La densidad es una medida de la cantidad de bits de información que se pueden almacenar en un espacio físico determinado de un medio de almacenamiento informático . Hay tres tipos de densidad: longitud ( densidad lineal ) de la vía , área de la superficie ( densidad área ), o en un volumen determinado ( densidad volumétrica ).
Generalmente, una mayor densidad es más deseable, ya que permite almacenar más datos en el mismo espacio físico. Por tanto, la densidad tiene una relación directa con la capacidad de almacenamiento de un medio determinado. La densidad también generalmente afecta el rendimiento dentro de un medio particular, así como el precio.
Las unidades de estado sólido utilizan memoria flash para almacenar medios no volátiles . Son la última forma de almacenamiento producido en masa y rivalizan con los medios de disco magnético . Los datos de los medios de estado sólido se guardan en un grupo de memoria flash NAND. La propia NAND está formada por los llamados transistores de puerta flotante . A diferencia de los diseños de transistores utilizados en DRAM , que deben actualizarse varias veces por segundo, la memoria flash NAND está diseñada para conservar su estado de carga incluso cuando no está encendida. Las unidades de mayor capacidad disponibles comercialmente son las unidades de la serie Nimbus Data Exadrive© DC, estas unidades vienen en capacidades que van desde 16 TB a 100 TB . Nimbus afirma que, para su tamaño, el SSD de 100 TB tiene una relación de ahorro de espacio de 6:1 en comparación con un HDD cercano [1]
Las unidades de disco duro almacenan datos en la polarización magnética de pequeños parches del revestimiento de la superficie de un disco. La densidad de área máxima está definida por el tamaño de las partículas magnéticas en la superficie, así como por el tamaño de la "cabeza" utilizada para leer y escribir los datos. En 1956, el primer disco duro, el IBM 350 , tenía una densidad de área de 2.000 bits / pulg2 . Desde entonces, el aumento de la densidad ha coincidido con la Ley de Moore , alcanzando 1 Tbit/in 2 en 2014. [2] En 2015, Seagate introdujo un disco duro con una densidad de 1,34 Tbit/in 2 , [3] más de 600 millones de veces. la del IBM 350. Se espera que la tecnología de grabación actual pueda escalar "factiblemente" al menos a 5 Tbit /in2 en un futuro próximo. [3] [4] Se están desarrollando nuevas tecnologías como la grabación magnética asistida por calor (HAMR) y la grabación magnética asistida por microondas (MAMR) y se espera que permitan que continúen los aumentos en la densidad del área magnética. [5]
Los discos ópticos almacenan datos en pequeños orificios en una superficie de plástico que luego se cubre con una fina capa de metal reflectante. Los discos compactos (CD) ofrecen una densidad de aproximadamente 0,90 Gbit/in 2 , utilizando cavidades de 0,83 micrómetros de largo y 0,5 micrómetros de ancho, dispuestas en pistas separadas por 1,6 micrómetros. Los discos DVD son esencialmente un CD de mayor densidad, que utilizan más superficie del disco, hoyos más pequeños (0,64 micrómetros) y pistas más estrechas (0,74 micrómetros), ofreciendo una densidad de aproximadamente 2,2 Gbit/in 2 . Los discos HD DVD y Blu-ray de una sola capa ofrecen densidades de alrededor de 7,5 Gbit/in2 y 12,5 Gbit/in2 , respectivamente.
Cuando se introdujeron en 1982, los CD tenían densidades considerablemente más altas que las unidades de disco duro , pero desde entonces las unidades de disco duro han avanzado mucho más rápidamente y eclipsaron a los medios ópticos tanto en densidad de área como en capacidad por dispositivo.
La primera unidad de cinta magnética, la Univac Unservo , grababa a una densidad de 128 bits/pulgada en una cinta magnética de media pulgada, lo que daba como resultado una densidad de área de 256 bits/pulgada 2 . [6] En 2015, IBM y Fujifilm reclamaron un nuevo récord para la densidad de área de la cinta magnética de 123 Gbit/in 2 , [7] mientras que LTO-6 , la cinta de producción de mayor densidad enviada en 2015, proporciona una densidad de área de 0,84 Gbit/pulgada 2 . [8]
Varias tecnologías están intentando superar las densidades de los medios existentes.
