Cartouches de jeu et technologie pour faire durer les données à jamais

Les cartouches de jeu sont peut-être les plus robustes de tous les systèmes de stockage courants. À moins d’une force traumatique contondante ou de l’application de surtensions électriques aux connecteurs de bord de la cartouche, il est difficile d’endommager une cartouche de jeu par accident. Il en va de même pour les données les concernant, que l’on parle d’une cartouche Atari 2006 de la fin des années 1970 ou d’une cartouche Nintendo 64 des années 1990.

La sauce secrète ici sont les masques ROM (MROM), qui sont des puces de mémoire en lecture seule qui transforment littéralement le logiciel en un périphérique de mémoire matériel. Une couche de masque unique à chaque ensemble de données est utilisée lors de la métallisation des interconnexions pendant la fabrication de la puce. Cela signifie que les données qui y sont stockées sont aussi durables que le processeur de la console de jeu elle-même. Pourtant, ce n’est pas une technologie que nous pouvons utiliser dans nos propres projets de loisirs, et elle n’est pas disponible pour le stockage de données personnelles à long terme en raison des coûts associés à la fabrication de ce qui est essentiellement une puce personnalisée.

Malgré sa valeur de stockage véritablement persistant, le MROM est tombé en disgrâce au fil des décennies. Vous serez peut-être surpris de constater qu’une grande partie de ce qui est actuellement utilisé sur le marché de la consommation est sujette à la corruption des données sur des périodes allant d’un an à une décennie en fonction des conditions environnementales.

Alors, que devons-nous faire si nous avons besoin de données en lecture seule qui devraient rester lisibles pour les décennies à venir?

Les nombreuses saveurs du rappel total

Masquez les CI ROM à côté d’un dé.

Le «M» dans la ROM (mémoire) est disponible dans une variété de types; MROM est dans la catégorie «programmable une fois» avec PROM. Certains types peuvent être écrits à plusieurs reprises, tels que EPROM (où le premier nécessite une lumière UV pour effacer le contenu) et EEPROM, où le «E» supplémentaire signifie qu’il peut être effacé avec un courant électrique. Le stockage magnétique est parmi les plus faciles à lire et à (ré) écrire, c’est pourquoi les bandes magnétiques, les disquettes et les disques durs étaient ou sont le support de stockage de choix dans un certain nombre de domaines.

Enfin, il y a les types de mémoires «  clignotent et c’est parti  », comme la SRAM et la (S) DRAM, qui nécessitent une source d’énergie constante pour conserver leurs données intactes.

Le type de mémoire que l’on choisit dépend ici en grande partie des besoins. Pour la mémoire système, la RAM offre un accès aléatoire et à faible latence aux données, tandis que pour le stockage à long terme (au-delà d’un redémarrage du système), le stockage magnétique a été une destination préférée, avec NAND Flash (le frère d’EEPROM) de plus en plus populaire. Le principal avantage de NAND est qu’il est plus rapide.

Ensuite, il y a les données qui devraient survivre à la vie du système, telles que le BIOS et les éléments essentiels similaires qui sont nécessaires pour que le système démarre. Ici, les EPROM étaient courantes jusqu’à ce que l’EEPROM la mette en faillite il y a quelques décennies. La conservation des données d’une EEPROM moderne est estimée à environ 10 ans, après quoi elle peut commencer à perdre les données stockées.

La principale raison de la perte de données dans les EPROM, EEPROM, Flash et autres périphériques de stockage à grille flottante MOSFET similaires est la perte de la charge stockée dans des condensateurs essentiellement minuscules, soit en tant que facteur de temps, soit en raison des dommages accumulés par les écritures. . Cela montre également pourquoi ces périphériques de stockage ne sont pas idéaux pour le stockage à long terme.

Revival à l’état solide

CD SNES
Le seul prototype SNES-CD (PlayStation) connu.

On s’est souvent demandé pourquoi les consoles modernes n’utilisent pas de cartouches si elles sont si durables et offrent des temps d’attente proches de zéro. La raison en est remontée au début des années 90, lorsque Nintendo et Sony ont travaillé sur leur infortuné projet SNES-CD, Sega a développé leur module complémentaire Sega CD, Hudson Soft a sorti son module complémentaire PC Engine CD-ROM, et Sony a bien sûr lancé sa première d’une gamme de consoles PlayStation sans cartouche. Le principal avantage des CD-ROM: environ 650 Mo d’espace par disque contre des dizaines de Mo par cartouche.

