Introdução
Normalmente, conforme a tecnologia avança, ganhamos tanto em desempenho quanto em confiabilidade dos componentes. Basta ver o caso das placas-mãe atuais, que embora incluam barramentos mais rápidos e um número maior de trilhas e componentes são muito mais duráveis que placas de uma década atrás, devido ao uso de capacitores de estado sólido e outras melhorias. Mesmo os HDs magnéticos atuais são (em média) bem mais duráveis que os modelos de duas décadas atrás, sem falar nas fontes de alimentação (de boas marcas) e muitos outros componentes. A obsolência programada continua dando as caras, fazendo com que acabemos trocando nosso arsenal high-tech bem antes do que deveríamos, mas em questão de durabilidade os componentes de informática estão, de uma forma geral, ficando melhores, sem falar no desempenho, que continua melhorando a cada nova geração.
Uma exceção para a regra são as memórias Flash. Embora avanços nas técnicas de produção tenham feito com que o custo por megabyte venha caindo rapidamente, as células estão ficando mais lentas, mais propensas a erros e ainda por cima oferecendo exponencialmente menos ciclos de leitura e escrita que suas antepassadas. Na minha época, boas memórias Flash eram projetadas para suportarem acima de 100.000 ciclos de escrita, enquanto muitas células atuais, usadas em pendrives e também em alguns SSDs de baixo custo suportam menos de 1000 ciclos de escrita!
A própria velocidade de acesso das memórias vem decaindo, como se tornou visível na recente migração dos 34 para os 25 nm, com as células de memória oferecendo tempos de acesso mais altos e taxas de leitura e escrita mais baixas. Muitos fabricantes têm sido capazes de compensar esta queda no desempenho e confiabilidade das memórias Flash com controladores melhores e do uso de uma percentagem maior do SSD para redundância, mas isso não anula a questão central de que os fabricantes estão produzindo chips de memória flash piores a cada nova geração, conseguindo avanços apenas em relação ao custo.
Para entender o que está causando esta lei de Moore ao contrário, vamos começar revisando sobre como funcionam as células de memória Flash:
As células de memória Flash são bastante similares a um transistor MOSFET, construídas sobre um wafer de silício (o substrato). A grande diferença é que a célula utiliza dois gates em vez de um. O primeiro é o "control gate", que é usado para ativar a célula e fazer a leitura dos dados armazenados.
Os dados propriamente ditos são armazenados no segundo, o "floating gate", que é precisamente construído entre duas camadas de óxido de silício (oxide layer). O termo "floating" indica justamente o fato de ele ser posicionado entre as duas camadas, sem contato direto com os outros componentes da célula:
As camadas de dióxido de silício armazenam cargas negativas, o que cria uma espécie de armadilha de elétrons, que impede a saída de qualquer carga armazenada no floating gate, um arranjo que permite manter os dados por longos períodos de tempo, sem que seja necessário manter a alimentação elétrica (como nas memórias SRAM), ou muito menos fazer um refresh periódico (como na memória DRAM). Isso simplifica muito o design dos cartões, pendrives e outros dispositivos, pois eles precisam incluir apenas os chips de memória Flash, um chip controlador e as trilhas necessárias, sem necessidade de baterias ou de circuitos de refresh.
Os dados são gravados na célula através de um processo de programação, que consiste em ativar o transistor (a corrente flui do emissor para o coletor) e, simultaneamente, aplicar uma tensão mais alta (12 volts ou mais, chegando a até 25 volts em alguns casos) no control gate. A alta tensão faz com que alguns dos elétrons sejam "sugados" para dentro do floating gate, onde ficam presos devido às duas camadas de óxido de silício. Uma vez que a célula é programada, os dados podem ser lidos inúmeras vezes, sem que seja necessário regravar os dados.
