Kartu microSD ukurannya cuma 15 x 11 x 1 mm dan beratnya sekitar 0,25 gram, tapi sekarang ada yang berkapasitas 1 TB lebih. Bandingkan dengan hard disk pertama, IBM 350 (1956): kapasitasnya hanya 3,75 MB, ukurannya sebesar dua lemari es, dan beratnya sekitar 1 ton. Rahasianya ada di tiga hal: sel memori yang sangat kecil, satu sel menyimpan banyak bit, dan semuanya ditumpuk ke atas.

Isi sebuah microSD

Kalau dibongkar, di dalamnya hanya ada:

  1. Chip memori NAND flash: tempat data disimpan. Kartu berkapasitas besar berisi beberapa keping (die) yang ditumpuk.
  2. Controller: “otak” kecil yang mengatur baca-tulis, memperbaiki error, dan menyembunyikan kerumitan dari HP atau laptop.
  3. Kontak logam (pin) untuk koneksi, semuanya dibungkus plastik/resin.

Tidak ada bagian yang bergerak, tidak ada baterai. Karena itu microSD tahan guncangan dan datanya tetap ada walau listrik dicabut (non-volatile).

Cara menyimpan 1 bit: menjebak elektron

Unit terkecilnya adalah sel memori, sejenis transistor khusus yang punya “kantong” penyimpan muatan (dulu disebut floating gate, sekarang umumnya charge trap). Kantong ini dikelilingi lapisan isolator sangat tipis.

  • Menulis (program): diberi tegangan tinggi (sekitar 15-20 volt) sehingga elektron “menembus” isolator lewat efek kuantum (tunneling) dan terjebak di kantong.
  • Membaca: elektron yang terjebak mengubah seberapa mudah transistor menyala (threshold voltage). Controller mengukur ini: banyak elektron = satu nilai, sedikit elektron = nilai lain.
  • Menghapus (erase): tegangan dibalik sehingga elektron ditarik keluar.

Karena dikurung isolator, elektron bisa bertahan di sana bertahun-tahun tanpa listrik. Itulah kenapa disebut flash memory: menghapusnya dilakukan sekaligus per blok besar, “dalam sekejap” (flash).

Trik 1: satu sel menyimpan banyak bit

Daripada hanya “ada elektron/tidak ada” (1 bit), jumlah elektronnya dibagi menjadi beberapa tingkat:

Jenis Bit per sel Tingkat tegangan Daya tahan (siklus tulis, kira-kira)
SLC (Single) 1 2 ~50.000-100.000
MLC (Multi) 2 4 ~3.000-10.000
TLC (Triple) 3 8 ~1.000-3.000
QLC (Quad) 4 16 ~500-1.000

Rumusnya: n bit butuh 2ⁿ tingkat. Kebanyakan microSD murah berkapasitas besar memakai TLC atau QLC. Kapasitas jadi 3-4 kali lipat dari SLC dengan jumlah sel yang sama, tapi harganya: makin banyak tingkat, makin tipis jarak antar tingkat, makin mudah salah baca, lebih lambat, dan lebih cepat aus.

Trik 2: sel super kecil

Sel memori berukuran belasan sampai puluhan nanometer (1 nm = sepersejuta milimeter; rambut manusia tebalnya sekitar 80.000 nm). Dibuat dengan teknik fotolitografi yang sama dengan chip prosesor. Di sel modern, beda antara satu tingkat dan tingkat lain kadang hanya puluhan sampai ratusan elektron.

Masalahnya, sekitar tahun 2013-2015 sel datar (planar) sudah hampir mentok: kalau diperkecil lagi, elektronnya terlalu sedikit dan sel saling mengganggu (bocor).

Trik 3: menumpuk ke atas (3D NAND)

Solusinya: bangun gedung bertingkat, bukan memperluas tanah.

  • 3D NAND (Samsung menyebutnya V-NAND, mulai produksi massal 2013) menumpuk sel secara vertikal. Lubang-lubang sangat dalam dibor menembus tumpukan lapisan, dan setiap lapisan yang dilewati lubang menjadi satu sel.
  • Awalnya 24 lapisan; sekarang chip terbaru sudah lebih dari 200 sampai 300-an lapisan.
  • Karena tidak perlu terlalu kecil secara horizontal, sel 3D malah bisa sedikit lebih “longgar” sehingga lebih andal, tapi kepadatannya tetap naik berkali lipat berkat jumlah lantainya.

Trik 4: menumpuk chipnya juga

Satu keping die NAND modern (seukuran kuku kelingking) bisa menyimpan sekitar 1 Tb (terabit) = 128 GB. Untuk kartu 1 TB, sekitar 8 keping die ditumpuk di dalam kartu setebal 1 mm. Supaya muat, setiap wafer silikon diampelas sampai setipis puluhan mikrometer (lebih tipis dari selembar kertas), lalu disambung dengan kabel emas/tembaga super halus (wire bonding).

Jadi kalau dihitung: 1 TB = 8 triliun bit. Dengan QLC (4 bit/sel), itu sekitar 2 triliun sel di dalam benda seberat 0,25 gram.

Peran controller: si pengatur yang tak terlihat

Flash itu sebenarnya “rewel”, dan controller menutupi semua kekurangannya:

  • Tidak bisa menimpa langsung: data ditulis per page (beberapa KB), tapi dihapus per block (beberapa MB). Controller mengatur pemindahan data ini (Flash Translation Layer).
  • Wear leveling: setiap sel punya batas jumlah tulis. Controller menyebar tulisan merata ke semua sel supaya tidak ada bagian yang cepat rusak.
  • ECC (Error Correction Code): sel TLC/QLC sering salah baca sedikit-sedikit. Controller menyimpan data tambahan untuk mendeteksi dan memperbaikinya secara otomatis.
  • Bad block management: blok yang rusak ditandai dan diganti dengan blok cadangan (over-provisioning).

Kenapa kapasitasnya terlihat berkurang?

Kartu 128 GB di Windows tampil sekitar 119 GB. Bukan ditipu: pabrik menghitung 1 GB = 1.000.000.000 byte (desimal), sedangkan Windows menghitung 1 GiB = 1.073.741.824 byte (biner). Ditambah sedikit ruang untuk sistem file.

Label di kartu

  • SDHC (sampai 32 GB), SDXC (sampai 2 TB), SDUC (sampai 128 TB, standar masa depan).
  • Class 10 / U1 / U3 / V30: kecepatan tulis minimum (10 / 10 / 30 / 30 MB/s), penting untuk merekam video.
  • A1 / A2: performa untuk menjalankan aplikasi (baca-tulis acak), penting kalau dipakai di HP atau Nintendo Switch.

Pelajaran

  • microSD menyimpan data dengan menjebak elektron di dalam sel yang dikurung isolator, sehingga data bertahan tanpa listrik.
  • Kapasitas raksasa datang dari empat trik yang dikalikan: sel nanometer x banyak bit per sel (TLC/QLC) x ratusan lapisan 3D x beberapa die ditumpuk.
  • Ada harganya: makin padat, makin lambat dan makin cepat aus. Kartu murah berkapasitas besar cocok untuk menyimpan foto/video, bukan untuk ditulis terus-menerus (misalnya CCTV, kecuali kartu khusus high endurance).
  • Flash tetap bisa rusak atau datanya memudar kalau didiamkan bertahun-tahun, jadi jangan jadikan microSD satu-satunya tempat backup.
  • Waspada kartu palsu: kapasitas “1 TB” yang aslinya 32 GB dan datanya hilang begitu penuh. Cek dengan aplikasi seperti H2testw atau F3.