Memorias NAND flash. Que són?

La memoria flash NAND es un tipo de memoria no volátil, lo que significa que puede almacenar una carga independientemente que el disco esté o no conectado a una fuente de alimentación, que borra datos en unidades llamadas bloques. NAND es la arquitectura predominante utilizada en el almacenamiento SSD actual, aunque existen otros tipos de almacenamiento flash.

Un disco NAND se compone de uno o más chips flash. Cada chip contiene múltiples matrices, y cada matriz contiene múltiples planos, generalmente dos. Los planos se dividen en bloques, los bloques en páginas y las páginas en celdas, que es donde se almacenan los bits.

Aunque los datos se leen y escriben a nivel de página, el bloque del chip de memoria flash donde se encuentran los datos a modificar, debe ser borrado antes de que los datos puedan ser escritos o programados en el chip. Esto da como resultado procesos complejos de borrado de escritura.

Una unidad NAND también viene con un controlador para administrar las operaciones de datos y abordar las complejidades de escritura y borrado. El controlador es un procesador específico de unidad que ejecuta el firmware y maneja operaciones avanzadas tales como nivelación de desgaste, recolección de basura, encriptación, mapeo de bloques defectuosos y corrección de código de error (ECC).

Al leer, escribir o borrar datos, un disco NAND usa el estado de voltaje de las celdas correspondientes para determinar o establecer su configuración de bit. El chip NAND más básico está limitado a un solo bit de datos por celda. Como resultado, la celda siempre está en uno de dos estados: programado (0) o borrado (1).

El controlador determina el estado por el nivel de voltaje aplicado a la celda. La cantidad de carga contenida en celda puede ser variada desde cero hasta un valor máximo. Como este es un sistema analógico, no hay un simple estado LLENO o VACIO.Aquí puedes ver el interior de un chip memoria nand flash en el que encuentras los pines de conexión a la placa

Chips flash “Single-level cell”  SLC

Un chip NAND que contiene solo un bit por celda se conoce como “Single-level cell” (SLC) o flash de celda de un nivel. Debido a que solo se almacena un bit por celda, el controlador puede determinar el estado de la celda de manera rápida y fácil, sin incurrir en la cantidad de errores generados por las arquitecturas de celda de múltiples bits.

En un flash SLC, cualquier cosa por debajo del 50% de carga puede considerarse un bit con un valor de 1, mientras que cualquier cosa por encima del 50% puede considerarse un bit con un valor de 0. Como resultado, el chip SLC funciona mejor y es más confiable que un chip de varios bits.

Todos los chips flash admiten solo un número limitado de operaciones de borrado de escritura, conocidos como “Ciclos P/E” o “Program-Erase Cycles”, suelen utilizarse como criterio para medir para la duración de la unidad de almacenamiento SSD.

Para flash SLC, ese número es aproximadamente de 100.000 antes de poder fallar. Los chips que contienen más de un bit por celda tienen un umbral mucho más bajo debido al desgaste adicional en cada celda.

Un disco basado en SLC flash debe mucho de su éxito a las capacidades avanzadas integradas en el controlador y su firmware, junto con el almacenamiento en caché y el exceso de aprovisionamiento. Aun así, es la arquitectura de celda única la que impulsa el rendimiento y la resistencia detrás del flash SLC. Desafortunadamente, estas capacidades también vienen con un precio muy alto.

Para aumentar la capacidad de almacenamiento de los discos SSD, los fabricantes suelen optar por tres opciones:

  • Aumentar la cantidad de chips de memoria montados sobre la placa del disco SSD
  • Aumentar la cantidad de bits por celda de los chips de memoria
  • Aumentar verticalmente el número de capas de los chips de memoria

En la primera opción, debido a las tecnologías actuales de fabricación de chips, aumentar el número de chips significa aumentar el espacio ocupado en la placa del disco, con lo que llega un momento en que no se podría mantener el tamaño de los formatos de forma estándar actuales de los discos (2.5”, M.2, PCie).

Chips flash “Multi-level cell”  MLC

La segunda opción de aumentar el número de bits por celda, fue la siguiente elección de los fabricantes para aumentar la capacidad y reducir los costes. Hasta ahora la mayoría de fabricantes producían la conocida como “Multi-level cell” (MLC) o flash de celda de niveles múltiples, en el que se almacenan dos bits de datos en cada celda, lo que da como resultado mayores capacidades a precios más bajos por bit. A pesar de la parte múltiple del nombre, MLC generalmente se refiere a una estructura de dos bits.

Desafortunadamente, el flash MLC no funciona tan bien como el flash SLC. También es más propenso a la corrupción de datos y tiene un nivel mucho más bajo de duración.

