Tarjeta de memoria flash

¿Qué es una tarjeta de memoria flash?

Una tarjeta de memoria flash — a veces llamada tarjeta de almacenamiento — es un pequeño dispositivo de almacenamiento que utiliza una memoria semiconductora no volátil para almacenar datos en dispositivos informáticos portátiles o remotos. Estos datos incluyen texto, imágenes, audio y vídeo.

La mayoría de los productos actuales utilizan memoria flash, aunque se están desarrollando otras tecnologías de memoria, incluidos dispositivos que combinan RAM dinámica (DRAM) con memoria flash, como UltraRAM, que se basa en la memoria y la computación cuántica.

Evolución de la tarjeta de memoria flash

Los anteriores medios de almacenamiento extraíbles — como la tarjeta PC, la tarjeta inteligente y otras tarjetas similares utilizadas en los sistemas gaming de computadora, también se consideran tarjetas de memoria. Sin embargo, los nuevos tipos de tarjetas de memoria son más pequeños, requieren menos energía, tienen mayor capacidad de almacenamiento y son portátiles entre más dispositivos. Debido a estas características, las tarjetas de memoria están influyendo en la producción de un número cada vez mayor de dispositivos pequeños, ligeros y de bajo consumo.

Las tarjetas de memoria ofrecen varias ventajas sobre una unidad de disco duro (HDD): Son mucho más pequeñas y ligeras, extremadamente portátiles, silenciosas, permiten un acceso más inmediato y son menos propensas a sufrir daños mecánicos. Sin embargo, un disco duro sigue ofreciendo una ventaja convincente: Aunque los precios de las memorias flash están bajando, una tarjeta de memoria típica sigue costando más — y tiene menos capacidad de almacenamiento — que un disco duro de gran capacidad.

Tipos de formatos de tarjetas de memoria: Dispositivos de consumo

Existen varios tipos de tarjetas de memoria flash en el mercado, divididos aproximadamente entre dispositivos de consumo y dispositivos de almacenamiento empresariales. Las tarjetas tienen distintos tamaños y capacidades de almacenamiento, que suelen corresponderse directamente con su precio.

Los formatos de tarjeta de memoria más utilizados en dispositivos de consumo son los siguientes:

