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Cartes mémoires

-Dossier-

vendredi 4 janvier 2008

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DOSSIER RECAPITULATIF


CARTES MEMOIRES


TRICART CELINE

Introduction
Quelques précisions sur la mémoire dite « flash »

Cartes mémoires : Technologie

Memory Stick
Compact Flash

PCMCIA

SD CARD
Panasonic et la carte P2

Sony et la carte SxS
REDONE et le SATA FLASH 1’8

Conclusion
Sources

INTRODUCTION

Aujourd’hui plusieurs solutions de tournage « sans bande » sont proposées par le marché. Moins onéreuses, et souvent plus pratique pour la post-production numérique, ses solutions se divisent en trois catégories : Le stockage sur disque dur, sur disque optique, ou bien sur cartes mémoire. Les cartes mémoire arrivent à suivre avec difficulté sur le débit (du fait de leur petite capacité, les meilleures plafonnent à 20 Mo/s), mais sont favorisées sur le temps d’accès, quasi-immédiat. Je vais m’intéresser à cette dernière catégorie, mise à la mode par les récentes évolutions du matériel Panasonic et de ses cartes P2…

En effet les cartes mémoires sont rapides, sans mécanique et relativement petites, ce qui permet de les empiler et même de mutualiser l’enregistrement sur plusieurs destinations simultanées afin d’augmenter les débits. En 2003 Panasonic introduisait dans le monde des professionnels de la prise de vue ses solutions à base de cartes mémoires baptisées P2. 2005 les premiers caméscopes/APN grand publics apparaissent avec des solutions MPEG-4 sur cartes SD, parallèlement de nouveaux caméscopes apparaissent avec un disque dur intégré et en 2007 Sony emboîte le pas à Panasonic et instaure sa propre solution de tournage sur cartes mémoires pour les professionnels : les cartes SxS…

 

Quelques précisions sur la mémoire dite « flash »

La mémoire flash est une mémoire de masse à semi-conducteurs réinscriptible, 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. 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 (et même nulle au repos) la rendent très utile pour de nombreuses applications : Appareils photo numériques, téléphones cellulaires, imprimantes, assistants personnels (PDA), ordinateurs portables ou dispositifs de lecture et d’enregistrement sonore comme les baladeurs MP3, clef USB. De plus, ce type de mémoire ne possède pas d’éléments mécaniques, ce qui lui confère une grande résistance aux chocs.

La mémoire flash est un type d’EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory = mémoire morte) qui permet la modification de plusieurs espaces mémoires en une seule opération. La mémoire flash est donc plus rapide lorsque le système doit écrire à plusieurs endroits en même temps.

La mémoire flash utilise comme cellule de base un transistor MOS possédant une grille flottante enfouie au milieu de l’oxyde de grille, entre le canal et la grille. L’information est stockée grâce au piégeage d’électrons dans cette grille flottante. La technologie flash se décline sous deux principales formes : flash NOR et NAND, d’après le type de porte logique utilisée pour chaque cellule de stockage. L’écriture et l’effacement des données dans une mémoire Flash (on parle de programmation) s’effectuent par l’application de différentes tensions aux points d’entrée de la cellule. Ces opérations soumettent la grille flottante à rude épreuve ; on estime qu’une mémoire Flash peut supporter jusqu’à 100 000 écritures et effacements, selon la qualité de l’oxyde utilisé pour la grille.

Il existe des système de fichiers spécialement conçus pour la mémoire flash : JFFS, JFFS2, YAFFS. Ils permettent, entre autres, d’éviter la réécriture répétée sur une même zone, ceci afin de prolonger la durée de vie de la mémoire flash.

NOR

La flash NOR fut la première à être développée, inventée par Intel en 1988. Les temps d’effacement et d’écriture sont longs mais elle possède une interface d’adressage permettant un accès aléatoire et rapide à n’importe quelle position. Le stockage des données est 100 % garanti par le fabricant.

