La vida de un byte de datos

https://blog.jessfraz.com/post/the-life-of-a-data-byte/

FUENTE: MICROSIERVOS.COM

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Un byte de datos se ha almacenado de diferentes maneras a medida que se introdujeron medios de almacenamiento más nuevos, mejores y más rápidos. Un byte es una unidad de información digital que comúnmente se refiere a ocho bits. Un bit es una unidad de información que se puede expresar como 0 o 1 y representa un estado lógico.

En el caso de las tarjetas de papel, un bit se almacenaba como la presencia o ausencia de un agujero en la tarjeta en un lugar específico. Si retrocedemos aún más en el tiempo, hasta el motor analítico de Babbage, un bit se almacenaba como la posición de un engranaje o palanca mecánica. Para dispositivos de almacenamiento magnético, como cintas y discos, un bit está representado por la polaridad de una determinada área de la película magnética. En la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) moderna, un bit suele representarse como dos niveles de carga eléctrica almacenados en un condensador, un dispositivo que almacena energía eléctrica en un campo eléctrico.

En junio de 1956, Werner Buchholz 1 acuñó la palabra byte 2 para referirse a un grupo de bits utilizados para codificar un único carácter de texto 3 . Repasemos un poco la codificación de caracteres. Comenzaremos con el Código Estándar Americano para el Intercambio de Información o ASCII. ASCII se basó en el alfabeto inglés, por lo tanto, cada letra, dígito y símbolo (az, AZ, 0–9, +, -, /, “, ! etc) se representaron como un entero de 7 bits entre 32 y 127. Esto fue No es muy amigable con otros idiomas. Para admitir otros idiomas, Unicode extendió ASCII. Con Unicode, cada carácter se representa como un punto de código o carácter, por ejemplo, una j minúscula es U+006A, donde U representa Unicode y después es un número hexadecimal.

UTF-8 es el estándar para representar caracteres como ocho bits, lo que permite almacenar cada punto de código entre 0 y 127 en un solo byte. Si pensamos en ASCII, esto está bien para los caracteres en inglés, pero los caracteres de otros idiomas a menudo se expresan como dos o más bytes. UTF-16 es el estándar para representar caracteres de 16 bits y UTF-32 es el estándar para representar caracteres de 32 bits. En ASCII cada carácter es un byte, y en Unicode, eso a menudo no es cierto, un carácter puede tener 1, 2, 3 o más bytes. A lo largo de este artículo habrá agrupaciones de bits de diferentes tamaños. La cantidad de bits en un byte varía según el diseño del medio de almacenamiento en el pasado.

Este artículo viajará en el tiempo a través de varios medios de almacenamiento como un ejercicio de inmersión en cómo hemos almacenado datos a lo largo de la historia. De ninguna manera esto incluirá todos los medios de almacenamiento jamás fabricados, vendidos o distribuidos. Este artículo pretende ser divertido e informativo sin ser enciclopédico. Empecemos. Supongamos que tenemos un byte de datos para almacenar: la letra j, o como un byte codificado 6ao en binario 01001010. A medida que viajamos en el tiempo, nuestro byte de datos entrará en juego en algunas de las tecnologías de almacenamiento que cubrimos. Finalmente, el artículo concluirá con una mirada a las tecnologías de almacenamiento actuales y futuras.

1951

UNIVAC

Fuente de la imagen: http://www.ricomputermuseum.org/Home/interesting_computer_items/univac-magnetic-tape

Nuestra historia comienza en 1951 con la unidad de cinta UNIVAC UNISERVO para la computadora UNIVAC 1. Esta fue la primera unidad de cinta fabricada para una computadora comercial. La cinta era de tres libras de una tira delgada de ½ pulgada de ancho de bronce fósforo niquelado, llamada Vicalloy, que tenía 1,200 pies de largo. Nuestro byte de datos podría almacenarse a una velocidad de 7200 caracteres por segundo 4 en una cinta que se mueve a 100 pulgadas por segundo. En este momento de la historia, se podía medir la velocidad de un algoritmo de almacenamiento por la distancia que recorría la cinta.

1952

IBM 726

Fuente de la imagen: https://www.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/storage_PH5-24.html

Avancemos un año hasta el 21 de mayo de 1952, cuando IBM anunció su primera unidad de cinta magnética, la IBM 726. Nuestro byte de datos ahora podía pasarse de la cinta metálica de UNISERVO a la cinta magnética de IBM. Este nuevo hogar sería muy acogedor para nuestro pequeño byte de datos, ya que la cinta podría almacenar hasta 2 millones de dígitos. Esta cinta magnética de 7 pistas se movía a 75 pulgadas por segundo con una velocidad de transferencia de 12.500 dígitos 5 o 7.500 caracteres 6 (llamados grupos de copia en ese momento) por segundo. Como referencia, este artículo tiene 34.128 caracteres.

