Carte SD – C’est quoi, comment ça fonctionne ?

Au plus vous avancerez dans la lecture, au plus les racines se développent et la compréhension se complexifie.

Une carte SD c’est une carte mémoire permettant de stocker des données informatiques (donc numériques).

On peut aller s’informer sur le fonctionnement d’une carte SD sur Wikipédia.
[source: wikipedia.org]

Son Look

Elle est reconnaissable par sa

• taille et sa forme rectangulaire de 2,4 x 3,2cm et son épaisseur de 2.1mm,
• son habillage plastique,
• ainsi que par ses 9 broches de connexion.

Ce format de stockage date de Janvier 2000.
A cette date la SD Card Association (SDA), consortium de Panasonic, SanDisk & Toshiba, propose ce format de sauvegarde de données.

Elle a été dans les dernières années rattrapée par les mini SD et les microSD fonctionnant sur le même principe mais en plus petite dimension.

Historique

Jusqu’ici, après que les disques mous (floppy disques) aient été remplacés en par les disques durs, les constructeurs ont cherché à réaliser des périphériques de stockage « morts » plus fiables et plus malléables que ces derniers, pouvant remplacer les CD, clés USB et autres mémoires internes tout en restant amovibles.

Secure Digital

La technologie Secure Digital apparait alors. Un type de mémoire flash de petite dimension permettant également de chiffrer les données et de conserver une trace des droits d’auteurs (au contraire des cartes MMC).

Elle présente également des broches de connections extérieures et une bonne compacité (en comparaison aux cartes compact Flash)

Techno: Mémoire Flash

On apprends sur Wikipédia que les cartes SD ont une technologie de mémoire flash dans un format physique condensé. C’est à dire notamment que c’est une mémoire ré-inscriptible qui ne perd pas les données lors d’une mise hors tension.

La mémoire flash est d’ailleurs elle-même du type EEPROM – Electrically-erasable programmable read-only memory ou mémoire morte effaçable et programmable électriquement. (voir cet article à propos des mémoire ROM sur commentcamarche.net).

Quelle différence avec un disque dur ?

La 1ère différence par rapport à un disque dur, c’est qu’elles ne comportent aucun élément mécanique.

La deuxième différence, c’est qu’elles ne sont pas à lecture/écriture magnétique (orientation de nano-aimants), mais à lecture/écriture électrique (piégeage d’électron dans une grille suite à l’application d’une tension au bornes d’un transistor).

1. Pas d’élément mécanique
2. Pas d’élément magnétisé

 Lire l’article Disque Dur – Comment ça marche ? – Analogie à la roulette du casino

Leur technologie (là c’est vraiment poussé)

Une carte SD est en fait une plaque de silicium sur laquelle on retrouve un circuit intégré comportant une puce de gestion et un élément de stockage.

C’est l’élément de stockage qui nous intéresse.
Cet élément comporte en fait une multitude de micro-transistors MOSFET.

Et un micro-transistors MOSFET c’est quoi ? Attendez, on y arrive.

Qu’est ce qu’un transistor ?

Transistor pour Transfer resistor (résistance de transfert) nous rappelle wikipédia.

Le transistor est un élément électronique à 3 pattes. Son principe de fonctionnement est un peu comme celui d’un interrupteur commandé, ou encore d’un gardien de porte…

Métaphore du gardien de porte

Disons qu’une patte représente l’entrée (face avant de la porte), une autre patte représente la sortie (face arrière de la porte), et enfin la troisième patte représente le canal par lequel le gardien peut recevoir une information: un coup de téléphone par exemple.

Cela fait 2 informations: celle qui attend à l’entrée et souhaite traverser pour aller à la sortie, et celle qui peut parvenir par la patte de commande au gardien.

Si quelqu’un (information 1) se présente à la porte, du côté de l’entrée, il va se retrouver face au gardien. Tant que ce dernier n’aura pas reçu l’ordre d’ouvrir (information 2) , il laissera la porte fermée. Et la personne restera à l’entrée.

Si par contre le gardien reçoit un coup de téléphone par l’intermédiaire de la troisième pâte (information 2), et qu’on lui dit d’ouvrir la porte, la personne (information 1) pourra alors accéder à l’autre côté de la porte, sa sortie.