IBM pretendía comercializar su sistema de memoria Millipede a 1 Tbit/in2 en 2007, pero el desarrollo parece estar moribundo. Una tecnología más nueva de IBM, la memoria de pista de carreras , utiliza una serie de muchos pequeños cables nanoscópicos dispuestos en 3D, cada uno de los cuales contiene numerosos bits para mejorar la densidad. [9] Aunque no se han mencionado cifras exactas, los artículos de noticias de IBM hablan de aumentos "100 veces".
Las tecnologías de almacenamiento holográfico también están intentando superar a los sistemas existentes, pero también han estado perdiendo la carrera y se estima que también ofrecen 1 Tbit/in2, siendo alrededor de 250 GB / in2 la mejor demostración hasta la fecha para dispositivos no cuánticos. Sistemas de holografía.
Otras tecnologías experimentales ofrecen densidades aún mayores. Se ha demostrado que el almacenamiento de polímeros moleculares almacena 10 Tbit/ in2 . [10] Con diferencia, el tipo de almacenamiento de memoria más denso experimentalmente hasta la fecha es la holografía cuántica electrónica . Al superponer imágenes de diferentes longitudes de onda en el mismo holograma, en 2009 un equipo de investigación de Stanford logró una densidad de bits de 35 bits/electrón (aproximadamente 3 exabytes /in2 ) utilizando microscopios electrónicos y un medio de cobre. [11]
En 2012, el ADN se utilizó con éxito como medio de almacenamiento de datos experimental, pero requirió un sintetizador de ADN y microchips de ADN para la transcodificación. A partir de 2012 [actualizar], el ADN ostenta el récord de medio de almacenamiento de mayor densidad. [12] En marzo de 2017, científicos de la Universidad de Columbia y del Centro del Genoma de Nueva York publicaron un método conocido como DNA Fountain que permite recuperar perfectamente la información a partir de una densidad de 215 petabytes por gramo de ADN, el 85% del límite teórico. [13] [14]
Con la notable excepción de la memoria Flash NAND, aumentar la densidad de almacenamiento de un medio generalmente mejora la velocidad de transferencia a la que puede operar ese medio. Esto es más obvio cuando se consideran varios medios basados en disco, donde los elementos de almacenamiento están distribuidos sobre la superficie del disco y deben rotarse físicamente debajo del "cabezal" para poder leerlos o escribirlos. Una mayor densidad significa que se mueven más datos bajo la cabeza para cualquier movimiento mecánico determinado.
Por ejemplo, podemos calcular la velocidad de transferencia efectiva de un disquete determinando qué tan rápido se mueven los bits debajo del cabezal. Un disquete estándar de 3½ pulgadas gira a 300 rpm y la pista más interna mide aproximadamente 66 mm de largo (radio de 10,5 mm). A 300 rpm, la velocidad lineal del medio debajo del cabezal es, por tanto, de aproximadamente 66 mm × 300 rpm = 19800 mm/minuto, o 330 mm/s. A lo largo de esa pista, los bits se almacenan a una densidad de 686 bit/mm, lo que significa que el cabezal ve 686 bit/mm × 330 mm/s = 226.380 bit/s (o 28,3 KB /s).
Ahora considere una mejora en el diseño que duplica la densidad de los bits al reducir la longitud de la muestra y mantener el mismo espacio entre pistas. Esto duplicaría la velocidad de transferencia porque los bits pasarían por debajo del cabezal dos veces más rápido. Las primeras interfaces de disquete se diseñaron para velocidades de transferencia de 250 kbit/s, pero fueron rápidamente superadas con la introducción de los disquetes de "alta densidad" de 1,44 MB (1440 KB) en la década de 1980. La gran mayoría de las PC incluían interfaces diseñadas para unidades de alta densidad que funcionaban a 500 kbit/s. Estos también se vieron completamente abrumados por dispositivos más nuevos como el LS-120 , que se vieron obligados a utilizar interfaces de mayor velocidad como IDE .