Las cintas de 7 pistas tenían seis pistas para datos y una para mantener la paridad asegurando que el número total de 1 bits en la cadena fuera par o impar. Los datos se registraron a 100 bits por pulgada lineal. Este sistema utilizaba un método de “canal de vacío” para mantener un bucle de cinta circulando entre dos puntos. Esto permitió que la unidad de cinta iniciara y detuviera la cinta en una fracción de segundo. Esto se hizo colocando largas columnas de vacío entre los carretes de cinta y los cabezales de lectura/escritura para absorber aumentos repentinos de tensión en la cinta, sin los cuales la cinta normalmente se habría roto. Un anillo de plástico extraíble en la parte posterior del carrete de cinta proporcionaba protección contra escritura. En un carrete de cinta se podrían almacenar aproximadamente 1,1 megabytes 7 .

Si recuerda las cintas VHS, ¿qué se requería antes de devolver una película a Blockbuster? ¡Rebobinando la cinta! Lo mismo podría decirse de las cintas utilizadas para ordenadores. Los programas no podían saltar sobre una cinta ni acceder a datos aleatoriamente, tenían que leer y escribir en orden secuencial.

1956

RAMAC

Fuente de la imagen: https://www.computerhistory.org/revolution/memory-storage/8/233

Si avanzamos unos años hasta 1956, la era del almacenamiento en disco magnético comenzó cuando IBM completó un sistema informático RAMAC 305 para entregarlo a Zellerbach Paper en San Francisco 8 . Esta computadora fue la primera en utilizar una unidad de disco duro de cabezal móvil. La unidad de disco RAMAC constaba de cincuenta platos metálicos de 24 pulgadas de diámetro recubiertos magnéticamente, capaces de almacenar alrededor de cinco millones de caracteres de datos, 7 bits por carácter, y girar a 1200 revoluciones por minuto. La capacidad de almacenamiento era de unos 3,75 megabytes.

RAMAC permitía memoria de acceso aleatorio en tiempo real a grandes cantidades de datos, a diferencia de la cinta magnética o las tarjetas perforadas. IBM anunció que el RAMAC podía almacenar el equivalente a 64.000 tarjetas perforadas 9 . Antes de RAMAC, las transacciones se retenían hasta que se acumulaba un grupo de datos y se procesaba por lotes. RAMRAC introdujo el concepto de procesar continuamente las transacciones a medida que se producían para que los datos pudieran recuperarse inmediatamente cuando estuvieran actualizados. Ahora se podía acceder a nuestro byte de datos en la RAMAC a 100.000 bits por segundo 10 . Antes de esto, con las cintas, teníamos que escribir y leer datos secuenciales y no podíamos saltar aleatoriamente a varias partes de la cinta. El acceso aleatorio a los datos en tiempo real fue verdaderamente revolucionario en ese momento.

1963

dectape

Fuente de la imagen: https://www.computerhistory.org/timeline/1963/

Avancemos hasta 1963 cuando se introdujo DECtape. Su homónimo proviene de Digital Equipment Corporation, conocida como DEC para abreviar. DECtape era económico y confiable, por lo que se usó en muchas generaciones de computadoras DEC. Era una cinta de ¾ de pulgada laminada y colocada entre dos capas de mylar en un carrete de cuatro pulgadas.

DECtape se podía llevar en la mano, a diferencia de sus pesados y grandes predecesores, lo que lo hacía ideal para computadoras personales. A diferencia de la cinta de 7 pistas, DECtape tenía 6 pistas de datos, 2 pistas de marcas y dos pistas de reloj. Los datos se registraron a 350 bits por pulgada. Nuestro byte de datos, que es de 8 bits pero podría ampliarse a 12, podría transferirse a DECtape a 8.325 palabras de 12 bits por segundo con una velocidad de cinta de 93 +/-12 pulgadas por segundo 11 . Esto es un 8% más de dígitos por segundo que la cinta metálica UNISERVO en 1952.

1967

pececillo

Fuente de la imagen: https://www.computerhistory.org/revolution/memory-storage/8/261/1080

Cuatro años más tarde, en 1967, un pequeño equipo de IBM comenzó a trabajar en la unidad de disquete de IBM, con nombre en código Minnow 12 . En ese momento, al equipo se le asignó la tarea de desarrollar una forma confiable y económica de cargar microcódigo en los mainframes IBM System/370 13 . Luego, el proyecto fue reasignado y reutilizado para cargar microcódigo en el controlador de IBM 3330 Direct Access Storage Facility, con nombre en código Merlin.

Nuestro byte de datos ahora podría almacenarse en discos Mylar flexibles de sólo lectura de 8 pulgadas recubiertos con material magnético, que hoy se conocen como disquetes. En el momento de su publicación, el resultado del proyecto se denominó Sistema de unidad de disquete IBM 23FD. Los discos podrían contener 80 kilobytes de datos. A diferencia de los discos duros, un usuario podría transferir fácilmente un disquete con su funda protectora de un disco a otro. Más tarde, en 1973, IBM lanzó una unidad de disquete de lectura/escritura, que luego se convirtió en un estándar de la industria 14 .

