¿Qué es la memoria flash NAND?

El término “NAND” combina “NOT” y “AND”, haciendo referencia a la puerta lógica que controla la estructura interna de una celda NAND.

Además de su alta densidad de almacenamiento y su naturaleza no volátil, la memoria flash NAND destaca por su rápida velocidad de transferencia de datos, su durabilidad y su bajo consumo energético. Estas características han convertido a la memoria flash NAND en la solución dominante de almacenamiento para la electrónica personal cotidiana, desde móviles hasta cámaras digitales, consolas de videojuegos y tablets.

A nivel empresarial e industrial, los ejemplos de uso de NAND incluyen centros de datos, sistemas integrados de automóviles, equipos de imágenes médicas e infraestructura de telecomunicaciones.

Impulsado por una creciente demanda de almacenamiento de datos en aplicaciones de consumo y empresariales, se espera que el tamaño del mercado de memoria flash NAND crezca de 55 730 millones de dólares en 2025 a 72 600 millones de dólares en 2030. Este crecimiento refleja una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 5,43 % durante el período¹. El crecimiento se ve impulsado por la inversión en infraestructura de IA, el aumento de la adopción de SSD en los dispositivos electrónicos de consumo y la tecnología de chips 3D que reduce los costes de almacenamiento.

La memoria flash NAND también está desempeñando un papel fundamental en la adopción de la IA generativa a nivel empresarial. Las aplicaciones de IA generativa requieren enormes cantidades de almacenamiento para datos y contenidos de entrenamiento, incluidos texto, imágenes y vídeos, que se almacenan en SSD con chips de memoria flash NAND.

A diferencia de la memoria volátil como la DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio), que pierde datos cuando se corta la alimentación, la NAND es una memoria no volátil que retiene la información atrapando la carga eléctrica en sus puertas flotantes.

La memoria flash NAND se utiliza para almacenar datos mediante componentes especiales llamados transistores de puerta flotante. Estos transistores están dispuestos en un patrón en serie que funciona como una puerta lógica NAND, un circuito digital fundamental que procesa señales binarias (unos y ceros) mediante operaciones "NOT" y "AND".

Cada celda de memoria en la memoria flash NAND contiene dos partes clave: una puerta de control y una puerta flotante, separadas por una fina capa de material de óxido. Piénsalo como un pequeño contenedor que puede atrapar una carga eléctrica.

Las operaciones de escritura en celdas NAND comienzan cuando se aplica carga eléctrica a través de un proceso llamado túnel Fowler-Nordheim. Esta carga empuja a los electrones hacia la puerta flotante, donde quedan atrapados, representando un valor binario. Para borrar los datos, simplemente se retira la carga de la celda, liberando los electrones atrapados.

Lo que hace que NAND flash sea eficiente es su arquitectura basada en bloques. En lugar de escribir o borrar datos bit a bit, NAND procesa la información en bloques grandes. Este proceso lo hace ideal para operaciones secuenciales y almacenamiento a gran escala.

Los beneficios de la memoria flash NAND incluyen:

• Almacenamiento no volátil: puede conservar los datos incluso cuando está apagado, lo que permite un almacenamiento persistente para sistemas operativos, aplicaciones y archivos de usuario.

• Baja latencia: acelera las velocidades de acceso a datos para aplicaciones de alto rendimiento y uso intensivo de datos.

• Alta densidad de almacenamiento: empaqueta una gran capacidad de almacenamiento en factores de forma compactos, desde tarjetas microSD hasta SSD empresariales.

• Eficiencia energética: necesita menos energía que las unidades mecánicas, lo que prolonga la vida de la batería y reduce los costes del centro de datos.

• Durabilidad: más resistente a golpes físicos y vibraciones que los dispositivos de almacenamiento de disco duro (HDD) porque no tiene partes móviles.

• Fiabilidad: las tasas de fallos más bajas y las técnicas de nivelación del desgaste garantizan un rendimiento constante, lo que respalda la ciberresiliencia y la continuidad del negocio.

La base de la memoria flash NAND comenzó con el desarrollo del MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido semiconductor) en 1960, que permitió la miniaturización masiva de la electrónica.

En 1967, Dawon Kahng y Simon Min Sze, investigadores de Bell Labs, propusieron que la puerta flotante de un MOSFET podría reutilizarse como memoria de solo lectura (ROM) reprogramable.

Este concepto sentó las bases para las tecnologías de memoria borrable. En 1971, el ingeniero de Intel Dov Frohman inventó la memoria de solo lectura programable borrable (EPROM), que utilizaba luz ultravioleta para borrar datos a través de una ventana transparente en el chip.

El siguiente avance llegó con la memoria de solo lectura programable borrable eléctricamente (EEPROM) a finales de los años setenta y principios de los ochenta. A diferencia de las EPROM, las EEPROM pueden borrarse mediante señales eléctricas. Esta innovación supuso una mejora significativa en cuanto a comodidad y funcionalidad.

