III) La mémoire centrale

a) Définition 

  • La mémoire vive ou RAM (Read Access Memory) : C’est une zone de stockage temporaire destinée aux données et aux programmes. Sous forme de barrettes, elle réside sur la carte mère de l’ordinateur. Elle est utile pour stocker ponctuellement les informations nécessaires aux traitements numériques de l’ordinateur (des logiciels en particulier). Autrement dit, la mémoire vive est une mémoire rapide, qui emmagasine les données utiles et utilisées régulièrement, puis les restitue sur demande des traitements, en temps réel. Aussi, cette mémoire vive est volatile. Elle est donc remise à zéro à chaque fin d’utilisation, lors d’un redémarrage de l’ordinateur par exemple. Elle libère également les informations numériques qu’elle ne traite plus en temps réel, c’est le cas lors de l’ouverture du logiciel Microsoft Word qui sollicite la RAM afin de mettre en mémoire les informations utiles aux traitements (le noyau du logiciel en lui-même est mis en mémoire, mais aussi le fichier de travail et d’autres informations), puis à la fermeture du logiciel, toutes les informations misent en mémoire pour ces traitements sont libérées. C’est pour cela que beaucoup de logiciels d’applications ouverts en même temps monopolisent plus de mémoire, et par conséquent, font ralentir considérablement l’ordinateur. Il existe deux type de mémoire RAM :

-    La mémoire vive dynamique (DRAM) : c'est la RAM classique, utilisée comme mémoire centrale de l'ordinateur pour y stocker notamment les programmes en cours d'exécution.

-   La mémoire vive statique (SRAM) : elle est beaucoup plus rapide et est utilisée notamment dans les processeurs comme mémoire cache, ce qui permet d'augmenter les performances du processeur en réduisant les temps d'accès aux données.
 



SDRAMUne barrette de mémoire SRAM.

 

 

 

 

 

 

  • La mémoire Flash : La mémoire flash est une mémoire de masse à semi-conducteurs ré-inscriptible, c'est-à-dire une mémoire possédant les caractéristiques d'une mémoire vive mais dont les données ne disparaissent pas lors d'une mise hors tension (non volatile). Ainsi, la mémoire flash stocke les bits de données dans des cellules de mémoire, mais les données sont conservées en mémoire lorsque l'alimentation électrique est coupée. Sa vitesse élevée, sa durée de vie et sa faible consommation (nulle au repos) la rendent très utile pour de nombreuses applications : appareils photo numériques, imprimantes, ordinateurs portables ou dispositifs de lecture et d'enregistrement sonore comme les baladeurs numériques, clefs USB. De plus, ce type de mémoire ne possède pas d'éléments mécaniques, ce qui lui confère une grande résistance aux chocs. On distingue deux types de mémoire Flash :

    -         La Flash NAND : Elle est de type séquentiel. Les opérations de lecture et d’écriture ne s’effectuent pas immédiatement à l’adresse demandée mais procèdent par blocs entiers d’adressage mémoire. La lecture est plus lente qu’avec une mémoire flash NOR mais en contrepartie, l’écriture est nettement plus rapide, la capacité de stockage plus élevée et les puces moins coûteuses à fabriquer. Elle sert donc principalement au stockage de données.

    -          La Flash NOR : Les temps d'effacement et d'écriture sont longs, mais elle possède une interface d'adressage permettant un accès aléatoire et rapide quelle que soit sa position. Elle est adaptée à l'enregistrement de données informatiques qui sont rarement mises à jour. Une flash NOR est adressée de façon linéaire afin de permettre l'exécution directe d'un code programme.

 

Cle-USB.jpg

 

                                   Un clé USB de 2 GOs.

 

 

 

 

 

 

b) Historique

 

La mémoire à tube de Williams (qui utilise les charges résiduelles laissées sur l'écran d'un tube cathodique après qu'il ait été frappé par le faisceau d'électron) fut mise au point en 1948.

Memoire-a-tube-de-WIlliams.jpeg

Une mémoire à tubes.

Une image est créée sur l’écran d’un tube cathodique (1 bit par pixel) après qu’il ait été frappé par un faisceau d’électrons. Le temps de réponse de l'écran produit l'effet de mémoire à condition de rafraîchir l'image toutes les 300ms. Une électrode est associée à chaque pixel et permet la lecture.

 

 

Une mémoire à tores de Ferrite, crée en 1951.Memoire-a-tores-de-ferrite.jpg

Les tores sont de petits anneaux en matériau magnétique (la ferrite), organisés  en matrice (comme un tableau).Chaque tore est traversé par 3 fils très fins, qui permettent de l'aimanter dans un sens, ou dans l'autre (on change les pôles Nord-Sud en faisant circuler un courant). Le troisième fil sert à « lire » l'état du tore, aimantation NS ou SN, qui valent respectivement  0 et 1 et représentent ainsi un bit.