Elle est adaptée à l’enregistrement de données informatiques destinées à être exécutées directement à partir de cette mémoire. Cette caractéristique est appelée XIP (eXecute In Place). De fait, la quasi totalité des OS des appareils électroniques grand public sont stockés dans une mémoire NOR, que ce soit dans les téléphones portables (principal marché des Flash NOR), les décodeurs télés, les cartes mères ou leurs périphériques (imprimantes, appareils photos, etc.).

Du fait de son coût, bien plus élevé que celui de la NAND et de sa densité limitée, elle n’est en général pas utilisée pour le stockage de masse.

NAND

La flash NAND, développée par Toshiba, suivit en 1989. Elle est plus rapide à l’effacement et à l’écriture, offre une plus grande densité et un coût moins important par bit. Toutefois son interface d’entrée / sortie n’autorise que l’accès séquentiel aux données.

Le fabricant en général ne garantit pas le stockage des données à 100 % mais un taux d’erreurs inférieur à une limite donnée. Cette fiabilité limitée nécessite la mise en place d’un système de gestion des erreurs (ECC - Error Code Correction, Bad blocks management, etc.) au niveau de l’application — comme cela est le cas, par exemple, pour les disques durs. Cela tend à limiter — au niveau système — sa vitesse effective de lecture et à compliquer le boot direct à partir d’une mémoire NAND. De ce fait elle est moins bien adaptée que la NOR pour des applications de type XIP. Elle est donc utilisée pour le stockage d’informations. Quasiment toutes les mémoires de masse externes MultiMediaCard, Secure Digital et Memory Stick sont basées sur ce format.

Cartes mémoires : Technologie

Une carte mémoire est une unité de stockage de données numériques utilisée le plus souvent pour le stockage des clichés numériques dans les appareils photo numériques, pour la sauvegardes de parties sur consoles de jeux vidéo, mais aussi dans des lecteurs de musique MP3 ou des appareil électroniques professionnels.

Généralement ces cartes sont incompatibles les unes par rapport aux autres. Cependant il existe sur le marché des petits boîtiers multilecteurs (en anglais « Multi-Card Reader »), utilisables par le port USB ou PCMCIA de l’ordinateur, ou intégrés dans les ordinateurs fixes ou portables, et capables de lire de nombreux formats. Il existe également des adaptateurs pour lire un type de carte sur un appareil destiné à lire un autre type : par exemple lire une CompactFlash sur un port PCMCIA. Toutefois, ces adaptateurs peuvent lire un type de carte qui est compatible. Comme dans l’exemple CompactFlash et PCMCIA, ces deux formats sont compatibles puisque les cartes CompactFlash sont en quelque sorte des cartes PCMCIA miniaturisées.

Différentes cartes  :

  • La carte SD ou Secure Digital : Elles ont le même format physique que les MMC et sont compatibles avec celles-ci. Elles s’en distinguent par la possibilité de chiffrer les données et de gérer les « droits d’auteurs ».
  • La carte CF ou CompactFlash : Il s’agit en fait de cartes PCMCIA raccourcies. On distingue les cartes CompactFlash de type I (CFI) et de type II (CFII) qui se distinguent par l’épaisseur. Dans les cartes CompactFlash, on trouve aussi les Microdrive (les premiers furent lancés par IBM) qui sont des micro disques durs. La capacité maximale admise par la norme 2.0 utilisée actuellement est 137 Go. C’est le modèle de carte utilisé pour les appareils photo professionnels.
  • La carte MS ou Memory Stick : Elle offre un stockage maximal de 8 Go fin 2006. Elle est surtout utilisée par les APN de la marque Sony. Il y en a plusieurs variantes (Pro duo, micro...), censé remplacer les SmartMedia. De taille beaucoup plus petite et plus rapide, mais plus chère.
  • La carte XD ou XD-Picture Card : Elle offre un stockage maximal de 2 Go en septembre 2006. Elle est surtout utilisée par les APN des marques Olympus et Fujifilm
  • SmartMedia cards (SM) : Support fin, sans électronique embarquée. En voie de disparition : les constructeurs qui soutiennent ce format passent au xD Picture. De plus, il existe deux types de cartes suivant l’alimentation (3 V ou 5 V). Appelées aussi SSFDC (Solid State Floppy Disk Card).
  • La carte MMC ou MultiMedia Card : Cartes beaucoup plus petites que les précédentes.
  • La carte PCMCIA : Carte d’un gabarit plus important, se connectant directement sur le port PCMCIA des ordinateurs portables.
  • Mini SD : version réduite de la SD classique, utilisée dans certains téléphones mobiles anciens, elle est généralement livrée avec un adaptateur pour les lecteur SD classiques.
  • Micro SD ou Transflash : version minuscule de la SD, souvent utilisée dans les téléphones portables et également vendue avec un adaptateur pour les SD classiques.
  • SDHC : (SD High Capacity) : Version améliorée des SD, pour pallier à la limite des 4 Go des SD classiques, elles sont déclinées dans les 3 formats SD, Mini SD et Micro SD
  • SSD : Type de cartes flash utilisant la technologie SLC (certains constructeurs produisent des SLC en utilisant la technologie SaDPT (Self-Aligned Double Patterning Technology)), elles ont un temps de réponse beaucoup plus court, un meilleur débit et des capacité mémoires plus élevée, certains constructeurs produisent déjà (fin 2007) des puces SSD de 32Go.

