Así es la tecnología que usan los nuevos SSD, las NAND Flash 3D QLC

Las NAND Flas como tecnología siempre están en el punto de mira, y es que da la «casualidad» de que actualmente están cada vez en mayor número de dispositivos en el mundo. Por ello, es normal que ahora este mercado sea tan volátil en sus precios, donde además cada nueva tecnología de apilamiento hace temblar los cimientos para el resto de fabricantes que no la tienen. Un ejemplo claro ha sido la nueva QLC, la cual está implementada cada vez en mayor número de SSD, pero que todavía no termina de despegar. ¿Es realmente el futuro? ¿es rentable y merece la pena?

Como toda NAND Flash estas se basan a su vez en la tecnología de celdas de memoria, las cuales han tenido una gran evolución como arquitectura desde sus primeros circuitos electrónicos y aunque no vamos a explicar en profundidad cómo funcionan o cuál es su historia, sí que daremos un breve repaso para focalizar las novedades de la QLC como tal.

Por qué escoger NAND Flash en vez de chips de RAM comunes

SK-hynix’s_176-Layer_4D_NAND_Flash (1)

Una de las paradojas de los SSD vs RAM del sistema es que aunque las primeras son más lentas, menos densas y más caras de fabricar que las segundas, se da el caso que las tecnologías y el enfoque para el que están diseñadas las separan completamente, aunque sus principios son los mismos en realidad.

La principal diferencia es que las NAND Flash como tecnología se basan en los FGMOS o floating-gate MOSFET, los cuales son un tipo de transistor del tipo efecto de campo semiconductor metálico. Esto implica que la Gate como tal está aislada y posee corriente continua, lo cual es la base de la tecnología para un SSD: El objetivo es que cada celda mantenga su estanqueidad eléctrica permitiendo guardar con ello los datos que se almacenan.

La RAM no funciona así, sino que al ser de tipo MNV o memoria no volátil, necesita siempre de una corriente que la atraviese, por lo que su arquitectura está basada en condensadores MOS. Por lo tanto, los SSD busca almacenar cada bit de información para que el controlador, la CPU o la GPU puedan acceder a ella y leer cada celda a base de 0 y 1.

Por lo tanto y como es lógico, las primeras celdas NAND Flash comenzaron pudiendo almacenar cada una de ellas 1 bit en dos estados diferentes (cero y uno). A este tipo de memoria NAND Flash se la denominó SLC o Single Level Cell y es la base de cualquier SSD antiguo o actual, aunque con muchos matices en el camino.

Un cambio de tendencia en el sector con QLC

QLC

La premisa para cambiar de tecnología es simple, pero conlleva algunos problemas y ventajas al mismo tiempo. Lo que la industria del almacenamiento quiere es aumentar la capacidad de estos dispositivos como objetivo principal, pero tras eso está por ejemplo la velocidad, el precio por GB incluido y por supuesto la durabilidad.

Aquí está toda la controversia, así que vamos a explicar todo lo relacionado con las memorias QLC para que se comprenda. Como ya hemos podido adivinar, las QLC son memorias de cuarto nivel o Quad Level Cell y parten de la premisa de que se basan en la tecnología introducida con sus predecesoras, las TLC.

Este tipo de memorias de tercer nivel consiguen un rendimiento similar a las MLC actualmente pero con ciclos de vida más cortos, normalmente y como media de entre 3000 a 5000 ciclos por celda. Esto significa reducir su vida útil, pero por su nueva estructura logran abaratar el precio por GB, por lo que como la durabilidad es asumible para más de 10 años vista en un SSD de consumidor, es una tecnología válida y muy equilibrada en todos los aspectos.

De SLC a MLC, TLC y ahora QLC, ¿qué novedades trae como tecnología?

QLC

Con QLC la industria logra aumentar la capacidad, pero también la complejidad y durabilidad de cada celda. Se obtienen 4 bits por celda, pero hasta 16 voltajes distintos deben ser implementados, uno por cada estado por el número de bits que se contienen. Por lo tanto, esta cantidad de estados y voltajes hacen que se pierda velocidad de lectura y sobre todo escritura en un SSD.

La validación y comprobación de cada bit también es más compleja y se degrada cada celda mucho más, por lo que ni el ECC común es suficiente para mantener la integridad estructural y se tuvo que recurrir a otros métodos de comprobación de errores. Lógicamente, si tenemos que recurrir a todo esto los ciclos de lectura y escritura interna son mayores (no confundir con los ciclos externos de transferencia de datos propiamente dichos) lo que repercute en una vida útil total de entre 500 a 1500 ciclos de borrado, escritura y lectura.

Por lo tanto, se ha hecho necesario el uso de cachés SLC para aumentar el rendimiento de estos SSD a niveles de al menos los TLC. Ergo, conforme la industria sube el escalón de mayor número de bit por celda, la velocidad y durabilidad baja a costa de la capacidad y ahí está todo el problema.

El mercado intenta moverse a QLC, pero de momento ni los costos son más bajos si comparamos modelos de SSD TLC vs QLC en sí mismos, ni las ventajas superan de momento a los inconvenientes.

QLC vs TLC

Es cierto que hay modelos donde sí que se están dando las circunstancias óptimas para afirmar que QLC es igual o mejor, pero son modelos nicho donde los usuarios están depositando la confianza y esto hace que se genere mayor volumen de chips y por ende menor coste.

Pero entonces, ¿por qué elegir QLC frente a un buen SSD con TLC? Principalmente por capacidad y por costes. Cada vez salen SSD a menor precio por GB con rendimientos cada vez superiores y con mayor capacidad, por lo que es solo cuestión de tiempo que TLC quede como marginal en el mercado. Igualmente, con QLC se está dando un nuevo tipo de NAND Flash llamada X-NAND que paradójicamente puede arrebatarle el trono de la industria a la primera, puesto que abarca parte de los problemas inherentes a esta tecnología y que a su misma vez mantiene los estándares de los niveles de celdas, por lo que podría comenzar con QLC y seguir con PLC sin problemas.

El futuro de QLC es prometedor, lento eso sí, pero la industria cada vez alarga más tiempo el GAP entre nuevos niveles, lo que permite que la tecnología madure y los fabricantes compitan. PLC será su sucesor y aunque hay grandes avances con ella, realmente está todavía lejos en el mercado como para ver SSD de consumo y alto rendimiento en capacidades generosas a precios competitivos.