¿Qué es el almacenamiento flash?

Las soluciones de almacenamiento flash van desde unidades USB hasta matrices de nivel empresarial y no deben confundirse con la memoria de acceso aleatorio (RAM) o la memoria a corto plazo. En comparación con las unidades de disco duro con componentes móviles, las unidades flash USB pueden alcanzar tiempos de respuesta rápidos (por ejemplo, latencia de microsegundos). Utilizan memoria no volátil (NVM), lo que significa que los datos no se pierden cuando se apaga el equipo.

El almacenamiento flash también utiliza unidades de estado sólido (SSD) de alta disponibilidad y requiere menos energía y espacio físico que el almacenamiento en disco mecánico.

Hoy en día, la memoria flash es un componente crucial que se encuentra en dispositivos de almacenamiento (unidades flash USB, tarjetas SD), smartphones, dispositivos móviles y cámaras digitales. 

El almacenamiento flash se desarrolló para abordar la creciente necesidad de un almacenamiento no volátil, compacto y energéticamente eficiente, a medida que los dispositivos electrónicos se hacían más pequeños y portátiles.

En 1986, Toshiba presentó el primer chip de memoria flash NAND, optimizado para un almacenamiento compacto y una velocidad de escritura rápida para admitir aplicaciones de almacenamiento (SSD, tarjetas de memoria). En 1993, Intel lanzó NOR flash, que es más adecuado para aplicaciones que requieren datos rápidos, como sistemas integrados (código de arranque, firmware).

La memoria flash ofreció un rendimiento sin precedentes y revolucionó rápidamente el mundo del almacenamiento de datos, superando a los discos giratorios y las tarjetas de memoria. A medida que el uso de datos aumentaba y los dispositivos se volvían más livianos y pequeños, los sistemas flash demostraron ser la forma más rápida de almacenar, escribir, reprogramar y transferir información digital.

En el año 2000 se desarrolló la unidad flash USB (también conocida como unidad de bolsillo) para almacenar y transferir archivos. Este dispositivo portátil era compacto y tenía mucha más capacidad que los sistemas de almacenamiento anteriores. En 2005, Apple lanzó sus primeros iPod basados en flash, acelerando la adopción por parte de los consumidores de la tecnología de almacenamiento flash.

A finales de la década de 2000, las unidades de estado sólido (SSD) basadas en flash comenzaron a reemplazar a las unidades de disco duro (HDD) en los entornos de ordenadores portátiles y centros de datos, ofreciendo tiempos de arranque más rápidos, menor consumo de energía y mayor durabilidad.

La evolución de la tecnología celular ha marcado avances significativos en la capacidad de almacenamiento flash. Comenzando con la tecnología de celda de un nivel (SLC) que almacena un bit por celda, los sectores progresaron hacia la tecnología de celda multinivel (MLC) que almacena dos bits por celda a mediados de la década de 2000. Toshiba introdujo la tecnología de celdas de triple nivel (TLC) en 2009, y Samsung la adoptó en 2010, permitiendo el almacenamiento de tres bits de información por celda. Cada generación aumentaba la densidad de almacenamiento a la vez que equilibraba las consideraciones de rendimiento.

Este cambio se aceleró en la década de 2010 con la introducción de la tecnología de NAND 3D, que forma una pila de celdas de memoria verticalmente para aumentar la densidad de almacenamiento y reducir el coste por gigabyte.

A principios de 2011, el lanzamiento de NVMe (memoria no volátil exprés) como interfaz nativa flash liberó aún más el potencial de flash, permitiendo una latencia ultrabaja y un rendimiento de alto rendimiento a través de conexiones de interconexión de componentes periféricos exprés (PCIe).

En 2018, Micron introdujo las unidades flash de celda de cuatro niveles (QLC) que utilizan cuatro bits de datos por celda, lo que aumenta la densidad en un 33 % con respecto a TLC. En comparación con la TLC, las QLC ofrecen una mejor capacidad y asequibilidad, pero su rendimiento es más lento y su resistencia es menor. Son más adecuados para cargas de trabajo de lectura intensiva, como el almacenamiento de archivos, la entrega de contenido y la inferencia de IA, en lugar de aplicaciones de escritura pesada, como las plataformas de redes sociales.

Para las grandes empresas, la velocidad y densidad de flash la han convertido en la tecnología de almacenamiento preferida, y ha desplazado en gran medida a los discos duros como el medio de almacenamiento principal en los centros de datos. Flash también se ha convertido en fundamental para la infraestructura de TI moderna, impulsando todo, desde edge computing hasta el entrenamiento de modelos de IA.