Para modificar os dados gravados é necessário primeiro limpar o conteúdo das células, o que é feito aplicando uma tensão diferencial entre o emissor e o control gate. Isso remove qualquer carga armazenada no floating gate, fazendo com que a célula retorne ao estado original e possa ser programada novamente. Todo chip de memória Flash suporta um número finito de operações de escrita (que variam radicalmente, indo de algumas poucas centenas a dezenas de milhares) mas suporta um número quase ilimitado de operações de leitura.
Tradicionalmente, a memória Flash é bastante rápida em termos de tempo de acesso, com as taxas de transferência sendo mais limitadas pelos controladores e barramentos utilizados do que pela memória Flash em si. O maior problema com a memória Flash é mesmo o custo por gigabyte, que é dezenas de vezes superior ao dos HDs magnéticos, limitando a adoção, especialmente no ramo dos SSDs, que concorrem diretamente com eles.
Pressionados, os fabricantes recorrem a duas técnicas. A primeira é a boa e velha migração para técnicas mais avançadas de produção para espremer mais células em cada milímetro quadrado do wafer de silício. A segunda é o armazenamento de múltiplos bits em cada célula de memória Flash, o que deu origem às memórias Flash MLC e TLC. Infelizmente, ambas as técnicas estão trazendo o efeito adverso de reduzir tanto o desempenho quanto a confiabilidade da memória Flash, produzindo chips que a cada nova geração são inferiores ao produzidos na geração anterior, especialmente com a introdução do TLC.
Conclusão
As ramificações disso são muitas. Não apenas esta é uma luz amarela para quem está considerando a compra de um SSD (já que além do preço, capacidade e desempenho, é necessário avaliar qual o tipo de memória Flash utilizada e a vida útil estimada do drive), mas também trás perspectivas sombrias em relação ao barateamento da memória Flash e o próprio futuro dos SSDs.
A continuidade na adoção dos SSDs depende de sucessivas quedas nos custos, que por sua vez é obtenível apenas através da miniaturização das células e do armazenamento de mais bits por célula. Embora alguns fabricantes estejam realizando pesquisas em relação a chips QLC (quatro bits por célula) é improvável que eles cheguem ao mercado, já que eles ofereceriam uma longevidade de 100 ciclos ou menos, pouco demais para qualquer uso prático.
As possibilidades em relação à miniaturização das células também estão se esgotando, já que existe um limite para a fragilidade das células antes que elas deixem de ser utilizáveis. A maioria dos especialistas concordam que o limite final para as células de memória Flash ficará nos 14 nm, o que significam apenas mais duas reduções em relação aos chips de 25 nm atuais. Mesmo a redução para os 14 não será indolor, já que resultará em novas reduções na longevidade e desempenho. A notícia boa é que o fabricantes têm investido muito no desenvolvimento de controladores mais avançados, que devem minimizar a diferença, mas ainda assim a perspectiva não é boa, já que a tendência é que tenhamos drives mais lentos e menos confiáveis que os atuais, ganhando apenas na questão da capacidade ou custo.
Os fabricantes podem compensar a redução na longevidade das células com o uso do over-provisioning, a boa e velha área de redundância, com células extras que são usadas em substituição das esgotadas. Aumentando a área reservada aumenta-se a longevidade do drive, mas isso compromete a capacidade e o custo por gigabyte, anulando parte dos ganhos, o que fará com que os fabricantes utilizem esta possibilidade com cautela.
A partir dos 14 nm, a principal possibilidade passa a ser o uso de células 3D, que consiste em células compostas por várias camadas de gravação empilhadas, o que permite utilizar melhor a área do wafer, resultando em grandes ganhos de capacidade.
Embora esta seja uma tecnologia que está sendo perseguida por todos os principais fabricantes, ainda não se sabe se a produção destas células será viável em larga escala, já que elas demandam processos muito mais complexos de fabricação. Esta ilustração do Nikkei Eletronics mostra alguns protótipos de células 3D da Toshiba e da Samsung:
Fonte:
http://www.hardware.com.br/tutoriais/slc-mlc-tlc/conclusao.html
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