-> L’information 1 passe grâce à la présence de l’information 2

L’analogie au transistor est simple:

Acceptons tout d’abord, qu’en électronique, dans notre cas, l’information est sous forme de tension électrique.

Une tension électrique se présente à la borne d’entrée. Tant que la borne de commande (3ème patte) n’aura pas été soumise à une autre tension « autorisant » le transfert du signal, le transistor restera « fermé ». Le transistor laissera passer l’information 1 de la borne d’entrée à la borne de sortie, lorsque la tension à sa borne de commande (information 2) aura atteint la valeur de commande spécifique à ce transistor.

En réalité

En réalité il existe des transistors de dimensions variables, avec des technologies différentes, des tensions de commande variables, et normalement passant ou normalement fermés.

Ce qui nous intéresse ici, c’est un certains type de transistor:

Les transistors MOFSET ou à effet de champ à grille métal-oxyde

Je vais essayer de vous le faire court (après avoir ingurgité plusieurs explications sur le net). Comme dans l’explication précédente: 3 pattes, 2 informations. Il est cependant miniaturisable, et ça c’est bon.

Le fonctionnement de ce transistor (sans avoir étudié celui d’un transistor basique) reste à peu près le même que pour tout transistor: à l’application d’une tension sur la borne de commande, le transistor devient passant ou non.

Cependant, ces transistors utilisés dans les cartes SD possèdent une grille isolée électriquement en sa base par une épaisseur de Silicium oxydé: SiO₂ (c’est ce qui le distingue du transistor FET – Field Effect Transistor ou à effet de champ).

Patte 1: Source – Patte 2: Drain – Patte 3 (de commande): Grille

C’est au niveau de cette grille que va s’appliquer la tension de commande.
La porte d’entrée est alors nommée le Drain, et la porte de sortie la Source (ou inversement). Le courant cherche donc à « s’écouler » dans un Canal entre le Drain et la Source dans un sens ou dans l’autre selon que le transistor soit de type P ou de type N (Positif ou Négatif je dirais…).

Lorsque la grille (= borne de commande) est soumise à une tension suffisante (information 2 présente), le canal entre le drain et la source laisse passer l’information 1, sous forme de courant électrique. Le transistor est alors passant (ou l’inverse selon le type de transistor à enrichissement ou appauvrissement). Il est alors traversé par des électrons.

La grille va pouvoir, selon la différence de potentiels électriques a ses bornes (différence de potentiel électrique = tension) se charger d’électrons, malgré qu’elle soit isolée par le métal oxydé. Il faut que cette tension soit importante et au delà de sa tension seuil.

Alors, si la tension aux bornes de la grille est suffisante celle-ci va être traversée par des électron qu’elle va pouvoir emprisonner lorsque l’on coupera cette tension commande. Ces électrons ne pourront plus s’échapper du fait de l’isolation de cette grille.

Retour à l’analogie du portier…

Pour en revenir à notre analogie du portier, c’est comme si dans le cas d’un transistor MOSFET, le portier n’allait ouvrir la porte que lorsqu’on lui met une pression suffisante. Cependant, isolé de ses amis et collègues, il ne pourra se défaire de l’influence de cette pression sur lui. Alors non seulement il aura ouvert la porte sous la pression, mais en plus, même alors qu’on aura arrêté de lui mettre la pression, il restera impacté par ce traumatisme. Il retiendra des électrons en quelque sorte. Cependant, du fait qu’il soit impacté par le traumatisme, il ne voudra plus ouvrir la porte… Sauf si on lui applique une pression encore supérieure, équivalente en surpression par rapport à la précédente, à la pression qu’il aura gardé en lui-même.

Autant dire qu’à force de lui mettre la pression et de la relâcher, le portier risque de claquer.
Et bien c’est pareil avec le transistor de la carte SD. Soumis a des tensions importantes, il ne pourra supporter qu’un certains nombre de cycles, d’écriture surtout. Car pour la lecture, il suffit en fait de demander au portier s’il est cool ou pas… Sous pression il dira qu’il n’ouvrira jamais. Si on lui a dit de se relâcher et qu’il est peace il montrera qu’il peut ouvrir.

