Llega una nueva tecnología que emplea memoria NAND para aumentar la fiabilidad de los HDD de alta densidad

La industria de discos duros está siguiendo diferentes enfoques para incrementar la capacidad de los discos duros sin elevar excesivamente los costes. Las ideas que se están desarrollando van desde el aumento de discos y cabezales a la utilización de tecnologías como la grabación magnética escalonada (SMR) o la reducción del tamaño de las pistas para incrementar su densidad en la superficie del disco rígido. Esta línea de desarrollo es la que más aceptación está teniendo, y es la base de tecnologías como HAMR, en la que se utilizan cabezales más precisos y un mayor número de pistas.

Pero a medida que se reduce su ancho y se condensan más, se incrementan los problemas causados por la interferencia entre pistas adyacentes (ATI). Consiste en que, a medida que realizan procesos de escritura en una pista, las que se encuentran junto a ella se van viendo afectadas por los cambios de magnetismo y temperatura, hasta que los datos registrados en ellas se corrompen. Para evitarlo, se utilizan sistemas que vuelven a escribir los datos originales en las pistas, antes de que se degraden, un proceso que reduce el rendimiento general del disco.

El número de escrituras que se pueden llevar a cabo antes de que la interferencia genere problemas ha ido descendiendo de varios miles hasta tan solo 10 (incluso 6), lo que obliga a los fabricantes a innovar y mejorar los sistemas que corrigen estos errores. Hasta hace relativamente poco, se almacenaban en la memoria DRAM los metadatos relativos a las veces que cada sector ha recibido interferencias, cuándo ha sido reescrito por última vez y la posición exacta del cabezal de escritura.

Pero la DRAM es una memoria volátil, que pierde los datos cuando deja de recibir corriente. Por ello, los HDD tradicionales deben inferir o hacer una conjetura fundamentada de en qué pista y posición exacta se habían guardado qué datos. Además, esto implica aumentar los procesos de lectura de los datos originales y de reescritura para evitar la corrupción de la información, un proceso que se denomina actualización ATI.

Para aportar soluciones que permitan seguir aumentando la cantidad de pistas en los discos y, por tanto, su capacidad total, el fabricante Western Digital ha concebido una nueva tecnología que revoluciona la forma de realizar los procesos necesarios para compensar estas interferencias. Se trata de utilizar la memoria NAND flash, que tiene una mayor densidad que la DRAM pero menor velocidad, para almacenar los metadatos relativos a los procesos de escritura y a las interferencias de pistas adyacentes. De esta forma, los metadatos están seguros en una memoria no volátil, a la que se puede recurrir en caso necesario, mientras que la DRAM puede dedicarse a su propósito original, sin preocuparse de si se produce un corte en el suministro eléctrico.

Esta idea ya estaba en las mentes de otros fabricantes, que empleaban memoria caché NAND para acelerar procesos en los HDD, pero la tecnología OptiNAND va más allá. Como ha explicado David Hall, impulsor del desarrollo de esta tecnología en Western Digital, su propuesta incluye una unidad iNAND de Almacenamiento Flash Universal (UFS), una Unidad Flash Embebida (EFD) con un disco magnético tradicional, cambios innovadores en el algoritmo del firmware y un Sistem-on-Chip (SoC). Sus creadores no lo consideran como un disco híbrido, ya que su idea no cambia para nada el hecho de que el almacenamiento de datos se lleva a cabo en un soporte magnético tradicional, y la memoria NAND no se emplea para influir en el rendimiento del sistema de forma directa, sino que su propósito es otro bien distinto.

En los discos HDD la memoria no volátil se emplea generalmente para acelerar el arranque, para almacenar pequeñas cantidades de metadatos o para otros usos, y la adición de una capa flash se ha convertido en una evolución lógica en el diseño de la jerarquía de memoria del sistema. Esto se debe a que la memoria flash es más asequible y su no volatilidad aporta ventajas incuestionables frente a la DRAM para ciertos usos. Además, se puede usar esta memoria para realizar cálculos rápidos sin necesidad de recurrir al disco magnético, dejando libre este y la memoria principal para llevar a cabo otras operaciones.

Pero con la nueva tecnología presentada por Western Digital se emplea el SoC de la unidad para controlar la comunicación con el componente EFD iNAND. Y han desarrollado un método para que, en caso de que se produzca un corte de energía, en menos de un segundo se pueda extraer energía derivada de la rotación final de los discos para alimentar los condensadores internos y transferir de forma segura los datos de la caché a la memoria NAND. Así, si la caché de escritura está deshabilitada, se tiene la garantía de que los datos de la DRAM estarán protegidos en la memoria no volátil.

Según sus creadores, este diseño permite aumentar la cantidad de metadatos almacenados que se emplean para las funciones de limpieza de unidades clave. Así se reduce considerablemente el uso de la memoria DRAM y permite seguir desarrollando las tecnologías de grabación magnética para incrementar la densidad de pistas y la capacidad total por cada disco rígido, incrementando también el rendimiento y la confiabilidad del sistema. Sus estimaciones que los HDD con esta tecnología podrán alcanzar la capacidad de 50 Terabytes a lo largo de esta década y, para demostrar las capacidades de su tecnología, WD ya ha puesto los primeros HDD basados en OptiNAND en manos de algunos clientes seleccionados, para que puedan probarlos en profundidad.