Alors que la vidéo Full-Motion et des fonctionnalités similaires sont devenues une caractéristique distinctive de la guerre des consoles des années 1990, ni l’avènement des écrans de chargement, ni les joies de l’échange entre les deux disques ou plus que les jeux sur CD-ROM présenteraient souvent, ne seraient dissuader les fans ou les éditeurs de jeux. La duplication de CD-ROM était un processus simple et bon marché, avec des mises à jour du logiciel sur le disque possibles pendant une production sans coûts excessifs.

À cet égard, il est peut-être ironique que la PlayStation 5 de Sony fasse maintenant tout son possible pour éliminer les temps de chargement que l’utilisation de supports optiques (actuellement BluRay) entraîne. Au cours des dernières générations de consoles, l’approche de Sony (et de Microsoft) s’est éloignée de la lecture du jeu à partir du disque, en les utilisant plus comme des disques d’installation comme le ferait un PC. De cette façon, les jeux fonctionnent à partir du disque dur interne (beaucoup plus rapide).

La PlayStation 5 et la dernière cubetastic XBox de Microsoft utilisent des disques SSD NAND Flash au lieu de disques durs mécaniques. Cela leur permet d’utiliser directement le GPU pour les transferts de stockage via PCIe (NVMe), une fonctionnalité qui sur PC s’appelle «DirectStorage» dans la nomenclature DirectX et est essentiellement une sorte de DMA. Peut-être aussi ironiquement, cette évolution vers l’utilisation de DMA pour charger des ressources de jeu à partir de supports SSD ramène plus ou moins ces consoles dans des cartouches. Juste avec des temps d’installation supplémentaires, à partir du disque ou en téléchargeant le logiciel, une étape qui pourrait être ignorée en vendant le jeu sur une carte compatible NVMe que vous colleriez dans la console lorsque vous voudriez jouer au jeu.

Belles données que vous avez là

Personne n’est surpris qu’une cartouche de jeu de 1979 fonctionne encore aujourd’hui dans la console de jeu d’origine. Après tout, nous ne nous attendons pas à ce que les ASIC des années 1970 se soient effacés comme par magie. De même, nous nous attendons à pouvoir lire des CD audio des années 1980 et des cassettes audio des années 1960, mais qu’en est-il des CD-ROM gravés de, disons, 1998, ou des photos que vous avez enregistrées sur une carte SD de 128 Mo seulement quelques années? plus tard?

La réponse rapide est «cela dépend», principalement des conditions dans lesquelles le périphérique de stockage est conservé. Les CD-ROM sont peut-être les plus connus ici, la «pourriture du disque» étant un phénomène bien connu. Les CD-ROM ont également la couche porteuse de données sur le côté opposé de l’étiquette, ce qui signifie qu’une rayure sur l’étiquette rendra le disque illisible. C’est un défaut que les DVD ont corrigé, mais comme les disques optiques sont constitués de couches collées ensemble, ils sont tous susceptibles de pourrir et / ou de délaminer.

Modèle de base d’un transistor à grille flottante.

NAND Flash et d’autres types de stockage qui reposent sur le stockage d’une charge électrique (Floating Gate MOSfet, FGMOS) dépendent des structures résistives entourant l’élément chargé pour éviter les fuites d’électrons. Malheureusement, une propriété de FGMOS est que l’écriture (changer la charge) dans une cellule endommage ces structures. Le passage à un flash NAND de densité plus élevée dans les nœuds de processus de fabrication ASIC plus petits signifie des structures plus petites qui s’endommagent plus facilement.

Le résumé de base ici est que la durée de conservation des données d’un appareil FGMOS dépend de sa rétention de données nominale initiale, moins le nombre de cycles d’écriture, multiplié par un facteur spécifique à l’appareil. En termes simples, plus vous écrivez sur un appareil FGMOS, plus ses performances de rétention de données seront mauvaises, comme cela est également mentionné dans cet article de 2017. Cela signifie que la carte SD de 128 Mo susmentionnée d’il y a vingt ans pourrait bien convenir, car elle utiliserait un nœud de processus plus ancien et plus robuste. La question principale est alors de savoir combien de fois la carte a-t-elle été écrite avant d’être mise de côté?

