Sustitutos de los SSD: un futuro incierto

Actualizado a: 16 de abril de 2024

Las unidades SSD han supuesto un gran salto en el rendimiento con respecto a las HDD y unidades híbridas. Sin embargo, no pienses que estarás eternamente usando medios de almacenamiento SSD, llegarán sustitutos en un futuro no muy lejano, y de estas tecnologías alternativas te quiero hablar en este artículo. Es decir, nos vamos a centrar en las tecnologías emergentes no volátiles de memoria (NVM o Non-Volatile Memory):

Introducción

La memoria está en constante evolución, como ya deberías saber con algunos artículos que hemos publicado aquí, como el de CXL, FRAM, 3DXP, HBM, ReRAM, etc. Si nos centramos en la memoria no volátil o NVM, también hay que destacar algunas investigaciones y avances que se han producido en la industria últimamente y que, aunque no se hayan comenzado a comercializar de forma nativa, pueden suponer una alternativa de futuro sólida. Solo falta pulir algunas pequeñas barreras que separan esa tecnología de su uso comercial…

La idea es conseguir una memoria que sustituya a la actual flash, siendo más rápida, más eficiente y que pueda tolerar muchos más ciclos, es decir, que sea más fiable. Pero esto no es sencillo, a pesar de que se han producido numerosos estallidos de nuevas tecnologías que se han presentado como la panacea y finalmente han quedad ahí.

Además, algunas de estas tecnologías es cierto que son tan prometedoras que no solo podrían sustituir a la memoria flash para unidades de almacenamiento secundario, también podrían usarse como reemplazo de la DRAM para la memoria principal e incluso de la SRAM empleada en otras memorias de mayor rendimiento. No obstante, para que esto suceda, aún quedan algunos años en los que seguir con la actual memoria flash NAND en sus variantes, y con los actuales SSDs y módulos de memoria RAM.

Esto no quiere decir que tengamos que descartar alternativas NVM a la tecnología actual, ni mucho menos. Ya te adelanto que los SSD serán sustituidos por unidades muy superiores en un futuro no muy lejano. Y para ello nos debemos fijar en algunas tecnologías de las más prometedoras, algunas ya las conoces, como la ReRAM, la FRAM, etc., pero también hay otras como las magnetorresistivas, las de cambio de fase o PCM, etc.

En definitiva, lo que se está tratando de encontrar es una memoria que sea similar a la RAM en cuanto a velocidad de acceso, pero que pueda retener los datos sin necesidad de suministrar constantemente energía, como las NVM. Si esto se consigue, como he mencionado en otros artículos relacionados, se podría sustituir no solo a la flash actual, también a la RAM, lo que alteraría bastante la jerarquía de memoria que llevamos tantas décadas usando.

No todas las tecnologías NVM emergentes son necesariamente similares a la RAM, pero lo cierto es que en su mayoría sí que vemos una tendencia a esta similitud, como podrás comprobar cuando analicemos una a una en los siguientes apartados. Pero ojo, no confundas, este artículo no va a analizar lo que comúnmente se denomina NVRAM, o RAM no volátil. Estas NVRAM son memorias de respaldo, pero esto es otro tema, y no serían alternativas, sino que ya se están usando en la actualidad como un elemento extra más, especialmente en el sector HPC.

Tecnologías NVM con posibilidades de sustituir a las SSD flash actuales

Vamos a ver cuáles son las tecnologías NVM más prometedoras y que tienen mayor posibilidad de sustituir a las actuales memorias flash para SSD, entre otros tipos de medios de almacenamiento:

PCM

La memoria de cambio de fase, PCM (Phase-Change Memory), también conocida coom PRAM o PCRAM, es un tipo de memoria cuyas celdas están fabricadas en una aleación de vidrio que puede cambiar su estado amorfo y cristalino empleando calor controlado. Gracias a este cambio de estado, o de fase, se produce un cambio también en la resistencia eléctrica del material, lo que permite almacenar datos de forma persistente según dicha resistencia.

La PCM no es una tecnología nueva, de hecho, los primeros desarrollos datan de la década de los 70. No obstante, por diversos problemas, aún no ha resultado lo suficientemente práctica como para usarla de forma masiva. Sobre 2009, Samsung y Numonyx (adquirida por Micron Technology), consiguieron crear una memoria PCM para algunos dispositivos embebidos, con sus chips Quad SPI PCM (P5Q). No llegaron a más ya que el rendimiento y la densidad de memoria era comparable a una flash NOR, lo que está por detrás de las actuales flash NAND. Después de esto, se descontinuaría la serie P5Q de memoria.

