Memoria flash: Mejoras en las Características Clave de Rendimiento a lo Largo de las Décadas

En la década de 1990, las primeras memorias flash NAND tenían tiempos de latencia superiores a 1 milisegundo y alcanzaban velocidades de lectura de tan solo 10-20 MB/s. Las velocidades de escritura eran aún peores, con unos escasos 5-10 MB/s. 

Sin embargo, a lo largo de las décadas, los avances en la tecnología de controladores, el diseño de las celdas NAND y las interfaces NVMe de alta velocidad han dado lugar a enormes mejoras. La fiabilidad también ha mejorado gracias a los algoritmos de nivelación de desgaste y corrección de errores.

Las unidades SSD NVMe actuales alcanzan velocidades de lectura y escritura de más de 14 000 MB/s y latencias de tan solo 10 microsegundos, lo que supone una velocidad 1000 veces superior a la del almacenamiento flash inicial. En este artículo, analizamos estos cambios radicales.

En sus inicios, la velocidad de lectura secuencial del almacenamiento flash oscilaba entre 10 y 20 MB/s. Si bien esto era suficiente para aplicaciones especializadas, distaba mucho de satisfacer los requisitos del procesamiento de datos comercial.

A mediados de la década de 2000, cuando salieron al mercado las primeras unidades SSD basadas en SATA, las velocidades de lectura secuencial mejoraron significativamente. En aquel momento, las velocidades de lectura se situaban en el rango de varios cientos de megabytes por segundo. En 2010, las unidades SSD SATA modernas eran capaces de alcanzar velocidades de lectura de hasta 500 MB/s. El siguiente gran avance se produjo con la introducción de las unidades SSD NVMe alrededor de 2016. Estas unidades SSD utilizaban la interfaz PCIe y eran capaces de ofrecer velocidades de lectura secuencial de más de 3 GB/s.

Hitos clave en el desarrollo del almacenamiento flash: velocidades de lectura secuencial

Velocidades de escritura secuencial

En el pasado, el rendimiento de escritura siempre ha ido a la zaga de las velocidades de lectura. Esto se debe a los procesos de programación de bloques y páginas típicos de la memoria flash NAND.

Los primeros dispositivos flash tenían una velocidad de escritura secuencial de tan solo 5 a 10 MB/s. A mediados de la década de 2000, los SSD alcanzaban velocidades de escritura de entre 150 y 300 MB/s. Esta mejora se debió a los avances en las tecnologías de controladores, así como a mejores métodos de corrección de errores y almacenamiento en caché. En 2010, los SSD SATA modernos alcanzaban velocidades de escritura de alrededor de 450 MB/s. Hacia 2016, los SSD NVMe alcanzaban velocidades de escritura de más de 3 GB/s.

Latencia

La latencia es el retraso entre el momento en que se emite un comando y el momento en que realmente comienza la transferencia de datos. Este era un aspecto clave que debía mejorarse en el almacenamiento flash. 

En los primeros dispositivos de almacenamiento flash, la latencia era bastante elevada, a menudo en torno a uno o dos milisegundos. Para cuando los SSD se generalizaron, la latencia se había reducido a 0,5 milisegundos. Esto ocurrió a mediados de la década de 2000. Más tarde, los SSD SATA presentaron una latencia de alrededor de 0,1 milisegundos y, hacia 2016, los SSD NVMe lograron reducir drásticamente la latencia a 20 microsegundos. 

Estas reducciones de la latencia han desempeñado un papel clave a la hora de convertir el almacenamiento flash en la primera opción para las aplicaciones informáticas en tiempo real. 

Hitos clave en el desarrollo del almacenamiento flash: la latencia 

Vida útil y fiabilidad

En la memoria flash, la vida útil se refiere al número de ciclos de programación/borrado (ciclos P/E) que una celda de memoria puede soportar de forma fiable antes de perder rendimiento. Cada vez que se reprograma o borra una celda, se inyectan o se retiran electrones de la puerta flotante. Con el tiempo, este proceso ejerce una tensión sobre el óxido aislante. Esta tensión provoca una degradación, lo que puede dar lugar a errores y, en última instancia, al fallo de la celda.

