2D vs 3D NAND: Diferencias entre almacenamiento flash SLC, MLC, TLC y QLC

La memoria flash se encuentra en el centro de muchos dispositivos que usamos todos los días, ya sea una unidad USB, la tarjeta de memoria de una cámara, el almacenamiento dentro de un teléfono o SSD internos y externos. A medida que la tecnología se ha desarrollado, también lo han hecho los métodos utilizados para almacenar datos dentro de cada celda de memoria. Las soluciones flash modernas aplican diferentes diseños de celdas para aumentar la capacidad, optimizar el costo o mejorar la resistencia dependiendo de cómo se utilizará el dispositivo.

Si alguna vez te has preguntado por qué algunas unidades se sienten más rápidas, duran más u ofrecen mayores capacidades a precios más bajos, la respuesta a menudo radica en el tipo de flash que contienen. Esta guía explica las diferencias clave para que puedas entender lo que está sucediendo a nivel de memoria y elegir la tecnología flash que mejor se adapte a tus necesidades.

¿Qué es la memoria flash NAND?

NAND es una memoria flash no volátil que puede almacenar datos incluso cuando no está conectada a una fuente de alimentación. La capacidad de retener datos cuando se apaga la alimentación hace que NAND sea una excelente opción para dispositivos internos, externos y portátiles. Las unidades USB, SSD y tarjetas SD utilizan tecnología flash y proporcionan memoria para tu portátil, computadora, smartphone o cámaras digitales.

Hay varios tipos de NAND en el mercado. En términos más simples, lo que separa a cada tipo es la cantidad de bits que se pueden almacenar por celda. Los bits representan una carga eléctrica que solo puede contener uno de dos valores, 0 o 1, encendido/apagado.

Las diferencias clave entre los tipos de NAND son el costo, la capacidad y la resistencia. La resistencia está determinada por el número de Programa / Borrado (P/E) que puede sufrir una celda de flash antes de que comience a desgastarse. Un ciclo P/E es el proceso de borrar y escribir una celda y cuantos más ciclos P/E pueda mantener la tecnología NAND, mejor será la resistencia del dispositivo.

Los tipos más comunes de almacenamiento flash NAND son SLC, MLC, TLC y QLC, cada uno de los cuales ofrece ventajas e inconvenientes diferentes. En las siguientes secciones, analizaremos más de cerca las características de cada tipo y lo que los hace adecuados para diferentes aplicaciones.

2D NAND: Explicación de la NAND plana

La NAND 2D, también llamada NAND plana, es la forma más antigua de memoria flash, en la que las celdas se disponen una al lado de otra en una única capa horizontal. Mientras los fabricantes se esforzaban por aumentar la capacidad, el espacio limitado de la oblea de silicio dificultaba la reducción del tamaño de las celdas sin afectar a la fiabilidad. Las celdas más pequeñas eran más propensas a la interferencia y el desgaste, lo que reducía la resistencia y ralentizaba el escalado adicional.

Aunque 2D NAND ayudó a establecer las bases para el almacenamiento flash moderno, alcanzó sus límites físicos a medida que crecía la demanda de mayores capacidades. Todavía se utiliza en algunas aplicaciones de menor costo o antiguas, pero la mayoría del almacenamiento moderno se ha trasladado a NAND 3D porque el apilamiento vertical de las celdas permite mayores densidades, una mejor resistencia y una producción más eficiente.

NAND SLC: Celda de un solo nivel

A favor: Resistencia más alta – En contra: Costosa y con bajas capacidades.
La NAND de celda de un solo nivel (SLC) almacena solo 1 bit de información por celda. La celda almacena un 0 o un 1 y, como resultado, los datos se pueden escribir y recuperar más rápido. SLC proporciona alto rendimiento y la mayor resistencia con 100.000 ciclos de P/E , por lo que durará más que los otros tipos de NAND. Sin embargo, su baja densidad de datos hace que la SLC sea el tipo de NAND más cara y, por lo tanto, no se usa comúnmente en productos de consumo. Por lo general, se usa para servidores y otras aplicaciones industriales que requieren velocidad y resistencia.

NAND MLC: Celda multinivel

A favor: Más barata que la SLC – En contra: Más lenta y con menor resistencia que la SLC.
La NAND de celda multinivel (MLC) almacena varios bits por celda, aunque el término MLC normalmente equivale a 2 bits por celda. La MLC tiene una densidad de datos más alta que SLC, por lo que se puede producir en mayores capacidades. La MLC tiene una buena combinación de precio, rendimiento y resistencia. Sin embargo, la tecnología MLC es más sensible a los errores de datos y, con 10 000 ciclos de P/E, tiene una menor resistencia en comparación con la tecnología SLC. La MLC generalmente se encuentra en productos de consumo donde la resistencia es menos importante, sin embargo, TLC y QLC son más comunes en la informática moderna.

