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RRAM vs NAND Flash 3D: El ganador es... nosotros

Es posible que pronto tenga un smartphone o una tableta con más de un terabyte de almacenamiento de alta velocidad

[08/08/2013] Dentro de unos años llevará, probablemente, un teléfono inteligente, tableta o computadora portátil con cientos de gigabytes, o incluso terabytes de memoria híper rápida, no volátil. Esto es gracias a dos acontecimientos en el desarrollo de las memorias dados a conocer el mes pasado.
En primer lugar, Samsung anunció que ahora está iniciando la producción masiva de chips de tres dimensiones (3D) Vertical NAND (V-NAND); luego, la nueva empresa Crossbar dijo que ha creado un prototipo de su chip de memoria de acceso aleatorio resistivo (RRAM).
El NAND tridimensional toma el flash actual, que se basa en un plano horizontal, y lo lleva hacia los lados. Entonces, como rascacielos microscópicos de memoria, los apila lado a lado para crear un chip mucho más denso con el doble de rendimiento de escritura y diez veces más confiable que en NAND plano, o 2D de la actualidad.
Un ejemplo de la diferencia entre 2D o NAND flash plano y 3D Vertical NAND flash.
 
El proceso más denso para la creación de células de memoria flash de silicio para almacenar datos en NAND plano está entre 10 nanómetros (nm) y 19nm de tamaño. Para dar una idea de lo pequeño que es, un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro -un cabello humano es tres mil veces más grueso que la memoria flash NAND fabricada con tecnología de proceso de 25 nm. Hay 25 millones de nanómetros en una pulgada.
Flash NAND utiliza transistores o una carga a trampa (también conocida como Charge Trap Flash) para almacenar un bit de datos en una celda de silicio, mientras que RRAM utiliza diminutos filamentos conductores que conectan las capas de silicio para representar un bit de datos -un cero o uno digitales.
En RRAM, la capa superior de nitrato de silicio crea un electrodo conductor, mientras que la capa inferior es de óxido de silicio no conductor. Una carga positiva crea una conexión de filamentos entre las dos capas de silicio, lo que representa un uno; una carga negativa rompe el filamento, y crea una capa resistiva o un cero.
Por lo tanto, ¿Qué tecnología de memoria gana?
Cuál de las dos memorias dominará el mercado de la memoria no volátil en cinco años es algo incierto, ya que los expertos tienen opiniones encontradas sobre cuánto es que el NAND flash 3D (o apilable) podrán extender la vida de la actual tecnología NAND flash. Algunos dicen que crecerá más allá de las actuales 24 capas de Samsung hasta más de 100 en el futuro, mientras que otros creen que tienen que pasar dos o tres generaciones para ello; es decir, la tecnología va a chocar contra un muro cuando se llegar a 64 capas más o menos.
Por el contrario, RRAM comienza con una ventaja. Es más denso que el NAND, con un mayor rendimiento y resistencia. Eso significa que RRAM será capaz de utilizar las obleas de silicio que son de la mitad del tamaño utilizado por los actuales fabricantes de memoria flash NAND. Y lo mejor de todo, las plantas de fabricación de flash actuales no necesitan cambiar su equipamiento para hacerlo, según el CEO de Crossbar, George Minassian.
RRAM utiliza aproximadamente la mitad de la oblea de silicio que la que utiliza hoy un chip de 8GB de memoria flash NAND de 25.
"Tal vez va a tomar un par de millones de dólares en costos de ingeniería para introducirlo en las plantas. Eso es lo que está en nuestro plan", señala Minassian. "Es el mismo costo de introducir un nuevo nodo [NAND flash], como ir desde un nodo de 65 nm hasta un nodo de 45 nm".
Crossbar afirma que su tecnología RRAM tiene un tiempo de latencia de 30 nanosegundos. El flash de mayor audiencia de Samsung, el 840 Pro SSD, tiene 0,057 milisegundos de latencia. Un milisegundo es la milésima parte de un segundo, un nanosegundo es una mil millonésima parte de un segundo -un millón de veces más rápido.
Según Minassian, RRAM puede soportar 10 mil ciclos de escritura y borrado de forma nativa, lo cual es un poco más de lo que puede soportar un MLC (multi level cell) NAND flash de consumo típico -y eso sin ningún código de corrección de errores. ECC se utiliza para actualizar la actual MLC NAND flash para tarjetas de memoria flash de clase empresarial y unidades de estado sólido (SSD).
Una comparación de sistemas SSD con memoria flash NAND y RRAM.
 
