Storage Media Evolution Parte 4: Unidades de estado sólido

Hola a todos! Esta es la parte final de nuestro material sobre la evolución de los medios de almacenamiento. Y hoy hablaremos sobre la memoria flash y las unidades de estado sólido, sobre su pasado, presente y futuro.

La memoria flash se creó mucho antes de la primera unidad flash. Fujio Masuoka, ingeniero de Toshiba, es considerado el padre de la memoria flash, cuyo invento fue presentado en la conferencia IEEE de 1984 en San Francisco. Por cierto, el nombre "flash" fue acuñado por el colega de Masuoka, Shoji Ariizumi. El proceso de eliminación de datos de dicha memoria le recordó un destello (del inglés flash - flash).

El funcionamiento de la memoria flash se basa en el cambio y el registro de una carga eléctrica en una región aislada de una estructura de semiconductores. Existen varios tipos de memoria flash. El primer producto comercial fue la memoria flash tipo NOR, que fue desarrollada por Intel. Sucedió en 1988.

El diseño NOR-flash utiliza una matriz de conductores bidimensional clásica, en la que una celda se encuentra en la intersección de filas y columnas. La ventaja de este diseño es que le permite leer instantáneamente el estado de una celda en particular, aplicando un voltaje positivo a la fila y columna correspondiente.

En 1989, Toshiba introdujo la memoria flash tipo NAND. La principal diferencia entre el flash NAND y los chips NOR era que el diseño NAND usaba una matriz tridimensional, no una matriz bidimensional. En otras palabras, si en NOR solo había una celda en la intersección de filas y columnas, entonces en NAND podría haber varias.

Naturalmente, era tan fácil acceder a una celda específica como en NOR, ahora era imposible, y el algoritmo para leer información era mucho más complicado. Sin embargo, este enfoque permitió crear chips de memoria más potentes. En las unidades flash y SSD modernas, se utiliza la memoria NAND. Bueno, los chips NOR han encontrado aplicación en áreas donde la capacidad no juega un papel clave, por ejemplo, en la electrónica automotriz.

Durante mucho tiempo, una celda unitaria podría almacenar solo un bit de información. Dicha celda se llama celda de un solo nivel (SLC). Luego vinieron las celdas de niveles múltiples con capacidad de dos bits (MLC, celda de niveles múltiples). Finalmente, se desarrollaron células de triple nivel. Dichas células se comparan favorablemente con MLC en su bajo costo. Entonces, el costo de 1 GB de memoria TLC en 2015 ascendió a solo $ 0.4. El otro lado de la memoria con celdas de tres niveles es su baja velocidad de escritura y menor recurso en comparación con el MLC.

Pero volvamos a las unidades de estado sólido. Curiosamente, pero el primer dispositivo SSD se introdujo en 1976, 8 años antes que la memoria flash. Fue desarrollado por Dataram y se llamó Bulk Core.

Muchas personas creen erróneamente que cualquier SSD se basa en la memoria flash, pero esto no es así. Obtuvieron su nombre SSD (unidad de estado sólido) porque no había partes móviles en su diseño.

La construcción del Bulk Core consistió en un chasis especial que mide 19x15.75 pulgadas y 8 ranuras RAM ubicadas en él con una capacidad de 256 KB cada una. Por lo tanto, la capacidad del dispositivo fue de 2 MB. El Bulk Core estaba disponible por $ 9,700.

Dos años después de la aparición de Bulk Core, siguió un dispositivo llamado STC 4305. El disco fue desarrollado por StorageTek. El STC 4305 era del tamaño de una habitación completa y podía almacenar 45 MB de información. El ancho de banda era de 1.5 MB / s, que era aproximadamente 7 veces mayor que el del disco duro IBM 2305. Pero el precio del innovador disco SSD era apropiado: el STC 4305 se estimó en $ 400 mil.

En 1982, Axlon introdujo una línea de unidades de estado sólido diseñadas para su uso con computadoras Apple. Los dispositivos se llaman Apple II RAMDisk. Por el nombre queda claro que estas unidades usaban memoria RAM. Su capacidad no era tan impresionante: la versión con 320 KB de memoria se convirtió en la más popular. Por cierto, para evitar la pérdida de información, se suministró una batería recargable con la unidad.

En 1988, Intel presentó los primeros chips comerciales de memoria flash NOR. Se utilizaron en la primera unidad flash SSD: Flashdisk, desarrollada por Digipro y lanzada a fines de 1988. Flashdisk fue diseñado para su uso en computadoras PC con IBM y podía almacenar hasta 16 MB de datos. En ese momento, el costo de la unidad era de $ 5000.

Un año después, la compañía israelí M-Systems también presentó un SSD flash NOR, pero era solo un prototipo. Durante mucho tiempo, los ingenieros israelíes modificaron el dispositivo, y solo en 1995 la compañía logró lanzar un disco SSD comercial. Era el modelo FFD-350 (Fast Flash Disk), fabricado en el factor de forma habitual de 3.5 ". La capacidad máxima de almacenamiento era de 896 MB, aunque incluso se produjeron versiones de 16 megabytes. El FFD-350 funcionaba a través de la interfaz SCSI. El costo de esto Dado que el dispositivo alcanzó varias decenas de miles de dólares, el FFD-350 solo se usó en las industrias de aviación y militares, y durante la próxima década, M-Systems amplió su gama de dispositivos FFD con nuevas unidades con un rendimiento mejorado.

