Comprendiendo la tecnología detrás de tu SSD: memorias NAND

Comprendiendo la tecnología detrás de tu SSD: memorias NAND

Breve análisis técnico necesario antes de valorar la tecnología actual y la que está por venir en el almacenamiento del futuro.
NAND-ssd

Para los novatos o principiantes, puede parece que todos los chips de memoria dentro de los SSD puedan ser iguales. Pero esa afirmación no podría estar más lejos de la realidad: 2-bit MLC, 3-bit MLC (TLC), síncrona, asíncrona, SLC, ONFI 1.0 y ONFI 2.0… para el consumidor puede parecer un disparate.

La expansión de los SSD trae avances y mejoras a un ritmo muy veloz y la decisión de compra es cada vez más complicada. Antes de comprender las partes y funcionamiento de un SSD hay que entender qué es una memoria NAND y su proceso de fabricación.

Una pequeña introducción

NAND-memoria

Las memorias flash NAND almacenan los datos en una matriz de celdas de memoria mediante transistores de puerta flotante. Hay dos puertas, la Puerta de Control (GC, Gate Control, arriba) y la puerta flotante (FG, Floating Gate, abajo) aisladas por una capa de óxido.

Los electrones fluyen libremente entre la puerta de control (GC) y el canal (Channel). Cuando se aplica un voltaje a cualquier celda, los electrones son atraídos en el sentido en el que se aplica la tensión, por lo que, para programar una celda, se aplica un voltaje en la puerta de control que atrae electrones hacia arriba.

La puerta flotante, que está eléctricamente aislada por una capa aislante, atrapa electrones a medida que pasan a través de camino a la puerta de control.Pueden permanecer allí años en condiciones normales de funcionamiento.

Para borrar la celda se aplica un voltaje en el sentido contrario (el canal) mientras la puerta de control está conectada a tierra, repeliendo los electrones de la puerta flotante hasta el canal.

Para comprobar el estado de una celda se aplica un elevado voltaje a la puerta de control (GC). Si la puerta flotante mantiene una determinada carga, (los electrones están atrapados allí), la tensión umbral de la celda se altera, afectando a la señal que emana la puerta de control a medida que se desplaza por el canal. La cantidad de corriente requerida para completar el circuito determina el estado de la celda.

Esta actividad eléctrica desgasta la estructura física de la celda con el paso del tiempo. Por lo tanto, cada celda tiene un tiempo de vida finito, medido en términos comprensibles por el consumidor como ciclos de programado y borrado (P/E cycles) y están directamente relacionados con la geometría del proceso (técnica de fabricación) y el número de bits que almacena cada celda. La complejidad del almacenamiento NAND requiere de unos procesos adicionales, incluyendo un gestor de bloques defectuosos, el recolector de basura y el corrector de errores. Todos gestionados por el firmware del SSD.

  • Nota: es muy importante que actualicéis siempre que sea posible el firmware, es un elemento importantísimo en el desempeño del SSD.

SLC, MLC y TLC NAND

La tecnología NAND ha ido progresando rápidamente acorde a las altas demandas de consumidores e industria. Por explicarlo de la forma más sencilla de comprender posible, el dato almacenado en una memoria flash NAND está representado por una carga eléctrica almacenada en cada celda. La diferencia entre una NAND Single-Level-Cell (SLC) y una Multi-Level-Cell (MLC) es lacantidad de bits que puede almacenar esa celda al mismo tiempo, es decir se distinguen niveles en la carga de esa celda y se lee más valores que un 1 o un 0. Las NAND SLC sólo pueden almacenar un bit de información por cada celda. Tal y como sus nombres indican las memorias NAND MLC pueden almacenar 2 bits de datos o 3 bits de datos.

Para entenderlo lo más fácil es representar las celdas como un “cubo” de electrones.

slc-mlc-tlc

La tecnología para discernir el dato es cada vez más compleja a más valores queramos almacenar y leer. Programar una celda con 3 bits (TLC) es más difícil que con 1 bit (SLC).

Ventajas de las memorias NAND MLC

Cuantos más bits puedan ser almacenados al mismo tiempo, más capacidad de datos habrá en el mismo espacio, reduciendo los costos de fabricación e incrementando la capacidad de producción en las NAND. Este fenómeno permitió y permite que las memorias flash NAND estén cada vez más presentes en los dispositivos que usamos. Como podréis intuir la totalidad de SSD vendidos en la actualidad tienen NAND MLC de (2 bit) o TLC (3 bit).

La mejora en cantidad de información que podemos almacenar en un mismo espacio es sumamente sencilla de ilustrar:

NAND

Imaginad un SSD con memorias NAND SLC de 16Gb (16 mil millones de bits o celdas). Si esos chips fuesen MLC de 2 bit tendríamos una capacidad de almacenamiento de 32Gb y si fuese TLC de 48Gb. Mismo espacio y costo aproximado de fabricación.

Limitaciones de las memorias NAND MLC

nand-flash

Por supuesto, añadir más bits en cada celda hace que sea más difícil distinguir entre los estados de la misma, lo cual reduce la fiabilidad, resistencia y rendimiento de la memoria. Determinar si un “contenedor” está lleno o vacía (SLC) es mucho más sencillo que determinar si está a un cuarto completo, medio completo, a tres cuartos de su capacidad, o completamente lleno (MLC). Puede tomar hasta 4 veces más tiempo para escribir y hasta 2,5 veces más tiempo para leer en memorias 3 bits MLC NAND que su predecesor SLC.

Otro efecto secundario de almacenar más bits por cada celda es el incremento del ratio de degradación de las mismas. El estado de cada celda NAND es determinado por el número de electrones presentes en la puerta flotante. Las capas de óxido que atrapan los electrones en la puerta flotante se desgastan con cada programación y borrado de la celda. Con un gran desgaste, los electrones comienzan a escapar más a menudo. Esto no era problema en las NAND SLC ya que el estado era lleno o vacío. Pero con las celdas multi estado la precisión es muy importante, sobre todo en las de 3 bit que necesitan diferenciar entre 8 estados. El problema es que la capa de óxido se hace cada vez más pequeña con cada progreso tecnológico. Menos capa de óxido es menor vida útil de esa memoria.

NAND hoy, NAND en el futuro

Los fabricantes de semiconductores están realizando grandes avances en muy poco tiempo para paliar los problemas que genera emplear la tecnología NAND. Fabricantes como Samsung, uno de los líderes en el desarrollo y fabricación de semiconductores, han logrado controladores con un desempeño sublime que no solo logran no empeorar el rendimiento de los SSD comparados a la tecnología SLC, sino que han aumentado el rendimiento cada año. Los últimos discos duros SSD demuestran que rendimientos y capacidades que creíamos llegarían dentro de muchos años ya están disponibles para los consumidores

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