Tailles comparées des différentes cartes

(toutes les dimensions en mm, et les masses en grammes)

Type

Largeur

Profondeur

Épaisseur

Masse approximative

CompactFlash I

42,6

36,4

3,3

(variable)

CompactFlash II

42,6

36,4

5

(variable)

MultiMediaCard

24

32

1.4

2

Secure Digital

24

32

2,1

3

SmartMedia

37

45

0,76

2

MemoryStick

21,5

50

2,8

4

MemoryStick Duo

20

31

1,6

2

xD Picture

24,9

20,1

1,8

3

Micro SD/TransFlash

15

11

1

1

MiniSD

20,3

20,3

1,3

2

Memory Stick

La mémoire Memory Stick (notée MS) est un type de carte mémoire créé conjointement par Sony et SanDisk en janvier 2000. L’architecture des cartes Memory Stick est basée sur des circuits de mémoire flash de type NAND. La mémoire Memory Stick originale est de petites dimensions (21,5 mm x 50 mm x 2,8 mm), équivalentes à celles d’une petite boîte d’allumettes, et pèse à peine 4 g.

La Memory Stick se décline dorénavant en trois dimensions :

Memory Stick : 50 x 21,5 x 2,8mm. Poids : 4g ;

Memory Stick Duo : 31 x 20 x 1,6mm. Poids : 2g ;

Memory Stick Micro ou M2 : 15 x 12,5 x 1,2mm. Poids : 1g.

Si le Memory Stick a rétréci pour s’intégrer dans les appareils mobiles ultra compacts, il délivre néanmoins les mêmes fonctions et performances que le Memory Stick de taille "standard". Seuls les qualificatifs PRO, PRO High Speed ou PRO-HG témoignent d’une différence de technologie. C’est pourquoi, il existe des adaptateurs pour insérer et utiliser les cartes Duo ou Micro dans des lecteurs pour Memory Stick classiques. Il en existe également un pour utiliser les cartes Micro dans un lecteur de cartes Duo.

Toutes les cartes actuelles au format Standard et Duo sont équipées d’un connecteur latéral possédant 10 broches. Les cartes Micro comportent 11 broches et les futures technologies PRO-HG nécessiteront un connecteur à 14 contacts.

Pour une compatibilité ascendante avec les anciens appareils, les cartes Memory Stick PRO et plus récentes sont également capables de fonctionner en série mais avec des débits inférieurs. Les lecteurs MS Pro peuvent lire et écrire des cartes MS classiques, mais les lecteurs MS classiques ne peuvent ni lire ni écrire les cartes MS Pro.

De plus, pour lire les cartes Memory Stick PRO d’une capacité supérieure à 2 Go, votre appareil doit non seulement prendre en charge les Memory Stick PRO, mais aussi utiliser le système de fichier FAT32.

La technologie « Magic Gate » est la solution Sony de protection des droits d’auteur, utilisée notamment dans le format audio ATRAC 3. Cela n’empêche en aucun cas les appareils n’utilisant pas cette technologie de fonctionner avec des cartes Magic Gate.