En 2015, Intel y Micron Technology se asocian para desarrollar la 3D XPoint, de la que ya te hemos hablado. Y se trataba de un tipo de memoria que inicialmente se basaría en la tecnología PCM, aunque después se ha considerado más bien un tipo de memoria resistiva. Esta memoria fue empleada en algunos productos conocidos, como los Intel Optane, aunque finalmente se descontinuaría por su elevado precio y por no cumplir con las expectativas iniciales. Además, Micron directamente decidió no comerzar a fabricarla e Intel se deshizo de su división Optane.

En 2019, la PCM vuelve a aparecer en las noticias, esta vez de la mano de la europea STMicroelectronics, quien creó una tecnología denominada ePCM, y lanzando la línea Stellar de MCU para la industria del automóvil y que se basaban en núcleos Arm Cortex-R52 con ePCM integrada para sustituir a la flash. Pese a eso, no se han comprometido a fabricar esta memoria a gran escala… Aún queda mucho por madurar.

RRAM

También tenemos otro posible candidato a sustituir los SSD actuales como es la RRAM, también denominada ReRAM. Es decir, un tipo de memoria RAM resistiva. En este tipo de memoria, se usa un material dieléctrico que posee algunos defectos conductivos (inducidos o inherentes) que se pueden manipular mediante un campo eléctrico para tratar de almacenar información de forma permanente.

De esta forma, se consigue una celda de memoria no volátil y con un rendimiento bastante alto. De hecho, ya existen algunos desarrollos, como el citado anteriormente de la 3DXPoint, además de la CBRAM licenciada por Dialog Semiconductor (ahora Renesas). Sin embargo, supone muchos desafíos en la práctica.

Sobre el papel, es decir, en teoría, la memoria RRAM ofrece muchas ventajas para ser una memoria universal para sustituir a la NVM y a la RAM. Por ejemplo, es muy eficiente a nivel energético, tiene tiempos de conmutación muy bajos, es robusta y fiable, y puede tener una excelente escalabilidad para aumentar las capacidades.

Pero en la práctica, la realidad nos da de bruces, ya que no se puede fabricar para que aporte un rendimiento y densidad similares a la actual RAM. No obstante, aún existen investigadores y empresas interesada en ella, e investigando sobre cómo se puede mejorar para que esto cambie en un futuro.

Además, frente a otras memorias que no han sido comercializadas, hay que decir que la RRAM sí que ha tenido su mercado, aunque muy reducido. En algunos dispositivos se ha sustituido a la flash NOR con esta RRAM para bajar el consumo y las dimensiones. Sin ir más lejos, Fujitsu lanzó una RRAM de 12 Mbit de capacidad que solo necesitaba corrientes de lectura de 0.15 mA a 5 Mhz, y venía encapsulada en un WLCSP-11 de solo 2,067×2,877 mm. Sin embargo, la velocidad máxima de su bus SPI es de 10 Mhz y el ciclo de escritura dura 5ms, bastante…

Por tanto, como la PCM, a la RRAM también le falta aún mucho desarrollo por delante para conseguir lo que teóricamente se puede extraer de ella…

FRAM

La FRAM, o FeRAM, es una RAM ferroeléctrica, que también te sonará, ya que he comentado acerca de ella en este blog. Este tipo de celda de memoria emplea ciertos materiales que son capaces de ser polarizados de forma persistente y pueden modificarse las polarizaciones aplicando un campo eléctrico. Es decir, esto significa que se pueden representar los unos y ceros de un sistema binario para almacenar bits de información. Según la polarización, será un 0 o un 1.

Una de las primeras empresas que comercializó la FRAM fue Ramtron, quien a principios de 2000 craría chips de memoria con interfaces seriales y paralelas basadas en este tipo de tecnología. Más tarde, en 2011 llegaría Texas Instrument con su propia FRAM de almacenamiento para código en la popular serie del microcontrolador MCU MSP430. En 2018, tras adquirir Ramtron en 2012, Cypress (ahora Infineon) presentaría su línea Excelon de chips FRAM enfocados a aplicaciones industriales y al sector de la automoción. Por otro lado, Fujitsu hizo algo similar, con una línea de memorias FRAM de la serie MB85Rx y la QSPI de 8 Mbit.

Pese a esto, seguimos hablando de aplicaciones «marginales», y no para la informática convencional para sustituir los SSD. Ha demostrado ser viable, se puede fabricar, funciona, pero para producirla a gran escala y con capacidades elevadas, ya no es tan apta. De hecho, existen problemas que pueden deteriorar las propiedades ferroeléctricas del material, por lo que no tiene una vida útil tan larga como se espera, y las dificultades de reducir la celda FRAM por debajo de los 120 nm, también implica un impedimento para su adopción.