1969

Fuente de la imagen: https://spectrum.ieee.org/tech-history/space-age/software-as-hardware-apollos-rope-memory

En 1969, la memoria de cuerda de solo lectura Apollo Guidance Computer (AGC) fue lanzada al espacio a bordo de la misión Apolo 11, que llevó a los astronautas estadounidenses a la Luna y de regreso. Esta memoria de cuerda fue hecha a mano y podía contener 72 kilobytes de datos. La fabricación de memorias de cuerda era laboriosa, lenta y requería habilidades análogas al trabajo textil; Podría llevar meses tejer un programa en la memoria de la cuerda 15 . Pero en ese momento era la herramienta adecuada para el trabajo de resistir los duros rigores del espacio. Cuando un cable pasaba por uno de los núcleos circulares representaba un 1. Los cables que pasaban alrededor de un núcleo representaban un 0. Nuestro byte de datos le tomaría a un humano unos minutos (estimado) para tejer la cuerda.

1977

conjunto de datos

Fuente de la imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Commodore-Datasette-C2N-Mk2-Front.jpg

Avancemos rápidamente hasta 1977, cuando se lanzó el Commodore PET, la primera computadora personal (exitosa) para el mercado masivo. Integrado en el PET había un Commodore 1530 Datasette, es decir, datos más casete. El PET convertía los datos en señales de sonido analógicas que luego se almacenaban en casetes 16 . Esto resultó en una solución de almacenamiento rentable y confiable, aunque muy lenta. Nuestro pequeño byte de datos podría transferirse a una velocidad de alrededor de 60 a 70 bytes por segundo 17 . Los casetes podían contener unos 100 kilobytes por cara de 30 minutos, con 2 caras por cinta. Por ejemplo, podría colocar aproximadamente 2 de estas imágenes de 55 KB 18 en un lado del casete. El conjunto de datos también apareció en el Commodore VIC-20 y el Commodore 64.

1978

Disco láser

Fuente de la imagen: https://www.youtube.com/watch?v=PRFQm0eUvzs

Avancemos un año hasta 1978, cuando MCA y Philips introdujeron el LaserDisc como “Discovision”. Tiburón fue la primera película vendida en LaserDisc en Norteamérica. La calidad de audio y vídeo de un LaserDisc era mucho mejor que la de la competencia, pero demasiado cara para la mayoría de los consumidores. A diferencia de la cinta VHS, que los consumidores podían utilizar para grabar programas de televisión, no se podía escribir en el LaserDisc. Los LaserDisc utilizaban vídeo analógico con sonido estéreo FM analógico y modulación de código de pulso 19 , o PCM, audio digital. Los discos tenían 12 pulgadas de diámetro y estaban compuestos por dos discos de aluminio de una cara recubiertos de plástico. El LaserDisc se recuerda hoy como la base sobre la que se crearon los CD y DVD.

1979

st506

Fuente de la imagen: https://www.computerhistory.org/storageengine/seagate-5-25-inch-hdd-becomes-pc-standard/

Un año después, en 1979, Alan Shugart y Finis Conner fundaron la empresa Seagate Technology con la idea de reducir una unidad de disco duro al mismo tamaño que un disquete de 5 ¼ pulgadas, que en ese momento era el estándar. Su primer producto, en 1980, fue el disco duro Seagate ST506, el primer disco duro para microcomputadoras. El disco contenía cinco megabytes de datos, lo que en aquel momento era cinco veces más que un disquete estándar. Los fundadores lograron su objetivo de reducir la unidad al tamaño de una unidad de disquete de 5 ¼ pulgadas. Era un plato metálico rígido recubierto por ambos lados con una fina capa de material magnético para almacenar datos. Nuestro byte de datos podría transferirse a una velocidad de 625 kilobytes por segundo 20 al disco. Eso es aproximadamente un gif animado de 625 KB a 21 por segundo.

1981

3.5 disquete

Fuente de la imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_floppy_disk#/media/File:Floppy_disk_300_dpi.jpg

Avancemos un par de años hasta 1981, cuando Sony presentó las primeras unidades de disquete de 3 ½ pulgadas. Hewlett-Packard fue el primero en adoptar esta tecnología en 1982 con su HP-150. Esto puso el disquete de 3 ½ pulgadas en el mapa y le dio una amplia distribución en la industria 22 . Los discos eran de una sola cara con una capacidad formateada de 161,2 kilobytes y una capacidad sin formato de 218,8 kilobytes. En 1982, la versión de doble cara estuvo disponible y el Comité de la Industria de Microfloppy (MIC), un consorcio de 23 compañías de medios, basó una especificación para un disquete de 3 ½ pulgadas en los diseños originales de Sony, consolidando el formato en la historia tal como lo conocemos 23 . Nuestro byte de datos ahora podría almacenarse en la primera versión de uno de los medios de almacenamiento más ampliamente distribuidos: el disquete de 3 ½ pulgadas. Más tarde, un par de disquetes de 3 ½ pulgadas que contenían el contenido de The Oregon Trail serían fundamentales para mi infancia.

