¿Qué es el almacenamiento flash?
El almacenamiento flash es cualquier tipo de unidad, repositorio o sistema que utiliza memoria flash para escribir y almacenar datos durante un periodo prolongado. Hoy en día, el almacenamiento flash es habitual en pequeños dispositivos informáticos, dispositivos de consumo y grandes sistemas de almacenamiento empresarial.
El almacenamiento flash se basa en la memoria programable eléctricamente. Como memoria no volátil, no necesita energía para mantener los datos almacenados. La información digital se almacena en chips de memoria flash de estado sólido. El tamaño y la complejidad del almacenamiento basado en flash varían según el dispositivo, desde unidades USB portátiles, teléfonos inteligentes, cámaras y sistemas integrados hasta matrices all-flash de clase empresarial. La tecnología flash se presenta en varios formatos para distintos fines de almacenamiento y a menudo se denomina almacenamiento de estado sólido, ya que no tiene piezas móviles.
El almacenamiento flash tiene tiempos de respuesta rápidos en comparación con los discos duros giratorios, y es una buena alternativa de almacenamiento a las unidades de disco duro (HDD).
¿Cómo funciona el almacenamiento flash?
La memoria flash almacena datos mediante la carga de un condensador que representa un dígito binario (bit). Suele estar empaquetada en chips montados en superficie y fijados a una placa de circuito impreso (PCB). El almacenamiento flash contiene una rejilla de muchas columnas y filas con celdas que tienen dos transistores en cada intersección separados por una fina capa de óxido. Un transistor se denomina puerta flotante y el otro puerta de control. Si la puerta flotante está conectada a la fila a través de la puerta de control, la celda tiene el valor 1.
Para que la celda tenga un valor 0, es necesario que exista una barrera entre la puerta de control y la puerta flotante. Esto ocurre en un proceso llamado tunelización, en el que los electrones excitados son empujados a través del otro lado de la fina capa de óxido, lo que les confiere una carga negativa que actúa como barrera entre las puertas de control y flotante. Algunos chips flash pueden tener millones o miles de millones de estos diminutos transistores y utilizan un controlador lógico que les permite trabajar juntos.
Al no haber partes mecánicas móviles, el consumo de energía es menor. Una unidad flash SATA (Serial Advanced Technology Attachment) típica consume el 50% o menos de la energía que necesitan los discos duros SATA mecánicos y puede proporcionar velocidades de lectura secuencial de hasta 6 gigabits por segundo (Gbps) en unidades que utilizan SATA 3.2. Al no existir limitaciones mecánicas para el acceso a los archivos, los tiempos de acceso de las unidades flash son de microsegundos, en lugar de los milisegundos que requieren los discos duros mecánicos. Esto reduce la latencia en varios órdenes de magnitud.
La mayoría de los sistemas de almacenamiento flash están compuestos por chips de memoria y un controlador flash. Los chips de memoria almacenan los datos, mientras que el controlador gestiona el acceso al espacio de almacenamiento en la unidad de memoria. El controlador flash suele ser multicanal y funciona con una caché RAM. La caché almacena en búfer los datos que entran y salen de varios chips, lo que aumenta la velocidad.
Ejemplos de almacenamiento flash en uso
La memoria flash se utiliza ampliamente en dispositivos de consumo, como los siguientes:
- Smartphones.
- Ordenadores portátiles.
- Cámaras digitales.
- Tabletas.
- Consolas de videojuegos.
- Chips BIOS de computadora.
- Memorias USB y tarjetas Secure Digital (SD).
La adopción del almacenamiento flash en los sistemas de almacenamiento empresarial abarca lo siguiente:
- Bases de datos.
- Infraestructuras de escritorios virtuales.
- Cargas de trabajo empresariales.
- Aplicaciones de misión crítica.
- Matrices redundantes de discos independientes (RAID) que utilizan unidades de estado sólido (SSD).