Une dernière considération pour les dispositifs FGMOS est l’impact de la température. En 2015, les gens ont été choqués d’apprendre que lorsqu’ils étaient stockés à 30 ° C, les lecteurs Flash NAND ne seraient garantis de conserver leurs données que pendant environ un an et environ une semaine à 55 ° C. Chez Anandtech, ce problème a été analysé plus en détail, bien que cela n’enlève rien au fait que laisser une carte SD ou un SSD dans une voiture garée à l’extérieur ou dans un loft pendant l’été n’est probablement pas utile pour la conservation des données.

Pas de réponse facile

La méthode de stockage la plus appropriée semble principalement dépendre de ses besoins et de la manière dont l’économie se penche à ce moment-là. Pour une production à grande échelle, MROM est toujours très pratique car il permet d’ajouter littéralement le firmware d’un produit avec le reste de l’ASIC personnalisé, tout en garantissant que les données ne seront jamais modifiées. PROM est une autre option ici, qui nécessite une étape de programmation supplémentaire (souffler des efuses ou équivalent), mais offre par ailleurs beaucoup des mêmes avantages que MROM.

Pour les applications embarquées, l’EEPROM haute endurance (souvent appelée Flash) est couramment utilisée, ainsi que la PROM (puces dites programmables à usage unique). EEPROM donnerait au moins une décennie de performances garanties, PROM pratiquement infinie.

Démontage complet de la cartouche Switch et tir de la ROM.

Pendant ce temps, Nintendo utilise apparemment un type de mémoire Flash appelé XtraROM de Macronix pour ses cartes de jeu Switch. Cet XtraROM est évalué pendant 20 ans à 85 ° C, les gens du forum AtariAge spéculant sur sa durabilité.

En associant ces chiffres à l’article AnandTech référencé précédemment sur la rétention des données NAND Flash, il semblerait qu’avec un peu de chance, une cartouche Switch pourrait encore fonctionner dans 30 à 40 ans, tout comme les cartouches de jeu Atari et NES que nous utilisons aujourd’hui, puisqu’ils seraient vraisemblablement stockés à température ambiante ou à quelque chose de proche pendant la majeure partie de sa vie. Cela suppose bien sûr que Macronix a fait sa projection correctement.

Sur Mars, la NASA Curiosité rover a eu du mal avec la mémoire Flash dans ses deux cœurs informatiques redondants. La désactivation d’une partie de cette mémoire a résolu le problème au départ, mais l’équipe Curiosity a effectué un dépannage à distance aussi récemment que l’année dernière.

Planifiez la persistance dont vous avez besoin

L’essentiel des choses semble être que si vous allez envoyer quelque chose dans l’espace ou sur une autre planète ou tout aussi éloignée, vous voudrez probablement mettre tous les éléments essentiels tels que le système d’exploitation et d’autres fichiers de base dans MROM ou PROM. Pour les consoles de jeux vidéo, c’est un peu plus difficile à dire. Pour utiliser des jeux vidéo en ce moment, aujourd’hui, toute méthode de stockage est bonne, mais acheter une cartouche Switch en 2040 et constater que ses données sont corrompues serait quelque peu tragique.

Le stockage à long terme sur des cartes SD comme j’ai vu certaines personnes le faire (par exemple, enregistrer une carte microSD avec de la documentation sur un projet) peut être acceptable pendant environ une décennie à température ambiante, à moins que vous ne soyez malchanceux. Ne comptez certainement pas sur le système d’exploitation sur une carte SD bourrée dans un environnement industriel chaud pour le faire durer quelques années.

Dans un proche avenir, le PCM (en tant que 3D XPoint) pourrait offrir les avantages de l’endurance d’écriture de type stockage magnétique ainsi que de la rétention des données. Pourtant, comme l’a dit un jour un sage: « Une copie d’un fichier n’est pas une copie. » En gros, continuez à faire ces sauvegardes et peu importe à quel point vous pensez que votre système est à l’épreuve des balles, ajoutez toujours plus de redondance que vous ne pensez avoir besoin.

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