1984

CD ROM

Fuente de la imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/CD-ROM#/media/File:CD-ROM.png

Poco después, en 1984, Sony y Philips anunciaron el disco compacto con memoria de sólo lectura (CD-ROM), que contenía 550 megabytes de datos pregrabados. Este formato surgió de los discos compactos de audio digital, o CD-DA, que se utilizaban para distribuir música. El CD-DA fue desarrollado por Sony y Philips en 1982 y tiene una capacidad de 74 minutos. Cuando Sony y Philips estaban negociando el estándar para un CD-DA, cuenta la leyenda que una de las cuatro personas insistió en que pudiera contener toda la Novena Sinfonía 24 . El primer producto publicado en CD-ROM fue la Enciclopedia Electrónica de Grolier, que apareció en 1985. La enciclopedia contenía nueve millones de palabras que sólo ocupaban el 12% del espacio disponible en el disco, que era de 553 mebibytes 25 . Tendríamos espacio más que suficiente para la enciclopedia y nuestro byte de datos. Poco después, en 1985, las empresas de informática y electrónica trabajaron juntas para crear un estándar para los discos, de modo que cualquier computadora pudiera acceder a la información.

1984

En 1984, Fujio Masuoka inventó un nuevo tipo de memoria de puerta flotante, llamada memoria flash, que podía borrarse y reprogramarse varias veces.

Repasemos un poco la memoria de puerta flotante. Los transistores son puertas eléctricas que se pueden encender y apagar individualmente. Dado que cada transistor puede estar en dos estados distintos (encendido o apagado), puede almacenar dos números diferentes: 0 y 1. La puerta flotante se refiere a la segunda puerta agregada al transistor del medio. Esta segunda puerta está aislada por una fina capa de óxido. Estos transistores utilizan un pequeño voltaje, aplicado a la puerta del transistor, para indicar si está encendido o apagado, lo que a su vez se traduce en 0 o 1.

Con una puerta flotante, cuando se aplica un voltaje adecuado a través de la capa de óxido, los electrones la atraviesan y quedan atrapados en la puerta flotante. Por lo tanto, incluso si se desconecta la alimentación, los electrones permanecen presentes en la puerta flotante. Cuando no hay electrones en la puerta flotante, representa un 1, y cuando los electrones quedan atrapados en la puerta flotante, representa un 0. Invertir este proceso y aplicar un voltaje adecuado a través de la capa de óxido en la dirección opuesta hace que los electrones se salgan de la puerta en forma de túnel. puerta flotante y restaurar el transistor a su estado original. Por lo tanto, las células se hacen programables y no volátiles 26 . Nuestro byte de datos podría programarse en los transistores como 01001010, con electrones atrapados en las puertas flotantes para representar los ceros.

El diseño de Masuoka era un poco más asequible pero menos flexible que la PROM borrable eléctricamente (EEPROM), ya que requería borrar varios grupos de celdas juntas, pero esto también explicaba su velocidad. En ese momento, Masuoka trabajaba para Toshiba. Terminó dejando Toshiba poco después para convertirse en profesor en la Universidad de Tohoku porque no estaba contento con que la empresa no lo recompensara por su trabajo. Demandó a Toshiba, exigiendo una compensación por su trabajo, que resolvió en 2006 con un pago único de 87 millones de yenes, equivalente a 758.000 dólares. Esto todavía parece ligero dado el impacto que ha tenido la memoria flash en la industria.

Ya que estamos en el tema de la memoria flash, también podríamos cubrir la diferencia entre flash NOR y NAND. Ya sabemos por Masuoka que la memoria flash almacena información en celdas de memoria formadas por transistores de puerta flotante. Los nombres de las tecnologías están directamente relacionados con la forma en que están organizadas las células de memoria.

En NOR flash, las celdas de memoria individuales están conectadas en paralelo permitiendo el acceso aleatorio. Esta arquitectura permite los cortos tiempos de lectura necesarios para el acceso aleatorio a las instrucciones del microprocesador. NOR Flash es ideal para aplicaciones de baja densidad que en su mayoría son de solo lectura. Esta es la razón por la que la mayoría de las CPU cargan su firmware, normalmente, desde la memoria flash NOR. Masuoka y sus colegas presentaron la invención del flash NOR en 1984 y del flash NAND en 1987 27 .

Por el contrario, los diseñadores de NAND Flash renunciaron a la capacidad de acceso aleatorio a cambio de obtener un tamaño de celda de memoria más pequeño. Esto también tiene los beneficios de un tamaño de chip más pequeño y un menor costo por bit. La arquitectura de la memoria flash NAND consta de una serie de ocho transistores de memoria conectados en serie. Esto conduce a una alta densidad de almacenamiento, un tamaño de celda de memoria más pequeño y una escritura y borrado más rápidos, ya que puede programar bloques de datos a la vez. Esto tiene el costo de tener que sobrescribir datos cuando no se escriben secuencialmente y los datos ya existen en un bloque 28 .

1991

Saltemos hasta 1991, cuando IBM creó un prototipo de módulo de disco de estado sólido (SSD) para su evaluación por parte de SanDisk, en ese momento conocido como SunDisk 29 . Este diseño combinaba una matriz de almacenamiento flash, chips de memoria no volátiles, con un controlador inteligente para detectar y corregir automáticamente las celdas defectuosas. El disco tenía 20 megabytes en un formato de 2 ½ pulgadas y se vendió por alrededor de 1.000 dólares 30 . Esto acabó siendo utilizado por IBM en el ordenador portátil ThinkPad 31 .

