Cartes SD et microSD : perdus dans la jungle des sigles ? On vous explique tout

Quel que soit le format des cartes (SD ou microSD), il existe quatre normes qui dépendent de la capacité de stockage : 

• SD : jusqu'à 2 Go
• SDHC : jusqu'à 32 Go
• SDXC : jusqu'à 2 To
• SDUC : jusqu'à 128 To

Les plus anciens se souviendront certainement qu'il existait des cartes SD de 4 Go. Parfois identifiées sous l'appellation « SD v1.1 », elles n'avaient rien d'officiel, même si les appareils compatibles cartes SD les acceptaient généralement.

Pour fonctionner correctement, une carte SDHC/XC/UC doit être installée dans un lecteur supportant au moins le même format. Une carte SDXC ne marchera par exemple pas dans un lecteur SDHC. Par contre, la rétrocompatibilité est assurée : un lecteur SDXC lira sans problème une carte SD ou SDHC. 

Notez que la SD Association recommande le formatage exFAT depuis le SDXC (contre FAT12/16/32 précédemment). Un système de fichiers conçu spécialement par Microsoft pour la mémoire flash amovible. Il nécessite une licence spécifique, mais peut être exploité sous la plupart des distributions Linux (via FUSE) et macOS. 

Des alternatives existent cependant. Samsung a par exemple travaillé sur un projet open source, intégré au noyau Linux courant 2012 : F2FS. Le projet est toujours maintenu. 

Six interfaces, jusqu’ à près de 4 Go/s en PCIe 4.0 2x

Viennent ensuite les interfaces, exploitables par les cartes (micro)SD et les lecteurs. Il en existe six, avec des débits allant de 12,5 à 3 938 Mo/s avec la dernière norme SD 8.0 : 

• Default Speed : jusqu'à 12,5 Mo/s
• High Speed : jusqu'à 25 Mo/s
• UHS-I : jusqu'à 104 Mo/s
• UHS-II : jusqu'à 312 Mo/s
• UHS-III : jusqu'à 624 Mo/s
• SD Express : jusqu'à 3 938 Mo/s

Les évolutions se font faites au fil des années. La Default Speed était utilisée au lancement de la norme SD 1.01 en 2000, alors qu'il a fallu attendre 2004 et la version 1.10 pour la High Speed jusqu'à 25 Mo/s. L'Ultra High Speed (UHS-I) est arrivée en 2010 (avec la norme 3.10), suivie par l'UHS-II en 2011 (4.0.0) et l'UHS-III (6.00) en 2017.

Il faudra attendre l’arrivée du SD Express avec la version 7.0 de la norme publiée mi-2018 pour passer aux PCIe 3.0 et NVMe 1.3, avec un débit maximum de 985 Mo/s. Seules les cartes SD étaient alors concernées. En février 2019 la situation a changée avec la SD 7.1 permettant aux cartes microSD de profiter aussi d’une ligne PCIe, avec des débits pouvant atteindre 985 Mo/s.

Norme SD 8.0 : une ou deux lignes PCIe 4.0 et NVMe 1.4

En mai, la norme SD 8.0 est annoncée par la SD Association. Elle permet de profiter de la bande passante doublée du PCIe 4.0 et du NVMe 1.4 au passage. Mais ce n’est pas le seul changement : les cartes peuvent désormais gérer jusqu’à deux lignes PCIe 3.0 ou 4.0, permettant là encore de doubler les débits ; soit une multiplication par quatre en combinant PCIe 4.0 et deux lignes. 

Pour le moment, seules les cartes au format SD peuvent en profiter… en attendant une hypothétique version 8.1 pour les cartes microSD ? 

Quoi qu’il en soit, plusieurs configurations SD Express sont ainsi possibles, avec les débits suivants : 

• 1 ligne PCIe 3.0 : 985 Mo/s (hérité de la norme SD 7.0)
• 2 lignes PCIe 3.0 ou 1 ligne PCIe 4.0 : 1 969 Mo/s dans les deux cas
• 2 lignes PCIe 4.0 : 3 938 Mo/s

Et voilà une troisième rangée de broches…

La SD Association explique que « les cartes SD Express offrant une architecture PCIe 4.0 x1 utilisent le même format que celui défini pour les cartes SD 7.0 avec une deuxième rangée de broches pour réaliser des vitesses de transfert allant jusqu’à 2 Go/s ». Par contre, les cartes « prenant en charge deux voies PCIe (3.0 x2 ou 4.0 x2) comportent trois rangées de broches ».