Se podrían mejorar los materiales ferroeléctricos para conseguir celdas más pequeñas. De hecho, ya existen memorias FRAM basadas en transistores FeFET, o FET ferroeléctricos y que pueden reducirse hasta los 28 nm. Además, estos FeFET son más fáciles de fabricar con los métodos de producción actuales, aunque aún es pronto para que reemplace a la flash de los SSD. Nuevamente, otra tecnología prometedora que necesita más desarrollo…

En esta imagen se puede apreciar cómo es un transistor FeFET, con una capa de material aislante, como el óxido, una capa semiconductora, y una capa ferroeléctrica bajo la puerta. Así, aplicando los voltajes adecuados, se puede leer o borrar fácilmente, variando la polarización de la capa ferroeléctrica para cambiar el bit.

MRAM

La memoria RAM magnetorresistiva o MRAM, es otra de las tecnologías prometedoras. En este caso, se basa en las propiedades de la unión de túnel magnético o MTJ. Al igual que la FRAM, la celda MTJ puede cambiar de estado de resistencia bajo a alto dependiendo de la polarización magnética, almacenando así información. Además, existen dos variantes según la forma de alterar el valor del bit almacenado de forma no volátil:

• MRAM: mediante un campo magnético (con corriente alta)
• STT MRAM (Spin-Transfer Torque): mediante una corriente polarizada por espín (corriente baja)

Esto suena bastante interesante, pero lo cierto es que aún no llega a las ventajas que se espera de ella. Como mucho, en la actualidad puede sustituir a la memoria flash NOR o a la flash NAND SLC, pero no ir más allá. Si bien es cierto que tiene muchos de los beneficios de la FRAM, como la alta velocidad de escritura, alta fiabilidad, y gran eficiencia, pero también desventajas, como limitaciones al nodo de 28nm por el momento, lo que también impide escalar ésta a capacidades elevadas.

En cuanto a desarrollos conocidos, la empresa Everspin se encargó de crear un prototipo de memoria MRAM para comercializarla en 2016. Y lo cierto es que cumplió con sus predicciones, y desde ese año ha ido aumentando su cartera de productos con nuevos chips de hasta 1 Gbit basada en STT MRAM a 28nm y usando una interfaz igual a la DDR, con transferencias de 1333 MT/s.

Durante el 2020, también se anunció otro gran paso para la STT MRAM de grado industrial presentada por Avalanche-Technology. Unos chips de memoria para la industria que competirían de forma directa con los Cypress FRAM y Everspin MRAM. En este caso, se llegó hasta los 4 Gb de capacidad.

Y, par aponer la guinda al pastel, Renesas se asociaría con Avalanche-Technology para también ofrecer memorias QSPI MRAM en su propio catálogo de productos… Pero nuevamente, para la informática de consumo, nada de nada.

¿Por qué tantos esfuerzos para buscar una NVM similar a la RAM?

Pues la respuesta a esta pregunta ya la hemos adelantado antes, pero aquí lo analizaremos punto a punto. Y es que conseguir una memoria no volátil NVM con propiedades similares a las ventajas de la RAM, puede traer grandes beneficios en:

Rendimiento

Una de las principales ventajas que tiene ahora la memoria RAM frente a la no volátil, como la flash, es que su rendimiento es muy superior, es decir, la latencia y velocidad de los accesos (lectura y escritura) es muy superior a las unidades SSD, por ejemplo.

Si se consiguiese una memoria NVM con esas ventajas, sería un enorme paso en cuanto al rendimiento, pese a que las actuales flash NAND han evolucionado mucho, pero nunca es suficiente cuando se trata de seguir el ritmo de avance de los procesadores. Para que te hagas una idea de esas ventajas de velocidad en los accesos, puedes ver esta tabla comparativa (ojo, y hay que tener en cuenta que las tecnologías alternativas aún se encuentran en etapas de desarrollo muy tempranas y pueden mejorar más):

Por otro largo, hay que destacar que si se consigue asemejar a la RAM, también se podrían realizar los accesos al ritmo de bus, sin tiempos extra de programación ni carga como en las flash.

Eficiencia energética

Por otro lado, la eficiencia energética de una NVM que está fabricada con un solo transistor similar a los MOSFET o FinFET, como hemos comentado anteriormente, significaría mejoras de la eficiencia energética con respecto a la flash actual y la RAM. Con respecto a ésta última, no solo se eliminaría la necesidad de estar constantemente suministrando energía, también los refrescos que hay que hacer para mantener los estados de las celdas de la actual SDRAM.

En cambio, también es justo decir que la MRAM y la FRAM muestran consumos de energía de lectura similar a la flash actual, por lo que no habría una gran diferencia en este sentido. Y en la RRAM y PCM, el consumo de energía real es algo más difícil de controlar, pero es mejor que la flash en cuanto a la escritura.