La historia del almacenamiento flash
Se atribuye al Dr. Fujio Masuoka la invención de NOR y NAND, los dos tipos principales de memoria flash, mientras trabajaba en Toshiba en la década de 1980. Masuoka presentó la memoria flash NOR en 1984 y la NAND en 1987. Mucho más rápida que el proceso de memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM), la capacidad del nuevo formato para programarse y borrarse en grandes bloques recordó a un colega de Masuoka la memoria flash de una cámara fotográfica.
El interés de Intel se despertó porque la tecnología NOR flash podría servir como un sustituto de mayor funcionalidad para los chips EEPROM que la empresa comercializaba en aquel momento. Intel lanzó los primeros chips NOR flash en 1988. Toshiba le siguió con los primeros chips flash NAND en 1989.
La unidad flash USB apareció en 2000 para el almacenamiento y transferencia de archivos. Era más compacta y tenía más capacidad que los sistemas anteriores. A mediados de la década de 2000, parecía que la tecnología flash NAND iba a alcanzar un límite de escalabilidad. Los procesos fotolitográficos utilizados para reducir el tamaño de los transistores ya no bastarían para continuar con las bajadas de precio y las mejoras de rendimiento a las que el sector y sus clientes se habían acostumbrado. En 2006, Toshiba desarrolló un nuevo proceso llamado Bit Cost Scaling (BiCS) para superar estos problemas; en 2007, Toshiba anunció una nueva tecnología flash, 3D NAND.
En lugar de seguir intentando reducir el tamaño de los transistores, BiCS permite a los fabricantes aumentar considerablemente el número de transistores de un chip construyéndolos verticalmente en lugar de horizontalmente, como se hace con la tecnología NAND planar estándar. 3D NAND es compatible con versiones anteriores de NAND planar, por lo que cualquier dispositivo que admita este último puede leer y escribir datos en el primero y viceversa.
En 2009, Toshiba presentó las celdas de memoria de tres niveles que podían almacenar 3 bits por celda, y poco después, Samsung presentó la NAND de celda de triple nivel (TLC). Ese mismo año, Toshiba y SanDisk presentaron los chips de memoria flash NAND de cuatro niveles (QLC) que podían almacenar 4 bits por celda y tenían una capacidad de 64 Gbit.
En 2011, se publicó la especificación de memoria no volátil express (NVMe), y los primeros chips NVMe disponibles comercialmente salieron a la venta en 2012.
En 2016, se ratificó la especificación NVMe over Fabrics (NVMe-oF) 1.0 y varios proveedores empezaron a hacer demostraciones de sistemas NVME-oF. Ese mismo año, Western Digital adquirió SanDisk.
En octubre de 2020, Intel anunció la venta de su negocio de SSD y NAND a SK Hynix por 7.000 millones de dólares. Hasta el cierre definitivo de la transacción, previsto para marzo de 2025, Intel seguirá fabricando y diseñando memoria flash NAND. Hasta ese momento, Intel está reduciendo su producción de chips de memoria Optane, pero aún conserva activos empresariales relacionados con NAND, como la propiedad intelectual de diseño y fabricación.
Los principales fabricantes de chips de memoria flash NAND son Kioxia America, antes Toshiba Memory Corp.; Micron Technology; Samsung; SK Hynix; y SanDisk, que ahora es propiedad de Western Digital. Los principales fabricantes de memoria flash NOR son Cypress Semiconductor, ahora parte de Infineon Technologies; Macronix; Microchip Technology; Micron Technology y Winbond Electronics.
Comparación entre almacenamiento flash y SSD
Un SSD no volátil utiliza una memoria flash de estado sólido para almacenar datos de forma persistente. Sus principales componentes son los chips de memoria flash NAND y un controlador flash. El controlador SSD está diseñado y optimizado para proporcionar un alto rendimiento de lectura/escritura tanto para solicitudes de datos aleatorias como secuenciales. Los fabricantes logran diferentes densidades y capacidades en SSDs apilando chips en una cuadrícula.
