segunda-feira, 6 de agosto de 2012

Memória flash: o que o futuro reserva para nossos computadores?

Memória flash: o que o futuro reserva para nossos computadores?
#postado por Magnus Nascimento.

As dimensões físicas da memória flash diminuem à medida que a capacidade de armazenamento aumenta. Porém, o limite da tecnologia pode estar próximo
(Fonte da imagem: HotHardware)
Os drives de estado sólido, também conhecidos como SSD, têm conquistado cada vez mais popularidade. Mesmo que o valor desses drives ainda seja proibitivo para muitos — principalmente no caso de modelos com grande capacidade de armazenamento — o SSD tem conseguido se infiltrar aos poucos.
Esse é o caso dos modelos híbridos, ou seja, drives que apresentam leitura e gravação mecânicas, mas que agilizam o acesso aos arquivos mais usados por meio de uma área baseada na tecnologia SSD.
Entretanto, o caminho para destronar os discos rígidos pode ser longo e cheio de obstáculos. Parte das dificuldades a serem enfrentadas pelo SSD está relacionada com as limitações atuais da memória flash, que precisam ser contornadas em um futuro não muito distante.

Grandes problemas de proporções pequenas

De acordo com a Lei de Moore, o número de transistores que cabe no espaço de um determinado componente, como um chip, dobra a cada 18 meses. A princípio, podemos argumentar que essa regra está caminhando para o fim e, recentemente, recebeu até mesmo um complemento para se adequar melhor aos dias de hoje.
Porém, quando o assunto são as memórias flash do tipo NAND, a Lei de Moore ainda pode ser aplicada com segurança. Os SSDs atuais usam memórias flash com processos de 25 a 20 nanômetros e, recentemente, a Toshiba anunciou uma nova linha de drives com processos de 19 nm.
Os chips de memória flash estão ficando cada vez menores (Fonte da imagem: TDK)
Como sabemos, para a indústria de eletrônicos, quanto menor for um componente, melhor. Pelo menos na maior parte das vezes essa redução indica um custo menor — já que se usa menos material — e a possibilidade de integrar mais memória flash em um único chip, o que na prática pode ser traduzido como SSD com mais capacidade de armazenamento. Como se não bastasse, componentes menores também exigem menos energia para funcionar, o que os torna ainda melhores para dispositivos móveis.
Mas assim como em jogos de video game, quando um item ou personagem é “apelão” demais, ele precisa, necessariamente, ter uma desvantagem para manter o jogo mais justo. E, no caso da memória flash, ela possui como “calcanhar de aquiles” o seu tempo de vida: quanto mais atividade de escrita (gravação de dados), mais rapidamente as células de memória se deterioram.

Elétrons presos, dados gravados

As células de memória flash são, na verdade, transistores de gate flutuante, ou seja, que não apenas permitem que a energia elétrica passe de um eletrodo para outro, mas que também armazenam os elétrons em uma determinada parte (gate flutuante) e mantêm esse estado. Dessa forma, quando o sistema é desligado, as células de memória flash ainda retêm essa informação.
Porém, durante esse processo, elétrons desnecessários podem ficar presos nesse gate. A princípio, eles não são um problema, mas com o passar do tempo a quantidade de elétrons presos aumenta e, então, a presença deles altera a resistência elétrica da célula de memória flash.
Quando um dado precisa ser gravado em uma célula, os elétrons são puxados para dentro dela, num curto intervalo de tempo. Mas quando a resistência elétrica de um desses transistores começa a aumentar, a célula precisa de uma corrente cada vez mais alta e de mais tempo para gravar a informação. Chega um ponto em que essa corrente é tão grande e a gravação se torna tão demorada que a célula simplesmente não funciona mais, e deixa de gravar dados.