Qué es NAND 3D: Arquitectura NAND vertical

NAND 3D ha sido una de las mayores innovaciones en el mercado flash. Los fabricantes de memorias flash desarrollaron la arquitectura 3D NAND para solucionar los problemas que tenían con la 2D NAND y lograr así densidades más altas a un costo menor. Los fabricantes de NAND decidieron apilar las celdas en una dimensión diferente, lo que les llevó a la NAND 3D donde las celdas se apilan verticalmente. La mayor densidad de memoria permite mayores capacidades de almacenamiento sin el enorme aumento de precio. La NAND 3D también proporciona una mejor resistencia y un menor consumo de energía.

NAND TLC: Celda de triple nivel

A favor: Más baratas y con mayores capacidades – En contra: Baja resistencia.
La NAND de celda de triple nivel (TLC) almacena 3 bits de información por celda. Al gestionar ocho estados de voltaje diferentes, la tecnología TLC ofrece un aumento significativo de la densidad de almacenamiento con respecto a la MLC, lo que permite la producción en masa de SSD de alta capacidad a precios asequibles para el consumidor. Si bien es más lenta y tiene menor resistencia que SLC o MLC, que generalmente ofrecen entre 3.000 y 5.000 ciclos de P/E, sigue siendo el estándar de la industria para PC, portátiles y consolas de juegos convencionales. Los avances en la tecnología de controladores y el uso del almacenamiento en caché de pSLC han hecho que el rendimiento de TLC sea casi indistinguible del de MLC para el usuario promedio, lo que la convierte en el tipo de NAND más común en el mercado actual.

eTLC: TLC de nivel empresarial

Enterprise Triple-Level Cell o Celda de triple nivel empresarial (eTLC) no es una arquitectura física diferente, sino una versión de alto grado de NAND 3D TLC que ha sido reservada por su calidad superior. Si bien TLC de consumo estándar está diseñada para cargas de trabajo diarias típicas, eTLC se somete a pruebas rigurosas para garantizar que pueda manejar la escritura de datos constante las 24 horas del día, los 7 días de la semana, requerida por los centros de datos y los servidores. Al utilizar el mejor silicio y aumentar el sobre aprovisionamiento, eTLC puede lograr una resistencia significativamente mayor, a menudo alcanzando de 10,000 a 30,000 ciclos de P/E. Esto lo convierte en la opción preferida del sector para entornos empresariales que necesitan un equilibrio entre alta capacidad y durabilidad.

NAND QLC: Celda de nivel cuádruple

A favor: Más baratas y con mayores capacidades – En contra: Velocidades de escritura más lentas y menor resistencia.
La NAND de celda de nivel cuádruple (QLC) almacena 4 bits de información por celda. Al utilizar 16 niveles de voltaje distintos, QLC alcanza la mayor densidad de datos de todos los tipos de NAND habituales, lo que hace que los SSD de gran capacidad (como los modelos de 4 TB y 8 TB) sean mucho más asequibles para los consumidores. Sin embargo, la gestión de estos 16 niveles es un proceso complejo que ralentiza significativamente las velocidades de escritura y aumenta el desgaste de la unidad. Por lo general, QLC ofrece alrededor de 1000 ciclos de P/E, lo que la hace ideal para tareas de lectura intensiva, como almacenar bibliotecas de juegos, colecciones de medios o archivos a largo plazo donde los datos no se sobrescriben constantemente.

Modo pSLC: Almacenamiento en caché pseudo SLC

Pseudo-SLC (pSLC) no es un tipo diferente de flash físico, sino un modo de gestión en el que las celdas de alta densidad (como TLC o QLC) están programadas para almacenar solo 1 bit de datos en lugar de su capacidad máxima. Esto permite que la unidad imite el rendimiento ráfaga y la resistencia similar al verdadero SLC. La mayoría de los SSD de consumo modernos utilizan una caché pSLC, que es una pequeña parte de la unidad dedicada a manejar los datos entrantes rápidamente antes de moverlos al área de almacenamiento más lenta y de alta densidad, esto hace que la unidad se sienta mucho más rápida durante el uso diario.

El futuro de la memoria flash NAND

La tecnología flash NAND ha experimentado una notable evolución, pasando de estructuras planas simples a las complejas estructuras verticales de NAND 3D. Al equilibrar la velocidad del almacenamiento en caché de pSLC con la eficiencia de alta densidad de TLC y QLC, los fabricantes ahora pueden ofrecer las capacidades y la velocidad masivas requeridas por los juegos modernos y las cargas de trabajo profesionales. A medida que nuestra demanda de datos continúa aumentando, el perfeccionamiento continuo de la arquitectura NAND garantiza que el almacenamiento de alta velocidad y alta capacidad siga siendo accesible y confiable para la próxima generación de sistemas informáticos.