Motivos por los que SSD y RAM tienen distinta capacidad y rendimiento

Las memorias conocidas como 3D NAND se basan en conectar varios chips de memoria NAND Flash apilados en vertical e intercomunicados utilizando interconexiones a través vías de silicio. Lo que permite aumentar la capacidad de almacenamiento. ¿Cómo afectan las capas de la 3D NAND a su rendimiento y evolución?

El primer chip 3D NAND fue lanzado en el 2013, se trataba de la primera V-NAND de Samsung con 16 GB de capacidad y compuesto por 24 capas. Con el tiempo la cantidad de capas ha ido evolucionando y a día de hoy podemos encontrar configuraciones 3D NAND de 176 capas. ¿Existe un límite en el número de capas de 3D NAND?

¿Qué es la memoria NAND Flash?

NAND Flash

La memoria NAND Flash es un tipo de memoria RAM no volátil, esto significa que mantiene su información después de haber perdido la alimentación eléctrica. Al igual que la memoria RAM esta se organiza por chips de memoria, pero al contrario de esta tiene menor ancho de banda y con una latencia más alta.

Se trata por tanto de una memoria de almacenamiento que se utiliza como los discos duros, que al igual que la memoria RAM crece año tras año gracias a los efectos de la Ley de Moore. Algo que se ve acelerado por el despliegue de la memoria 3D NAND. La cual utiliza decenas de chips de memoria 2D apilados, haciendo que la capacidad de almacenamiento pueda llegar a ser varias veces la de la memoria RAM.

¿Por qué es necesaria la 3D NAND?

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La principal diferencia entre la memoria 2D NAND clásica y la memoria 3D NAND es la forma en la que se comunican las celdas. En la 2D NAND las células de memoria donde se almacenan los bits se encuentran juntas las unas con las otras en un solo chip. Por lo que la capacidad de cada chip viene determinada por un lado por el tipo de celda utilizado y por el otro por la cantidad de celdas que podemos hacer caber en un chip.

Por estos motivos la NAND 2D se ve limitada por dos factores. El primero de ellos es el más conocido y tiene que ver con las capacidades del nodo de fabricación que se utiliza para fabricar la memoria. Es decir, la cantidad de transistores por mm2. En cambio el segundo motivo es más desconocido, ya que tiene que ver con la reducción de la distancia entre los transistores y los campos eléctricos que se crean.

Organización 3D NAND

Dicho de otra manera, cuanto más cerca están las celdas más peligro existe que la carga eléctrica de una celda acaba por corromper los datos de una celda colindante. De ahí la necesidad de implementar sistemas 3D NAND que se basa en intercomunicar varios chips 2D NAND de manera vertical. La idea es disminuir la densidad en lo que a celdas se refiere en cada uno de los chips de la pila para evitar que la carga eléctrica de una de las celdas acabe al contenido de las demás.

Es precisamente este hecho lo que hace que para los chips NAND en 2D utilizados para construir la NAND en 3D sean de un nodo de fabricación menos avanzado y por tanto con menor densidad en cuanto al número de transistores que los que son puramente en dos dimensiones.

¿Cuántas capas soporta la memoria 3D NAND?

3D NAND

La memoria 3D NAND, no obstante, se diferencia de la RAM 3D como la HBM por la forma en la que está organizada la pila de memoria, ya que empezando por el chip de memoria que se encuentra en la base de la pila, el resto de los chips que se colocan por encima tienen un tamaño más pequeño, hasta que se llega al punto en que los chips de memoria NAND 2D que forman la pila son demasiado pequeños para seguir escalando. Se ha de tener en cuenta tal y como hemos explicado en la sección anterior que el uso de nuevos nodos y el aumento de la densidad de las celdas obliga a ciertos niveles de capacidad de almacenamiento a aumentar la cantidad de capas con tal de evitar la contaminación eléctrica entre celdas.

De media, los fabricantes están añadiendo entre un 30% y un 50% más capas con cada generación de la 3D NAND. En la actualidad las memorias 3D NAND de 96 capas son las más vendidas con más de la mitad de la cuota de mercado, seguidas de las de 128 capas teniendo el 15% del mismo. ¿La evolución generacional? De media cada 18 meses, por lo que no será hasta finales de 2022 que veremos la siguiente generación de memoria 3D NAND con 256 capas.

El aumento de capacidad gracias celdas QLC y PLC

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Las celdas PLC son las menos fiables de todas, permiten almacenar hasta 4 bits por celda pero limitando el ciclo de vida de los productos. No obstante la necesidad de capacidad de almacenamiento para mucha gente ha aumentado la demanda por las celdas QLC que en 2021 han sido el 15% de la demanda, pero se espera que alcance el 50% de la misma para 2025.

Se espera que el proceso se repita con las celdas de 5 bits o PLC que Intel presentó como propuesta hace unos meses. Al fin y al cabo es el mismo proceso que ya ha ocurrido con el TLC y posteriormente con el QLC. Aunque las predicciones están hechas a partir del uso de celdas QLC y los avances tecnológicos para 2025.

¿En qué situación estaremos? Para 2025 se espera que podamos alcanzar el coste de 2 céntimos de dólar por Gigabyte de almacenamiento. Lo que se traduce en una reducción del coste de un 20% interanual de media y por tanto del 30% entre generaciones. Para la fecha de 2025 deberíamos esperar configuraciones 3D NAND con 384 capas.

¿Cuándo reemplazará la 3D NAND a los discos duros?

Fabricantes discos duros SSD

Los discos duros convencionales son superiores a la memoria NAND Flash en una cosa, su capacidad para almacenar datos. Bien es cierto que podemos sacar una lista de cosas en los que las unidades SSD son superiores en estos momentos como es el hecho de no depender de partes mecánicas, tener tiempos de búsqueda más rápidos y sobretodo un mayor ancho de banda.

La pregunta es: ¿en qué año el coste de la 3D NAND será tan barata como la de un disco duro? Pues las predicciones apuntan a 2033, por lo que aún falta más de una década para que los discos duros se vean superados en lo que estos superan a la memoria 3D NAND.

El motivo por el cual vamos a tener que esperar tanto tiempo es que el coste de los nodos de fabricación que se van a desplegar en los siguientes años van a ser cada vez más caros, lo cual va a ser un factor en ese aspecto. No obstante esto no significa que sigamos utilizando discos duros en los años venideros, en especial por el hecho que los SSD son cada vez más populares y tienen ventajas más allá de la capacidad de almacenamiento.

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