Conoces las memorias NAND Flash pero, ¿sabes cómo funcionan?

Conoces las memorias NAND Flash pero, ¿sabes cómo funcionan?

Roberto Sole

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

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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.

Tipos de memoria NAND Flash

 

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

Normalmente las memorias NAND Flash se asocian, actualmente, a las unidades SSD en sus diferentes formatos. Pero, además de para estas unidades de almacenamiento, se utilizan en muchos otros entornos por su versatilidad, diseño y reducido coste.

Este tipo de memorias es el que se utiliza como almacenamiento principal en smartphone, tablets y relojes inteligentes, entre otros. Prácticamente cualquier dispositivo electrónico moderno con memoria utiliza este tipo de tecnología. Varían aspectos como la tecnología de fabricación, arquitectura o proceso de fabricación, pero al final son muy similares.

También son las que se utilizan en las memorias USB o pendrive, así como en las tarjetas de memoria. Las usadas en los pendrive son similares a las usadas en los SSD, pero con prestaciones limitadas y procesos de fabricación algo diferentes. Por otro lado, las usadas en tarjetas de memoria son algo más diferentes en diseño, por tener unas especificaciones de construcción limitadas, pero el funcionamiento es igual.

Dicho tipo de memoria también se utiliza en las SmartTV, en dispositivos como los FireTV o Google Chromecast, altavoces inteligentes como Alexa e incluso, en los vehículos eléctricos.

Todos estos dispositivos, entre muchos otros, se aprovechan de sus buenas capacidades, su bajo coste de fabricación, su reducido consumo, su gran versatilidad y su reducida generación de calor.

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  • Un anunciante quiere tener una mayor comprensión del tipo de público que interactúa con sus anuncios. Por ello, acude a un instituto de investigación con el fin de comparar las características de los usuarios que han interactuado con el anuncio con los atributos típicos de usuarios de plataformas similares en diferentes dispositivos. Esta comparación revela al anunciante que su público publicitario está accediendo principalmente a los anuncios a través de dispositivos móviles y que es probable que su rango de edad se encuentre entre los 45 y los 60 años.

La información sobre tu actividad en este servicio, como tu interacción con los anuncios o con el contenido, puede resultar muy útil para mejorar productos y servicios, así como para crear otros nuevos en base a las interacciones de los usuarios, el tipo de audiencia, etc. Esta finalidad específica no incluye el desarrollo ni la mejora de los perfiles de usuario y de identificadores.

  • Una plataforma tecnológica que opera con un proveedor de redes sociales observa un crecimiento en los usuarios de aplicaciones móviles y se da cuenta de que, en funciónde sus perfiles, muchos de ellos se conectan a través de conexiones móviles. La plataforma utiliza una tecnología nueva para mostrar anuncios con un formato óptimo para los dispositivos móviles y con un ancho de banda bajo a fin de mejorar su rendimiento.
  • Un anunciante está buscando una forma de mostrar anuncios en un nuevo tipo de dispositivo. El anunciante recopila información sobre la forma en que los usuarios interactúan con este nuevo tipo de dispositivo con el fin de determinar si puede crear un nuevo mecanismo para mostrar la publicidad en ese tipo de dispositivo.

El contenido que se presenta en este servicio puede basarse en datos limitados, como por ejemplo la página web o la aplicación que esté utilizando, tu ubicación no precisa, el tipo de dispositivo o el contenido con el que estás interactuando (o con el que has interactuado) (por ejemplo, para limitar el número de veces que se te presenta un vídeo o un artículo en concreto).

  • Una revista de viajes, para mejorar las experiencias de viaje en el extranjero, ha publicado en su página web un artículo sobre nuevos cursos que ofrece una escuela de idiomas por Internet. Las publicaciones del blog de la escuela se insertan directamente en la parte inferior de la página y se seleccionan en función de la ubicación no precisa del usuario (por ejemplo, publicaciones del blog que explican el plan de estudios del curso para idiomas diferentes al del país en el que este te encuentras).
  • Una aplicación móvil de noticias deportivas ha iniciado una nueva sección de artículos sobre los últimos partidos de fútbol. Cada artículo incluye vídeos alojados por una plataforma de streaming independiente que muestra los aspectos destacados de cada partido. Si adelantas un vídeo, esta información puede utilizarse para determinar que el siguiente vídeo a reproducir sea de menor duración.

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