Mucho hablamos en el mundo del hardware de la memoria NAND Flash, y la mayoría de nuestros lectores seguro que sabe que es el tipo de memoria que utilizan, por ejemplo, los SSD o los pen drive USB. Pero, ¿sabes qué es exactamente este tipo de memoria y cómo funciona? En este artículo vamos a contártelo en profundidad.
Cuando manejamos tantos datos en nuestros aparatos electrónicos, siempre tenemos que tener una manera de almacenarlos. Antaño eso se hacía mediante tarjetas perforadas, y más tarde llegaron los discos magnéticos. Actualmente, el tipo de almacenamiento más extendido es la memoria RAM no volátil, en concreto la variante NAND Flash, así que vamos a ver en qué consiste para poder entenderlo.
¿Qué es la memoria NAND Flash?
Es un tipo de memoria no volátil, y esto significa que no necesita energía para retener los datos. En otras palabras, al contrario de lo que sucede con la memoria RAM, los datos no se borran al apagar el PC o desconectar el dispositivo, y pueden permanecer ahí durante mucho, mucho tiempo.
NAND es un acrónimo que viene del inglés «Not And», y esto es así porque su función es la de comportarse como una puerta lógica de tipo booleana. Cuando se comenzó a fabricar, este tipo de memoria era o bien NOR o bien NAND dependiendo del tipo de transistor que se utilizara. Actualmente la memoria NOR ya no se fabrica, porque la NAND es mucho más fácil y barata de fabricar, además de poder contar con mayores densidades.
Su funcionamiento consiste en que en su interior tienen transistores basados en tecnología EEPROM de puerta flotante, que a diferencia de la memoria EPROM sí puede borrarse y reescribirse (por eso tiene una E de más al principio, por «erasable» (borrable)). Esencialmente, los datos se almacenan en las celdas de memoria según su estado y siguiendo el habitual código binario: en los unos la «puerta» lógica está abierta, y en los ceros está cerrada. Así se almacenan los datos.
Acceso a la memoria NAND Flash
Uno de los problemas que tienen este tipo de memorias es el desgaste. Los procesos de escritura van «dañando» las memorias, concretamente las celdas. Esto hace que requieren de un sistema de gestión que evite el uso masivo de una celda.
Para controlar el almacenamiento de la información, las memorias se asocian a una controladora. Esta controladora tiene varias misiones. La más importante, es evitar el desgaste excesivo de una celda o grupo de celdas donde se almacena la información. Va repartiendo el trabajo de manera uniforme por todas las celdas.
Adicionalmente, si alguna de las celdas se «rompe», se encargará de activar las celdas de reservas. Debes saber que todos los SSD tienen una cantidad «x» de celdas de reserva por si las «primarias» se desgastan y se rompen.
La controladora también se encarga de recopilar información útil. Algunos de los datos que recopila son:
- Tiempo de uso de la unidad desde el último arranque
- Tiempo de uso de la unidad desde su instalación
- Volumen de datos escritos en total
- Estado de la unidad
- Errores que se hayan podido dar
Tipos de memoria NAND
Como sabéis existen diferentes tipos de memoria NAND Flash, así que vamos a resumir en qué consiste cada uno de ellos:
- SLC (Single Level Cell): es la primera que llegó al mercado; cada una de sus celdas de memoria es capaz de almacenar sólo un bit de información, y por lo tanto es la que menos desgaste tiene de todos los tipos de memoria NAND Flash y la más rápida a la hora de acceder a los datos. Sin embargo, debido a que solo cabe un bit por celda, su densidad es extremadamente baja.
- MLC (Multi Level Cell): su coste de fabricación es sensiblemente inferior a la SLC, y por ello cobró importancia rápidamente. Esta NAND es capaz de almacenar dos bits por celda, así que la densidad aumenta literalmente al doble, aunque también tiene una durabilidad bastante menor a causa de ello.
- TLC (Triple Level Cell): el rendimiento de este tipo es bastante inferior a los anteriores ya que se pueden almacenar hasta tres bits en cada celda, lo que también aumenta mucho su desgaste. Lo bueno es que los dispositivos con este tipo de memoria tienen unas densidades muy elevadas.
- QLC (Quad Level Cell): es la evolución de la memoria TLC, y se pueden almacenar hasta cuatro bits por celda. Con las nuevas generaciones y mejoras en los algoritmos, se logró que su desgaste fuera incluso menor que TLC.
- PLC (Penta Level Cell): por el momento solo se encuentra en laboratorios, se basa en la idea de almacenar hasta 5 bits por celda. De momento se sabe poco, pero podrían tener grandes problemas de desgaste, aunque el coste por GB se podría reducir notablemente.
Uno de los problemas de las memorias NAND, es que a medida que sube la cantidad de bits por celda, cae la durabilidad. Esto quiere decir que, cuanto mayor un SSD con memorias SLC durara mucho más tiempo que uno con memorias QLC.