Cette troisième rangée est une copie conforme de la seconde, ce qui est logique puisque chaque rangée correspond à une ligne PCIe (3.0 ou 4.0).

Une carte SD Express avec une ligne PCIe (3.0 ou 4.0) à gauche, une autre avec deux lignes à droite

Il est donc possible de différencier une carte SD Express exploitant une ou deux lignes PCIe en regardant son dos, mais la SD Association ne propose aucun logo à afficher sur l’avant des cartes ou sur les boites. Quelques soit le nombre de ligne et la version du PCIe, elle sont simplement identifiées SD Express HC, SD Express XC et SD Express UC en fonction de leurs capacités. Difficile dans ces conditions pour le consommateur de s’y retrouver. 

La SD Association renvoie cette responsabilité au bon vouloir des constructeurs… qui sont évidemment bien connu – ou pas – pour jouer le jeu dans ce genre de situation  : « il est fortement recommandé que les fabricants de cartes et de lecteurs indiquent à leurs clients les capacités des produits, c'est-à-dire la génération du PCIe (3.0 ou 4.0) et le nombre de lignes prises en charge, sur les manuels d'utilisation et les emballages ».

Elle précise qu’ils peuvent aussi afficher le débit maximum… oubliant au passage qu’une carte « jusqu’à 2 Gb/s » peut aussi bien être en PCIe 3.0 x2 qu’en PCIe 4.0 x1. Selon la SD Association, de telles précautions « élimineraient les risques de confusion chez les consommateurs  ». On aurait largement préféré qu’elle oblige ses partenaires à indiquer clairement la version du PCIe et le nombre de lignes supportées.

La rétrocompatibilité reste de mise… avec certaines limitations

Comme avec l’USB et le Wi-Fi (entre autres) L’arrivée de nouvelles normes ne coupe pas les ponts avec les anciennes versions. Un lecteur UHS-III permettra de lire le contenu d'une carte High Speed ou UHS-I, tandis qu'une carte UHS-II fonctionnera dans un lecteur UHS-I. Dans tous les cas, l'interface la plus rapide disponible, aussi bien sur le lecteur que la carte, sera utilisée pour les transferts.

Dans le cas du SD Express, une carte mémoire en PCIe 4.0 x2 dans un lecteur PCIe 3.0 x1 ne dépassera pas 985 Mo/s, contre 1 969 Mo/s si le lecteur est en PCIe 3.0 x2 ou 4.0 x1. Par contre, avec un lecteur SD Express PCIe 4.0 x1 et une carte PCIe 3.0 x2, la bande passante sera limitée à 985 Mo/s, alors que les deux sont théoriquement capables de tenir jusqu’à 2 Gb/s chacun de leur côté. On voit ici la limite de la recommandation de la SD Association d’afficher le débit seulement.

Il existe une autre exception avec l'interface SD Express (en PCIe 3.0/4.0 avec 1 ou 2 lignes) : elle ne prend en charge que l'UHS-I maximum pour la rétrocompatibilité (et pas l'UHS-II ou UHS-III). Une carte UHS-III dans un lecteur SD Express sera donc limitée à l'UHS-I et ne dépassera ainsi pas les 104 Mo/s maximum.

L'explication réside dans l'agencement des broches sur les cartes mémoire. Avec l'UHS-II/III, une seconde rangée de connecteurs est apparue sous la principale (voir ci-dessous). Elle est utilisée différemment pour le SD Express (que ce soit avec une ou deux lignes), ne laissant plus que les connecteurs originaux (ceux du haut) pour assurer la rétrocompatibilité. 

L’ensemble de ces informations est regroupé dans le tableau ci-dessous :

Onze classes de vitesse, de 2 à 90 Mo/s en écriture

Définir des débits maximums théoriques pour une interface est une chose, pointer les performances réelles d'une carte mémoire en est une autre. Une information cruciale pour des usages spécifiques, comme dans le domaine de la photo/vidéo, où lorsque ces cartes sont utilisées pour stocker des applications ou un système entier.

