps. Pour pallier ce phénomène indésirable, il est indispensable d'entretenir périodiquement (toutes les 1 à 20 millisecondes, soit 500 à 1 000 fois par seconde) la charge électrique en rechargeant le condensateur C. Cette opération est appelée le rafraîchissement du point mémoire dynamique. La gestion des composants utilisant cette technologie est rendue plus complexe par le fait que le rafraîchissement doit être prioritaire sur toute autre opération (lecture ou écriture), ce qui a un impact direct sur le temps d'accès aux données.

Point mémoire Flash

Les deux mémoires à semi-conducteurs précédentes présentent un défaut majeur : elles ne conservent leur information que lorsque le système est électriquement alimenté. Dès que l'alimentation électrique est coupée, celles-ci perdent irrémédiablement leur contenu. Le point mémoire Flash permet de résoudre ce problème. Son principe consiste à transformer un transistor FAMOS (floating gate avalanche injection MOS) en piège à électrons au moyen d'une grille flottante. Si on polarise l'électrode de commande (gate) tout en envoyant une impulsion électrique (tension de programmation de l'ordre de quelques volts) entre les deux autres électrodes (source et drain), le transistor « part en avalanche » : les électrons se multiplient et acquièrent suffisamment d'énergie pour traverser l'oxyde isolant et se retrouver piégés dans la grille flottante. À partir de cet instant, même si l'on supprime la tension de programmation, ces électrons restent prisonniers et la grille flottante reste chargée en permanence. Ce phénomène reste stable pendant une dizaine d'années et permet de conserver durablement une information binaire. À titre d'exemple, c'est ce principe qui est utilisé pour stocker l'information dans une clé USB (universal serial bus).

Technologie magnétique

Dès 1950, la technologie magnétique a été identifiée comme une alternative viable pour le stockage permanent des informations. Elle nécessite un support en plastique (Mylar⌖), ou en verre, recouvert de fines particules d'oxyde de fer ou de chrome agglomérées (fig. 4). Pour écrire sur ce support, le champ magnétique produit par un électroaimant au niveau de son entrefer permet d'orienter (de polariser) les particules d'oxyde dans une direction donnée (orientation + ou orientation –). L'information binaire est donc représentée par l'orientation magnétique des particules d'oxyde de fer. Après passage de l'entrefer, les particules conservent cette orientation et forment un champ magnétique rémanent. Pour lire les données magnétiques, il suffit de déplacer l'électroaimant sur le support magnétisé, et les variations de champ magnétique du support induisent alors le champ électrique correspondant sur l'électroaimant. Pour écrire ou lire l'information magnétique, il faut effectuer une translation mécanique de l'électroaimant au-dessus de la surface élémentaire polarisée, qui est toujours plus lente qu'un accès purement électrique seulement cadencé par le mouvement des électrons dans les matériaux semi-conducteurs.

Technologie optique

Pour cette technologie, le support pratique est un cédérom ou un DVD. Dans les deux cas, il s'agit d'un disque dur de plastique polycarbonate transparent sur lequel est déposée une fine couche réfléchissante en aluminium (fig. 5). Cette couche n'est pas parfaitement plane et contient des alvéoles profondes de 168 nanomètres (10^—9 mètres). Les alvéoles sont encore plus réduites pour un DVD. La succession d'alvéoles et de zones plates représente l'information binaire. La couche aluminium est protégée par une peinture acrylique sur laquelle l'utilisateur qui grave un cédérom vient en pratique écrire son libellé.

Pour lire les données, la technologie optique utilise un faisceau laser qui se déplace en dessous du disque, traverse le polycarbonate et se réfléchit sur la couche aluminium. Comme la profondeur des alvéoles correspond à un quart de la longueur d'onde du laser, l'onde lumineuse réfléchie dans une alvéole parcourt une moitié de longueur d'onde de plus que celle se réfléchissant sur un plat. Lorsque le laser est au-dessus d'une alvéole, l'onde et sa réflexion sont déphasées d'une demi-longueur d'onde et s'annulent, selon le principe des interférences destructrices. La photodiode traduit la présence d'alvéoles en 1 logique, et l'absence en 0 logique ; elle convertit ainsi l'information optique en information électrique.