Il existe aussi un modèle particulier, dit « with Memory Select Function » (à sélection de mémoire), qui sépare physiquement la mémoire disponible en 2 parties égales. Le choix de l’une ou l’autre partition se fait par un interrupteur au dos de la carte.

Utilisation Cinéma : La carte Memory Stick est principalement utilisée pour stocker des données caméra, comme des LUT, des choix de gamma etc. par exemple sur les camera HD Sony.

Compact Flash

La mémoire CompactFlash (notée parfois CF) est un type de carte mémoire créé en 1994 par la firme SanDisk. La mémoire CompactFlash est constituée d’un contrôleur mémoire et de mémoire flash contenus dans un boîtier de faibles dimensions (42,8 mm de largeur et 36,4 mm de hauteur), de taille inférieure à une petite boîte d’allumettes, et pesant 11,4 g. Les capacités disponibles actuellement vont de 8 Mo à 16 Go.

Les cartes CompactFlash sont conformes à la norme PCMCIA si ce n’est que le connecteur possède 50 broches au lieu des 68 broches des cartes PCMCIA. Cependant, la norme CF respecte la norme ATA malgré les broches manquantes. Ainsi il est possible d’enficher une carte CompactFlash dans un emplacement PCMCIA passif de type II. Les CF fonctionnent aussi bien à la tension de 3,3 V qu’à 5 V.

Il existe deux types de cartes Compact Flash : Les cartes CF-I et les cartes CF-II qui ne se distinguent que par leur épaisseur (les CF-I font 3,3 mm d’épaisseur, contre 5 mm pour les CF-II). Une carte CF-I rentre donc dans un support CF-II, mais pas le contraire.

 La consommation électrique est identique pour les deux formats. Il y a deux vitesses principales de fonctionnement, définies par les version 1.0 (CF original) et 2.0 (CF+ / CF2.0) des spécifications. Les CF+ offrent un débit maximal de 16 Mo/s et une capacité maximale de 137 Go. La spécification 3.0 des cartes CF définit un débit maximal de 66 Mo/s pour une capacité maximale inchangée. Il est recommandé d’utiliser des cartes dites rapides pour les appareils reflex numériques. En effet la rapidité d’enregistrement des cartes risque de jouer sur la vitesse maximale du mode rafale de ces appareils (nombre maximal d’images par seconde).

Le format Compact Flash est aussi utilisé pour fournir des cartes de communication, telles que modems, cartes Ethernet, ports série, adaptateurs bluetooth ou wifi, etc. La plupart sont au format CF-I. Enfin, des cartes CF-II contenant un mini disque dur magnétique microdrive sont commercialisées.

Ce support de stockage présente toutefois une fragilité liée à l’utilisation de multiples broches pénétrantes. C’est une des raisons de son abandon progressif, dans le cadre d’un usage grand public, au profit du format SD qui offre des capacités de stockage désormais très proches tout en étant plus robustes (contacts externes) et plus compactes.

Sa fiabilité face aux autres supports en fait la carte privilégiée des professionnels de la photographie.

Utilisation Cinéma : La compact Flash a été adoptée par Grass Valley pour son « Infinity », en complément des disques REV : Deux emplacements à compact flash sont proposés. REDONE propose aussi en option pour sa camera un emplacement à CF, et travaille actuellement à la conception de CF de 32 et 64Go.

PCMCIA

Le format PCMCIA offre la possibilité d’effectuer des branchements à chaud (Hot Plug en anglais), c’est-à-dire qu’on peut brancher et débrancher les cartes sans éteindre et redémarrer l’ordinateur ou le périphérique. Ce bus informatique a une longueur de 32 bits (au format CardBus, et 16 bits au format PC Card) et est cadencé à 33 MHz. Il peut transmettre 32×33×106 bits par seconde soit 132 Méga-octets par seconde de débit théorique.

