¿Qué es el almacenamiento no volátil (NVS)?
El almacenamiento no volátil (NVS) es una amplia colección de tecnologías y dispositivos que no requieren un suministro de energía continuo para retener datos o códigos de programas de manera persistente a corto o largo plazo.
Las tecnologías y dispositivos de almacenamiento no volátil varían ampliamente en la forma y velocidad en la que transfieren y recuperan datos, ya sea comunicándose con una aplicación, un microprocesador u otro tipo de dispositivo. También pueden variar significativamente en términos de costo, capacidad, resistencia y latencia.
El almacenamiento no volátil suele clasificarse según los dos tipos de sistemas siguientes:
- Sistemas direccionados eléctricamente. Estos sistemas NVM utilizan mecanismos eléctricos para programar (escribir) y leer datos. Los sistemas con dirección eléctrica incluyen memoria flash, memoria de sólo lectura (ROM) y variaciones de ROM.
- Sistemas direccionados mecánicamente. Estos sistemas NVM utilizan un cabezal para escribir y leer datos en medios de almacenamiento magnéticos. Los sistemas direccionados mecánicamente incluyen unidades de disco duro (HDD) y unidades de cinta .
La mayoría de las unidades de estado sólido (SSD) actuales están equipadas con chips de memoria flash NAND. Un SSD se considera un sistema direccionado eléctricamente porque utiliza mecanismos eléctricos para escribir y leer datos. Como resultado, el SSD puede ofrecer velocidades más rápidas y una latencia más baja que un sistema direccionado mecánicamente como un HDD. Sin embargo, el precio por byte para almacenar datos en una SSD basada en flash es generalmente más alto que el costo por byte de una unidad de disco duro o de cinta. Además, las SSD flash solo pueden soportar un número limitado de ciclos de escritura antes de desgastarse.
¿Cuáles son ejemplos de almacenamiento no volátil?
Tres ejemplos comunes de dispositivos NVS que almacenan datos de forma persistente son las unidades de cinta, los HDD y los SSD. El término almacenamiento no volátil también se aplica a los chips semiconductores que almacenan datos o código de programa de controlador dentro de dispositivos como SSD, HDD, unidades de cinta y módulos de memoria.
En la actualidad se utilizan muchos tipos de chips de memoria no volátiles. Por ejemplo, los SSD en sistemas informáticos empresariales y personales suelen utilizar chips de memoria flash NAND para almacenar datos. Los chips también se utilizan en memorias USB y tarjetas de memoria en dispositivos de consumo como teléfonos móviles y cámaras digitales. Los chips de memoria flash NOR suelen almacenar códigos de controlador en unidades de almacenamiento y dispositivos electrónicos personales.
Dispositivos de almacenamiento volátiles versus no volátiles
La diferencia clave entre los dispositivos de almacenamiento volátiles y no volátiles es si pueden o no retener datos en ausencia de una fuente de alimentación. Los dispositivos de almacenamiento volátiles pierden datos cuando se interrumpe o se apaga la energía. Por el contrario, los dispositivos no volátiles pueden retener datos independientemente del estado de la fuente de energía.
Los tipos comunes de almacenamiento volátil incluyen la memoria estática de acceso aleatorio (SRAM) y la memoria dinámica de acceso aleatorio ( DRAM). Los fabricantes pueden agregar energía de batería a un dispositivo de memoria volátil para permitirle almacenar datos o códigos de controlador de manera persistente, pero si la batería falla o se retira, los datos aún se pierden.
Los sistemas informáticos empresariales y de consumo suelen utilizar una combinación de tecnologías de memoria volátil y no volátil, y cada tipo de memoria tiene ventajas y desventajas. Por ejemplo, la SRAM es más rápida que la DRAM y se adapta bien al almacenamiento en caché de alta velocidad, pero su fabricación es costosa. La DRAM es menos costosa de producir y requiere menos energía que la SRAM, y los fabricantes a menudo la usan para almacenar código de programa al que una computadora requiere acceso inmediato para funcionar de manera eficiente.
Por el contrario, el almacenamiento no volátil, como los HDD y SSD, es más lento que SRAM y DRAM, pero es más barato de producir. Los fabricantes suelen utilizar la memoria flash NAND para almacenar datos de forma persistente en sistemas empresariales y dispositivos de consumo. Los dispositivos de almacenamiento, como los SSD basados en flash, acceden a los datos a nivel de bloque, mientras que SRAM y DRAM admiten el acceso aleatorio a datos a nivel de bytes.
Al igual que NAND, la memoria flash NOR es menos costosa de producir que la SRAM y DRAM volátiles. La memoria flash NOR cuesta más que la memoria flash NAND, pero puede leer datos más rápido que NAND, lo que la convierte en una opción común para arrancar dispositivos integrados y de consumo y para almacenar código de controlador en SSD, HDD y unidades de cinta. La memoria flash NOR generalmente no se utiliza para el almacenamiento de datos a largo plazo debido a su escasa resistencia.
Tendencias y direcciones futuras
Los fabricantes están trabajando en tipos adicionales de almacenamiento no volátil para intentar reducir el costo por bit para almacenar datos y código de programa, mejorar el rendimiento, aumentar los niveles de resistencia y reducir el consumo de energía.