Les cédéroms inscriptibles (CD-R pour CD-Recordable) ou les DVD-R (DVD recordable) introduisent une couche supplémentaire organique entre la couche aluminium et la couche polycarbonate. Sous l'action d'un rayon laser dix fois plus puissant que pour une simple lecture, il est possible de brûler (donc d'inscrire de manière inaltérable) une zone spécifique de cette couche organique en fonction des données à écrire. Enfin, les cédéroms réinscriptibles (CD-RW pour ReWritable) ou les DVD-RW (DVD ReWritable) utilisent les changements de phase d'un produit composite à base d'argent, d'antimoine, de tellure et d'indium pris en sandwich entre deux couches diélectriques pour représenter l'information binaire. Dans son état cristallin, la couche composite est réfléchissante. Dans son état amorphe, obtenu par une impulsion laser, elle devient opaque. Dans cette technologie, c'est donc le changement de phase obtenu sur une surface élémentaire du support cédérom qui sert à représenter l'information binaire. Comme ce procédé est réversible, il est possible d'effacer et de reprogrammer un cédérom réinscriptible des dizaines de fois.

Type d'accès

L'accès à l'information enregistrée dans les mémoires est fonction de la technologie utilisée. Il est de trois types : matriciel, séquentiel et mixte.

Accès matriciel, direct ou aléatoire

Dans toutes les mémoires à semi-conducteurs, les points mémoires sont organisés en structure matricielle (fig. 6). Chacun d'entre eux est un élément de la matrice qui est accessible au moyen de son numéro de ligne et de son numéro de colonne. Ces numéros sont eux-mêmes obtenus à partir de l'adresse fournie par le processeur. Le nombre de colonnes correspond à la largeur de mot mémorisable. Parce qu'il suffit de modifier l'adresse pour accéder à d'autres lignes de la matrice et que le temps nécessaire à cet accès est indépendant de la valeur de l'adresse, on dit qu'une mémoire à semi-conducteurs est à accès direct ou à accès aléatoire. C'est d'ailleurs sous le nom de RAM (random access memory, mémoire à accès aléatoire) que les Anglo-Saxons connaissent les mémoires à semi-conducteurs. Les mémoires SRAM, DRAM et Flash sont donc toujours structurées sous forme de matrices.

Accès séquentiel

Pour être lus ou écrits, les points mémoires utilisant la technologie magnétique ou optique nécessitent le déplacement relatif du support contenant les données par rapport au dispositif de lecture/écriture, ce qui implique un accès séquentiel aux données. Tout dispositif mémoire utilisant une bande magnétique fonctionne selon ce principe. La piste magnétique est déroulée devant la tête de lecture/écriture qui reste fixe et décode ou écrit les données. Avant d'accéder à l'information souhaitée, il est donc nécessaire de parcourir toutes celles qui la précèdent, ce qui fait que le temps d'accès dépend de la position spatiale de l'information recherchée sur le support.

Accès mixte

L'accès mixte ou semi-séquentiel combine les deux types précédents. C'est le cas, par exemple, du fonctionnement du disque dur (fig. 7). Le disque magnétique qui le compose comporte plusieurs pistes, et chaque piste contient plusieurs secteurs. Le disque magnétique est relié à un moteur d'entraînement qui le fait tourner à grande vitesse (de 5 000 à 10 000 tours par minute) sur son axe. L' électroaimant (aussi appelé tête de lecture/écriture) est fixé sur un bras qui se déplace radialement par rapport au disque, et le bras est lui-même contrôlé par un moteur pas à pas permettant le positionnement précis de l'électroaimant sur n'importe quelle piste du disque. L'accès à une piste particulière est direct à partir de son adresse (le numéro de piste), mais il faut attendre que la tête de lecture soit au-dessus du secteur souhaité pour y accéder. L'accès au secteur est donc séquentiel. En pratique, un disque dur contient de 5 à 15 disques magnétisés sur chaque face, et donc le double de têtes de lecture/écriture.