Borrado de datos

Tienes que saber también que, en el caso de una memoria flash, las operaciones de lectura y escritura se realizan por páginas de memoria, y no bit a bit. Generalmente se emplean dimensiones entre 2 KiB y los 16 KiB de tamaño. Pero antes de reescribir una página, se debe borrar el bloque entero que lo contiene, lo que significa borrar 64 páginas. Esto quiere decir que antes de borrar un bloque, las páginas válidas de ese bloque se deben mover a otro bloque con espacio, para que no se pierdan.

En cambio, con la RAM, no se necesitan borrar esos tamaños, lo que supone ventajas, como los tiempos más rápidos y menores exigencias de energía durante la escritura. Además, no se necesitará tanto espacio adicional para realizar los movimientos de páginas como en el caso anterior.

Vida útil

La fiabilidad o vida útil de estas memorias NVM para sustituir a los actuales SSD también es otro tema que interesa. Y es que las flash actuales pueden soportar una cantidad finita de ciclos, y después de eso comenzarán a fallar y será necesario sustituir las unidades por otras. En cambio, algunas de las tecnologías alternativas que hemos visto antes mejoran mucho este aspecto, resistiendo mayor cantidad de ciclos. Por ejemplo, para hacerte una idea de los ciclos soportados, puedes ver la siguiente tabla:

Y, cuando se trata de información relevante que hay que conservar a toda costa, evitando posibles pérdidas, esto es muy importante…

Capacidad de retención

Como debes saber, la información almacenada en una memoria RAM, o memoria de acceso aleatorio, es totalmente volátil. Cuando se deja de aplicar energía, se perderán todos los datos almacenados en las celdas de memoria. Y, no solo eso, necesita una frecuencia de refresco para ir refrescando las celdas, ya que «envejecen» rápidamente y eso supondría posible pérdida de datos.

En el caso de las celdas NVM pasa algo parecido. Aunque son memorias no volátiles, no son eternas, y se produce una degradación de las celdas como resultado de diversos factores, como los ciclos de escritura anteriores, la frecuencia de los ciclos, la temperatura, etc. Por tanto, es posible que si almacenas una información, pueda durar 10 años.

Esto no es lo ideal si se busca un almacenamiento prolongado de memoria sin pérdida de datos y sin necesidad de mantenimiento, y esto es algo que también podrían solucionar estas nuevas tecnologías NVM, ya que podría ampliar la capacidad de retención de las células de memoria en hasta 1000 años en algunos casos, sin necesidad de aplicar energía. Por tanto, el usuario contaría con periodos de almacenamiento largos.

Esos 1000 años que he citado anteriormente no es en todos los casos, varía en función de la tecnología que se emplea. Pero podemos encontrar tecnologías NVM como la ST-DDR MRAM de Everspin que podría tener tiempos de retención de la información muy largos, como se puede apreciar en la siguiente tabla:

Por ejemplo, en el caso de la UltraRAM, otra tecnología que no he incluido en los apartados anteriores, se podría llegar a esos 1000 años que he citado anteriormente, lo que es bastante prometedor. Un milenio completo sin necesidad de suministrar energía es mucho decir…

Otras ventajas

Por supuesto, también puede haber otras ventajas interesantes en algunas de las tecnologías alternativas de la NVM para sustituir a los SSD. Entre ellas, podemos destacar los siguientes puntos:

• Tasas de errores bajas, por lo que se trataría de una memoria menos propensa a errores o corrupción de datos.
• Menos perturbaciones en los accesos, lo que mejora la fiabilidad en las lecturas y escrituras, sin que se produzcan faltas en ellas.
• Pueden ser prácticas para multitud de aplicaciones para las que las memorias RAM o flash actuales no se pueden emplear.
• Tienen inmunidad a la radiación, por lo que no se tendrían que endurecer contra la radiación estos chips, y serían ideales para ambientes con alta radiación, como las misiones espaciales, para uso en robots dentro del reactor de centrales nucleares, etc.
• Son más resistentes a los campos magnéticos fuertes, que ya sabes que en las actuales memorias puede causar daños en la información almacenada si existen campos magnéticos muy fuertes cerca de la memoria.

Además, dependiendo de la tecnología, puede tener sus ventajas tecnológicas inherentes, por lo que cada una de ellas podría obtener mejores resultados en según que nichos de aplicación.

Conclusión

Para finalizar, decir que las tecnologías como la UltraRAM, la RRAM, FRAM, MRAM, y la PCM, tienen ventajas bastante importantes sobre las flash NOR y NAND actuales, además de tener semejanzas con la RAM como se busca. Sin embargo, no todo son ventajas en la actualidad, y pueden tener aún algunos problemas de juventud por falta de desarrollo, como la densidad de capacidad, los costes de producción en algunos casos, y otras barreras. Sin embargo, es posible que en las próximas décadas las veamos de forma masiva en los productos de consumo, lo que es esperanzados.