Aunque los términos almacenamiento flash y SSD pueden utilizarse indistintamente, tienen significados diferentes. SSD se refiere a un disco duro que contiene almacenamiento flash. En otras palabras, el almacenamiento flash es sólo uno de los componentes de una SSD. Además del almacenamiento flash, las SSDs contienen una interfaz que permite conectar la SSD al controlador de almacenamiento de un PC. Por ejemplo, una SSD puede contener una interfaz SATA.
Todas las SSD contienen almacenamiento flash, pero no todo el almacenamiento flash se utiliza en las SSDs. El almacenamiento flash se utiliza en otras innumerables aplicaciones, como unidades flash USB, tarjetas micro SD y teléfonos inteligentes.
Almacenamiento flash vs HDDs tradicionales
El almacenamiento flash NAND ofrece ventajas sobre los HDDs tradicionales. Los discos duros tienen un coste inferior por bit de datos almacenado, pero las unidades flash pueden ofrecer un rendimiento significativamente mayor, una latencia menor y un consumo de energía reducido. Además, su tamaño compacto las hace idóneas para pequeños dispositivos de consumo.
En los sistemas empresariales, la tecnología flash puede ayudar a consolidar el almacenamiento y reducir el coste total de propiedad. Se necesitan menos unidades SSD para procesar las transacciones e igualar el rendimiento de los sistemas que utilizan discos duros más lentos. Las empresas pueden acumular ahorros en espacio de rack, gestión de sistemas, mantenimiento y costes de energía y refrigeración. Las tecnologías de reducción de datos, como la deduplicación y compresión en línea en los sistemas de almacenamiento all-flash, también permiten a las empresas reducir su huella de datos.
A medida que ha crecido el interés por el almacenamiento flash, los observadores del sector han señalado una limitación que a menudo se pasa por alto, y es que la longevidad puede verse reducida en caso de uso intensivo con grandes cargas de trabajo de escritura. Flash tiene una tolerancia relativamente limitada a los ciclos de escritura-borrado. Los fabricantes utilizan funciones como la nivelación del desgaste y la memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) o la memoria caché RAM no volátil para mejorar la fiabilidad y el rendimiento.
A diferencia de los HDD, que están limitados por sus partes móviles, las unidades SSD se presentan en varios factores de forma. Están disponibles en varias alturas y son compatibles con los protocolos SATA, Serial-Attached SCSI (SAS) y NVMe. El SSD de 2.5 pulgadas es el tipo de SSD más común. Al instalarse en las mismas ranuras SAS y SATA de un servidor, pertenece al tipo de SSD tradicional con factor de forma HDD, identificado por la Iniciativa de almacenamiento de estado sólido de la Storage Networking Industry Association.
Otros tipos importantes de SSD son las tarjetas de estado sólido y los módulos de estado sólido. La primera viene como una tarjeta complementaria estándar, como aquellas que, por ejemplo, utilizan una tarjeta de puerto serie Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) en una PCB y evitan los adaptadores de bus host para acelerar el rendimiento del almacenamiento. Un SSD U.2 es un ejemplo. El último tipo de SSD, también conocido como tarjetas de módulo de memoria dual en línea no volátil (NVDIMM), utiliza un formato de módulo de memoria dual en línea (DIMM) o DIMM de contorno pequeño (SO-DIMM).
Formatos de almacenamiento flash
El almacenamiento flash se presenta en los siguientes formatos:
Flash NAND
La memoria flash NAND es un tipo de tecnología de almacenamiento no volátil. Un objetivo importante del desarrollo de la memoria flash NAND ha sido reducir el coste por bit y aumentar la capacidad máxima del chip para que la memoria flash pueda competir con dispositivos de almacenamiento magnético como los discos duros. La memoria flash NAND ha encontrado un mercado en los dispositivos en los que se cargan y sustituyen con frecuencia archivos de gran tamaño.