Volatilité

La volatilité caractérise l'aptitude d'un dispositif mémoire à conserver ses données lorsque celui-ci n'est plus électriquement alimenté. Un système informatique, dès qu'il est sous tension, consomme de l'énergie électrique. Dans le cas d'un système autonome (système embarqué), cette énergie est produite par une batterie capable de délivrer le courant nécessaire au bon fonctionnement pendant une période de temps définie et généralement réduite. Dès que l'on supprime l'alimentation d'un tel système, les points mémoires statiques et dynamiques perdent irrémédiablement leur contenu. Le contenu des mémoires SRAM et DRAM est donc très volatil de ce point de vue. En ce qui concerne les technologies à semi-conducteurs, le point mémoire Flash est le seul capable de conserver intactes ses informations pendant plus de dix ans sans être alimenté. Les technologies magnétiques et optiques, quant à elles, permettent d'obtenir la non-volatilité des données car elles fonctionnent selon des principes physiques qui n'entraînent pas de consommation électrique. Pour cette raison, les sauvegardes de données importantes se font sur des supports stables et robustes comme les disques durs, les cédéroms, les DVD ou les bandes magnétiques. Cependant, même si les informations inscrites sur ces supports sont codées de manière redondante, il faut savoir que les clés USB ne peuvent être reprogrammées qu'un nombre relativement faible de fois (de l'ordre de 10 000), qu'un support optique peut être rayé de manière irréversible et qu'un disque magnétique est fragile et possède une durée de vie finie.

La volatilité correspond aussi à la fréquence avec laquelle un point mémoire est modifié. Une donnée écrite sur un cédérom a ainsi une volatilité nulle car elle est stockée dans des points mémoires optiques non modifiables, tandis qu'un registre de processeur, constitué autour de points SRAM, est une ressource extrêmement utilisée (plusieurs millions d'accès par seconde).

Temps d'accès et temps de cycle

Le temps d'accès correspond à l'intervalle de temps séparant la demande en lecture/écriture et la disponibilité de la donnée. Le temps de cycle, quant à lui, représente la période de temps minimale entre deux accès successifs à un dispositif mémoire. Pour une mémoire dynamique, le temps de cycle est la somme du temps d'accès et du temps nécessaire à la réécriture de la donnée à la même adresse (sous peine de perdre la donnée). Même si ces temps correspondent physiquement à des sous-multiples de la seconde (milliseconde, microseconde, nanoseconde, picoseconde), les concepteurs de systèmes choisissent en général de les exprimer en nombres de cycles d'horloge nécessaires au système pour que les échanges processeur/mémoire se passent correctement.

Débit

Le débit représente le volume d'informations échangées par unité de temps. Il se mesure en bits ou multiple de bits par seconde.

Granularité

La granularité représente le nombre d'octets déplacés lors d'un transfert entre deux dispositifs mémoires. Lorsque le microprocesseur consulte ou écrit dans un de ses registres internes, la granularité peut être de 1 bit. Lorsque le système accède à un secteur du disque dur, c'est en général pour lire ou écrire des secteurs entiers, de 512 ou 1 024 octets.

Capacité de stockage

La capacité de stockage représente le volume d'informations binaires (en multiples du bit) que le dispositif peut effectivement stocker. La capacité s'exprime en puissances du bit ou de l'octet (1 kilo-octet = 2¹⁰ = 1 024 octets ; 1 méga-octet = 2²⁰ = 1 048 576 octets ; 1 giga-octet = 2³⁰ = 1 073 741 824 octets ; 1 téra-octet = 2⁴⁰ = 1 099 511 627 776 octets). Ces chiffres sont toujours légèrement supérieurs aux puissances de 10 correspondantes (kilo pour 10³ ; méga pour 10⁶ ; giga pour 10⁹ ; téra pour 10¹²).

Consommation

Le transistor MOS, qui sert à réaliser les points mémoires à semi-conducteurs, est un composant électronique actif de très faible dimension (de l'ordre du dixième de micromètre). Jusqu'à présent, la consommation d'un transistor était surtout liée au nombre de transitions (passage de 0 à 1 ou de 1 à 0) qu'il subissait par seconde sur sa sortie (c'est ce que l'on appelle la consommation dynamique du transistor en action). Aujourd'hui, la dimension des transistors, de l'ordre de quelques nanomètres, fait qu'ils consomment également du courant en l'absence de transition sur leur sortie (consommation statique) ; cette consommation est due aux fuites de courant dans la structure submicronique des transistors. Ce phénomène est à l'origine de la consommation toujours croissante des systèmes informatiques. Pour les disques durs et les lecteurs de cédéroms, la présence de parties électromécaniques comme des moteurs d'entraînement fait que la consommation en fonctionnement est loin d'être négligeable.

Coût par bit

Le coût par bit correspond en fait à la représentation économique des critères de classification précédents. Comme tout bien économique, ce qui est rare, performant ou nouveau est cher. Le monde numérique génère chaque jour une quantité astronomique de données archivées et le coût par bit ne fait que décroître. Ce coût est aujourd'hui 3 000 fois moins important qu'en 1985.