Los Disco SSD Superan a los discos mecánicos en capacidad

Cómo se esta logrando fabricar discos duros SSD con mayor capacidad cada año en el mismo tamaño de siempre.

En la Flash Memory Summit de California, Samsung presentó el disco duro más grande del mundo. Lo que es más sorprendente es que sea un SSD de alto rendimiento: 16TB en un disco de 2.5″.

El secreto son los nuevos chips NAND de 256Gbit (32GB), el doble de capacidad que los chips más densos que podemos encontrar en los SSD comercializados este año. Para culminar tal logro, Samsung logró crear un chip con 48 capas de memoria con 3 bits por celda (TLC).

Una pequeña introducción

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.NAND-memoria

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.

Hablemos de estos chips con capas. Tradicionalmente, la mayoría de chips de memoria se desarrollaban en un plano de dos dimensiones. Para añadir memoria, el chip tendría que ser más grande a igualdad de nanometros en el proceso FinFET. Pero esta forma de añadir capacidad tiene un límite muy cercano si se necesita alojar estos chips en un disco SSD de 2.5″.


vnand-samsung

Pese a ser un proceso muy complejo, es fácil entenderlo: las celdas de memorias se incluyen en capas apiladas una encima de otra en lugar de incrementar el espacio 2D del chip tradicional. De esta forma se pueden incluir docenas de capas de celdas de memoria en el mismo espacio. En marketing, los chips VNAND de Samsung, se refieren a NAND Vertical.

No sólo aumenta la densidad de memoria de los chips NAND, se mejora su velocidad, fiabilidad y eficiencia gracias a los avances de la división de semiconductores. Aquí entra en juego las celdas TCL de 3 bits.

La diferencia entre una NAND Single-Level-Cell (SLC) y una Multi-Level-Cell (MLC) es la cantidad 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 (TLC).

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

slc-mlc-tlc-buckets

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), pero compensa enormemente por el incremento de densidad de los chips de memoria. Las memorias VNAND TCL son las responsables de lograr bajar el costo a menos de US$1 por GB.

Orlando Valderrama

Asesor y consultor en Informática e Innovación Tecnológica, Analista de sistemas, programador, Productor Audio Visual, Fotógrafo de Productos y Diseñador. Trabaja tomándole el pulso a la tecnología que llega y también a la que vendrá.