A lo largo de la historia hemos visto aparecer multitud de nuevas memorias. Recientemente llegaron las unidades de almacenamiento SSD, que venían a resolver algunos problemas de velocidad que tenían los discos duros HDD convencionales. Estas unidades se han impuesto en la actualidad, pero ¿seguirán aquí por mucho tiempo? ¿llegará el sucesor de los SSD próximamente?
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RAM no volátil, el sucesor de los SSD más prometedor
Parece que los SSD nos acompañarán durante mucho tiempo más, pero ya existen algunas tecnologías NVM (Non-Volatile Memory) basados en RAM que podrían traer lo mejor de la velocidad de una RAM y poder almacenar datos sin que se necesite alimentación de energía constante. Por el momento, las tecnologías más prometedoras para ser el sucesor de los SSD son:
NVRAM
La NVRAM (Non-Volatile Random Access Memory) es un tipo de memoria de acceso aleatorio que retiene la información almacenada incluso cuando se interrumpe la alimentación eléctrica. Es decir, estaríamos ante una memoria con la velocidad de una RAM, pero que retiene los datos cuando se apaga el dispositivo.
Para lograr una memoria con escritura rápida y una vida útil de escritura ilimitada, se emplearon dos enfoques distintos:
- Dallas Semiconductor emplea un diseño híbrido que combina una memoria RAM CMOS de bajo consumo, una pila de litio y un controlador. Este controlador incluye un monitor de voltaje y lógica para evitar la escritura y poner los buses en un estado de alta impedancia cuando el voltaje no está dentro de los rangos específicos. Esta solución combina la velocidad y el bajo consumo de la RAM con la larga duración de las baterías de litio (10 años aprox.). Sin embargo, este método no sería práctico para usar como el sustituto de los SSD por la necesidad de una pila.
- Superponer una memoria RAM sobre una EEPROM, bit a bit. En condiciones normales, los datos se escriben y leen desde la RAM, pero cuando se activa una señal de «retención», el contenido de la RAM se transfiere a la EEPROM en paralelo. Estas EEPROM pueden conservar los datos sin energía durante más de 10 años y sin necesidad de una pila. Algo interesante, ya que se podrían usar los modelos actuales de memoria flash (recuerda que la flash es un tipo de EEPROM).
PRAM o PCRAM
La PCM (Phase-Change Memory), o PRAM o PCRAM, es un tipo de memoria que utiliza celdas fabricadas con una aleación de vidrio. Estas celdas tienen la capacidad de cambiar entre un estado amorfo y cristalino mediante la aplicación controlada de calor. Este cambio de estado provoca un ajuste en la resistencia eléctrica del material, permitiendo así el almacenamiento de bits de forma no volátil.
Aunque esta tecnología fue teorizada en la década de 1970, lo cierto es que no ha sido hasta hace unos años cuando empresas como Samsung, Intel, Micron, etc., han comenzado a crear los primeros diseños, ya que antes había varios desafíos que resolver para hacer esta memoria posible. Un ejemplo de ello es la 3D XPoint.
Recientemente, STMicroelectronics también ha desarrollado una tecnología similar denominada ePCM para incluirla en algunos de sus microcontroladores ARM para la industria de los automóviles, reemplazando así a la memoria flash convencional. No obstante, esta memoria sigue siendo cara, difícil de fabricar a gran escala y con altas capacidades, por lo que aún necesita más desarrollo para convertirse en el sucesor de los SSD…
RRAM o ReRAM
Tenemos otra opción que podría reemplazar a los SSD actuales, y esa es la RRAM o ReRAM (Resistive RAM). En este tipo de memoria, se utiliza un material dieléctrico con defectos conductivos, ya sean inducidos o inherentes, que se pueden manipular mediante un campo eléctrico para intentar almacenar información de manera permanente.
De esta manera, se logra crear una celda de memoria no volátil con un rendimiento considerablemente elevado. De hecho, ya hay algunos avances en esta dirección, como el mencionado caso de 3DXPoint (inicialmente basada en PCM y luego en RRAM), junto con la tecnología CBRAM licenciada por Dialog Semiconductor (ahora Renesas).
Teóricamente, la RRAM ofrece muchas ventajas en papel, como su alta eficiencia energética, tiempos de conmutación muy rápidos, es fiable a largo plazo, escalable para aumentar la capacidad, etc. Sin embargo, en la práctica tiene obstáculos, ya que no ha sido posible fabricar de forma que ofrezca un rendimiento y densidad similar a la RAM actual. Fujitsu es una de las empresas que han lanzado productos basados en esta memoria, aunque para dispositivos embebidos.
