La vida secreta de tu unidad de almacenamiento SSD: un viaje al mundo cuántico de la memoria flash.
El corazón del SSD: la memoria flash y su desgaste.
El corazón de una unidad SSD reside en su memoria NAND, la cual está compuesta por miles de millones de celdas. Cada una de ellas es como una cajita con el suficiente espacio como para guardar solamente un bit (un 1 o un 0), según tenga electrones “atrapados” o no. Cuando la celda está llena, esto representa un 1. y si está vacía, un 0. Pero, ojo: estas cajas no funcionan de manera perfecta. Para que los electrones entren o salgan, tienen que pasar a la fuerza por una capa aislante de óxido que se va desgastando cada vez que eso sucede. Es como si esa barrera fuera una puerta que va desgastando sus bisagras con cada uso, hasta que las mismas comienzan a "chirriar" por el desgaste. Y acá está la verdadera clave: este desgaste es lo que realmente limita la vida útil del SSD. La duración (que se mide en "TBW" -Terabytes Written-) es el dato que te va a dar el fabricante y que te va a indicar cuántos datos vas a poder escribir en su superficie antes de que el deterioro de la unidad pase a ser crítico.
La extraña física de los electrones: "el push-pull cuántico".
Para meter a un electrón (escribir un 1): se aplica un alto voltaje positivo aproximadamente 12 voltios), a la "puerta" de la celda. Esto crea un campo eléctrico tan potente que el electrón, que en un esquema de Física clásica no podría atravesar el aislante, logra "perforar microscópicamente" (tunelar) la barrera y quedar atrapado. ¡Qué nabo!
Para sacar a un electrón (escribir un 0): se aplica un voltaje similar pero negativo para "arrancarlo" de vuelta "p'afuera" de la caja.
El desgaste se produce porque estos violentos pasajes de electrones a través del óxido crean un daño minúsculo y permanente en la barrera aislante. Con el tiempo, estos "agujeros" se agrandan hasta llegar a ser del tamaño de un electrón, y ¿adiviná que? Los electrones se "entran a escapar", lo que hace que la celda pierda su carga y, por lo tanto, la información. ¡Qué naba!
El debate de los siglos: la física clásica vs. la cuántica.
Acá está el punto clave, el que separa dos formas de entender el universo.
La física clásica (newtoniana). En este modelo, todo es predecible. En el esquema clásico, un electrón es una partícula.
Un elemento (como un electrón) necesita una energía específica para superar una barrera. Si no tiene esa energía, es lógicamente imposible que la atraviese. No existe una posibilidad, ni una en un millón de trillones. La física de Newton dice que este tipo de barrera es infranqueable. Punto. No hay más discusión.
La física cuántica. Este modelo rige al mundo subatómico, y acá todo es probabilístico. Un electrón no es solo una partícula, sino también una onda, y con esto ya aparece una probabilidadde que la onda de ese electrón traspase esa barrera. El efecto Fowler-Nordheim (también conocido como "efecto túnel"), descubierto en 1928 por los físicos Ralph Fowler y Lothar Nordheim, demostró esta posibilidad. Es este principio cuántico, totalmente ajeno a las reglas de Newton, el que hace posible la existencia de la memoria flash.
El "milagro" de la ingeniería: cultivando óxido.
Pero... ¿por qué se utiliza óxido (concretamente, dióxido de silicio) para la "caja" del electrón y no otro material más "estable"?
Se utiliza porque no es un material que haya que "encajarlo a la fuerza", sino que se "cultiva" sobre la oblea de silicio en un proceso llamado "oxidación térmica".
En este proceso, se coloca la oblea de silicio en un horno a 1000 °C aprox, y se la expone a una atmósfera de vapor.
La reacción se produce cuando a dicha temperatura el vapor de agua reacciona con la superficie del silicio, creando así una capa de dióxido de silicio sobre cada celda.
Como resultante, la capa de óxido creada es de una pureza excepcional, uniforme y sin defectos, algo que sería imposible de lograr con otros materiales como los derivados del plástico. Esta perfección es... mandatory! para crear una barrera aislante lo más fuerte posible.
¿Con o sin DRAM? ¡Esa es la cuestión!
Finalmente, hablaremos de la diferencia entre una unidad de almacenamiento SSD con y sin DRAM (su "memoria propia" de acceso aleatorio). La DRAM es una caché "agregada" (1) que ayuda a la controladora del SSD a organizar los datos antes de escribirlos.
(1) Además de la DRAM, las unidades SSD poseen al menos otra caché: la SLC (Single-Level Cell).
Sin DRAM: la controladora de hardware del SSD utiliza una pequeña porción de la memoria flash para su "Flash Translation Layer" (FTL), el mapa que le dice dónde está cada dato. Esto la hace menos eficiente, ya que tiene que escribir y reescribir ese mapa constantemente, provocando una mayor amplificación de escritura y, por ende, un mayor desgaste y un rendimiento que puede caer en cargas de trabajo sostenidas.
Con DRAM: el mapa del FTL se mantiene en la memoria DRAM, que sufre un desgaste despreciable, comparable con el desgaste de las memorias tipo DDR, por ejemplo. Esto permite que la controladora de hardware agrupe y organice los procesos de escritura mucho más eficientemente, lo cual se termina traduciendo en un menor desgaste de la memoria NAND y un rendimiento sostenido superior, especialmente en tareas pesadas como la edición de video o la transferencia de archivos muy grandes.
Y ahora: ¿qué me decís? ¿Conocías este mundo interno con este nivel de detalle?
0 Comentarios:
Publicar un comentario