1994

disco zip

Fuente de la imagen: https://www.amazon.com/Iomega-100MB-Zip-Plus-Drive/dp/B003UI8POM

Uno de mis medios de almacenamiento favoritos de mi infancia fueron Zip Disks. En 1994, Iomega lanzó el Zip Disk, un cartucho de 100 megabytes en un formato de 3 ½ pulgadas, aproximadamente un poco más grueso que un disco estándar de 3 ½ pulgadas. Las versiones posteriores de los discos podían almacenar hasta 2 gigabytes. Estos discos tenían la ventaja de ser tan pequeños como un disquete pero con la capacidad de contener una mayor cantidad de datos, lo que los hacía atractivos. Nuestro byte de datos podría escribirse en un disco Zip a 1,4 megabytes por segundo. En aquel momento, un disquete de 1,44 megabytes y 3 ½ pulgadas escribía a unos 16 kilobytes por segundo. En una unidad Zip, los cabezales son de lectura/escritura sin contacto y vuelan sobre la superficie, lo cual es similar a un disco duro pero a diferencia de otros disquetes. Debido a problemas de confiabilidad y la asequibilidad de los CD, los discos Zip eventualmente quedaron obsoletos.

1994

Flash compacto

Fuente de la imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/CompactFlash#/media/File:CompactFlash_Memory_Card.svg

También en 1994, SanDisk introdujo CompactFlash, que fue ampliamente adoptado en dispositivos de consumo como cámaras digitales y de vídeo. Al igual que los CD-ROM, la velocidad de CompactFlash se basa en clasificaciones “x”, como 8x, 20x, 133x, etc. La velocidad de transferencia máxima se calcula basándose en la velocidad de transferencia del CD de audio original de 150 kilobytes por segundo. Esto termina pareciéndose a R = K ⨉ 150 kB/s, donde R es la tasa de transferencia y K es la clasificación de velocidad. Entonces, para CompactFlash 133x, nuestro byte de datos se escribiría a 133 ⨉ 150 kB/s o alrededor de 19.950 kB/s o 19,95 MB/s. La Asociación CompactFlash se fundó en 1995 para crear un estándar industrial para tarjetas de memoria basadas en flash 32 .

1997

Unos años más tarde, en 1997, se introdujo el disco compacto regrabable (CD-RW). Este disco óptico se utilizó para el almacenamiento de datos, así como para realizar copias de seguridad y transferir archivos a varios dispositivos. Los CD-RW sólo se pueden reescribir unas 1.000 veces, lo que, en ese momento, no era un factor limitante ya que los usuarios rara vez sobrescribían datos con tanta frecuencia en un disco.

Los CD-RW se basan en tecnología de cambio de fase. Durante un cambio de fase de un medio determinado, ciertas propiedades del medio cambian. En el caso de los CD-RW, los cambios de fase en un compuesto especial, compuesto de plata, telurio e indio, provocan “tierras reflectantes” y “protuberancias no reflectantes”, cada una de las cuales representa un 0 o un 1. Cuando el compuesto está en un En estado cristalino, es translúcido, lo que indica un 1. Cuando el compuesto se funde a un estado amorfo, se vuelve opaco y no reflectante, lo que indica un 0 33 . Podríamos escribir nuestro byte de datos 01001010como “protuberancias no reflectantes” y “tierras reflectantes” de esta manera.

Los DVD finalmente superaron gran parte de la cuota de mercado de los CD-RW.

1999

Avancemos rápidamente hasta 1999, cuando IBM presentó los discos duros más pequeños del mundo en ese momento: el microdrive IBM en capacidades de 170 MB y 340 MB. Se trataba de discos duros pequeños, de 1 pulgada de tamaño, diseñados para encajar en ranuras CompactFlash Tipo II. La intención era crear un dispositivo que pudiera usarse como CompactFlash pero con más capacidad de almacenamiento. Sin embargo, pronto fueron reemplazadas por unidades flash USB, que se tratan a continuación, y tarjetas CompactFlash más grandes una vez que estuvieron disponibles. Al igual que otros discos duros, los microdrives eran mecánicos y contenían pequeños platos de disco giratorios.

2000

Un año después, en 2000, se introdujeron las unidades flash USB. Estas unidades consistían en memoria flash encerrada en un factor de forma pequeño con una interfaz USB. Dependiendo de la versión de la interfaz USB utilizada, la velocidad varía. USB 1.1 está limitado a 1,5 megabits por segundo, mientras que USB 2.0 puede manejar 35 megabits por segundo y USB 3.0 puede manejar 625 megabits por segundo 34 . Las primeras unidades USB 3.1 tipo C se anunciaron en marzo de 2015 y tenían velocidades de lectura/escritura de 530 megabits por segundo 35 . A diferencia de los disquetes y los discos ópticos, los dispositivos USB son más difíciles de rayar, pero aún ofrecen los mismos casos de uso de almacenamiento de datos y transferencia y copia de seguridad de archivos. Debido a esto, las unidades para disquetes y discos ópticos han desaparecido desde entonces en favor de los puertos USB.

2005

disco duro

Fuente de la imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/Hard_disk_drive#/media/File:Laptop-hard-drive-exposed.jpg

En 2005, los fabricantes de unidades de disco duro (HDD) comenzaron a enviar productos utilizando grabación magnética perpendicular o PMR. Curiosamente, esto ocurrió al mismo tiempo que el iPod Nano anunció el uso de flash en lugar de los discos duros de 1 pulgada del iPod Mini, lo que provocó un poco de alboroto en la industria 36 .