Memoire-a-semi-conducteurs.jpg

 

Une nouvelle mémoire apparaît dans les années 1970, la mémoire à semi-conducteurs. Les caractéristiques principales en sont un temps d'accès réduit et une miniaturisation incessante qui permet de baisser les coûts par unité de mémoire et d'augmenter la capacité disp onible dans les systèmes. Cette mémoire se distingue des mémoires de l’époque, car elles sont basés sur des signaux électriques et non magnétiques. La RAM et la ROM font partie de ce type de mémoire.

 

Enfin, la Clé USB est la dernière invention de support mémoire Flash importante de notre génération, apparue vers 2006.

 

 

 

 

 

c) Fonctionnement

 

 

Mémoire de type Flash : Exemple de la Clé USB

 

  Les mémoires de type flash sont intégrées dans les clés USB. Une clé USB embarque dans une coque plastifiée un connecteur USB et de la mémoire flash, une mémoire à semi-conducteurs, non volatile et réinscriptible, c'est-à-dire une mémoire possédant les caractéristiques d'une mémoire vive mais dont les données ne se volatilisent pas lors d'une mise hors tension. Les clés USB sont alimentées en énergie par la connexion USB de l’ordinateur sur lequel elles sont branchées. Leur intérêt est leur très petite taille, l’absence de pièces mécaniques (qui s’endommageraient rapidement lors de chocs) et leur capacité à conserver l’information sans avoir besoin d’une alimentation électrique.

 

   La mémoire Flash de la clé USB repose sur la structure MOS. MOS signifie « Métal/Oxyde/Semiconduteur », conformément à l’empilement des matériaux qui la composent. Le métal constitue ce qu’on appelle la grille (G), l’oxyde (O) est un matériau isolant, et le semiconducteur est souvent du silicium. dopé P. De chaque côté, des semiconducteurs dopés de l’autre nature (donc ici, dopé N) constituent ce qu’on appelle le drain et la source. Une structure MOS peut être assimilée à une cellule, située sur une colonne et un ligne précise dans la mémoire, comme une adresse.

 

 

Fonctionnement-transistor-MOS.pngUn semiconducteur en temps normal ne peut pas conduire le courant, en temps normal la structure MOS sera donc isolante : aucun courant ne peut passer entre le drain et la source. (la répartition des électrons dans ce dispositif selon la température)  Mais lorsque l’on applique une tension VG à la grille, il se produit une courbure de bandes dans le semiconducteur dopé P.

 

 

 

   Si la tension VG devient supérieure à une certaine valeur critique notée Vth, il se forme alors dans le matériau une zone enrichie en électrons de conduction : un canal se forme, qui autorise les électrons à passer du drain vers la source. La structure permet désormais de conduire le courant.

 

   Cependant, dès que l’on enlève la tension de grille, la structure redevient isolante ; elle ne peut donc pas retenir l’information. Ce genre de structure est utile pour les mémoires de type RAM, qui vont "rafraîchir" la cellule à intervalles réguliers pour qu’elle ne perde pas son information ; mais ici nous nous intéressons à la mémoire flash, il faut donc trouver un moyen de retenir l’information même en l’absence de rafraîchissement.

 

   On ajoute donc une seconde grille, dite grille flottante, faite dans un matériau à base d’azote. Comme cette grille est entourée d’un matériau isolant, si l’on y injecte des électrons, ces électrons y resteront piégés avec une durée de vie de plusieur s années.

Pour la lire structure MOS , on applique une tension à la grille de contrôl e, égale à la tension critique Vth, ce qui permet de faire circuler le courant dans laLecture-MNOS.png str  ucture ; cela équivaut à lire un 1. En revanche, si des électrons sont piégés dans la gr ille flottante, le comportement est différent. Lors de la lecture, la même tension Vth est appliquée à la grille de contrôle, mais cette fois cette tension est écrantée, autrement dit amoindrie, à cause des électrons présents dans la grille flottante. Du coup, la courbure de bandes est aussi amoindrie, et il n’y a pas de canal à se former dans le semiconducteu r : la structure est isolante, ce qui équivaut  à lire un 0. 

  

 

Ecriture mémoire FlashA gauche : L’application d’une tension importante sur la grille de contrôle, et d’une tension positive sur le drain, va "pincer" le canal et forcer l’injection d’électrons dans la grille flottante. (0)

 

 

A droite : L’application d’une tension négative importante sur la grille de contrôle va fortement repousser les électrons, qui passeront par effet tunnel et seront évacués. (1)

 


 

La mémoire flash est donc elle aussi une mémoire numérique, lisant et écrivant les données sous forme de bits.