Et enfin l’information…

Ainsi donc lorsque le portier reçoit l’information 2 avec une pression suffisante, il laisse passer l’information 1. Une fois qu’on le laisse (que l’on coupe la tension de commande = info 2) il va rester sous pression si on en a décidé ainsi (= grille retenant des électrons), sinon non (=grille toujours neutre).

A droite, la grille flottante n’est pas chargée en électron et ne repousse donc pas les électrons du semi-conducteur, aussi est de ce fait passant.

Lorsque la grille a retenue des électrons (portier sous traumatisme), on pourra tester/lire qu’elle n’est plus passante. Si par contre la grille n’a pas retenu d’électrons (portier sans traumatisme), on pourra tester/lire que la porte est passante.

Voilà donc comment écrire et lire la valeur du transistor:

• portier laissé traumatisé = lecture d’un transistor non passant = grille chargée en életron = 0
• portier non traumatisé = lecture d’un transistor passant = grille non chargée = 1

S’il n’y a pas de charge emprisonnée dans la grille flottante cela correspond à la valeur 1. Dans le cas inverse, ce sera la valeur 0.

Ainsi on code 1bit de donnée, tel que d’habituel dans le Le codage des données en informatique à partir de 0 et de 1.
Lisez l’article à ce propos sur davidtribal.com

Ce fonctionnement est expliqué sur wikipédia, ainsi que sur le blog couleur-science.eu.

Pour pousser encore le bouchon…

Ce qu’on n’a pas encore dit, c’est qu’est ce que le tension suffisante aux bornes de la grille et pour quoi ?

C’est la qu’on va encore plus loin. Car en effet, la grille flottante étant isolée électriquement des contacts extérieurs, il faut qu’il se passe quelque chose pour qu’elle accueille des électrons provenant des milieux externes.

Il y a a priori deux manière de « faire traverser » les couches d’isolants aux électrons:

• l’injection d’électrons chauds (propulsés rapidement et donc avec une énergie « suffisante »)
• l’effet tunnel obtenu en appliquant une haute tension sur la « vraie » grille (appelée grille de contrôle).
  (source wikipédia)

Les électrons chauds vont transpercer le matériaux isolant, tandis que les électrons entrainés par l’effet tunnel empreinte en fait les principes de la physique quantique. Ces derniers, alors définit par la conceptualisation ondulatoire corpusculaire, vont pouvoir traverser la couche d’isolant si celle-ci n’est pas trop épaisse. C’est la valeur de la tension de commande qui va faire varier cette épaisseur. Au plus la tension sera élevée, au moins la couche sera épaisse, au plus les électrons pourront passer.

C’est du fait de cette nécessité de passage d’électrons que l’on applique une tension élevé à la borne commande du transistor et que celui-ci peut s’endommager.

D’où une valeur estimée à 100 000 cycles d’écriture et effacement max pour les mémoires flash SLC…

NAND & NOR

Enfin les deux principales formes de stockage flash NOR et NAND dépende de l’appariement en parallèle ou en dérivation des milliards de petits transistors.

Autres articles liés:

• La durée de vie des cartes SD
• Comment réparer physiquement une carte mémoire protégée en écriture

Sources:

• Comment fonctionne la mémoire flash d’un lecteur SSD ? sur couleur-science.eu
• La mémoire flash [sur agnosys.fr]
• Mémoire Flash [sur Wikipédia]
• La mémoire morte (ROM) sur commentcamarche.net
• La mémoire EEPROM sur wikipedia.org
• Carte SD [sur Wikipédia]
• Transistor [sur Wikipédia]
• Les transistors à effet de Champ FET [sur Wikipédia]
• Les transistors MOFSET ou à effet de champ à grille métal-oxyde [sur Wikipédia]
• Compact Flash [sur Wikipédia]
• Les mémoires Flash [sur feb-patrimoine.com] (principe de fonctionnement d’une cellule de mémoire flash)
• Power point d’un cours d’électronique analogique ici (en vidéo sans explication) ou ici le powerpoint à télécharger (1 Cours dElectronique Analogique ENSPS – 1 ière année. Année universitaire : 2004/2005 Thomas Heiser Laboratoire PHASE-CNRS (Physique et Applications des).
• CMOS, ou Complementary Metal Oxide Semiconductor