Un disco duro típico contiene uno o más discos rígidos recubiertos con una película magnéticamente sensible que consta de pequeños granos magnéticos. Los datos se registran cuando un cabezal de escritura magnético vuela justo encima del disco giratorio, muy parecido a un tocadiscos y un disco, excepto que una aguja de registro está en contacto físico con el disco. A medida que los platos giran, el aire en contacto con ellos crea una ligera brisa. Así como el aire en el ala de un avión genera sustentación, el aire genera sustentación en el perfil aerodinámico de la cabeza 37 . El cabezal de escritura invierte rápidamente la magnetización de una región magnética de granos para que su polo magnético apunte hacia arriba o hacia abajo, para indicar un 1 o un 0.

El predecesor del PMR fue el registro magnético longitudinal o LMR. PMR puede ofrecer más de tres veces la densidad de almacenamiento de LMR. La diferencia clave entre PMR y LMR es que la estructura del grano y la orientación magnética de los datos almacenados en los medios PMR son columnares en lugar de longitudinales. PMR tiene una mejor estabilidad térmica y una mejor relación señal-ruido (SNR) debido a una mejor separación y uniformidad del grano. También se beneficia de una mejor capacidad de escritura debido a campos de cabeza más fuertes y una mejor alineación magnética de los medios. Al igual que LMR, las limitaciones fundamentales de PMR se basan en la estabilidad térmica de los bits de datos escritos magnéticamente y la necesidad de tener suficiente SNR para leer la información escrita.

2007

Saltemos al año 2007, cuando se anunció la primera unidad de disco duro de 1 TB de Hitachi Global Storage Technologies. El Hitachi Deskstar 7K1000 usaba cinco platos de 3,5 pulgadas y 200 gigabytes y giraba a 7200 RPM. Esto contrasta marcadamente con el primer disco duro del mundo, el IBM RAMAC 350, que tenía una capacidad de almacenamiento de aproximadamente 3,75 megabytes. ¡Oh, qué lejos hemos llegado en 51 años! Pero espera hay mas.

2009

En 2009, se inició el trabajo técnico sobre la memoria no volátil express, o NVMe 38 . La memoria no volátil (NVM) es un tipo de memoria que tiene persistencia, a diferencia de la memoria volátil que necesita energía constante para retener datos. NVMe satisfizo la necesidad de una interfaz de controlador de host escalable para unidades de estado sólido basadas en interconexión rápida de componentes periféricos (PCIe) 39 , de ahí el nombre NVMe. Más de 90 empresas formaron parte del grupo de trabajo para desarrollar el diseño. Todo esto se basó en un trabajo previo para definir la especificación de la interfaz del controlador de host de memoria no volátil (NVMHCIS). Al abrir un servidor moderno, es probable que se encuentren algunas unidades NVMe. Las mejores unidades NVMe de la actualidad pueden realizar alrededor de 3500 megabytes por segundo de lectura y 3300 megabytes por segundo de escritura 40 . Para el byte de datos con el que comenzamos, el carácter j, que es extremadamente rápido en comparación con un par de minutos para tejer a mano la memoria de la cuerda para la computadora de guía Apollo.

Hoy y el futuro

Memoria de clase de almacenamiento (SCM)

Ahora que hemos viajado un poco en el tiempo (¡ja!), echemos un vistazo al estado del arte actual de la memoria de clase de almacenamiento (SCM). SCM, al igual que NVM, es persistente, pero SCM va más allá al proporcionar también un rendimiento mejor o comparable al de la memoria primaria, así como capacidad de direccionamiento de bytes 41 . SCM tiene como objetivo abordar algunos de los problemas que enfrentan las cachés hoy en día, como la baja densidad de la memoria estática de acceso aleatorio (SRAM). Con la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) 42 , podemos obtener una mejor densidad, pero esto tiene el costo de tiempos de acceso más lentos. La DRAM también requiere energía constante para actualizar la memoria. Analicemos esto un poco. Se necesita energía, ya que la carga eléctrica de los condensadores se va perdiendo poco a poco, es decir, sin intervención, los datos del chip se perderían pronto. Para evitar esta fuga, la DRAM requiere un circuito de actualización de memoria externa que reescribe periódicamente los datos en los condensadores, restableciéndolos a su carga original.

Para resolver los problemas de densidad y fuga de energía, se están desarrollando algunas tecnologías SCM: memoria de cambio de fase (PCM), memoria de acceso aleatorio de par de transferencia de espín (STT-RAM) y memoria de acceso aleatorio resistiva (ReRAM). Lo bueno de todas estas tecnologías es su capacidad para funcionar como células multinivel o MLC. Esto significa que pueden almacenar más de un bit de información, en comparación con las celdas de un solo nivel (SLC) que pueden almacenar solo un bit por celda o elemento de memoria. Normalmente, una celda de memoria consta de un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Los MLC reducen la cantidad de MOSFET necesarios para almacenar la misma cantidad de datos que los SLC, haciéndolos más densos o más pequeños para ofrecer la misma cantidad de almacenamiento que las tecnologías que utilizan SLC. Repasemos cómo funciona cada una de estas tecnologías SCM.