• Tarjetas Secure Digital (SD). Son una de las tarjetas de memoria flash más utilizadas y están disponibles en varios formatos, clases de velocidad y capacidades. Estos dispositivos de memoria del tamaño de un sello de correos se utilizan mucho en dispositivos portátiles, como cámaras digitales, smartphones y tabletas. Las tarjetas SD, que protegen los datos digitales encriptándolos en el dispositivo, también están disponibles como tarjetas miniSD y microSD.
• Tarjetas SD de alta capacidad (SDHC) y SD de capacidad ampliada (SDXC). Las tarjetas SDHC y SDXC son variantes del formato común de tarjeta SD. Las tarjetas SDHC suelen tener capacidades de entre 4 gigabytes y 32 GB, y las SDXC, de entre 32 GB y 2 terabytes (TB). Las tarjetas SDHC y SDXC son retro-compatibles con los dispositivos SD normales.
• Tarjetas MicroSD. En 2005, SanDisk y Motorola se asociaron para presentar el producto microSD original, entonces conocido como TransFlash, como una tarjeta extraíble de 128 GB y 11×15 milímetros para teléfonos móviles. En junio de 2016, SanDisk — que ahora forma parte de Western Digital Corp. — lanzó un conjunto de tarjetas microSD de 256 GB, incluidas las tarjetas Ultra microSDHC y microSDXC Ultra High Speed-I orientadas a dispositivos basados en Android. La principal diferencia entre las tarjetas SD y sus primas microSD, además del tamaño, es la capacidad. La capacidad máxima de almacenamiento para el formato microSD es de 1 TB, aunque las tarjetas SDHC de ultra capacidad más recientes admiten hasta 128 TB. Las tarjetas microSD también se pueden utilizar en una ranura de tarjeta SD normal con un adaptador de microSD a SD.
• Tarjetas CompactFlash (tarjetas CF). Las tarjetas CF originales, precursoras de las SD, se diseñaron según el estándar Parallel Advanced Technology Attachment y no eran más grandes que una caja de cerillas. Las tarjetas CF incluían un microcontrolador y se utilizaban como almacenamiento de memoria flash para fotografía de alta resolución. Las tarjetas CF y SD carecen de conectividad USB integrada para dispositivos informáticos. Son más grandes que las tarjetas SD y se utilizan sobre todo en cámaras profesionales, como las cámaras réflex digitales de objetivo único de gama alta, y en aplicaciones industriales. Debido a su mayor capacidad de almacenamiento y a su mayor velocidad de transferencia, son ideales para la fotografía y la grabación de vídeo de gran volumen.
• Tarjetas Memory Stick. Sony desarrolló su tecnología memory stick como dispositivo de almacenamiento flash extraíble para transferir fotos y vídeo de alta definición. Se utilizaron ampliamente en numerosos productos, como cámaras, videocámaras y videoconsolas, como la PlayStation Portable. Sin embargo, su popularidad ha decaído a medida que las tarjetas SD han pasado a dominar el mercado.
• Unidades USB. Este dispositivo portátil de almacenamiento flash plug-and-play, también conocido como unidad flash, se inserta en el puerto USB estándar de un ordenador. Las unidades USB supusieron la desaparición de los disquetes y, en cierta medida, el menor uso de los discos compactos. Aunque la mayoría de las unidades flash tienen entre 2 GB y 64 GB de memoria, según el tipo y el fabricante, algunas pueden almacenar hasta 2 TB de datos.
• Tarjetas multimedia (MMC). Desarrolladas en 1997 por SanDisk y Siemens, las MMC se diseñaron originalmente para utilizar la tecnología de memoria flash NAND de Toshiba. Sin embargo, las MMC son menos comunes con la llegada de la tecnología de tarjetas SD. La mayoría de los proveedores de hardware informático ya no ofrecen puertos para insertar un dispositivo MMC.
• MMC embebidas (eMMC). Las EMMC integran una tarjeta flash en la placa base del ordenador, junto con un software controlador, para utilizar la eMMC como unidad de arranque del sistema. Las EMMC pesan aproximadamente 2 gramos y se utilizan mucho en teléfonos inteligentes, tabletas y otros dispositivos embebidos. El almacenamiento EMMC combina la memoria flash y el controlador en un único chip, lo que da como resultado una opción de almacenamiento pequeña y de bajo coste.
• Tarjetas de almacenamiento flash universal (UFS). Las tarjetas UFS son relativamente nuevas y ofrecen mejores velocidades de transferencia de datos que otros formatos de tarjeta flash. Suelen encontrarse en smartphones de gama alta, tablets y otros dispositivos que requieren un rendimiento de almacenamiento rápido y fiable.
• Tarjetas CFast y CFexpress. Estos formatos de tarjeta de memoria flash de alto rendimiento son adecuados para la fotografía y cinematografía profesional. Las tarjetas CFast y CFexpress tienen el mismo tamaño que las CF, pero ofrecen velocidades de lectura y escritura más rápidas, lo que las hace idóneas para capturar fotos y vídeos de alta resolución.

La mayoría de los tipos de tarjetas de memoria disponibles tienen memoria no volátil de alimentación constante, en particular flash NAND. La memoria no volátil salvaguarda los datos en caso de apagón, error de software u otra interrupción y también elimina la necesidad de refrescar periódicamente los datos de la tarjeta de memoria. Como las tarjetas de memoria utilizan medios de estado sólido, no tienen piezas móviles y es menos probable que sufran dificultades mecánicas.

Tarjetas flash con unidad de estado sólido

A diferencia de las tarjetas de memoria SD, las unidades de estado sólido (SSD) son unidades de almacenamiento no extraíbles que suelen incorporarse a dispositivos de mayor tamaño, como servidores y ordenadores. Las unidades SSD de consumo incorporan chips de memoria basados en silicio como soporte de almacenamiento para guardar datos de forma persistente.

Los primeros SSD se diseñaron generalmente para dispositivos de consumo. El debut del iPod de Apple en 2005 marcó el primer dispositivo notable basado en flash que penetró ampliamente en el mercado de consumo. Hoy en día, SanDisk ofrece una línea de SSD portátiles extremos conocida como SanDisk Extreme que escala hasta 4 TB de capacidad flash.

Los primeros SSD diseñados comercialmente se fabricaron con flash de celda de un solo nivel (SLC) o de celda de varios niveles (MLC). SLC utiliza medios flash de alta calidad para proporcionar rendimiento y resistencia, pero suele costar el doble que el flash MLC.