C'est dans cette optique que les classes ont été introduites à partir de 2006. Mais elles sont complexes à comprendre puisqu'au nombre de onze, réparties en trois catégories. De plus, elles ne concernent que les débits séquentiels en écriture et ne donnent aucune indication sur les performances en lecture.

Autre problème, leur dénomination peut être source de confusion puisque les classes U1/U3 signifient « UHS Speed Class 1/3 », reprenant le nom de l'interface UHS. Il n'y d'ailleurs a pas de classe U2, dommage pour les amateurs du groupe.

• C2 (Class 2) : au moins 2 Mo/s en écriture
• C4 (Class 4) : au moins 4 Mo/s en écriture
• C6 (Class 6) : au moins 6 Mo/s en écriture
• C10 (Class 10) : au moins 10 Mo/s en écriture

• U1 (UHS Speed Class 1) : au moins 10 Mo/s en écriture
• U3 (UHS Speed Class 3) : au moins 30 Mo/s en écriture

• V6 (Video Speed Class 6) : au moins 6 Mo/s en écriture
• V10 (Video Speed Class 10) : au moins 10 Mo/s en écriture
• V30 (Video Speed Class 30) : au moins 30 Mo/s en écriture
• V60 (Video Speed Class 60) : au moins 60 Mo/s en écriture
• V90 (Video Speed Class 90) : au moins 90 Mo/s en écriture

Notez que les classes C10, U1 et V10 ont toutes les trois la même limite inférieure de 10 Mo/s en écriture ; elles sont donc identiques. Il en est de même pour C6 et V6, ainsi que U3 et V30. 

Les Video Speed Class sont, comme leur nom l'indique, spécialement pensées pour la vidéo... mais ne permettent pas de savoir facilement de quoi il retourne. La SD Association recommande en effet :

• V6 à V30 pour filmer en HD ou Full HD
• V6 à V60 pour passer en 4K UHD
• V60 ou V90 pour de la 8K

On a tout de même vu des numérotations plus intuitives et précises.

Il s'agit là des grandes lignes des différentes interfaces et indices de performance, mais certaines restrictions existent. Les cartes SD Default Speed ne peuvent ainsi être qu'en C2 à C6, les High Speed en C2 à C10 et V6 à V10, tandis que les UHS-I ajoutent U1, U3 et V30. En UHS-II et UHS-II, C2 disparait pour laisse place à V60 et V90.

En complément, les fabricants précisent généralement sur leurs cartes moyen/haut de gamme les débits qu'elles sont capables de tenir selon leurs tests. Selon l'appareil utilisé, il peut être intéressant d'opter pour une certification minimum afin de s'assurer que les performances seront au rendez-vous.

Par exemple, un appareil photo ou une caméra pourrait ne pas pouvoir enregistrer en rafales ou des vidéos en pleine résolution si la carte mémoire est trop lente pour écrire les informations. Dans ce genre de cas, le débit séquentiel en écriture est le plus important à regarder. Ce ne sera pas forcément le cas pour le stockage de l'OS d'un micro PC. 

Des Performance Class A1 et A2 peu ambitieuses

En 2016, la SD Association s'est donc enfin décidée à proposer des indices pour la lecture en plus de l'écriture, mais uniquement pour les performances applicatives. On trouve deux classes de performances applicatives, la plus récente datant de 2017 :

• A1 : 1 500 IOPS en lecture, 500 IOPS en écriture et au moins 10 Mo/s en écriture
• A2 : 4 000 IOPS en lecture, 2 000 IOPS en écriture et au moins 10 Mo/s en écriture

Ces classes A1 et A2 sont symptomatiques du manque d'ambition de la SD Association, tant les débits sont faibles. Proposer seulement un maximum de quelques milliers d'IOPS et 10 Mo/s ne permet pas vraiment de départager des cartes mémoire capables pour certaines d'approcher les 300 Mo/s en lecture et en écriture, dommage.

Ce problème ne touche d'ailleurs pas que les classes A1 et A2 : dans toutes celles proposées, pas une seule ne va au-delà de 90 Mo/s en écriture. Pas question de résultats hors de débits séquentiels, alors que l'information est importante pour certains usages. C'est aussi l'un des points faibles des cartes mémoire (voir ce test). 