Memoria de cambio de fase (PCM)

Anteriormente vimos cómo funciona el cambio de fase para los CD-RW. PCM es similar. Su material de cambio de fase suele ser Ge-Sb-Te, también conocido como GST, que puede existir en dos estados diferentes: amorfo y cristalino. El estado amorfo tiene una resistencia mayor, que denota un 0, que el estado cristalino que denota un 1. Al asignar valores de datos a resistencias intermedias, el PCM se puede utilizar para almacenar múltiples estados como un MLC 43 .

Memoria de acceso aleatorio de par de transferencia de giro (STT-RAM)

STT-RAM consta de dos capas ferromagnéticas y magnéticas permanentes separadas por un dieléctrico, es decir, un aislante que puede transmitir fuerza eléctrica sin conducción. Almacena bits de datos basados en diferencias en direcciones magnéticas. Una capa magnética, llamada capa de referencia, tiene una dirección magnética fija, mientras que la otra capa magnética, llamada capa libre, tiene una dirección magnética que se controla mediante el paso de la corriente. Para un 1, la dirección de magnetización de las dos capas está alineada. Para un 0, las dos capas tienen direcciones magnéticas opuestas.

Memoria de acceso aleatorio resistiva (ReRAM)

Una celda ReRAM consta de dos electrodos metálicos separados por una capa de óxido metálico. Podemos pensar que esto es ligeramente similar al diseño de memoria flash original de Masuoka, donde los electrones atravesarían la capa de óxido y quedarían atrapados en la puerta flotante o viceversa. Sin embargo, con ReRAM, el estado de la celda se determina en función de la concentración de oxígeno vacante en la capa de óxido metálico.

Si bien estas tecnologías son prometedoras, todavía tienen desventajas. PCM y STT-RAM tienen altas latencias de escritura. Las latencias de PCM son diez veces mayores que las de DRAM, mientras que STT-RAM tiene diez veces más que las de SRAM. PCM y ReRAM tienen un límite en la resistencia de escritura antes de que ocurra un error grave, lo que significa que un elemento de memoria se atasca en un valor particular 44 .

En agosto de 2015, Intel anunció Optane, su producto basado en 3DXPoint, pronunciado 3D cross-point 45 . Optane afirma tener un rendimiento 1000 veces más rápido que los SSD NAND con 1000 veces más rendimiento, y al mismo tiempo cuesta entre cuatro y cinco veces el precio de la memoria flash. Optane es una prueba de que la memoria de clase de almacenamiento no es sólo experimental. Será interesante observar cómo evolucionan estas tecnologías.

Unidades de disco duro (HDD)

Unidad de disco duro de helio (HHDD)

Una unidad de helio es una unidad de disco duro (HDD) de alta capacidad que se llena con helio y se sella herméticamente durante la fabricación. Al igual que otros discos duros, como vimos anteriormente, se parece mucho a un tocadiscos con un plato con revestimiento magnético que gira. Las unidades de disco duro típicas solo tendrían aire dentro de la cavidad, sin embargo, ese aire provoca cierta resistencia en el giro de los platos.

Los globos de helio flotan, por lo que sabemos que el helio es más ligero que el aire. De hecho, el helio tiene 1/7 de la densidad del aire, por lo que reduce la cantidad de resistencia al giro de los platos, lo que provoca una reducción en la cantidad de energía necesaria para que los discos giren. Sin embargo, esto era en realidad una característica secundaria, la característica principal del helio era permitir empaquetar 7 platos en el mismo factor de forma que normalmente solo albergaría 5. Al intentar esto con unidades llenas de aire, causaría turbulencias. Si recordamos nuestra analogía anterior con el ala de un avión, esto encaja perfectamente. Dado que el helio reduce la resistencia, esto elimina la turbulencia.

Lo que también sabemos sobre los globos es que después de unos días, los globos llenos de helio comienzan a hundirse porque el helio se escapa de los globos. Lo mismo podría decirse de estas unidades. Pasaron años antes de que los fabricantes crearan un contenedor que impidiera que el helio escapara del factor de forma durante la vida útil de la unidad. Backblaze experimentó y descubrió que, mientras que los discos duros de helio tenían una tasa de error anualizada más baja del 1,03%, los discos duros estándar arrojaban un 1,06%. Por supuesto, se trata de una diferencia tan pequeña que resulta difícil sacar conclusiones importantes de ella 46 .

Un factor de forma lleno de helio puede tener una unidad de disco duro encapsulada que utiliza PMR, que ya analizamos anteriormente, o podría contener una unidad de grabación magnética asistida por microondas (MAMR) o de grabación magnética asistida por calor (HAMR). Puedes combinar cualquier tecnología de almacenamiento magnético con helio en lugar de aire. En 2014, HGST combinó dos tecnologías de vanguardia en su disco duro de helio de 10 TB que utilizaba grabación magnética shingled administrada por el host, o SMR. Repasemos un poco sobre SMR y luego podremos cubrir MAMR y HAMR.