Por ejemplo, debido a la mayor tasa de bits por celda, las lecturas de voltaje deben ser mucho más precisas, ya que, al almacenarse dos bits, el nivel de voltaje de la celda se divide en 4 niveles (00, 01, 10, 11), lo que hace que el chip sea más susceptible a las altas temperaturas.

Además, las operaciones a nivel de celda son más complejas debido a la necesidad de navegar el bit adicional por celda.

La mayor tasa de corrupción de datos también requiere procesos de detección y corrección de errores (ECC) más robustos, lo que puede afectar aún más el rendimiento.

Además, los mecanismos físicos que controlan el estado de voltaje se desgastan más rápido, lo que da como resultado un umbral de borrado de escritura entre 3.000 y 10.000 antes de la falla, mucho más bajo que el flash SLC.

Pero, al igual que con el flash SLC, el flash MLC usa nivelación de desgaste, recolección de basura, almacenamiento en caché, sobreaprovisionamiento y otras técnicas avanzadas para entregar SSD que maximizan la confiabilidad y la duración.

Además, algunos fabricantes también ofrecen “Enterprise MLC” (eMLC) o flash empresarial MLC, que disminuye la velocidad y la densidad de los datos escritos en la celda, pero aún utiliza la arquitectura MLC.

Este enfoque puede extender la duración tres veces más que el MLC tradicional con el que se logra mejorar hasta 30,000 ciclos de borrado de escritura, y sigue siendo una alternativa más económica al flash SLC. Dicho esto, el flash eMLC no funciona tan bien como el flash MLC.

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Chips flash “Triple-level cell”  TLC

Debido a la demanda cada vez mayor de almacenamiento de datos empresariales, los proveedores continúan trabajando para perfeccionar el “Triple-level cell” (TLC) o flash de celdas de triple nivel, que almacena tres bits de datos por celda.

Como parte de estos esfuerzos, los proveedores están tratando de exprimir los bits adicionales en celdas más pequeñas para que más celdas puedan caber en un chip. El resultado es un aumento sustancial en la densidad sobre SLC y flash MLC. Esto ayuda a reducir los precios de SSD aún más.

El desafío con el flash, sin embargo, es que, a medida que aumentan las densidades, las operaciones de voltaje se vuelven más sensibles y la administración de datos más compleja. Esto da como resultado un rendimiento aún menor, tasas de error más altas y menos ciclos de borrado de escritura que el flash MLC.

Además, debido a que las celdas están más juntas, el controlador debe ser aún más preciso para determinar y establecer los estados de voltaje de las celdas participantes. En las memorias TLC, al tener que almacenar tres bits, el nivel de voltaje de la celda se divide en 8 niveles (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111).  Las mayores tasas de bits también causan que las celdas se erosionen aún más rápido.

Debido a estas limitaciones, la esperanza de vida esperada para el flash TLC es de 500 a 1,000 ciclos de borrado de escritura antes de que el chip falle. Muchas organizaciones usan flash TLC solo para cargas de trabajo pesadas en lectura en lugar de cargas de escritura intensiva.

Al igual que con el flash MLC, las tecnologías de soporte avanzan rápidamente. En poco tiempo, el flash TLC podría soportar otros tipos de cargas de trabajo mucho mejor. Por ahora, las organizaciones probablemente deseen seguir utilizando SLC o flash MLC para sus aplicaciones críticas de escritura crítica, a menos que las tecnologías más nuevas puedan hacer que TLC muestre una alternativa más viable.

Chips flash “Quad-level cell” QLC

La última innovación tecnológica para aumentar el número de bits por celda de los chips de memoria, es la memoria “Quad-level cell” (QLC) o flash de celdas de cuatro niveles, que almacena 4 bits por celda, con lo que el nivel de voltaje de la celda se divide en 16 niveles (0000, 0001, 0010, ….., 1101, 1110, 1111).

Aunque la tecnología QLC es relativamente nueva, mejora significativamente la capacidad, y podría ser la última arquitectura NAND en hacerlo al aumentar el número de bits que una célula puede almacenar. Esto se debe a que hay varios problemas con el aumento de la capacidad de esta manera.

El primer problema está relacionado con la fiabilidad. A medida que se añaden bits a las celdas de memoria, resulta cada vez más difícil determinar su valor.

En el transcurso de múltiples ciclos de escritura, las celdas comienzan a degradarse, lo que dificulta la lectura precisa de los valores de bits. La corrección de errores puede ayudar, pero las células eventualmente se degradarán hasta el punto de que la lectura del contenido se vuelve imposible.

Otro problema es que, aunque el aumento del número de bits aumenta la capacidad total de los medios de almacenamiento, también lo hace más lento. Considere la cantidad de tiempo requerido para borrar una celda para cada una de las tecnologías de memoria flash NAND: En una unidad SLC, el borrado de células tarda entre 1,5 y 2 milisegundos.

