Célula multinivel

En electrónica , una celda multinivel ( MLC ) es una celda de memoria capaz de almacenar más de un bit de información, en comparación con una celda de un solo nivel ( SLC ), que solo puede almacenar un bit por celda. Una celda de memoria generalmente consta de un único MOSFET ( transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) de puerta flotante ; por lo tanto, las celdas multinivel reducen la cantidad de MOSFET necesarios para almacenar la misma cantidad de datos que las celdas de un solo nivel.

Las celdas de triple nivel ( TLC ) y las celdas de cuádruple nivel ( QLC ) son versiones de la memoria MLC, que pueden almacenar tres y cuatro bits por celda, respectivamente. El término " celda multinivel " se utiliza a veces específicamente para referirse a la " celda de dos niveles". En general, las memorias se denominan de la siguiente manera:

1. Celda de un solo nivel o SLC (1 bit por celda)
2. Celda multinivel o MLC (2 bits por celda), o bien celda de doble nivel o DLC.
3. Celda de triple nivel o TLC (3 bits por celda) o MLC de 3 bits
4. Celda de cuatro niveles o QLC (4 bits por celda)
5. Celda de cinco niveles o PLC (5 bits por celda) – actualmente en desarrollo ^{[ 1 ]}

Tenga en cuenta que esta nomenclatura puede resultar engañosa, ya que una " celda de n niveles" en realidad utiliza 2n ^niveles de carga para almacenar n bits (véase más abajo).

Por lo general, a medida que aumenta el número de "niveles", disminuyen el rendimiento (velocidad y fiabilidad) y el coste para el consumidor; sin embargo, esta correlación puede variar entre fabricantes.

Ejemplos de memorias MLC son la memoria flash NAND MLC , la memoria PCM MLC ( memoria de cambio de fase ), etc. Por ejemplo, en la tecnología de memoria flash NAND SLC, cada celda puede existir en uno de dos estados, almacenando un bit de información por celda. La mayoría de las memorias flash NAND MLC tienen cuatro estados posibles por celda, por lo que pueden almacenar dos bits de información por celda. Esto reduce el margen que separa los estados y aumenta la posibilidad de errores. Las celdas multinivel diseñadas para bajas tasas de error a veces se denominan MLC empresarial ( eMLC ).

Las nuevas tecnologías, como las celdas multinivel y la memoria flash 3D, y el aumento de los volúmenes de producción seguirán reduciendo los precios. ^{[ 2 ]}

La memoria flash almacena datos en celdas de memoria individuales, que están hechas de transistores MOSFET de puerta flotante . Tradicionalmente, cada celda tenía dos estados posibles (cada uno con un nivel de voltaje), donde cada estado representaba un uno o un cero, por lo que se almacenaba un bit de datos en cada celda en las llamadas celdas de un solo nivel , o memoria flash SLC. La memoria SLC tiene la ventaja de velocidades de escritura más altas, menor consumo de energía y mayor durabilidad de la celda. Sin embargo, debido a que la memoria SLC almacena menos datos por celda que la memoria MLC, su fabricación cuesta más por megabyte de almacenamiento. Debido a las velocidades de transferencia más altas y a la mayor vida útil esperada, la tecnología flash SLC se utiliza en tarjetas de memoria de alto rendimiento . En febrero de 2016, se publicó un estudio que mostró poca diferencia en la práctica entre la fiabilidad de SLC y MLC. ^{[ 3 ]}

Una memoria flash de celda de un solo nivel (SLC) puede tener una vida útil de entre 50.000 y 100.000 ciclos de programación/borrado. ^{[ 4 ]}

Una celda de un solo nivel representa un 1 cuando está casi vacía y un 0 cuando está casi llena. Existe una región de incertidumbre (un margen de lectura) entre los dos estados posibles en la que los datos almacenados en la celda no se pueden leer con precisión. ^{[ 5 ]}

La principal ventaja de la memoria flash MLC es su menor costo por unidad de almacenamiento debido a la mayor densidad de datos, y el software de lectura de memoria puede compensar una mayor tasa de error de bits . ^{[ 6 ]} La mayor tasa de error requiere un código de corrección de errores (ECC) que pueda corregir múltiples errores de bits; por ejemplo, el controlador flash SandForce SF-2500 puede corregir hasta 55  bits por sector de 512 bytes con una tasa de error de lectura irrecuperable de menos de un sector por cada 10 ¹⁷  bits leídos. ^{[ 7 ]} El algoritmo más comúnmente utilizado es Bose–Chaudhuri–Hocquenghem ( código BCH ). ^{[ 8 ]} Otras desventajas de la NAND MLC son velocidades de escritura más bajas, menor número de ciclos de programación/borrado y mayor consumo de energía en comparación con la memoria flash SLC.