En definitiva, la RRAM podría ser el sucesor de los SSD, pero no por el momento, habrá que esperar…
FRAM
La FRAM o FeRAM (Ferroelectric RAM) esta forma de celda de memoria emplea materiales específicos que pueden ser polarizados de manera duradera, y es posible alterar estas polarizaciones mediante la aplicación de un campo eléctrico. Dependiendo del valor de la polarización se puede almacenar un bit 0 o un bit 1, como ocurre en los HDD.
Ramtron fue una de las primeras en comercializar chips FRAM, seguida de Texas Instruments, Excelon, Cypress (Infineon), Fujitsu, etc. Sin embargo, las capacidades eran muy limitadas, de tan solo unos cuantos megas y para aplicaciones de MCUs. Esto se debe principalmente a que hay limitaciones para reducir las tecnología de fabricación por debajo de los 120nm.
A pesar de estos avances, seguimos hablando de aplicaciones más especializadas, y no de una opción para la informática convencional o para reemplazar los SSD. La viabilidad está demostrada, la producción es posible y funciona, pero producirla en grandes cantidades y con altas capacidades no es tan viable. De hecho, hay problemas que pueden afectar las propiedades ferroeléctricas del material, reduciendo su esperanza de vida.
Se podría mejorar la situación con materiales ferroeléctricos más avanzados para lograr celdas más pequeñas. De hecho, ya existen memorias FRAM basadas en transistores FeFET, o transistores de efecto de campo ferroeléctricos, que pueden ser miniaturizados hasta los 28 nm. Estos FeFET son más fáciles de producir con los métodos actuales, pero hay que seguir desarrollando la tecnología para hablar de un sustituto real para los SSD…
MRAM
La MRAM (Magnetoresistive RAM) es otra de las tecnologías que generan expectativas. En este enfoque, se basa en las propiedades de la unión de túnel magnético o MTJ. De manera similar a la FRAM, la celda MTJ puede cambiar su estado de resistencia de bajo a alto en función de la polarización magnética, permitiendo así almacenar bits de información.
Además, existen dos variantes en cuanto a cómo se altera el valor del bit almacenado de manera no volátil. Por un lado tenemos la MRAM más convencional, basada en el campo magnético usando una alta corriente para la polarización. Y por otro lado tenemos la STT MRAM (Spin-Transfer Torque), que se basa en la polarización del espín, con una baja corriente.
El problema es que todavía no ha alcanzado las ventajas que se esperaban de ella. En el mejor de los casos, en la actualidad, puede reemplazar a la memoria flash NOR o a la flash NAND SLC, pero no puede avanzar más allá de eso. Aunque ciertamente comparte muchas de las ventajas de la FRAM, como alta velocidad de escritura, gran fiabilidad y eficiencia, también posee desventajas, como las limitaciones actuales al nodo de 28 nm, lo que también obstaculiza su escalabilidad hacia capacidades mayores.
Una de las empresas que ha hecho desarrollos más notables es Everspin, quien mostró un prototipo en 2016 basada en STT MRAM de 28nm y con una capacidad de transferencia de 1333 MT/s. En 2020, Avalanche Technology hizo otro avance importante, alcanzando los 4 GB de capacidad. Otros como Renesas y Cypress también consiguieron objetivos similares, no obstante, aún para aplicaciones muy específicas, y no para sustituir a los SSD…
Conclusión acerca del reemplazo de los SSD
Como hemos podido comprobar, existen muchas tecnologías candidatas para convertirse en el sustituto de los SSD actuales. Sin embargo, ninguna de ellas está suficientemente madura como para poder crear unidades que cuenten con altas capacidades y con prestaciones que mejoren a las celdas flash NAND.
Por tanto, si estás esperando un sustituto de los SSD inmediato, tienes que seguir esperando sentado, puesto que no llegará a corto plazo. Es muy probable que la actual tecnología de los SSD NVMe basados en celdas flash NAND nos sigan acompañando durante al menos algunas décadas más…
En la actualidad, las unidades SSD NVMe representan el 91% de los medios de almacenamiento masivo en muchos equipos. Y parece que poco a poco seguirán copando más y más porcentaje de mercado, aunque los HDDs parecen resistirse a desaparecer.
Sin embargo, no dudes de que se está trabajando para poder madurar estas tecnologías citadas aquí, y también para crear otras nuevas. El objetivo a medio-largo plazo es encontrar una solución que sustituya a los actuales SSDs, y esto pasa por crear una memoria tan rápida como la memoria primaria (RAM) y con las capacidades y la no volatilidad de los medios de almacenamiento secundario (SSD/HDD,…). Esto podría terminar con la diferencia entre la primaria y secundaria, creando una memoria unificada para acceso aleatorio y almacenamiento masivo.
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