Entre los tipos de flash NAND se incluyen los siguientes:
- SLC, o celda de un solo nivel, almacena 1 bit por celda.
- MLC, o celda multinivel, almacena 2 bits por celda.
- EMLC, o MLC empresarial, almacena 2 bits por celda.
- TLC almacena 3 bits por celda.
- QLC almacena 4 bits por celda.
- 3D NAND, o NAND vertical, apila celdas una encima de otra.
Flash NOR
Flash NOR ofrece direccionamiento de memoria a escala de bytes, lo que permite un acceso aleatorio real y buenas velocidades de lectura. Fue esta capacidad de direccionamiento lo que interesó a Intel en NOR. La tecnología se ajustaba a los requisitos de las aplicaciones BIOS y Unified Extensible Firmware Interface (UEFI). Flash NOR es más cara por gigabyte que la NAND debido al mayor tamaño individual de sus celdas. NOR también tiene tiempos de escritura y borrado más lentos que la NAND.
Tanto la NAND como la NOR utilizan el efecto túnel cuántico de los electrones para moverlos a través del material aislante dieléctrico de la pared de la celda. Esto degrada el material con el tiempo. La tecnología flash NOR es borrable, lo que la convierte en un gran sustituto de los chips BIOS y UEFI basados en EEPROM o ROM, donde la direccionabilidad y la velocidad de lectura son una ventaja y la durabilidad de la reescritura es menos problemática.
NAND ofrece mayores velocidades de escritura que flash NOR y un menor coste por gigabyte. El menor coste refleja el diseño en cadena de la celda de memoria NAND, que ahorra espacio en la matriz y reduce el tamaño total de un chip por gigabyte. Las memorias NAND pueden ser SLC y MLC, eMLC y TLC. SLC almacena un único bit de información por celda. SLC suele ofrecer mayor velocidad -especialmente de escritura-, mayor longevidad y menos errores de bit. MLC proporciona capacidad de almacenamiento para más datos porque su celda admite más niveles de carga, lo que permite almacenar varios bits de datos por celda. MLC puede duplicar la capacidad de SLC; TLC proporciona un tercer bit. Los niveles adicionales de carga, junto con controladores flash y firmware más inteligentes, también permiten la corrección de errores de bits.
Sistema de archivos de nueva tecnología (NTFS)
NTFS es el sistema de archivos de los PC que ejecutan cualquier sistema operativo Windows moderno, incluidos Windows 10 y 11. Utilizado para almacenar y recuperar archivos en discos duros y unidades SSD, NTFS tiene un límite de tamaño de archivo elevado y es compatible con Linux.
Sistema de archivos de Apple (APFS)
APFS es el sistema de archivos de Apple optimizado para almacenamiento flash SSD. Sustituye al anterior sistema de archivos HFS+ de Apple para Mac. Las unidades formateadas con APFS tienen problemas de compatibilidad con los Mac antiguos que utilizan HFS+.
Tabla de asignación de archivos (FAT)
FAT es un sistema de archivos desarrollado por Microsoft para discos pequeños y estructuras de carpetas sencillas. Compatible con Windows, Mac y Linux, y presente en la mayoría de las unidades actuales, FAT es uno de los formatos de memoria flash más versátiles. Sin embargo, FAT está limitado a aceptar archivos individuales de más de 4 GB de tamaño.
Tabla de asignación de archivos extensible (exFAT)
exFAT es una versión más reciente de FAT con la misma compatibilidad cruzada, pero con un límite de tamaño de archivo mucho mayor de 16 exbibytes (EiB).
Interfaces de almacenamiento flash
El Open NAND Flash Interface Working Group desarrolla estándares para chips flash NAND. Los fabricantes de memorias flash NAND, como SK Hynix y Micron, los respaldan. Estos estándares permiten la interoperabilidad entre dispositivos NAND de distintos proveedores.