Las velocidades de lectura también pueden ser menores para la memoria NAND MLC que para la SLC debido a la necesidad de leer los mismos datos con un segundo voltaje umbral para ayudar a resolver errores. Los dispositivos TLC y QLC pueden necesitar leer los mismos datos hasta 4 y 8 veces respectivamente para obtener valores que puedan ser corregidos por ECC. ^{[ 9 ]}

La memoria flash MLC puede tener una vida útil de entre 1000 y 10 000 ciclos de programación/borrado. Esto generalmente requiere el uso de un sistema de archivos flash , diseñado para superar las limitaciones de la memoria flash, como el uso de nivelación de desgaste para extender la vida útil del dispositivo flash.

El Intel 8087 utilizó tecnología de dos bits por celda para su ROM de microcódigo , ^{[ 10 ]} y en 1980 fue uno de los primeros dispositivos en el mercado en utilizar celdas ROM multinivel. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Intel demostró posteriormente la memoria flash NOR de celda multinivel (MLC) de 2 bits en 1997 ^{[ 13 ]} ; el nombre comercial StrataFlash se utilizó para algunos productos basados ​​en esta tecnología. ^{[ 14 ]} NEC demostró celdas de cuatro niveles en 1996, con un chip de memoria flash de 64 Mbit que almacenaba 2 bits por celda. En 1997, NEC demostró un chip de memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) con celdas de cuatro niveles, con una capacidad de 4 Gbit. STMicroelectronics también demostró celdas de cuatro niveles en 2000, con un chip de memoria flash NOR de 64 Mbit . ^{[ 15 ]}    

MLC se utiliza para referirse a celdas que almacenan 2  bits por celda, utilizando 4 valores o niveles de carga. Una MLC de 2 bits tiene un único nivel de carga asignado a cada combinación posible de unos y ceros, como sigue: cuando está cerca del 25 % de su capacidad, la celda representa un valor binario de 11; cuando está cerca del 50 %, la celda representa un 01; cuando está cerca del 75 %, la celda representa un 00; y cuando está cerca del 100 %, la celda representa un 10. Una vez más, existe una región de incertidumbre (margen de lectura) entre los valores, en la que los datos almacenados en la celda no se pueden leer con precisión. ^{[ 16 ] [ 5 ]}

A partir de 2013,Algunas unidades de estado sólido utilizan parte de un chip NAND MLC como si fuera un NAND SLC de un solo bit, lo que proporciona velocidades de escritura más altas. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

A partir de 2018,Casi todas las MLC comerciales se basan en arquitectura planar (es decir, las celdas se construyen sobre una superficie de silicio) y, por lo tanto, están sujetas a limitaciones de escalado. Para abordar este problema potencial, la industria ya está explorando tecnologías que puedan garantizar aumentos en la densidad de almacenamiento que superen las limitaciones actuales. Una de las más prometedoras es la memoria flash 3D, donde las celdas se apilan verticalmente, evitando así las limitaciones del escalado planar. ^{[ 20 ]}

En el pasado, algunos dispositivos de memoria tomaron la dirección opuesta y utilizaron dos celdas por bit para obtener tasas de error de bits aún más bajas. ^{[ 21 ]}

La MLC empresarial (eMLC) es una variante más cara de la MLC optimizada para uso comercial. Se afirma que dura más y es más fiable que las MLC normales, además de ofrecer un ahorro de costes respecto a las unidades SLC tradicionales. Aunque muchos fabricantes de SSD han producido unidades MLC destinadas al uso empresarial, solo Micron vende chips de memoria flash NAND sin procesar bajo esta denominación. ^{[ 22 ]}

