Memória Flash (atualizado)

Diferentemente da memória RAM e também das SRAM, a memória Flash permite armazenar dados por longos períodos, sem precisar de alimentação elétrica. Este simples fato acabou fazendo com que a memória Flash se tornasse uma das tecnologias mais importantes das últimas décadas, possibilitando o surgimento dos cartões de memória, pendrives, SSDs, celulares, câmeras e players de mídia com armazenamento interno e assim por diante.

Se a memória Flash não existisse, todas essas áreas estariam muito atrasadas em relação ao que temos hoje. Os celulares e os palmtops provavelmente ainda utilizariam memória SRAM para armazenar os dados e seriam por isso mais caros e perderiam os dados quando a bateria fosse removida. Os pendrives simplesmente não existiriam e os cartões de memória estariam estagnados nos cartões CompactFlash, utilizando microdrives ou pequenas quantidades de memória SRAM alimentada por uma pequena bateria. Formatos mais compactos, como os cartões SD e miniSD simplesmente não existiriam.

Nem todos os chips de memória Flash nascem iguais. Embora a função seja sempre a mesma (armazenar dados), existem diferenças nas tecnologias usadas, que determinam onde o chip será usado.

Existem dois tipos de memória Flash. A primeira tecnologia de memória Flash a se popularizar foi o tipo NOR, que chegou ao mercado em 1988. Os chips de memória Flash NOR possuem uma interface de endereços similar à da memória RAM, incluindo o suporte ao XiP (eXecute in Place), que permite que softwares armazenados no chip de memória Flash sejam executados diretamente, sem precisarem ser primeiro copiados para a memória RAM.

Isso permite que eles sejam usados para armazenar o BIOS da placa-mãe e firmwares em dispositivos diversos, que antes eram armazenados em chips de memória ROM ou EEPROM. Nos primeiros PCs, por exemplo, o BIOS da placa-mãe era gravado em um chip de memória ROM e por isso não era atualizável, a menos que o chip fosse fisicamente substituído.

O problema com as memórias NOR é que elas são muito caras e, embora as leituras sejam rápidas, o tempo de gravação das células é muito alto. Em um chip de memória NOR típico, as operações de gravação demoram cerca de 750 nanosegundos, no que é várias ordens de magnitude mais lento do que em um chip de memória RAM.

No caso do BIOS da placa-mãe, isso não é um grande problema, pois você só precisa atualizá-lo esporadicamente, mas os chips de memória Flash NOR não seriam muito adequados para uso em um SSD, por exemplo.

Chips de memória Flash NOR de acesso serial, como os usados para
gravar o BIOS em placas-mãe atuais

As memórias NOR chegarem a ser utilizados em muitos palmtops e smartphones (até por volta de 2006) para armazenar o firmware do sistema, mas nesse caso ela era usada apenas para leitura, com todas as operações de escrita sendo feitas em um chip de memória SRAM ou Flash NAND separado. A vantagem nesse caso é que o boot era um pouco mais rápido, já que o sistema podia rodar diretamente a partir da memória Flash, sem precisar ser primeiro copiado para a memória RAM. Eles são também muito utilizados em dispositivos mais simples, como impressoras, modems ADSL, pontos de acesso e outros, armazenando o firmware do sistema.

De volta aos PCs, as memórias Flash NOR chegaram a ser utilizadas nos primeiros cartões de memória PCMCIA e CompactFlash, mas elas desapareceram desse ramo quando foram introduzidas as memórias NAND, que rapidamente se tornaram as mais populares.

Nelas, cada célula é composta por dois transístores, com uma fina camada de óxido de silício precisamente posicionada entre os dois, que armazena cargas negativas. Isso cria uma espécie de armadilha de elétrons, que permite manter os dados por longos períodos de tempo, sem que seja necessário manter a alimentação elétrica (como nas memórias SRAM), ou muito menos fazer um refresh periódico (como na memória DRAM). Isso simplifica muito o design dos cartões, pendrives e outros dispositivos, pois eles precisam incluir apenas os chips de memória Flash NAND, um chip controlador e as trilhas necessárias (nada de baterias, circuitos de refresh ou qualquer coisa do gênero). Aqui temos um diagrama da Intel que mostra uma célula de memória Flash NAND:

Pelo diagrama você pode notar que embora mais complexa que uma célula de memória RAM (onde temos apenas um transístor e um capacitor), a célula de memória Flash ocupa pouco espaço, pois o segundo transístor é posicionado sobre o primeiro. Graças ao tamanho reduzido das células, cada chip de memória Flash NAND armazena uma quantidade muito maior de dados, o que faz com que o preço por megabyte seja muito mais baixo.

Além de mais baratas que as NOR, as memórias NAND também são muito mais rápidas na hora de gravar dados. A principal limitação é que elas são endereçadas usando páginas de 4 KB (ou 2 KB, dependendo do design do chip) e acessadas através de um barramento serial. Ou seja, do ponto de vista do sistema, um cartão de memória Flash NAND está mais para um HD do que para uma unidade de memória. Você pode usá-lo para guardar dados, mas na hora que o sistema precisa rodar um programa, precisa primeiro copiá-lo para a memória RAM, da mesma forma que faria ao usar um HD.

A partir de 2006, até mesmo os smartphones e palmtops passaram a utilizar chips de memória NAND para armazenar o firmware e os aplicativos instalados, em vez de um chip separado de memória XOR.

Isso se tornou possível graças ao uso de sistema de execução dinâmica, onde os aplicativos são primeiro copiados da memória Flash para a memória RAM e executados a partir dela. Esse esquema é muito similar ao que temos num PC, onde os arquivos são salvos no HD, porém processados usando a memória RAM.