Redução de tamanho, redução de vida útil

Um dos problemas a ser enfrentado no futuro da memória flash diz respeito a essa perda rápida de vida útil. Quanto menores ficam os chips, menor fica o gate que armazena os elétrons e, portanto, menor é a capacidade de guardar o resíduo que as cargas deixam no “compartimento”. Na prática, isso resulta em uma vida útil ainda mais curta.
E, por incrível que pareça, o problema pode ficar ainda mais complicado. Existem pelo menos duas implementações de células de memória flash: a Single Level Cell (SLC), que armazena um único bit em gate flutuante, e a Multi-Level Cell (MLC), que pode trabalhar com mais de um bit ao mesmo tempo.
Tempo de vida útil tem diminuído junto com o chip de memória flash (Fonte da imagem: TDK)
Como é de se esperar, as células do tipo MLC precisam de um controle muito mais preciso de voltagem na hora de armazenar dados. Elas não lidam apenas com a presença ou ausência de carga elétrica, mas com quantidades específicas dela. Por isso, esses resíduos que permanecem nos gates tornam a vida útil da MLC muito menor do que a da SLC. De acordo com o artigo da Ars Technica, essa diferença é dramática: se o tempo de vida médio de uma SLC é de 100 mil operações de escrita, o da MLC de 20 nm é de apenas 3 mil.
Hoje, por exemplo, já existe a Triple Level Cell (TLC), ou seja, células que trabalham com 3 bits de informações. Infelizmente, elas ainda não estão sendo vendidas nos produtos que encontramos facilmente, pois o tempo de vida delas é ainda mais curto e consiste em apenas algumas centenas de gravações.
Por outro lado, essa redução de tamanho e aumento de densidade se fazem cada vez mais necessários. Daqui a muitos anos, as TLCs possibilitariam, por exemplo, criar chips de até 14 TB. E caso você ainda não tenha percebido a sutileza, reforçamos: chips, não drives! Cada drive SSD poderia abrigar muitos chips desses. Mas, para que isso se torne realidade, muitos problemas de engenharia precisam ser resolvidos.

Soluções atuais e futuras

É fácil perceber que o futuro do mercado pertence às empresas que apresentarem as melhores soluções para os problemas de densidade e ciclo de vida. Por isso, duas delas já estão se destacando e fornecendo SSDs com recursos interessantes.
Uma das alternativas disponíveis atualmente é a DuraWrite, um controlador de células flash produzido pela LSI/Sandforce e que promete aumentar o tempo de vida delas em até 20 vezes.
Sandforce é uma das empresas que já apresenta solução para o problema (Fonte da imagem: LSI/Sandforce)
De maneira semelhante, a Indilinx também possui sua solução. Conhecida como Ndurance, a tecnologia é descrita como uma “suíte de gerenciamento avançado de memória flash NAND” e que pode “aumentar drasticamente o tempo de vida das células”.
Não é muito fácil encontrar detalhes técnicos sobre essas duas soluções, mas, de acordo com a Ars Technica, a Ndurance possui um sistema de correção de erros capaz de ler dados das células mais prejudicadas possíveis. Além disso, os chips são gerenciados por uma espécie de RAID e um buffer acumula alterações para gravá-las todas de uma vez, diminuindo, assim, as atividades de escrita.

Existe vida além da memória flash?

Outros fabricantes pensam além: abandonar a memória flash. Pode ser que essa tecnologia tenha mesmo um limite físico que não possamos vencer tão rapidamente e, portanto, algumas empresas apostam em alternativas, como a MRAM, memória magnética que deve alterar completamente o sistema de leitura e escrita, e a FRAM, memória ferroelétrica que tem investimentos de grandes empresas, como Samsung e Toshiba.
Mas a grande esperança vem mesmo pelo memristors, invenção da HP que reúne memória e transistor em um único componente. A grande vantagem dessa tecnologia em relação ao transistor de gate flutuante é o fato de que o memristor possui diferenças de implementações que o tornam rápido como a RAM, com a capacidade de manter informações gravadas e, além disso, mais resistente do que a memória flash.
Por enquanto, o memristor está um pouco longe de chegar ao mercado e está restrito aos laboratórios de pesquisa, principalmente por seu custo. Mas descobertas recentes já ajudaram a baratear a sua fabricação.

Vale a pena comprar SSD?

Como todos os problemas relacionados à memória flash, muitos devem se perguntar se, mesmo assim, vale a pena comprar um drive SSD. Nesse caso, a resposta é um grandioso “SIM!”. Por mais cara que seja atualmente, essa é a melhor tecnologia que temos e um dos poucos componentes que, ao ser instalado em seu computador, fará com que você perceba uma grande melhoria no desempenho.
(Fonte da imagem: Reprodução/Kingston)
Trocar a placa de vídeo da sua máquina ajudará a melhorar o visual e desempenho daquele game irado, mas com HD comum ele ainda pode demorar muito para ser iniciado. O mesmo pode acontecer com um upgrade de processador: mais velocidade de cálculos é excelente, mas aquele software “pesado” pode continuar demorando a ser carregado. Nem mesmo mais memória RAM pode causa um impacto tão grande no desempenho quanto o da substituição do HD pelo SSD.
A nós, consumidores, resta a espera: torcer para que a memória flash continue evoluindo e que, no futuro, tenhamos chips com mais densidade e confiabilidade. Se tudo isso falhar, que venha o memristor.
Fonte: Ars Technica

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