Il en existe deux sortes, numérotées 1 et 2. La deuxième comporte trois sous-types différenciés par leur épaisseur :

  • Type I, épaisseur 3,3 mm. C’est la carte la plus fine, elle est utilisée pour la mémoire flash.
  • Type II, épaisseur 5 mm. Elle est utilisée pour le modem et la carte réseau.
  • Type III, épaisseur 10,5 mm. C’est la carte la plus volumineuse, elle est utilisée pour le disque dur et les cartes combinées modem/réseau.

Le format "PC Card", décrit ci-dessus ne subit plus de développement. Il est remplacé par un nouveau format l’ExpressCard. Dont le développement est toujours contrôlé par l’association "PCMCIA".

Utilisation Cinéma : Actuellement aucune caméra ne fonctionne avec des cartes PCMCIA, néanmoins la plupart des cartes se veulent compatibles avec ce format, afin d’offrir la possibilité de plugger les cartes directement sur un port PCMCIA.

SD CARD

Compatible avec la carte MMC, elle s’en distingue toutefois par la possibilité de chiffrer les données et de gérer les « droits d’auteurs » via le standard SDMI. Elle dispose aussi d’un interrupteur permettant d’interdire toute tentative d’écriture de données (suppression, modification comme création de fichiers).

La vitesse d’une carte se compte en fois (×), 1× signifie un débit en écriture de 150ko/s, comme un CD-ROM. Les cartes font en général 45×, 80×, 90× et 150× même si les modèles les plus rapides (et chers) atteignent 300×. Les débits de lectures sont plus rapides d’environ 16 %.

En mai 2006, sous l’impulsion de la SD Card Association (qui regroupe les constructeurs de cartes), il a été décidé de ne plus indiquer la vitesse d’écritures des SD cards en "(×)" mais d’utiliser le terme « classe » pour indiquer les vitesses supportées par ces mêmes cartes, le numéro de classe étant indiqué dans un petit cercle sur la carte.

Les cartes peuvent ainsi être classé dans l’une des ces trois catégories, dépendant de leur vitesse d’écriture :

Carte de classe 2 : vitesse de 2 Mio/s ou plus ;
Carte de classe 4 : vitesse de 4 Mio/s ou plus ;
Carte de classe 6 : vitesse de 6 Mio/s ou plus ;

En 2006, une nouvelle spécification SD voit le jour : SDHC 2.0 (HC pour High Capacity ou haute capacité). Cette spécification a pour but de contourner la limitation à 4 Go du précédent format, notamment en utilisant le format de fichiers FAT32. Les cartes SDHC peuvent contenir de 4 à 32 Go de mémoire. Attention, un équipement (lecteur MP3, téléphone mobile ou appareil photo numérique) qui peut recevoir une telle carte doit mentionner spécifiquement sa compatibilité.

Un autre format de carte a vu le jour récemment, le format "Mini-SD". Ce format de carte, de plus petite taille, est utilisé principalement dans les baladeurs audio-numériques, les téléphones GSM les plus récents et les consoles de jeux de nouvelle génération. La capacité de stockage varie de 256 Mo à 2 Go pour ce format.

Utilisation Cinéma : Les cartes P2 de Panasonic (cf. chapitre suivant) sont constituées à la base de quatre SD CARD en série…

Panasonic et la carte P2

P2, synonyme de fiche de connexion professionnelle, est une carte mémoire compacte à semi-conducteurs, conçue pour les usages AV professionnels. Fondamentalement, quatre cartes mémoire SD sont regroupées pour créer une carte P2 unique. Converti en grappe RAID 0, ceci donne à P2 quatre fois la vitesse de transfert et quatre fois la capacité d’une carte mémoire SD unique. Une carte P2 mince et d’une forte capacité de 8 Go (AJ-P2C008HG) peut contenir 32 minutes d’enregistrement codec DVCPRO/DV tout en ne pesant que dans les 45 grammes. Répondant aux standards des cartes PC (type II), la carte P2 se connecte directement sur l’emplacement pour carte PCMCIA d’un ordinateur portable.

 Les données AV se regroupent instantanément en un fichier MXF à chaque coupe. Les données peuvent être utilisées immédiatement - sans numérisation - pour l’édition non linéaire ou elles peuvent être transférées sur un réseau. Les cartes P2 transfèrent les données à une vitesse maximale de 640 Mbps .