Al mismo tiempo, se necesita aumentar la cantidad de bits por celda por dos motivos: aumentar la capacidad y reducir costes. Paralelamente se buscan métodos para aumentar el número de capas. Todo esto permite aumentar notablemente la capacidad de los SSD y permite reducir el precio de la unidad.
Memoria NAND Flash 3D
En pos de seguir aumentando la densidad de memoria más y más, desde hace tiempo habréis escuchado hablar de la memoria NAND Flash en capas, o NAND 3D, en tres dimensiones. Esto es así porque dadas las limitaciones físicas de espacio para poner chips en los PCB, al final la solución para seguir aumentando la densidad y por tanto la capacidad de los dispositivos fue apilar capa tras capa con unas interconexiones de gran velocidad.
De esta manera, e independientemente del tipo de NAND utilizada, la densidad puede multiplicarse aunque por supuesto hasta cierto límite, ya que como comprenderéis no pueden crecer en altura de forma ilimitada. En la actualidad, los fabricantes ya trabajan con chips de 128 capas, aunque Samsung ya ha anunciado que tiene la memoria NAND Flash de 160 capas en desarrollo.
La memoria NAND Flash 3D tiene la ventaja que permite utilizar nodos de fabricación menos avanzados para conseguir las mismas densidades que la NAND Flash convencional, por eso ha acabó reemplazando en la mayoría de tarjetas de memoria y unidades SSD a la memoria NAND convencional.
A día de hoy se trata del tipo de memoria NAND Flash más utilizada debido a permitir grandes capacidades de almacenamiento por muy bajo coste y sin necesidad de que los fabricantes de memoria de este tipo tengan que desarrollar las tecnologías de fabricación de última generación. Además, con cada generación la cantidad de chips apilados va aumentando y con ello la capacidad de almacenamiento de este tipo de memorias flash.
Usos de este tipo de memorias
Las memorias NAND Flash en la actualidad se asocian directamente con las unidades de almacenamiento SSD. Debes saber que este tipo de memorias se utilizan en muchos otros entornos por su versatilidad, diseño, facilidad de fabricación y bajo coste.
Aunque no lo creas, este tipo de memoria no tiene como uso principal la creación de unidades SSD. La industria que más los usa es la de smartphone, ya que todos incluyen un chip de memoria de este tipo. También se utilizan como solución de almacenamiento en tablets, smartphone, sistemas de GPS y muchos otros dispositivos. Existen diferencias y es que hay variaciones en cuanto a procesos de fabricación, diseños y arquitecturas.
También las NAND Flash se utilizan para el desarrollo y creación de memorias USB o pendrive. Obviamente, también son utilizadas en las comúnmente usadas tarjetas de memoria, como son las microSD y resto de formatos. Realmente, las NAND Flash de estos productos distan poco de las usadas en los SSD, solo hay ciertas limitaciones de prestaciones y procesos de fabricación diferentes.
Son las memorias que se utilizan en las SmartTV, en dispositivos como Fire TV o Google Chromecast. También se utilizan para dispositivos inteligentes como Amazon Alexa. Por si fuera poco, también se utilizan en los vehículos con pantallas táctiles y en los vehículos eléctricos.
Pero todo esto son solo ejemplos, ya que se utilizan en maquinaria industrial, dispositivos médicos, en satélites y en prácticamente cualquier cosa que requiera de almacenamiento.
Estas son las compañías más relevantes en el desarrollo de memorias NAND
Dentro de un sector específico del mercado siempre hay ciertas compañías que lo dominan por completo, al igual que con el resto de componentes, las memorias NAND tienen a unas cuantas empresas que se encargan de acaparar prácticamente por completo su creación y distribución. En este caso, hay seis que se encargan de ello, pero realmente relevantes hay tres, que son las que mayores avances han logrado en la industria, siendo de esta forma las que definen en gran medida cómo serán las memorias de este tipo que podremos encontrar en el futuro y que cuentan con grandes cambios.
Estas tres compañías son bastante reconocidas a nivel mundial, y es que estamos hablando de Samsung, SK Hynix y Micron, tres grandes conocidas en prácticamente cualquier ámbito relacionado con la memoria debido a que son las más fuertes del mercado en este aspecto. Además de estas, como bien hemos comentado, también hay otras tres que son bastante importantes pero no tanto como las que hemos mencionado, por lo menos en este campo, ya que en otros relacionados con los componentes de PC hay algunas que son mucho más relevantes que las mencionadas.
En este caso estamos hablando de Kioxia, Western Digital, y la que menos destaca en el sector de las memorias pero que consigue ser una de las más importantes en el ámbito de los procesadores, Intel, ya que también tiene desarrollos relacionados con esta tecnología. Como tal no hay ninguna compañía más que sea realmente conocida en este aspecto, ya que los costes de producción de este tipo de tecnología son bastante altos, haciendo que no sean demasiadas las empresas que pueden entrar en un mercado que además está dominado por una competencia tan complicada.