Grabación magnética en tejas (SMR)

Anteriormente repasamos la grabación magnética perpendicular (PMR), que fue el predecesor de SMR. A diferencia de PMR, SMR escribe nuevas pistas que se superponen a parte de la pista magnética previamente escrita, lo que a su vez hace que la pista anterior sea más estrecha, lo que permite una mayor densidad de pistas. El nombre de esta tecnología se debe al hecho de que los carriles superpuestos se parecen mucho a los de las tejas del tejado.

SMR resulta en un proceso de escritura mucho más complejo ya que escribir en una pista termina sobrescribiendo una pista adyacente. Esto no entra en juego cuando un plato de disco está vacío y los datos son secuenciales. Pero una vez que escribe en una serie de pistas que ya contienen datos, este proceso es destructivo para los datos adyacentes existentes. Si una pista adyacente contiene datos válidos, se debe reescribir. Esto es bastante similar al flash NAND como cubrimos anteriormente.

Los dispositivos SMR administrados por dispositivos ocultan esta complejidad al hacer que el firmware del dispositivo los administre, lo que genera una interfaz como cualquier otro disco duro que pueda encontrar. Por otro lado, los dispositivos SMR administrados por host dependen del sistema operativo para saber cómo manejar la complejidad de la unidad.

Seagate comenzó a distribuir unidades SMR en 2013, afirmando tener una densidad un 25 % mayor que la PMR 47 .

Grabación magnética asistida por microondas (MAMR)

MAMR es una tecnología de almacenamiento magnético asistida por energía, como HAMR que cubriremos a continuación, que utiliza frecuencias de 20 a 40 GHz para bombardear el plato del disco con un campo de microondas circular, lo que reduce su coercitividad, lo que significa que el plato tiene una menor resistencia de su campo magnético. material a cambios en la magnetización. Aprendimos anteriormente que los cambios en la magnetización de una región del plato se utilizan para indicar un 0 o un 1, por lo que esto permite que los datos se escriban de manera mucho más densa en el disco, ya que tiene una menor resistencia a los cambios en la magnetización. El núcleo de esta nueva tecnología es el oscilador de par de giro utilizado para generar el campo de microondas sin sacrificar la confiabilidad.

Western Digital, también conocida como WD, presentó esta tecnología en 2017 48 . Toshiba le siguió poco después, en 2018 49 . Mientras WD y Toshiba están ocupados con MAMR, Seagate apuesta por HAMR.

Grabación magnética asistida por calor (HAMR)

HAMR es una tecnología de almacenamiento magnético asistido por energía para aumentar considerablemente la cantidad de datos que se pueden almacenar en un dispositivo magnético, como un disco duro, mediante el uso de calor entregado por un láser para ayudar a escribir datos en la superficie de un disco duro. plato. El calor hace que los bits de datos estén mucho más juntos en el plato del disco, lo que permite una mayor densidad y capacidad de datos.

Esta tecnología es bastante difícil de lograr. Un láser de 200 mW calienta una pequeña área de la región a 750 °F (400 °C) rápidamente antes de escribir los datos, sin interferir ni corromper el resto de los datos en el disco 50 . El proceso de calentamiento, escritura de datos y enfriamiento debe completarse en menos de un nanosegundo. Estos desafíos requirieron el desarrollo de plasmones de superficie a nanoescala, también conocidos como láser guiado por superficie, en lugar de calentamiento directo basado en láser, así como nuevos tipos de platos de vidrio y recubrimientos de control de calor para tolerar el calentamiento puntual rápido sin dañar la superficie. cabezal de grabación o cualquier dato cercano, y varios otros desafíos técnicos que debían superarse 51 .

Seagate demostró por primera vez esta tecnología, a pesar de muchos escépticos, en 2013 52 . Comenzaron a enviar las primeras unidades en 2018 53 .

Fin de la cinta, rebobinar

Comenzamos este artículo en 1951 y concluimos después de analizar el futuro de la tecnología de almacenamiento. El almacenamiento ha cambiado mucho con el tiempo, desde cintas de papel hasta cintas metálicas, cintas magnéticas, memorias de cuerda, discos giratorios, discos ópticos, flash y otros. El progreso ha llevado a dispositivos para almacenar datos más rápidos, más pequeños y con mayor rendimiento.

Si comparamos NVMe con la cinta metálica UNISERVO de 1951, NVMe puede leer un 486,111% más de dígitos por segundo. Si comparamos NVMe con mi favorito de la infancia en 1994, los discos Zip, NVMe puede leer un 213,623% más de dígitos por segundo.

Una cosa que sigue siendo cierta es el almacenamiento de 0 y 1. Los medios por los que lo hacemos varían mucho. Espero que la próxima vez que grabes un CD-RW con una mezcla de canciones para un amigo o guardes vídeos caseros en un archivo de disco óptico 54 , pienses en cómo las protuberancias no reflectantes se traducen en 0 y las zonas reflectantes del disk se traduce a 1. O si está creando un mixtape en un casete, recuerde que están muy relacionados con el Datasette utilizado en el Commodore PET. Por último, recuerda ser amable y rebobinar 55 .

¡Gracias a Robert Mustacchi y Rick Altherr por los detalles (no puedo evitarlo) a lo largo de este artículo!