El almacenamiento flash para memoria de ordenador se presenta en varias interfaces, entre las que se incluyen las siguientes:
- USB4, la versión más reciente de USB e introducida en 2019, puede transferir datos a 40 Gbps entre dispositivos.
- SATA es un formato habitual en ordenadores de sobremesa y portátiles; la versión de 6 Gb puede eliminar los cuellos de botella en el ancho de banda. Los envíos en volumen de SAS de 12 Gbps comenzaron en 2015. Las SSD basadas en SAS se utilizan ampliamente en sistemas de almacenamiento empresarial.
- El almacenamiento flash conectado a PCIe proporciona suficiente ancho de banda para permitir futuras ampliaciones y representa el extremo de las ofertas que exigen velocidad.
- La tecnología NVMe que se utiliza con las SSD basadas en PCIe reduce aún más la latencia, aumenta las operaciones de E/S por segundo y reduce el consumo de energía al racionalizar la pila de E/S.
Flash en el centro de datos
Los centros de datos con aplicaciones de E/S-intensivas, como las bases de datos con un alto índice de transacciones y los sistemas de procesamiento de tarjetas de crédito, recurren cada vez más al almacenamiento flash como una forma eficaz y rentable de aumentar el rendimiento sin añadir más servidores.
Los principales fabricantes de sistemas de almacenamiento ofrecen sistemas all-flash y matrices híbridas equipadas con SSD y HDD. Han surgido numerosos especialistas en almacenamiento all-flash que desafían a los incumbentes. Los servidores equipados con almacenamiento flash son cada vez más comunes y pueden reducir aún más la latencia.
Los gestores de centros de datos que buscan formas de hacer frente a la pérdida de energía asociada a los discos duros están examinando el almacenamiento flash para alcanzar puntos de referencia de informática ecológica. Las SSD flash proporcionan un gran ancho de banda con un consumo de energía mucho menor que las HDD, lo que las convierte en una buena opción para este objetivo.
El futuro del mercado de almacenamiento flash
Inicialmente, los casos de uso del almacenamiento flash eran limitados debido a sus costes relativamente altos y a sus reducidas capacidades de almacenamiento. Sin embargo, el almacenamiento flash ha evolucionado hasta hacerse mucho más asequible y ofrecer densidades de almacenamiento sustancialmente mayores. Esto ha incrementado enormemente su uso y lo ha convertido en un método del que dependen muchas organizaciones.
Numerosas arquitecturas de almacenamiento flash, como 3D NAND y NVMe, siguen evolucionando y mejorando. También ha surgido la memoria de clase de almacenamiento, que trata la memoria no volátil como DRAM y la incluye en el espacio de memoria del servidor; difumina la sutil línea entre memoria y almacenamiento.
Un número creciente de proveedores de matrices de almacenamiento han añadido compatibilidad con NVMe a sus productos para acelerar la transferencia de datos entre el almacenamiento flash y los servidores. NVMe aprovecha el bus PCIe de alto rendimiento para permitir que las aplicaciones y el almacenamiento flash se comuniquen directamente.
Los NVDIMM también están ganando terreno. Estos dispositivos, que integran flash NAND con DRAM y una fuente de alimentación, se conectan directamente a una ranura DIMM estándar en un bus de memoria. El almacenamiento flash de las tarjetas NVDIMM se utiliza para hacer copias de seguridad y restaurar datos en DRAM, y la fuente de alimentación se utiliza para mantener la no volatilidad.
Han surgido otros tipos de memoria como posibles sustitutos de la flash NAND. Algunos ejemplos son los siguientes:
- Memoria ferroeléctrica.
- Memoria de puente conductivo.
- Memoria RAM resistiva.
- Memoria RAM resistiva basada en óxidos.
- Nano-RAM.
El objetivo de estas tecnologías es ofrecer un alto rendimiento, ausencia de volatilidad y bajo consumo de energía. También prometen llevar la industria del almacenamiento flash más allá de los límites de escala de flash NAND y DRAM.