Las unidades de disco duro utilizan hardware electromecánico para almacenar información digital. Son rentables e ideales para el almacenamiento a largo plazo y para archivos grandes. Sin embargo, las unidades de disco duro son vulnerables a daños físicos con el tiempo y tienen problemas de latencia debido a los componentes en movimiento.

La memoria flash asume ahora funciones que antes estaban reservadas a las unidades de disco duro de los ordenadores. Por ejemplo, cuando un ordenador arranca, ejecuta una secuencia básica del sistema de entrada/salida (BIOS). El firmware que contenía por primera vez el BIOS requería chips de memoria de solo lectura (ROM), pero los sistemas modernos utilizan memoria flash para el BIOS, lo que permite reescribir el contenido sin extraer chips de la placa del sistema.

Se pueden usar soportes flash para aumentar este tipo de almacenamiento, lo que permite que las aplicaciones funcionen más rápido y escalen aún más. Aunque los discos duros siguen sirviendo como almacenamiento de archivo rentable, las cargas de trabajo empresariales exigen cada vez más la velocidad y la fiabilidad que pueden proporcionar las tecnologías flash.

Los entornos de almacenamiento primario ahora suelen utilizar la latencia de microsegundos y las altas capacidades de IOPS de flash, mientras que el almacenamiento definido por software (SDS) crea grupos virtualizados que administran datos de manera inteligente en ambos tipos de medios. Esta convergencia tecnológica permite a las organizaciones implementar enfoques híbridos, utilizando flash para cargas de trabajo críticas para el rendimiento mientras dirige los datos a los que se accede con menos frecuencia, incluidas las copias de seguridad SaaS, a sistemas de almacenamiento tradicionales más económicos.

El almacenamiento flash se basa en la memoria flash, un semiconductor que consta de millones de diminutos transistores MOSFET de puerta flotante. Estos transistores están dispuestos en un patrón de cuadrícula similar a los bloques de una ciudad, y cada intersección contiene un transistor especializado capaz de almacenar información.

La unidad de almacenamiento fundamental de la memoria flash es una célula de memoria flash. Cada celda contiene un transistor de puerta flotante que puede mantener la carga eléctrica incluso cuando se corta la alimentación.

Lo que hace que estos transistores sean especiales es su diseño único de dos puertas. La puerta de control se sitúa en la parte superior y gestiona el flujo de electricidad, mientras que la puerta flotante permanece aislada por una capa de óxido aislante. Cuando los datos se escriben en la memoria flash, se aplica un voltaje a la puerta de control, lo que obliga a los electrones a atravesar el aislamiento y quedar atrapados en la puerta flotante. Estos electrones atrapados cambian las propiedades eléctricas del transistor, representando los 1  s y 0 s binarios. Como la puerta flotante está rodeada de aislamiento, estos electrones permanecen atrapados indefinidamente, preservando el acceso a los datos sin necesidad de alimentación constante.

La memoria flash se divide en clasificaciones de densidad baja, media y alta, y el almacenamiento de mayor densidad empaqueta más celdas en el mismo espacio físico. Este avance tecnológico ha permitido el desarrollo de dispositivos cada vez más compactos con una capacidad de almacenamiento sustancial, desde unidades USB hasta teléfonos inteligentes y unidades de estado sólido que pueden almacenar terabytes de información.

Las tecnologías de memoria flash se pueden implementar de varias formas y configuraciones, cada una de las cuales responde a diferentes necesidades de rendimiento y casos de uso. Este aquí un resumen de los principales tipos:

Estos son algunos de los protocolos e interfaces de almacenamiento flash más importantes:

• NVME

• Interfaces SAS y SATA

• NVMe over Fabrics (NVMe-oF)

La memoria no volátil exprés (NVMe) es una interfaz que se utiliza para acceder al almacenamiento flash a través de un bus de interconexión rápida de componentes periféricos (PCIe). NVMe permite miles de solicitudes paralelas en una sola conexión. Agiliza la interacción entre las aplicaciones y el almacenamiento y mejora significativamente el rendimiento. NVMe es ahora el protocolo dominante para el almacenamiento flash de alto rendimiento y es esencial para las aplicaciones sensibles a la latencia, como los análisis en tiempo real y las cargas de trabajo de IA.

SAS (SCSI conectado en serie) y SATA (Tecnología avanzada de conexión en serie) son dos interfaces ampliamente utilizadas que conectan dispositivos de almacenamiento a sistemas informáticos. Aunque originalmente se desarrollaron para unidades de disco duro, también se utilizan con SSD basados en flash. SATA se encuentra normalmente en dispositivos de consumo, mientras que SAS se prefiere en entornos de almacenamiento empresarial por su mayor fiabilidad y rendimiento.

