Uno de los conceptos básicos que nos enseñan a quienes hemos cursado estudios de Informática es el fundamento de la arquitectura del ordenador, inspirada en la arquitectura del modelo descrito por Von Neuman en 1945, el cual rige la concepción y el diseño de todos los ordenadores digitales que han sido construidos desde entonces, con ligeras variaciones derivadas de la continúa evolución que se ha producido en la electrónica digital durante las últimas décadas. Dicha arquitectura se basa en una unidad de procesamiento, una unidad de control, una memoria volátil para almacenar datos e instrucciones, un almacenamiento masivo persistente y mecanismos de entrada y salida.
Esquema de la arquitectura de Neumann
La distinción entre memoria principal y almacenamiento secundario siempre ha estado clara: en la memoria RAM se almacenan temporalmente los programas que están en ejecución y los datos que serán procesados por dichos programas para generar otros datos, y en el almacenamiento se guardan permanentemente los programas que están a la espera de ser llamados para ejecutarse y todos los datos que éstos puedan requerir cuando sea preciso. La tecnología con la que están fabricados los módulos de RAM y el bus de datos hacen posible que la velocidad de acceso a la memoria sea infinitamente superior que la que posee cualquier soporte de almacenamiento externo; pero, por contra, su coste de fabricación es notablemente mayor.
Por ello, las memorias son (y han sido siempre) de un tamaño muy inferior al de las unidades de almacenamiento 1.
Tipos de memoria en un ordenador
Capa de abstracción de hardware: el kernel
Y los sistemas operativos, por su parte, han implementado capas de abstracción del hardware para facilitar a los usuarios la identificación y el acceso a las unidades externas de almacenamiento, y han incluido estrategias para la gestión de la memoria, de los procesos en ejecución y del espacio de almacenamiento; haciendo posible, por ejemplo, que exista un intercambio contínuo y sincronizado de datos entre la memoria y el disco, a través de los buses de dirección, control y datos.
3D XPoint a escena
Esto ha sido ha así hasta la actualidad. Pero, ¿qué ocurriría si fuese posible disponer de una memoria no volátil de un tamaño razonable, con una capacidad similar a la de los actuales discos SSD y a un coste no muy elevado?. ¿Desaparecería la línea (y no delgada, precisamente) que separa a los dos ámbitos de almacenamiento?. Si eso se hiciese realidad, el sistema no necesitaría acceder a disco externo alguno para escribir datos ni leer instrucciones (o viceversa), con la consiguiente reducción de la latencia, del trasiego de datos a través de los buses del sistema y la considerable aceleración que podría experimentar la ejecución de aplicaciones y el procesamiento de la información por parte de la CPU, al reducirse sus periodos de inactividad. Todo ello implicaría una drástica disminución de la tradicional diferenciación que se ha establecido entre memoria ‘de trabajo‘ y ‘de almacenamiento‘, ya que tanto los procesos como los programas compartirían un mismo y amplio espacio en el cual ejecutarse y almacenarse junto a los datos.
Comparativa de 3D XPoint con las memorias DRAM y NAND
Pues bien, IBM y Micron anunciaron en 2015 la introducción de una nueva categoría de memoria con el desarrollo de una tecnología bautizada como 3D XPoint, que hará factible la fabricación de chips de memoria con una velocidad de acceso 1.000 veces mayor que la de las actuales unidades SSD, y una capacidad de almacenamiento 10 veces superior a las memorias DRAM, lo cual haría posible acceder rápidamente a grandes volúmenes de datos. Si esto fuese así, la tecnología 3D XPoint sería capaz de combinar las ventajas de todas las tecnologías de memoria disponibles hoy en el mercado: rendimiento, densidad, potencia, no volatilidad y coste; solventando, en gran parte, uno de los principales obstáculos de la computación: la disparidad de velocidades a las que trabajan el procesador, la memoria y las unidades de almacenamiento.
Todo ello puede tener unas enormes implicaciones que ocasionarían un replanteamiento radical de todo el software existente, y a todos los niveles: desde las capas más profundas del núcleo de los sistemas operativos, las que están en contacto con el hardware, hasta las más simples utilidades de escritorio; obligando a reescribir todo el código fuente de los sistemas operativos y aplicaciones.
Y 3D XPoint se materializó
Hace unos días fue presentado el Optane SSD DC P4800X, un módulo de memoria de 375 Gb fabricado con tecnología 3D XPoint que multiplica por cinco la velocidad de las memorias SSD actuales. Sí, esa cifra aún queda muy lejos de las 1.000 que auguraban hace dos años, y se debe a que la interfaz que conecta este módulo al resto del sistema no da para más, … de momento. Ya que los ingenieros de Intel siguen trabajando para desatascar ese cuello de botella y, al ritmo que lleva esta imparable escalada tecnológica, no dudo de que tardarán pocos años en alcanzar la velocidad prometida.
Módulo Intel Optane SSD DC P4800X
Aún así, en la actualidad es tan rápida que podría utilizarse como un gran módulo de RAM ‘secundaria‘, recurriendo a ella cuando ésta se llena; o incluso como memoria RAM primaria. Existe, también, otra limitación que afecta, de manera no muy grave, a la vida útil de todas las memorias construidas con tecnología SSD: la durabilidad, cuya incidencia debería ser minimizada en relación a esta nueva tecnología, aunque no se ha podido cuantificar aún; pero confiemos en que sea similar a la durabilidad del resto de memorias de su clase. En todo caso, supondrá un salto cuantitativo muy importante que, con toda seguridad, va a provocar una revolución tecnológica que incidirá con especial énfasis en la industria del software.
Por ahora, esta tecnología solo está al alcance de (y es ideal para) los grandes centros de datos y servidores de Internet, los cuales precisan de enormes capacidades de almacenamiento de datos que sean accesibles a gran velocidad. Pero a medida que vayan mejorando las prestaciones y disminuyendo el precio, esta tecnología 3D XPoint se irán introduciendo en las empresas y, finalmente, en los hogares. Un factor agravante que puede obstaculizar su implantación es el referido al precio de estos módulos, que está relacionado con el hecho de que 3D XPoint es una tecnología propietaria de Intel, que, mientras no le salga competencia, ejercerá un monopolio sobre el mercado de las memorias SSD ultra-rápida. Tan solo Samsung parece dispuesto a plantarle cara con su tecnología Z-NAND, aunque ésta no puede ni siquiera acercarse a las especificaciones que puede ofrecer la tecnología de Intel/Micron.
Aún no estamos seguros de lo que nos deparará el futuro, pero todo hace indicar que se nos avecinan grandes cambios en la estructura interna de los ordenadores, y que la arquitectura de Von Neumann, que ha estado vigente durante los últimos 70 años, va a sufrir una profunda remodelación que marcará un punto de inflexión en la historia de la informática.
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Aún recuerdo las prestaciones del primer ordenador personal que tuve: 1 Mb de RAM y 40 Mb de disco duro. Y esa cantidad de RAM era superior a lo habitual de aquella época (640 Kb). Prefiero omitir lo que costó aquel ordenador…
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