Durante mucho tiempo, la memoria flash fue un placer bastante costoso. Sin embargo, a principios de la década de 2000, el costo de su producción cayó significativamente. Esto fue utilizado por Transcend, que en 2003 lanzó módulos de memoria flash conectados a través de la interfaz Parallel ATA. La capacidad de dicha unidad oscilaba entre 16 y 512 MB. Los precios de estos dispositivos comenzaron en alrededor de $ 50, lo que hizo que los modelos Transcend fueran asequibles para los usuarios comunes.

Samsung inició el rápido crecimiento del mercado de unidades de estado sólido, lanzando una unidad de 2.5 "con una capacidad de 32 GB y un costo de $ 699 en 2006. SanDisk siguió con una unidad de 32 GB de 2.5" con una interfaz SATA.

Además, en 2006-2007, finalmente fue posible resolver el problema de un pequeño número de sobrescrituras de memoria flash. Esto nos permitió considerar las unidades de estado sólido como una alternativa completa a los discos duros.

En años posteriores, el mercado de SSD se ha desarrollado rápidamente. Un gran número de fabricantes se hizo cargo del lanzamiento de dispositivos. Entonces, OCZ mostró por primera vez sus propias unidades de estado sólido en CES a principios de 2008.

Las características de las unidades también estaban creciendo rápidamente: se volvieron cada vez más amplias y rápidas. En este sentido, muchos fabricantes están pensando en pasar a una interfaz más rápida. Así es como aparecieron los primeros SSD PCI Express, en particular, el Fusion-io ioDrive Duo.

Hoy, la cuestión de la interfaz es particularmente aguda. El principal problema con la interfaz SATA es que el rendimiento de los SSD modernos se ha vuelto tan alto que el ancho de banda de este bus (y es de 600 MB / s) simplemente no es suficiente para liberar completamente el potencial de los dispositivos SSD. A modo de comparación: solo dos carriles PCI Express 3.0 proporcionan un rendimiento efectivo de 1560 MB / s, que es casi 3 veces mayor que el mismo SATA.

Junto con el cambio de interfaz, también se planea cambiar al nuevo protocolo NVMe, que debería reemplazar al anticuado AHCI. El uso de NVMe reducirá la latencia y proporcionará una respuesta de disco más rápida a los comandos, ya que el protocolo fue originalmente "afilado" para el trabajo de subprocesos múltiples con datos.

Muchos esperaban que en 2015 hubiera una transición masiva de SATA a PCI Express, pero esto no sucedió. Con la introducción de nuevas tecnologías, los fabricantes prefirieron la guerra de precios, cuyo resultado fue el logro de un bajo costo récord de 1 GB de memoria flash: $ 0.4.

El año 2015 también marcó el comienzo de la transición a la tecnología 3D V-NAND (Vertical NAND). Su esencia radica en el hecho de que las celdas de memoria están ubicadas no solo de forma plana, sino también en capas. Esto le permite aumentar la capacidad sin cambiar los tamaños individuales de las celdas de memoria. Un hecho interesante es que la producción de memoria flash 3D V-NAND no requiere el uso de los últimos procesos tecnológicos. Por ejemplo, Samsung utiliza un proceso de fabricación 3D V-NAND de 40 nm. El volumen de los chips de Samsung alcanza 256 Gbps, mientras que las celdas se encuentran en 48 capas.

Desafortunadamente, hoy Samsung es la única compañía que tiene en su arsenal de unidades de estado sólido que utilizan esta tecnología. Sin embargo, en el próximo año, la compañía surcoreana seguramente tendrá competidores. Alliance of Micron e Intel, SK Hynix y Toshiba anunciaron sus planes para la memoria 3D V-NAND. Además, en la producción de memoria flash TLC multicapa, Toshiba utilizará su propia tecnología 3D BiCS NAND (Bit Cost escalable), que hará que los chips sean más pequeños y más baratos que los competidores.

Además, no olvide que en 2016 la nueva tecnología 3D XPoint, desarrollada por la misma alianza Micron Intel, debería ver la luz. Todavía no hay mucha información sobre tecnología.

Según los desarrolladores, la tecnología se basará en un cambio en la resistencia del material ubicado entre los conductores, lo que proporcionará a la memoria una velocidad ultra alta de lectura y escritura. Entre otras cosas, prometen que la memoria 3D XPoint será 1000 veces más resistente al desgaste, y cuando se utiliza el protocolo PCI Express y NVMe, tendrá 10 veces menos latencia que la memoria flash NAND. Los dispositivos con memoria 3D XPoint se llamarán Intel Optane y se usarán en centros de datos.

Esto concluye nuestra serie de artículos sobre la evolución de los medios de almacenamiento. ¡Pero habrá muchas más cosas interesantes por delante! Estén atentos.

Source: https://habr.com/ru/post/es389043/