La carrera por el SSD de máxima velocidad

Los chips de memoria flash fueron inventados en 1984 por el Dr. Fujio Masuoka, quien entonces trabajaba para la empresa Toshiba. Creó esta tecnología como sucesora de las memorias EEPROM, que también eran de tipo no volátil. Es decir, que permitían almacenar información binaria en su interior sin necesidad de mantener la corriente eléctrica en el chip. En 1995, la compañía M-Systems desarrolló el primer disco duro de estado sólido basado en memoria flash, con el fin de superar el rendimiento y la eficiencia de la tecnología de almacenamiento dominante, los HDD basados en el almacenamiento magnético. Pero esto sólo fue un primer paso, ya que su elevado coste y baja capacidad no interesaban aún a la industria.

La adopción masiva de la memoria flash no volátil comenzó en el entorno de la electrónica de consumo. En 1994 el fabricante Sandisk lanzó sus primeros dispositivos de almacenamiento flash, en forma de tarjetas de memoria CompactFlash para cámaras digitales. Unos años después aparecieron los primeros pendrives y, a continuación, la primera unidad SSD realmente viable.

Desde entonces varios fabricantes han estado muy involucrados en el desarrollo de la tecnología flash, con el fin de alcanzar nuevas cotas de rendimiento, capacidad, miniaturización y precio. Las principales son Intel y Samsung, dos de las empresas que más invierten en Investigación, Desarrollo e Innovación en este campo. Y la punta de lanza de este desarrollo tiene como destino las instalaciones tecnológicas y las aplicaciones más exigentes, que actualmente son los superordenadores empleados para la investigación científica y para las aplicaciones más avanzadas de Inteligencia artificial.

 

SSD basados en memoria NAND Flash

Tras probar con diferentes tecnologías, la que ha conquistado la industria se basa en las puertas lógicas de tipo NAND, que logran un buen equilibrio entre rendimiento, fiabilidad y capacidad de almacenamiento. Y en los años que han pasado desde su aparición se han desarrollado varias versiones, comenzando con SLC (Single-Level-Cell) y, posteriormente, pasando a memorias de tipo MLC (Multi-Level-Cell) y TLC (Triple-Level-Cell). Esto indica la cantidad de bits que se pueden almacenar por cada celda y, cuantos más bits por celda, más capacidad pueden tener los chips. Esto también afecta al rendimiento, pero a medida que avanza la tecnología se está salvando este escollo, haciendo más veloces las memorias MLC y TLC, que se encuentran en los discos duros SSD tanto de consumo como los destinados a matrices de almacenamiento flash para empresas y centros de datos.

Con el fin de lograr más capacidad en poco espacio se han desarrollado técnicas para apilar e interconectar capas de celdas, creando las memorias 2D NAND, con una distribución horizontal, y 3D NAND/V NAND, que actualmente permite la distribución de hasta 96 capas de celdas de forma vertical. Intel y Micron crearon 3D NAND y Samsung es el responsable de V NAND, las dos tecnologías dominantes en el mercado. Por ahora V NAND lleva la delantera en prestaciones, sobre todo gracias a su buena adaptación a la interfaz NVMe, pero ambas están revolucionando el almacenamiento en todos los sectores, con un gran impacto en los centros de datos de nueva generación.

Pero sus capacidades se están quedando cortas para los requisitos actuales de los grandes supercomputadores, cuyas CPUs y GPUs demandan un almacenamiento de mayor velocidad. Por ello, los grandes de la industria han lanzado nuevas tecnologías flash que están compitiendo por conquistar el mercado de la computación de alto rendimiento (HPC).

 

3D XPoint, una nueva tecnología para el almacenamiento

El mayor avance en la fabricación de unidades SSD de alto rendimiento ha sido concebido por la alianza de Intel y Micron, que crearon la memoria 3D XPoint, empleada en las unidades Intel Optane. Estos chips no utilizan transistores en capas de celdas sino que, a grandes rasgos, están formados por una matriz cruzada tridimensional en cuyas intersecciones se almacenan los bits. Además, no se basan en el almacenamiento de la carga eléctrica en las celdas, como los chips NAND, sino en un mecanismo denominado cambio de fase de memoria, que emplea la resistencia eléctrica del material para registrar los datos. Este principio es similar al de la memoria DRAM, pero aplicado al almacenamiento. Ofrece menos rendimiento que esta, pero más que los actuales chips NAND flash, aunque el inconveniente es su elevado precio.

El objetivo de estos módulos era, en un principio, acelerar los sistemas basados en discos HDD, empleando esta memoria como una caché ultrarápida que acelerase el acceso al almacenamiento tradicional. Estas primeras unidades también se podían instalar como disco duro principal mediante un puerto M.2 PCI Express, proporcionando un almacenamiento más rápido que un disco SATA. Pero en un principio su capacidad era reducida y sólo era capaz de aprovechar dos pistas PCI Express, frente a las cuatro que puede utilizar cualquier disco NVMe basado en 3D NAND o V NAND.

Actualmente Intel y Micron han lanzado al mercado discos duros con puertos M.2 y PCI Express destinados especialmente al almacenamiento de alta velocidad, con capacidad PCIe 4X, y se postulan como las unidades SSD más rápidas del mercado. Eso sí, su coste es muy elevado y sólo están al alcance de los segmentos superiores del mercado, dedicados a la computación de alto rendimiento.

 

Z NAND, la respuesta de Samsung a 3D XPoint

Como uno de los principales fabricantes de semiconductores del mundo, Samsung ha seguido desarrollando la tecnología de memoria NAND flash, y acaba de lanzar sus primeras unidades con los nuevos chips Z NAND, que pretenden competir con los Intel Optane. Según las pruebas realizadas hasta ahora, son 10 veces más rápidas que los discos  3D NAND TLC convencionales y hasta un 70% más rápido que el SSD NVMe más veloz de Samsung. Estos nuevos discos duros están dotados de un controlador y una memoria caché de alta velocidad, y sus chips están diseñados con una nueva disposición de las capas de celdas. Gracias a esta combinación de tecnologías han logrado una latencia de escritura de sólo 16 microsegundos, superando de largo a los discos con memorias V NAND y 3D NAND. Aún quedan lejos de los 10 microsegundos de latencia en la escritura de los Intel Optane basados en 3D XPoint, pero son más económicos y pueden competir gracias a su gran rendimiento general.

Por ahora, los supercomputadores y las aplicaciones de alta computación como las de inteligencia artificial para el aprendizaje automático o el análisis de Big Data cuentan con soportes de almacenamiento capaces de elevar su rendimiento al máximo. Estos nuevos discos SSD, con la configuración de hardware e interfaces adecuadas, dejan atrás a sus predecesores, pero el avance tecnológico no cesa y cada año surgen nuevas tecnologías que superan a las anteriores. Cabe suponer que 3D XPoint y Z NAND aún tienen potencial para superarse, y en los próximos años se verá el alcance que tendrán de los discos SSD basados en estos chips.

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