LVS : une question de tension

Depuis leur lancement en 2000, les cartes SD fonctionnent à 3,3 volts. En 2017, la SD Association a annoncé le Low Voltage Signaling (LVS) à 1,8 volt. Il existe quatre types de cartes, moins gourmandes en énergie, mais aussi parfois moins rapides : 

• LV50 : interface UHS-I, jusqu'à 50 Mo/s
• LV104 : interface UHS-I, jusqu'à 104 Mo/s
• LV156 : interface UHS-II, jusqu'à 156 Mo/s
• LV624 : interface UHS-III, jusqu'à 624 Mo/s

Les cartes LVS sont compatibles avec les lecteurs LVS et ceux en 3,3 volts. Mais les lecteurs LVS ne prennent en charge que les cartes LVS... à une exception près : « les cartes UHS-II classiques peuvent également fonctionner si un mode UHS-II est disponible par l'hôte et choisi par l'utilisateur ».

La SD Association rappelle en effet qu'une tension de 1,8 volt avait déjà été introduite avec l'UHS-I en 2010, mais l'initialisation demandait toujours une tension de 3,3 volts. En 2011, ce n'était plus le cas avec l'UHS-II (de plus amples informations sont disponibles dans ce document). Il n'existait par contre pas de norme spécifique pour des cartes mémoire à 1,8 volt. Un manque qu'est venu combler LVS.

SD NFC, SmartSD, (i)SDIO, etc.

Les cartes SD proposent des fonctionnalités parfois méconnues et sous exploitées. La SD Association a par exemple annoncé la SD NFC en 2013 : « cette interface permet aux cartes microSD de contenir des applications sans contact utilisant les capacités du contrôleur NFC intégré dans l'hôte ». Elle peut utiliser une interface Default Speed ou UHS-II. De plus amples informations sont disponibles par ici.

Citons également les SmartSD, au format microSD elles aussi. Elles intègrent un élément sécurisé pouvant servir à de l'authentification, du stockage chiffré, du paiement sans contact, etc. « La carte mémoire SmartSD remplit la même fonction qu'une carte à puce, authentifiant et sécurisant les informations d'identification de l'utilisateur », explique la SD Association. Les SmartSD sont une des possibilités offertes par l'ASSD (Advanced Security SD), des technologies permettant de sécuriser les cartes SD.

Le SDIO (composé de SD et IO pour Input/Output ou entrée/sortie) permet pour sa part d'utiliser un emplacement SD pour d'autres périphériques comme un GPS, un modem Bluetooth ou un récepteur radio, à condition que l'hôte soit compatible. Avantage de cette solution selon la SD Association, une carte SDIO est « utilisable sans installer de pilote spécial ».

En 2013, nous avons eu droit à une évolution avec l'Intelligent SDIO (ou iSDIO). Cette fois-ci, la SD Association a combiné les deux mondes : stockage et SDIO. La carte microSD dispose donc d'un espace de stockage interne (comme un modèle classique), avec un module supplémentaire exploitant SDIO. Les détails techniques sont disponibles par là.

Exemple de carte exploitant la norme iSDIO, la Wireless LAN SD Card. Comme son nom l'indique, elle propose du Wi-Fi 4 (802.11n) avec du stockage et peut ainsi se connecter à un réseau sans fil pour transférer des photos sur un serveur. L'annonce de la norme iSDIO avait d'ailleurs provoqué la colère d'Eye-Fi, qui vendait déjà depuis un moment des cartes SD avec du Wi-Fi. Le fabricant a accusé la SD Association de violer ses brevets. 

La SD Association a également lancé TransferJet SD, lui aussi basé sur iSDIO. Cette technologie permet de transférer rapidement des données entre deux terminaux très proches l'un de l'autre (quelques centimètres). De plus, une carte mémoire TransfertJet SD peut être montée sur un autre terminal (disposant d'un récepteur compatible) comme un stockage SCSI. Il y a quelques années, Toshiba avait ainsi annoncé ses cartes TransferJet J301.

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Mise à jour du 22 mai 2020 :

Article modifié suite à l'annonce de la version 8.0 de la norme SD.