Una celda de triple nivel ( TLC ) es un tipo de memoria flash NAND que almacena 3  bits de información por celda. Toshiba introdujo la memoria con celdas de triple nivel en 2009. ^{[ 23 ]}

Con la tecnología disponible en 2021, se podía lograr una vida útil máxima de hasta 3000 ciclos de programación/borrado. ^{[ 24 ]}

Samsung anunció un tipo de memoria flash NAND que almacena 3  bits de información por celda, con 8  estados de voltaje totales (valores o niveles), acuñando el término "celda de triple nivel" ("TLC"). Samsung Electronics comenzó a producirla en masa en 2010, ^{[ 25 ]} y se vio por primera vez en las unidades SSD de la serie 840 de Samsung . ^{[ 26 ]} Samsung se refiere a esta tecnología como MLC de 3 bits. Los aspectos negativos de MLC se amplifican con TLC, pero TLC se beneficia de una densidad de almacenamiento aún mayor y un menor costo. ^{[ 27 ]}

En 2013, Samsung presentó V-NAND (Vertical NAND, también conocida como 3D NAND) con celdas de triple nivel, que tenía una capacidad de memoria de 128 Gbit . ^{[ 28 ]} Ampliaron su tecnología TLC V-NAND a una memoria de 256 Gbit en 2015, ^{[ 25 ]} y a 512 Gbit en 2017. ^{[ 29 ]}   

La TLC empresarial (eTLC) es una variante más cara de la TLC optimizada para uso comercial.

La memoria que almacena 4  bits por celda se conoce comúnmente como celda de cuatro niveles ( QLC ), siguiendo la convención establecida por TLC. Antes de su invención, el término "QLC" era sinónimo de MLC para referirse a celdas que pueden tener 4  estados de voltaje, es decir, aquellas que almacenan 2  bits por celda, lo que ahora se conoce inequívocamente como DLC.

Debido al número exponencialmente creciente de etapas de voltaje necesarias para el flash de nivel superior, la vida útil de QLC se reduce aún más a un máximo de 1000 ciclos de programación/borrado. ^{[ 24 ]}

En 2009, Toshiba y SanDisk introdujeron chips de memoria flash NAND con celdas de cuatro niveles, que almacenan 4  bits por celda y tienen una capacidad de 64  Gbit. ^{[ 23 ] [ 30 ]}

Las tarjetas de memoria flash SanDisk X4, presentadas en 2009, fueron uno de los primeros productos basados ​​en memoria NAND que almacena 4  bits por celda, comúnmente denominada celda de cuatro niveles (QLC), utilizando 16 niveles de carga discretos (estados) en cada transistor individual. Los chips QLC utilizados en estas tarjetas de memoria fueron fabricados por Toshiba, SanDisk y SK Hynix . ^{[ 31 ] [ 32 ]}

En 2017, Toshiba presentó chips de memoria V-NAND con celdas de cuatro niveles, que tienen una capacidad de almacenamiento de hasta 768  Gbit. ^{[ 33 ]} En 2018, ADATA , Intel , Micron y Samsung lanzaron algunos productos SSD que utilizan memoria QLC NAND. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

En 2020, Samsung lanzó una unidad SSD QLC con capacidad de almacenamiento de hasta 8  TB para sus clientes. Se trata de la unidad SSD SATA con mayor capacidad de almacenamiento para consumidores hasta la fecha (2020). ^{[ 38 ] [ 39 ]}

La tecnología Enterprise QLC (eQLC) es una variante más cara de la tecnología QLC, optimizada para uso comercial.

La memoria que almacena 5 bits por celda se denomina celda de cinco niveles (QLC). El PLC se basa en 3D NAND . A partir de mayo de 2023. , PLC no parece haber sido introducido comercialmente en un grado significativo. ^{[ 40 ]}

La tecnología Pseudo SLC (pSLC) utiliza una celda multinivel (MLC) o una celda triple (TLC) como memoria flash SLC. Si bien su capacidad disminuye, su durabilidad aumenta.

• Dispositivos de tecnología de memoria Linux - NAND
• Interfaz de memoria flash NAND abierta