La memoria flash surgió en la década de 1980 gracias al trabajo del Dr. Fujio Masuoka en Toshiba. El término "flash" proviene de un compañero que observó que los datos podían borrarse del chip "tan rápido como el flash de una cámara".

A lo largo de las décadas de 2000 y 2010, los fabricantes lograron avances significativos en la densidad, el rendimiento y la fiabilidad de las memorias flash NAND mediante innovaciones en el diseño de células y las técnicas de fabricación. Estas innovaciones transformaron la memoria flash NAND de una tecnología de almacenamiento de nicho en la base del almacenamiento de datos moderno.

Hay dos tipos de memoria flash: NOR flash y NAND flash.

La memoria flash NAND utiliza puertas lógicas booleanas "NOT AND" con celdas de memoria dispuestas en serie, priorizando la densidad de almacenamiento y las operaciones secuenciales para las necesidades de almacenamiento de alta capacidad.

La memoria flash NOR utiliza puertas lógicas booleanas "NOT OR" con celdas de memoria flash conectadas en paralelo, lo que permite leer y programar bytes individuales rápidamente. Este proceso hace que NOR flash sea adecuado para aplicaciones que requieren ejecutar código directamente desde la memoria, como firmware, chips BIOS y sistemas integrados. Sin embargo, la memoria flash NOR tiene velocidades de escritura y borrado más lentas, menor densidad de almacenamiento y mayores costes por bit.

Aunque NOR flash sigue siendo importante para las tareas de ejecución de código, NAND flash se ha convertido en la principal tecnología de almacenamiento para la mayoría de las aplicaciones. 

Los tipos de memoria flash NAND se clasifican por el número de bits que pueden almacenar las celdas individuales. Cada tipo tiene diferentes índices de resistencia medidos en ciclos P/E (ciclos de programación o borrado).

Entre ellos se incluyen:

• SLC (célula de un solo nivel): las SLC, o células de un solo nivel, almacenan un bit por célula. Aunque SLC NAND es la más cara por gigabyte, ofrece el mayor rendimiento, fiabilidad y resistencia, con hasta 100 000 ciclos de borrado. Se utiliza en entornos empresariales que ejecutan cargas de trabajo empresariales de misión crítica.

• MLC (célula multinivel): las MLC, o células multinivel, almacenan dos bits por célula. Duplica la densidad de almacenamiento de SLC al mismo tiempo que reduce el coste por gigabyte, pero es más lento. Al ofrecer una asequibilidad de gama media, las MLC están integradas en muchas SSD de consumo o estaciones de trabajo profesionales donde la resistencia es menos crítica.

• TLC (celda de triple nivel): las TLC, o celdas de triple nivel, almacenan tres bits por celda. TLC ofrece una menor resistencia que SLC y MLC porque solo tiene 3000 ciclos P/E. Sin embargo, proporciona una mayor densidad para almacenar datos a un coste menor y se utiliza con frecuencia en los principales productos SSD de consumo. 

• QLC (celda de cuatro niveles): las QLC, o celdas de cuatro niveles, almacenan cuatro bits por celda. Esta especificación maximiza la capacidad de almacenamiento y minimiza el coste por gigabyte, lo que la hace óptima para cargas de trabajo de lectura intensiva (por ejemplo, streaming, archivado, almacenamiento de archivos) donde la resistencia al ciclo de escritura es menos crítico. Las QLC también dependen en gran medida de la corrección avanzada de errores para preservar la integridad de los datos.

Las SLC, o celdas de un solo nivel, almacenan un bit por celda. Aunque SLC NAND es la más cara por gigabyte, ofrece el mayor rendimiento, fiabilidad y resistencia, con hasta 100 000 ciclos de borrado. Se utiliza en entornos empresariales que ejecutan cargas de trabajo empresariales de misión crítica.

Los SSD modernos utilizan memoria NAND 3D, un tipo de arquitectura que pila varias capas de celdas de memoria verticalmente sobre obleas de silicio. En comparación con la antigua NAND 2D, que organiza las celdas de memoria en una matriz plana, la NAND 3D permite un mayor número de celdas de memoria dentro de la misma huella. Esta capacidad optimiza la densidad de almacenamiento de datos, la capacidad y el coste total por bit de datos, lo que permite disponer de más celdas de memoria.

En un informe de S&S Insider, el tamaño del mercado de las memorias flash 3D NAND se valoró en 17 590 millones de dólares en 2023. También se espera que alcance los 75 440 millones de dólares en 2032, creciendo a una tasa compuesta anual del 17,61 % entre 2024 y 2032².

La tecnología 3D NAND desempeña un papel crucial en el almacenamiento de datos en la era de la inteligencia artificial (IA). Con velocidades de escritura hasta un 50 % más rápidas que las soluciones NAND tradicionales, las SSD con tecnología 3D NAND y all flash arrays se están utilizando como almacenamiento para la IA generativa. Esto permite un acceso rápido a modelos preentrenados y a grandes conjuntos de datos cerca de las unidades de procesamiento. Al reducir la latencia de recuperación de datos, la NAND 3D mejora el rendimiento de los flujos de trabajo de IA y machine learning (ML).