Aunque el efecto sobre el rendimiento es más obvio en medios giratorios, efectos similares entran en juego incluso en medios de estado sólido como Flash RAM o DRAM . En este caso, el rendimiento generalmente se define por el tiempo que tardan las señales eléctricas en viajar a través del bus de la computadora hasta los chips y luego a través de los chips hasta las "celdas" individuales utilizadas para almacenar datos (cada celda contiene un bit).
Una propiedad eléctrica definitoria es la resistencia de los cables dentro de los chips. A medida que el tamaño de la celda disminuye, gracias a las mejoras en la fabricación de semiconductores que llevaron a la Ley de Moore , la resistencia se reduce y se necesita menos energía para operar las celdas. Esto, a su vez, significa que se necesita menos corriente eléctrica para el funcionamiento y, por tanto, menos tiempo para enviar la cantidad necesaria de carga eléctrica al sistema. En DRAM, en particular, la cantidad de carga que debe almacenarse en el condensador de una celda también afecta directamente este tiempo.
A medida que la fabricación mejoró, la memoria de estado sólido mejoró dramáticamente en términos de rendimiento. Los chips DRAM modernos tenían velocidades operativas del orden de 10 ns o menos. Un efecto menos obvio es que a medida que mejora la densidad, disminuye la cantidad de DIMM necesarios para suministrar una cantidad particular de memoria, lo que a su vez significa menos DIMM en general en cualquier computadora en particular. Esto a menudo también conduce a un mejor rendimiento, ya que hay menos tráfico de autobuses. Sin embargo, este efecto generalmente no es lineal.
La densidad de almacenamiento también tiene un fuerte efecto en el precio de la memoria, aunque en este caso las razones no son tan obvias.
En el caso de los medios basados en disco, el costo principal son las piezas móviles dentro de la unidad. Esto establece un límite inferior fijo, razón por la cual el precio de venta promedio para los dos principales fabricantes de HDD ha sido de 45 a 75 dólares estadounidenses desde 2007. [15] Dicho esto, el precio de las unidades de alta capacidad ha caído rápidamente, y esto es de hecho, un efecto de densidad. Las unidades de mayor capacidad utilizan más platos, esencialmente discos duros individuales dentro de la carcasa. A medida que aumenta la densidad, se puede reducir la cantidad de platos, lo que genera menores costos.
Los discos duros suelen medirse en términos de coste por bit. Por ejemplo, el primer disco duro comercial, el RAMAC de IBM en 1957, suministraba 3,75 MB por 34.500 dólares, o 9.200 dólares por megabyte. En 1989, un disco duro de 40 MB costaba 1.200 dólares, o 30 dólares por MB. Y en 2018, las unidades de 4 Tb se vendieron por 75 dólares, o 1,9 centavos/GB, una mejora de 1,5 millones desde 1989 y 520 millones desde la RAMAC. Esto sin ajustar por la inflación, que aumentó los precios nueve veces entre 1956 y 2018.
El almacenamiento de estado sólido ha experimentado una caída similar en el costo por bit. En este caso el coste está determinado por el rendimiento , el número de chips viables producidos en una unidad de tiempo. Los chips se producen en lotes impresos en la superficie de una única oblea de silicio grande, que se corta y las muestras que no funcionan se descartan. La fabricación ha mejorado los rendimientos con el tiempo al utilizar obleas más grandes y producir obleas con menos fallas. El límite inferior de este proceso es de aproximadamente 1 dólar por chip completado debido al embalaje y otros costos. [dieciséis]
La relación entre densidad de información y coste por bit se puede ilustrar de la siguiente manera: un chip de memoria de la mitad de tamaño físico permite producir el doble de unidades en la misma oblea, reduciendo así a la mitad el precio de cada una. A modo de comparación, la DRAM se introdujo comercialmente por primera vez en 1971, una pieza de 1 kbit que costaba alrededor de 50 dólares en lotes grandes, o alrededor de 5 centavos por bit. En 1999 eran comunes las piezas de 64 Mbit, que costaban alrededor de 0,00002 centavos por bit (20 microcéntimos/bit). [dieciséis]
Precios de venta promedio de unidades de disco duro en $USD