Les cartes P2 sont d’une grande fiabilité même dans des conditions difficiles. Elles résistent aux chocs de 1.500 G maximum et aux vibrations de 15 G maximum, elles fonctionnent sous des températures allant de -20 à 60°C et elles peuvent être stockées sous des températures comprises entre -40 et 80°C. Pour ce qui est de leur stabilité, les cartes P2 durent plus longtemps que les cartes d’ordinateur courantes. Leur connecteur, par exemple, a été conçu pour des usages professionnels et a subi avec succès les tests d’introduction/de retrait de plus de 30 000 cycles. Les cartes P2 ont également un commutateur d’interdiction d’écriture, ce qui empêche d’effacer des données par inadvertance.

Le seul désavantage de ces cartes est leur prix - 700 $ pour une carte de 8 Go, 1 800 $ pour la version 32 Go .

Utilisation cinéma : Les cartes P2 accompagnent la plupart des caméras de la gamme Panasonic, et plusieurs enregistreurs portables sont proposés afin de décharger les cartes en tournage. Les divers logiciels d’editing prennent en charge le format issu des cartes P2.

Sony et la carte SxS

Sony France a présenté récemment la caméra XDCAM EX annoncée au NAB et qui devrait sortir en fin d’année 2007. Cette caméra propose un enregistrement sur une nouvelle cartes flash : la carte SxS, de type PCI-Express. Le format exploité serait du MPEG-2 TS 4:2:0 en 25Mb/s CBR (1440×1080 pixels (HDV)) ou 35Mb/s VBR (1920×1080 pixels ou en 1280×720 pixels). Pourtant les cartes SxS présentent un débit maximal de 800Mb/s.

Les ports intégrés à la caméra sont bien des ports ExpressCard donc Sony joue bien la carte d’utilisation du standard ExpressCard sans création d’une version propriétaire (contrairement par exemple à la démarche de Sony dans le domaine des cartes mémoires avec son modèle maison "Memory Stick"). Le prix des cartes mémoires PCI-Express est annoncé à un prix inférieur à leur équivalent à capacité égale en PCMCIA.

Contrairement aux modèles présentés par Transcend récemment, les cartes SxS utiliseront le lien PCI-Express de l’ExpressCard, et pas le lien USB 2.0. Les cartes SxS sont au format ExpressCard/34, et Sandisk annonce un taux de transfert de 100 Mo/s (800 mégabits), mais n’indique pas s’il s’agit de la vitesse d’écriture ou de lecture.

Utilisation Cinéma : La carte SxS vient de faire son apparition avec la première caméra Sony dite « XDCAM EX ». A suivre sur la suite de la gamme ?

REDONE et le SATA FLASH 1’8

REDONE propose en option sur sa caméra trois lecteurs/enregistreurs de cartes mémoire différents : Un emplacement pour Compact Flash, un pour ExpressCard/34, et enfin un pour SATA FLASH 1’8.

Le SATA FLASH 1’8 est basé sur la technologie de mémoire flash, sur la base d’un disque dur magnétique standard. Il se branche sur slot IDE ou SATA, et agit comme un disque dur classique. Il a été testé pour plus de 3 millions d’heures de fonctionnement.

Peu d’informations sont disponibles sur les véritables avantages/inconvénients de ce système…
 


CONCLUSION :

A l’évidence, la tendance actuelle est à l’augmentation des capacités des différentes cartes mémoire, la barre des 64Go est à peine atteinte, et presque déjà dépassée. Cela attire les regards des constructeurs de caméra, qui y voient un moyen léger et pratique de stocker les ruches, sans le danger présenté par les disques durs, sensibles aux chocs et aux problèmes mécaniques. Le problème reste les débits maximaux d’écriture afin d’envisager d’y stocker un flux 2K voire 4K non compressé. P2 semble avoir temporairement résolu ce problème, en associant quatre SD Cards en RAID 0… 

Si Sony, et RED, proposent à leur tour des solutions à base de cartes mémoire, il faut y voir le signe du développement d’une solution « tape-less » des plus prometteuse…

SOURCES :