La fiabilidad abarca la vida útil, pero también se refiere a la capacidad general de un dispositivo de memoria flash para mantener la integridad de los datos durante un periodo prolongado. Esto incluye la retención estable de datos —es decir, la capacidad de mantener una carga sin suministro de energía—, bajas tasas de error durante las operaciones de lectura y escritura, y resistencia a las fluctuaciones de temperatura y a la radiación.

En sus inicios, la memoria flash de célula de nivel único (SLC) ofrecía entre 100 000 y 1 000 000 de ciclos P/E. Sin embargo, a medida que los fabricantes buscaban mayores densidades de almacenamiento con la tecnología de célula multinivel (MLC), la memoria flash con 2 o más bits por célula se convirtió en la norma. Sin embargo, esto conllevó algunas desventajas, ya que la memoria flash MLC solo podía ofrecer una vida útil de entre 5.000 y 10.000 ciclos. Posteriormente, las tecnologías de celda de triple nivel (TLC) y de celda de cuádruple nivel (QLC) aumentaron la capacidad, pero redujeron la vida útil a unos 1.000 ciclos (en el caso de la TLC).

Para contrarrestar estas limitaciones, los fabricantes desarrollaron técnicas como los algoritmos de nivelación de desgaste, que garantizan que los ciclos de escritura y borrado se distribuyan de manera uniforme entre todas las celdas. Los códigos de corrección de errores (ECC) se utilizan para detectar y corregir errores tan pronto como las celdas comienzan a perder rendimiento. Además, la gestión de bloques defectuosos permite reubicar las celdas defectuosas en áreas de reserva. También se han producido mejoras en el diseño de las celdas. Todos estos factores han mejorado la vida útil típica y la fiabilidad de la memoria flash.

Hitos clave en el desarrollo de la memoria flash: fiabilidad y vida útil

¿Qué depara el futuro para la tecnología flash?

A medida que sigue evolucionando, la memoria flash se enfrenta a interesantes oportunidades y retos. Las tecnologías actuales se están acercando a los límites físicos del tamaño de las celdas, que se sitúa en torno a los 15-16 nanómetros. En consecuencia, para lograr un mayor aumento de la densidad de almacenamiento es necesario recurrir a innovaciones en el diseño de celdas multinivel y el apilamiento vertical. 

Los fabricantes ya están investigando chips de 160 capas o más. Sin embargo, a medida que el tamaño de las celdas sigue reduciéndose y la tecnología MLC permite almacenar cada vez más bits en cada celda, se hacen cada vez más evidentes una menor vida útil y unas tasas de error más elevadas.

Para hacer frente a estos retos, se están llevando a cabo innovaciones en los métodos ECC y en la nivelación del desgaste. Además, se están investigando técnicas como el recocido térmico en chip y la autorreparación.

La memoria flash ha evolucionado no solo en términos de capacidad y costo (consulta nuestra guía sobre la evolución de la memoria flash), sino también en velocidad, eficiencia y fiabilidad. La evolución de la memoria flash, desde la lenta memoria NAND de sus inicios hasta los ultrarrápidos SSD NVMe, es impresionante. Hoy en día, la memoria flash ofrece alta velocidad, baja latencia y un rendimiento sostenido. Se utiliza en todo, desde teléfonos inteligentes hasta PCs de alto rendimiento. En caso de pérdida de datos en un SSD u otro dispositivo de almacenamiento flash, servicios especializados como Recuperación de Datos Stellar pueden intervenir para restaurar datos críticos de forma segura y eficiente.

Para aquellos interesados en tecnologías de almacenamiento más allá de la memoria flash, las unidades de disco duro siguen siendo una opción importante debido a sus soluciones rentables y de alta capacidad. Para descubrir cómo han mejorado las unidades de disco duro a lo largo de las últimas siete décadas, lea nuestras guías sobre la evolución de las unidades de disco duro y las especificaciones clave que debe tener en cuenta antes de comprar una unidad de disco duro.