De hecho, Crossbar espera para ver la producción en masa de su chip RRAM en dos años. Minassian señala que su compañía ya ha firmado un acuerdo con una planta de fabricación de flash en la industria automotriz para la fabricación de los chips. También dijo que un acuerdo con una fábrica mucho más grande se está acercando a buen puerto.
Tanto RRAM como 3D NAND anuncian un enorme salto en el rendimiento de la memoria y capacidad de almacenamiento. RRAM de Crossbar promete rendimiento de escritura 20 veces más rápido y 10 veces más durabilidad que el NAND Flash plano de hoy. Como 3D NAND, los chips de memoria RRAM se apilarán, y un módulo de 1TB será aproximadamente la mitad del tamaño de un módulo flash NAND de almacenamiento similar, agrega Minassian.
El NAND tridimensional ofrece muchas más capacidades. Con cada NAND flash "skycraper" viene el doble de capacidad. Samsung señala que su V-NAND inicialmente solo tendrá capacidades que van desde 128GB hasta 1TB en sistemas embebidos y SSD", dependiendo de la demanda del cliente. Samsung parece estar apostando a una reducción de costos de fabricación -precio por bit-, y no un aumento de la capacidad para impulsar las ventas V-NAND.
El chip RRAM inicial de Crossbar también será capaz de almacenar hasta 1TB de datos, pero puede hacerlo en un chip más pequeño que una estampilla de correos, que equivale a 250 horas de películas de alta definición en una superficie cuadrada de 200 mm.
Cuando se trata del rendimiento, RRAM trae otra ventaja. Un chip flash NAND tiene hoy velocidades de escritura por sobre los 7MB/seg. Los SSD y tarjetas flash pueden alcanzar velocidades de 400MB/seg, ejecutando varios chips en paralelo.
Un chip RRAM cuenta con velocidades de escritura de 140MB/seg., y eso es sin interconexiones paralelas a varios chips, anota Minassian.
El supuesto rendimiento de NAND 3D como de RRAM significa que los dispositivos de almacenamiento ya no tendrán los cuellos de botella que tienen ahora. En el futuro, el cuello de botella será el bus -la capa de comunicación entre los componentes de la computadora. En otras palabras, si la memoria flash NAND es un coche de 100 mph y RRAM es un coche de 200 mph, no importa lo rápido que vaya si el camino en el que están tiene una curva que limita la velocidad a 50 mph.
En la parte superior de los resultados, RRAM utiliza una fracción de la energía para almacenar los datos que utiliza la memoria flash NAND, es decir que ayuda a extender la vida de la batería "por semanas, meses o años", según Crossbar.
Por ejemplo, flash NAND requiere alrededor de 20 voltios de electricidad para escribir un bit de datos en un chip de silicio. RRAM requiere solo cuatro microamperios para escribir un bit de datos.
Crossbar no está solo en el desarrollo de RRAM. Tanto Hewlett-Packard como Panasonic han desarrollado sus propias versiones de la memoria resistiva, pero de acuerdo con Jim Handy, analista principal de Objective Analysis, Crossbar tiene una enorme ventaja sobre otros desarrolladores.
"Una gran ventaja de esta tecnología es que el dispositivo de selección está construido en la célula. En otras RRAM no lo está, por lo que algo externo (un diodo o transistor) tiene que ser construido dentro. Esta es un área que ha recibido una gran cantidad de financiamiento para la investigación, pero sigue siendo un tema espinoso para muchas otras tecnologías", señaló en una respuesta por correo electrónico a Computerworld.
Handy dijo que el mercado de las tecnologías alternativas a RRAM es limitado, ya que los fabricantes de flash tienden a utilizar las tecnologías más baratas para poder salirse con la suya, a pesar de que otras tecnologías ofrecen un mejor rendimiento.
RRAM tiene la ventaja
RRAM no es el único avance en memoria a la vista. Formas alternativas de memoria no volátil que podrían ser futuros rivales de NAND y DRAM, incluye al RAM magneto-resistivo de Everspin (MRAM) y a la memoria de cambio de fase (PCM), un tipo de memoria que es perseguido por Samsung y Micron. También está Racetrack Memory, Graphene Memory y Memristor, el tipo de memoria propio de RRAM.
Gregory Wong, fundador y analista principal de la firma de investigación Forward Insights, cree que el RRAM de Crossbar es un producto viable que algún día podría desafiar a NAND, "y cuando digo NAND, me refiero a 3D NAND también", señala.
La memoria de Racetrack todavía tiene al menos cinco años más para ser viable. "En este momento parece un concepto interesante. El momento de su comercialización no está muy lejos en el futuro", agrega Wong.
"El cambio de fase ..., bueno, hay algunos por ahí, pero la pregunta es, ¿dónde encajan en el mercado de memorias? En este momento, es un reemplazo NOR", continuó Wong. "Su rendimiento y resistencia es como NOR, no como NAND.
"Por lo general, cuando se mira a los otros que hablan de RRAM, hay mucho escepticismo, pero cuando nos fijamos en Crossbar y su tecnología, nos parece interesante", señala.
Handy también cree que la memoria hecha con silicio, como RRAM del Crossbar, seguirá dominando el mercado de la memoria, porque las fábricas ya están equipadas para usarlo y es un material barato.
"El silicio conservará su dominio sobre los nuevos materiales durante el tiempo que pueda, y tecnologías como la de Crossbar jugarán un papel de nicho hasta que 3D NAND se quede sin vapor, que en la actualidad parece que va a ocurrir entre dos y tres generaciones después de que 2D pierda fuerza, que son dos o tres generaciones de donde está el mercado hoy en día", señala Handy.
La tecnología del proceso de flash NAND ha ido avanzando cada doce meses aproximadamente. Por ejemplo, Intel está a punto de pasar del nodo de proceso de 19nm a 14nm. Eso significa que puede perder fuerza en dos o tres años.
No todo el mundo está de acuerdo con que 3D NAND tenga esa limitada vida útil.
Gill Lee, director senior y miembro principal del personal técnico en Applied Materials, cree que 3D NAND podría aumentar a más de 100 capas de profundidad. Applied Materials proporciona las máquinas para que la industria de los semiconductores haga NAND flash y RRAM.
"Pasar a 3D permite que la tecnología NAND siga escalando hacia abajo. ¿Hasta dónde puede llegar? Creo que puede ir bastante lejos", señala.
Lee anota que ya ha visto planes de trabajo en la planta de fabricación que llevan 3D NAND a 128 pares o capas.
La primera generación de 3D NAND, de 24 capas de profundidad, viene en los nodos de 2D NAND de sub-20nm; pero ya que es más denso, 3D NAND reducirá el costo por bit para la fabricación de memoria en un 30%, señala Lee.
Ya sea que los consumidores vean a NAND flash con mayor densidad, o las plantas de fabricación simplemente sigan creando las mismas capacidades de memoria a un menor costo, llegará a las industrias, añade Lee.
Lucas Mearian, Computerworld (EE.UU.)