Aunque protocolos más recientes como NVMe los están sustituyendo gradualmente, SAS y SATA siguen siendo habituales en sistemas heredados e implementaciones con presupuestos ajustados. También ayudan a prolongar la vida útil de la infraestructura existente, lo que la hace útil en entornos que se están actualizando gradualmente.

NVMe over Fabrics extiende el protocolo NVMe a través de estructuras de red, como Ethernet, Fibre Channel o InfiniBand. Estas estructuras de red permiten acceder a dispositivos de almacenamiento flash de forma remota con casi la misma baja latencia y alto rendimiento que las unidades NVMe conectadas directamente. NVMe-oF es ideal para entornos distribuidos de gran escala, como centros de datos modernos e infraestructura en la nube, donde el almacenamiento debe ser rápido, resiliente y compartible.

El almacenamiento flash se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, debido a su velocidad, durabilidad y eficiencia energética:

• Centros de datos empresariales: las grandes empresas confían en las unidades de estado sólido (SSD) basadas en flash y en all flash arrays para soportar las cargas de trabajo de misión crítica, reducir la latencia y garantizar una alta disponibilidad en los entornos de centros de datos. El almacenamiento flash acelera el procesamiento de datos para aplicaciones de análisis, servicios cloud e inteligencia artificial (IA) en tiempo real. El almacenamiento flash en los centros de datos también mejora las capacidades de gestión de datos, lo que permite indexar, recuperar y procesar rápidamente grandes conjuntos de datos, lo que optimiza el rendimiento de las bases de datos y mejora la eficacia general del sistema.

• Dispositivos móviles: el almacenamiento flash es esencial para smartphones, tablets y ordenadores portátiles, ya que ofrece un acceso rápido a aplicaciones, archivos del sistema y datos de usuario. La naturaleza compacta de la memoria flash permite diseños delgados y ligeros sin comprometer el rendimiento.

• Juegos y gráficos: los jugadores obtienen beneficio de la alta velocidad de transferencia de datos del almacenamiento flash, que permite tiempos de carga rápidos y un procesamiento de gráficos mejorado. El almacenamiento flash también mejora el rendimiento de las consolas de juegos y las herramientas de edición de vídeo.

• Dispositivos IoT: la memoria flash se utiliza ampliamente en los dispositivos de Internet de las cosas (IoT) por su velocidad y bajo consumo de energía. Desde dispositivos domésticos inteligentes hasta sensores IoT sectoriales, el almacenamiento flash puede garantizar una rápida recopilación, procesamiento y transmisión de datos rápidos.

• Edge computing: con la creciente demanda de procesamiento de datos más cerca de la fuente, el almacenamiento flash desempeña un papel vital en los entornos Edge. Permite almacenamiento y recuperación de datos in situ con rapidez, lo que resulta crucial para las aplicaciones que requieren la toma de decisiones en tiempo real.

• Almacenamiento en la nube: el almacenamiento flash sustenta la infraestructura moderna en la nube, proporcionando acceso de alta velocidad a grandes cantidades de datos en entornos distribuidos. Su escalabilidad y rendimiento son factores clave en la creciente adopción del almacenamiento en la nube y otros servicios.

• Automoción: la memoria flash se utiliza cada vez más en vehículos para aplicaciones como navegación, sistemas de entretenimiento y tecnologías de conducción autónoma.

En entornos empresariales, el almacenamiento flash se ha convertido en un componente importante de los enfoques de seguridad de datos. La velocidad del almacenamiento flash ayuda a mejorar las prácticas de copia de seguridad y restauración, reduciendo el tiempo de recuperación al responder a incidentes de seguridad o fallos del sistema.

Muchas organizaciones utilizan ahora enfoques de copia de seguridad air gap con dispositivos de almacenamiento flash extraíbles desconectando físicamente los datos de copia de seguridad críticos de las redes para limitar la exposición al ransomware y otras ciberamenazas. Esta separación física proporciona una capa eficaz de protección contra los ataques basados en la red.

El rendimiento del almacenamiento flash respalda la ciberresiliencia a través de aplicaciones prácticas como la replicación de datos, las instantáneas y el cifrado con menos impacto en el rendimiento del sistema que el almacenamiento tradicional. En los sectores regulados, el almacenamiento flash puede ayudar a satisfacer las obligaciones de cumplimiento mediante características como WORM (Write Once Read Many) y controles de acceso que contribuyen a la arquitectura de seguridad general.