El concepto de memoria persistente (no volátil) de gran velocidad y capacidad se ha convertido en el santo grial que persiguen los principales jugadores de la industria de semiconductores. Cuando Intel y Micron anunciaron 3D XPoint hace poco menos de dos años, parecía que la gesta llegaba a su fin y que el destino ya había designado a la dupla triunfante. Pero la falta de cumplimiento de las grandilocuentes promesas hechas por ambas empresas en aquel entonces consiguió desviar la atención de la industria hacia otras tecnologías que buscan cumplir el sueño de la SCM (storage-class memory, o memoria de clase de almacenamiento).
La memoria SCM apunta al amplio espectro de los segmentos de mercado de almacenamiento y de memoria principal con la promesa de persistencia, breves tiempos de acceso y bajo costo por bit. “Hay tantas tecnologías en desarrollo para reemplazar a la NAND flash, la DRAM, o para llenar la brecha entre DRAM y SSD que, a pesar del tiempo que hace que se vienen escuchando estas promesas, las ideas como SCM siguen por el momento siendo sólo eso: ideas”, opina Sang-Yun Lee, CEO de BeSang, empresa diseñadora de circuitos integrados tridimensionales para CPUs, DSPs, ASICs, SoCs, SSDs, etc. “Nuestra pregunta ahora es: ¿llegará SCM al mercado para crear una disrupción en la tradicional jerarquía de memoria?”.
Existe una gran brecha entre la memoria DRAM principal y las memorias de almacenamiento, como SSD y HDD, tanto en términos de performance como de costo. Sin embargo, los sistemas actuales están diseñados para esta tradicional jerarquía de memoria, y la única razón para cambiar este status-quo sería la existencia de ventajas sustanciales de costo, performance o ambos.
Hay actualmente varias nuevas tecnologías de memoria que pugnan por lograr la mencionada disrupción en la jerarquía de memoria. Sang-Yun las categoriza en tres grupos: memorias emergentes, incluyendo a MRAM, CMOx y ReRAM; NVDIMM-P, la cual combina memoria flash NAND con software predictivo, y NVDIMM basada en NOR, lo cual incluye a tecnologías como 3D XPoint y 3D Super-NOR.
Las tecnologías SCM emergentes se enfrentan al problema del tamaño de las celdas de memoria, que llega a ser alrededor de 50 veces el tamaño de celda de la NAND plana. Para resolver este inconveniente, varios contendientes, tales como ReRAM, CMOx y 3D XPoint adoptan estructuras de tipo cross-point, que dependen fuertemente de herramientas litográficas avanzadas, y tal como lo explicó Micron, la inversión en infraestructura de fabricación y los costos de fabricación asociados al uso de estructuras cross-point podrían ser significativamente superiores a los relacionados con las estructuras planas tradicionales. “Considerando la cuestión de los materiales, tamaño de celda y costos de fabricación, llevaría un largo tiempo para que las tecnologías SCM emergentes pudieran competir contra las memorias de silicio o encontrar nuevas oportunidades de mercado”, señala el CEO de BeSang.
LA LLEGADA DE 3D XPOINT
El emprendimiento conjunto IMFT (Intel/Micron Flash Technologies), que comenzó en 2006 e incluye la producción de memoria flash NAND, fue bastante osado en cuanto a las promesas de performance que hizo al momento de lanzar 3D XPoint. Las dos compañías insistían en que 3D XPoint sería 1000 veces más veloz que la memoria flash NAND, que su durabilidad sería 1000 veces mayor y que tendría 10 veces la densidad de la memoria DRAM.
Las demostraciones que Intel hizo de la tecnología luego de su anuncio inicial resultaron ambiguas, como en el caso en que demostró el uso de 3D XPoint como un dispositivo de backup, el cual sería potencialmente muy costoso y además colocaba al medio de almacenamiento detrás de una interfaz Thunderbolt 3 que ocultaba su verdadera performance.
El año pasado en Computex, Intel realizó comparaciones de rendimiento de SSDs basados en 3D XPoint con SSDs basados en NAND, exhibiendo cifras atractivas pero brindando escasos detalles técnicos. Los escépticos comenzaron a sospechar que a la compañía le costaba encontrar casos de uso del mundo real que obtuvieran un beneficio importante con la nueva tecnología. Quizás las restricciones que imponen las interfaces actuales sean un freno para la potencia de 3D XPoint, si bien también es posibles que Intel no quiera mostrar aún sus cartas a los competidores. En el IDF (Intel Developers Forum) del año pasado, la empresa finalmente liberó información que permitió ver las ventajas reales de la tecnología.
Aunque Intel y Micron comparten la tecnología subyacente de 3D XPoint, cada una tendrá sus propios diseños y comercializará los dispositivos bajo distintos nombres. Intel empleará la marca Optane, mientras que Micron los denominará QuantX. Las cifras de performance de Intel bajaron a un incremento de 4 veces en performance de escritura aleatoria y apenas 3 veces en durabilidad.
En el caso de Micron, las cifras bajaron a 10 veces la performance en IOPS en relación a NAND. Si bien las mejoras exhibidas son interesantes, está claro que 3D XPoint perdió parte de su atractivo cuando IMFT debió acomodar los productos a las limitaciones de infraestructura existentes. El tiempo de respuesta mejorado 10 veces se muestra como una mejora clave, y sería evidencia de una latencia drásticamente menor que la de los dispositivos actuales.