Por ejemplo, los fabricantes desarrollaron la tecnología flash NAND 3D en respuesta a las limitaciones de escala física del flash NAND bidimensional o plano. NAND 3D puede ofrecer mayores densidades a un menor costo por bit al apilar celdas de memoria verticalmente, en lugar de usar una sola capa de celdas.
A lo largo de los años, los fabricantes también han aumentado la cantidad de bits por celda en el almacenamiento flash NAND.
- Celda de un solo nivel (SLC). Cada celda contiene solo un bit. Esta configuración es la más rápida, duradera y menos propensa a errores. También es el más caro. Sin embargo, para cargas de trabajo de misión crítica, bien podría valer la pena el precio.
- Celda multinivel (MLC). Cada celda contiene exactamente dos bits, aunque el nombre indique lo contrario. Los dispositivos MLC no son tan rápidos, confiables ni duraderos como el almacenamiento SLC, pero son más asequibles y adecuados para muchos tipos de cargas de trabajo empresariales. Los dispositivos MLC son los que hicieron posible que las computadoras portátiles y de escritorio estándar comenzaran a incorporar SSD, y todavía se usan ampliamente en computadoras comerciales.
- Celda de triple nivel (TLC). Cada celda contiene tres bits. La tecnología TLC sacrifica aún más la velocidad, la confiabilidad y la durabilidad, pero también aumenta las densidades y reduce el costo de almacenamiento por gigabyte. Los dispositivos TLC son ahora el tipo predominante de almacenamiento SSD utilizado en los sistemas de consumo. También se utilizan en muchos sistemas empresariales y centros de datos, en lugar del almacenamiento MLC.
- Celda de cuatro niveles (QLC). Cada celda contiene cuatro bits. Una vez más, los bits adicionales afectan la velocidad, la confiabilidad y la durabilidad, pero también hacen que el almacenamiento SSD sea más asequible. Sin embargo, debido a los problemas de durabilidad, los dispositivos QLC suelen ser más adecuados para cargas de trabajo de lectura intensiva, como análisis, transmisión de vídeo o análisis de big data.
Al aumentar la cantidad de bits por celda, los SSD basados en flash pueden contener más datos, lo que resulta en precios más bajos, menor consumo de energía y espacios más pequeños. También se utilizan configuraciones de múltiples celdas junto con NAND 3D para aumentar aún más las capacidades. Además, los fabricantes están trabajando activamente en la memoria flash de celda de penta nivel (PLC), que exprime cinco bits por celda, aunque aún podrían pasar varios años antes de que los dispositivos PLC lleguen al mercado.
Los fabricantes también han estado trabajando en soluciones de almacenamiento que cierran la brecha entre la memoria de sistema volátil tradicional y los SSD basados en flash, proporcionando un nivel adicional en la jerarquía de almacenamiento. El esfuerzo más notable ha sido el proyecto 3D XPoint desarrollado conjuntamente por Intel Corp. y Micron Technology Inc. 3D XPoint ofrece mayor rendimiento, menor latencia, mayor densidad y resistencia mejorada con respecto a la tecnología flash NAND.
Intel fue el primero en ofrecer productos basados en 3D XPoint y los envió bajo la marca Optane, que incluye una línea de SSD y módulos de memoria persistente destinados al uso en centros de datos. Los módulos de memoria persistente también se conocen como memoria de clase de almacenamiento.
La tecnología de memoria no volátil rápida (NVMe) también ha demostrado ser un punto de inflexión en la industria del almacenamiento. NVMe hace posible conectar SSD basados en flash directamente al bus PCI Express (PCIe) de una computadora, en lugar de conectarse a través de Serial Attached SCSI (SAS) o Serial ATA (SATA). Estas tecnologías más antiguas se crearon para discos duros más lentos y no pueden aprovechar al máximo las capacidades de los SSD. NVMe también se puede utilizar junto con opciones más nuevas, como las SSD Optane, lo que acelera aún más el rendimiento y reduce la latencia y el consumo de energía.
NVMe ofrece un conjunto de comandos más optimizado para procesar solicitudes de entrada/salida (E/S) con SSD basados en PCIe que el conjunto de comandos de Small Computer System Interface (SCSI) con unidades SAS o el conjunto de comandos del adaptador de teléfono analógico (ATA) con Unidades SATA.
El éxito de NVMe llevó al desarrollo de NVMe over Fabrics (NVMe-oF), una especificación que se creó para admitir el uso del conjunto de comandos NVMe al transferir datos entre SSD y otros sistemas a través de una estructura de red como Ethernet, Fibre Channel o InfiniBand. Según NVM Express Inc., el 90 % del protocolo NVMe-oF es el mismo que el NVMe básico.
Las tecnologías emergentes de almacenamiento no volátil actualmente en desarrollo o en uso limitado incluyen memoria de cambio de fase (PCM), RAM ferroeléctrica (FRAM o FeRAM), RAM magnetorresistiva (MRAM), RAM resistiva (RRAM o ReRAM) y RAM magnetorresistiva de par de transferencia de spin (STT-MRAM o STT-RAM).