Algunas tarjetas de memoria flash de consumo son utilizadas por las empresas para almacenar en caché lecturas y escrituras con almacenamiento flash híbrido. La MLC para empresas es una variante de la NAND MLC con ciclos de escritura mejorados en comparación con la MLC de consumo. Algunas unidades SSD empresariales más recientes utilizan flash NAND de celda de triple nivel, que almacena 3 bits de datos por celda flash, y NAND de cuádruple nivel (QLC NAND), que puede almacenar hasta 4 bits de datos por celda de memoria. Las SSD fabricadas con NAND QLC representan la próxima evolución en productos de memoria flash.

SSDS de nivel empresarial

En la mayoría de los aspectos, los tipos de tarjetas de memoria flash anteriores difieren de los utilizados en el almacenamiento empresarial. No todas las SSD son iguales y, por tanto, no son adecuadas para todas las aplicaciones. Como tal, la diferencia entre una SSD de cliente y una SSD de empresa es enorme. Por ejemplo, las unidades SSD de bajo coste y calidad de consumo, como Samsung Evo, WD Green de Western Digital y Seagate BarraCuda, están pensadas para casos de uso por parte del consumidor, mientras que las opciones caras de calidad empresarial, como Samsung PM883, Western Digital Ultrastar, Seagate Nytro y Kingston Technology DC500, se utilizan en centros de datos y entornos corporativos.

A EMC, ahora Dell EMC, se le atribuye ser el primer proveedor en incluir SSD en el hardware de almacenamiento empresarial cuando los agregó a sus matrices de discos Symmetrix en 2008, generando la llegada de matrices híbridas que combinan unidades flash con un disco giratorio tradicional. Inicialmente, los SSD empresariales en matrices híbridas quedaron relegados al almacenamiento en caché de datos leídos en flash debido a su mayor costo y menor resistencia en comparación con los HDD.

Las SSDs suelen estar disponibles en formatos similares a los discos duros tradicionales, como los de 1.8, 2.5 y 3.5 pulgadas. Las SSD pueden insertarse en las ranuras de los servidores informáticos — lo que se conoce como almacenamiento flash del lado del servidor — o utilizarse como parte de un sistema de matriz de almacenamiento flash empresarial.

Las SSD basadas en PCIe están diseñadas en torno a Peripheral Component Interconnect Express (PCIe), un formato de tarjeta de expansión de alta velocidad que conecta un ordenador con sus periféricos adjuntos. En comparación con las unidades SSD Serial Advance Technology Attachment (SATA), las SSD PCIe son preferibles pero más caras, debido a su conexión directa a la placa base de un sistema. Ofrecen velocidades de transferencia de datos más rápidas y se suelen utilizar en dispositivos que requieren conexiones de datos de alta velocidad de escritura/lectura.

PCIe tiene una arquitectura punto a punto, lo que permite a cada dispositivo conectarse a un host a través de su propio enlace serie, en lugar de compartir un bus de red. En virtud de esta conexión directa, las unidades SSD PCIe suelen ofrecer un mayor rendimiento que las unidades SSD SATA, Serial-Attached SCSI (SAS) o Fibre Channel (FC).

Tarjetas de memoria flash en servidores

Aparte de las SSDs, otros factores de forma para el almacenamiento flash en servidores son los siguientes:

• SSDs de tarjeta complementaria (AIC). Encajan en una conexión serie PCIe.
• Dispositivos de disco en módulo. Se montan en una placa base como unidad de arranque basada en flash. Estos dispositivos disponen de memoria no volátil y se utilizan con frecuencia cuando un disco duro no sería adecuado debido al entorno de uso.
• Módulos de memoria flash dual en línea (DIMM). También conocidos como almacenamiento de estado sólido de canal de memoria, estos aprovechan las ranuras DIMM DRAM inactivas como caché flash de baja latencia y alto rendimiento para amortiguar el rendimiento del servidor host.
• SSDs con factor de forma M.2. Presentadas en 2012 como sustituto de las unidades flash mini SATA, las SSD M.2 se utilizan en ultrabooks, mini PC, laptops y otros dispositivos portátiles gracias a su diseño compacto y delgado. Pueden almacenar hasta 2 TB de datos y ocupan menos espacio que las unidades SSD de 2.5 pulgadas o los discos duros.
• DIMMs no volátiles (NVDIMM). Combinan DRAM con memoria no volátil, normalmente flash NAND. Hay tres categorías de tarjetas NVDIMM:
  1. Los dispositivos NVDIMM-N sólo hacen visible al sistema la DRAM. El componente flash no es almacenamiento direccionable y sólo sirve como respaldo de la DRAM.
  2. Las NVDIMM-F, también conocidas como flash de canal de memoria, contienen flash y no DRAM. Las capacidades de los NVDIMM-F son similares a las de las SSD, con la característica de que presentan latencias más bajas que el almacenamiento flash estándar.
  3. NVDIMM-P combina la funcionalidad de NVDIMM-F y NVDIMM-N en un módulo. Esta memoria no volátil se asigna de dos formas. Parte de ella proporciona persistencia a la DRAM, mientras que el resto está disponible como almacenamiento en bloque.