SE VIENE LA COMPETENCIA
En octubre de 2015, SanDisk (actualmente una unidad de negocios de Western Digital) anunció un producto de almacenamiento basado en RAM resistiva (ReRAM) desarrollado en conjunto con Hewlett Packard Enterprise. Este producto se anunciaba como una seria competencia para 3D XPoint, con velocidades similares y, probablemente, más durabilidad, ya que las cifras preliminares de desgaste en escritura de 3D XPoint no son mucho mejores que las de la NAND. La tecnología ReRAM es apta para las estructuras 3D y bien podría alcanzar mayores densidades que el diseño de 3D XPoint.
Al momento del anuncio de ReRAM, Siva Sivaram, vicepresidente ejecutivo de tecnologías de memoria en SanDisk, aseguró en relación a la sociedad con Hewlett Packard que “esperamos que nuestra colaboración en nuevas soluciones tecnológicas SCM revolucione la computación en los años por venir”. SanDisk aseguró que ReRAM tenía el potencial de ser 1.000 veces más veloz que el almacenamiento flash, y ofrecer 1.000 veces más durabilidad que éste; además de brindar mejoras en costo, consumo, densidad y persistencia. Las mismas cifras fueron esgrimidas por Intel y Micron cuando hicieron los primeros anuncios de 3D XPoint.
La tecnología SCM ReRAM y sus características buscan permitir a los sistemas el empleo de decenas de terabytes por nodo de servidor, para aplicaciones tales como bases de datos en memoria, análisis de datos en tiempo real, procesamiento online de transacciones y cómputo de alta performance. La sociedad entre SanDisk y Hewlett Packard buscaba que ambas compañías expandieran sus productos y soluciones SSD basados en memoria con la tecnología ReRAM, brindando soluciones de almacenamiento de alta performance para centros de datos empresariales. Además, HP confiaba en que ReRAM sería un aporte para su nuevo modelo de cómputo denominado The Machine, el cual pretende reinventar las tradicionales arquitecturas de cómputo para conseguir un salto cuántico en performance y eficiencia, disminuyendo a su vez los costos y mejorando la seguridad.
“El embate de información que enfrentan las empresas continuará siendo un desafío en el futuro próximo”, señaló Martin Fink, vicepresidente ejecutivo y CTO de HP al momento del anuncio de ReRAM. “Con SanDisk compartimos el entendimiento del significado de este desafío, y más importante, compartimos la visión de que la solución se halla en el concepto de cómputo guiado por la memoria (Memory-Driven Computing). Planeamos conjuntamente aportar nuevas soluciones de memoria al mercado y acelerar su adopción en las empresas, a la vez que aceleramos el desarrollo de The Machine para habilitar un nuevo modelo de cómputo a largo plazo”. Se desconoce el destino que tendrá la sociedad establecida entre SanDisk y HP luego de la fusión de la primera con Western Digital.
EN LA RECTA FINAL
Western Digital hizo importantes anuncios recientemente en relación con la escalabilidad y la eficiencia de la nueva memoria ReRAM. Esto podría significar que la compañía usará sus instalaciones de fabricación y su infraestructura de testeo, packaging, etc. en Japón para fabricar memoria ReRAM 3D. Teniendo en cuenta que actualmente las distintas opciones de SCM son más costosas que la flash NAND, tiene sentido para WD seguir usando sus actuales fábricas y equipamientos para construir tanto memorias NAND como ReRAM, de forma tal que la parte SCM del negocio resulte rentable. IMFT planea hacer lo mismo con su SCM: utiliza sus instalaciones en la localidad de Lehi, Utah, EE.UU. para producir su memoria 3D XPoint, aunque sin revelar aún datos específicos sobre tecnología de proceso (al igual que WD).
La memoria ReRAM de WD escalará en términos de densidad por circuito integrado con el aumento en el número de capas apiladas, si bien no se sabe cuántas capas tendrán inicialmente sus chips 3D ReRAM. La compañía se muestra optimista acerca de la escalabilidad de su SCM y confía en que con el tiempo logrará llenar la brecha con la DRAM.
La industria evolucionó desde latencias del orden de los milisegundos en los discos rígidos HDD al orden de los microsegundos con los SSD, lo cual desató una oleada de innovaciones en hardware de controladores y conectividad para adaptarse al cambio. El pasaje de los microsegundos a los nanosegundos provocará indudablemente otra gran ola de necesaria innovación, a la vez que expondrá problemas de latencia en distintas etapas del camino de los datos. El objetivo final de la siguiente generación de memoria es lograr que los mundos del almacenamiento permanente y temporal se fusionen en forma definitiva, con una tecnología que cumpla ambas funciones.
3D XPoint, ReRAM y otras alternativas emergentes no están aún en condiciones de cumplir el mencionado rol, pero indudablemente están sentando las bases. Este año verán la luz los primeros resultados de los esfuerzos de las empresas involucradas, y comenzará a dibujarse la ruta que conducirá a la arquitectura de cómputo de las próximas décadas.