La arquitectura MLC aumenta el tiempo de borrado a 3 milisegundos. Las células TLC tienen alrededor de 4.5 milisegundos de tiempo de borrado de células. Y aunque no existen datos firmes para QLC, el tiempo de borrado se estima en más de 6 milisegundos.

Pero el mayor problema de añadir bits a las células es que al hacerlo, las células se desgastan más rápidamente. Los accionamientos SLC pueden soportar aproximadamente 100.000 ciclos de programa/borrado. En el caso de las unidades MLC, ese número cae en picado a unos 3.000 ciclos por célula.

Las unidades TLC sólo tienen alrededor de 1.000 ciclos de escritura por celda y, según algunas estimaciones, una unidad QLC sólo puede soportar alrededor de 100 ciclos de escritura por celda.

La menor durabilidad de las tecnologías de memoria flash TLC y QLC NAND podría hacer que pareciera que son las más adecuadas para su uso como sistemas de archivo de alto rendimiento.

También podría parecer que los fabricantes serían capaces de crear almacenamiento flash de escritura una vez leída, añadiendo unos pocos bits más a cada celda. Pero la adición de bits tiene rendimientos decrecientes, incluso con respecto a la capacidad.

El MLC duplica la capacidad del SLC. TLC sólo aumentó la capacidad por encima de MLC en alrededor de un 33%. QLC logra sólo un 25% de ganancia de capacidad sobre TLC. La ganancia de capacidad seguiría disminuyendo con la adición de más bits.

Aunque las celdas de la unidad QLC sólo pueden soportar 100 ciclos de escritura, toda la unidad no falla tan rápidamente, ya que los fabricantes de la memoria de almacenamiento emplean una serie de trucos para prolongar la longevidad de sus unidades QLC, incluyendo la nivelación del desgaste y el aprovisionamiento excesivo.

En el futuro, los fabricantes de memoria de almacenamiento probablemente encontrarán otras técnicas para mejorar la capacidad de las tecnologías de memoria flash NAND. A corto plazo, los fabricantes utilizan la tercera opción para aumentar la capacidad de las memorias, aumentando verticalmente el número de capas de los chips de memoria, conocido como NAND 3D o V-NAND.

3D NAND y V-NAND

En la cuestión del nombre, Samsung fue el primero en aumentar el número de capas, utilizando una tecnología patentada por ellos llamada “Charge Trap” para guardar y retener el dato en la celda, y le llamó V-NAND. Sin embargo, Intel y Micron utiliza la tecnología “Floating Gate” y le llamó 3D NAND.

El típico chip flash NAND contiene una sola capa de celdas de memoria, conocida como disposición planar. Al aumentar las tasas de bits y reducir el tamaño de las celdas, los fabricantes han podido producir SSD con mayores densidades a precios más bajos por gigabyte.

Pero estas mayores densidades también resultan en más interferencia eléctrica y menor resistencia, lo que hace que sea difícil superar los umbrales planos actuales.

Para abordar las limitaciones físicas de NAND, los fabricantes recurren a 3D NAND, que apila las celdas de memoria en múltiples capas en el silicio para crear un diseño vertical. Cada capa se basa en una arquitectura MLC o TLC, pero las celdas están espaciadas más que en una disposición plana.

Esto da como resultado una menor tasa de consumo e interferencia eléctrica, pero aun así logra mayores densidades. Con MLC y TLC, las celdas de memoria se apilan a 32 niveles de profundidad para matrices de MLC de hasta 256 gigabits y matrices TLC de 384 gigabits.

Con 3D NAND, se espera que en poco tiempo estos avances conduzcan a SSD del tamaño de una pastilla de goma con más de 3,5 TB de almacenamiento, o unidades SSD de 2,5 pulgadas con capacidad para más de 10 TB de almacenamiento.

La arquitectura en capas en 3D NAND puede ayudar a aumentar la confiabilidad, maximizar la duración y ofrecer un mayor rendimiento de escritura en comparación con el flash planar multicelda, y reducir aún más el costo por bit. 3D NAND también hace que TLC flash sea una alternativa más viable para aplicaciones empresariales de escritura intensiva.

La arquitectura más nueva podría incluso hacer que la celda de cuatro niveles (QLC) muestre una perspectiva más factible en un futuro no muy lejano.

El mayor desafío con 3D NAND es fabricar los chips, lo que requiere un alto grado de precisión para alinear perfectamente las capas y los bloques. Los vendedores también deben hacer una inversión sustancial en la tecnología necesaria para producir los chips antes de que puedan comenzar.

Empresas como Samsung, Intel y Micron lideran el camino, y 3D NAND está en camino de convertirse en el estándar definitivo para las SSD empresariales y en un poco más de tiempo también para las SSD de cliente.

Mapa de ruta de la arquitectura del 3D NAND dónde podemos ver la evolución de las medidas y capas de las memorias flash