Especificaciones emergentes de tarjetas de memoria flash

El protocolo de memoria no volátil exprés (NVMe) es una especificación que permite a un SSD explotar el bus PCIe. NVMe opera en el controlador host para definir el conjunto de comandos y funciones necesarios para agilizar el stack de entrada/salida. El objetivo es permitir que las SSD basadas en PCIe ofrezcan baja latencia y mayor rendimiento y consuman menos energía en comparación con las SSD SAS o SATA. La especificación más reciente de NVME, NVMe 2.0c, se publicó en octubre de 2022.

La organización sin ánimo de lucro NVM Express Inc. desarrolló la especificación industrial NVMe over Fabrics (NVMe-oF) para permitir que la interfaz de almacenamiento NVMe transfiera comandos de datos a través de Ethernet, FC, InfiniBand y otros tejidos de red. NVMe-oF se está convirtiendo rápidamente en un popular protocolo de red de almacenamiento que ofrece alto rendimiento, baja latencia, escalabilidad y compatibilidad con protocolos de red existentes, como FC, TCP y acceso remoto directo a memoria.

Memoria RAM-flash híbrida y tecnología de tarjeta de memoria de última generación

Durante décadas, las tecnologías de memoria tradicionales, incluidas la DRAM y la flash NAND, han servido como tecnologías de memoria fiables. Sin embargo, con el crecimiento explosivo de la generación y el consumo de datos, estas opciones se están acercando a sus límites de rendimiento, capacidad y eficiencia energética. Para superar estas limitaciones y abrir nuevas posibilidades, han surgido varias tecnologías de memoria de nueva generación que tienen el poder de satisfacer las crecientes necesidades del mundo centrado en los datos.

A continuación se presentan algunas ofertas de memoria flash de nueva generación que están cambiando la forma de trabajar de las industrias al ofrecer opciones de memoria más rápidas, mejores y más confiables:

• RAM resistiva (ReRAM). Uno de los contendientes más prometedores es la ReRAM, también conocida como RRAM. La ReRAM modifica la resistencia de un material, normalmente un óxido metálico, para almacenar datos. Este enfoque proporciona velocidades de lectura y escritura más rápidas, mayores densidades de almacenamiento y un menor consumo de energía en comparación con las tecnologías de memoria tradicionales. Al combinar los puntos fuertes de la RAM y la memoria flash, la ReRAM tiene potencial para sustituir tanto a la DRAM como a la flash NAND en una amplia gama de aplicaciones, desde centros de datos a electrónica de consumo.
• RAM magnetorresistiva (MRAM). La MRAM utiliza elementos magnéticos para almacenar datos, lo que les permite conservar su estado incluso sin alimentación, convirtiéndola en una opción de memoria no volátil. La MRAM ofrece varias ventajas sobre las tecnologías de memoria tradicionales, como rapidez en las operaciones de lectura y escritura, consumo reducido de energía y resistencia excepcional. Por su naturaleza no volátil y su alta fiabilidad, la MRAM es beneficiosa en campos como la automoción y los sistemas industriales, donde ya ha avanzado mucho. Según un informe de McKinsey, se prevé que el número de chips MRAM utilizados en automóviles aumente de 600 en 2021 a aproximadamente 1220 en 2030.
• Memoria de cambio de fase (PCM). Al cambiar la fase de una sustancia entre su estado amorfo y cristalino, normalmente un cristal de calcogenuro, la PCM retiene los datos. Esto permite altas densidades de almacenamiento, velocidades de lectura y escritura rápidas y almacenamiento de datos no volátil. La PCM tiene potencial para aplicarse en diversos campos, como la electrónica de consumo y las computadoras de alto rendimiento.