Densidad (almacenamiento informático)

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 . Existen tres tipos de densidad: la longitud ( densidad lineal ) de la pista , el área de la superficie ( densidad superficial ) o en un volumen determinado ( densidad volumétrica ).

En general, una mayor densidad es preferible, ya que permite almacenar más datos en el mismo espacio físico. Por lo tanto, la densidad guarda una relación directa con la capacidad de almacenamiento de un medio determinado. La densidad también suele afectar al rendimiento y al precio de dicho medio.

Varias tecnologías están intentando superar la densidad de los medios existentes.

IBM tenía previsto comercializar su sistema de memoria Millipede de 1  Tbit/in² ^en 2007, pero su desarrollo parece estar estancado. Una tecnología más reciente de IBM, la memoria de pista de carreras , utiliza una matriz de muchos nanocables pequeños dispuestos en 3D, cada uno de los cuales almacena numerosos bits para mejorar la densidad. ^{[ 9 ]}  Aunque no se han mencionado cifras exactas, los artículos de prensa de IBM hablan de aumentos de "100 veces".

Las tecnologías de almacenamiento holográfico también intentan superar a los sistemas existentes, pero también han estado perdiendo la carrera y se estima que ofrecen 1  Tbit/pulgada ^cuadrada , siendo aproximadamente 250 GB /pulgada ^cuadrada el mejor resultado demostrado hasta la fecha para sistemas de holografía no cuántica. 

Otras tecnologías experimentales ofrecen densidades aún mayores. Se ha demostrado que el almacenamiento en polímeros moleculares puede almacenar 10  Tbit/in² ^. [ ^{10 ] Con} mucho, 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 experimental de almacenamiento de datos, pero requirió un sintetizador de ADN y microchips de ADN para la transcodificación. A partir de 2012El ADN ostenta el récord del 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 Fuente de ADN que permite la recuperación perfecta de 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 dicho medio. Esto se observa con mayor claridad al considerar diversos medios basados ​​en discos, donde los elementos de almacenamiento se distribuyen sobre la superficie del disco y deben girar físicamente bajo el cabezal para poder leerse o escribirse. Una mayor densidad implica que se mueven más datos bajo el cabezal con cada movimiento mecánico.

Por ejemplo, podemos calcular la velocidad de transferencia efectiva de un disquete determinando la velocidad de movimiento de los bits bajo el cabezal. Un disquete estándar de 3½ pulgadas gira a 300 rpm , y la pista más interna tiene aproximadamente 66 mm de longitud (10,5 mm de radio). A 300 rpm, la velocidad lineal del soporte bajo el cabezal es de aproximadamente 66 mm × 300 rpm = 19 800 mm/minuto, o 330 mm/s. A lo largo de esa pista, los bits se almacenan con una densidad de 686 bits/mm, lo que significa que el cabezal procesa 686 bits/mm × 330 mm/s = 226 380 bits/s (o 28,3 KB /s).               

Ahora consideremos una mejora en el diseño que duplica la densidad de los bits al reducir la longitud de la muestra y mantener el mismo espaciado de pistas. Esto duplicaría la velocidad de transferencia porque los bits pasarían por debajo del cabezal el doble de rápido. Las primeras interfaces de disquete fueron diseñadas 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. Estas también fueron completamente superadas por dispositivos más nuevos como el LS-120 , que se vieron obligados a usar interfaces de mayor velocidad como IDE .   

Si bien el efecto en el rendimiento es más evidente en los medios de almacenamiento rotatorios, se observan efectos similares incluso en medios de estado sólido como la memoria Flash o la 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 fundamental es la resistencia de los cables dentro de los chips. A medida que disminuye el tamaño de las celdas, gracias a las mejoras en la fabricación de semiconductores que dieron lugar 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 su funcionamiento y, por lo tanto, se necesita menos tiempo para enviar la cantidad necesaria de carga eléctrica al sistema. En la memoria DRAM, en particular, la cantidad de carga que debe almacenarse en el condensador de una celda también afecta directamente a este tiempo.

Gracias a las mejoras en la fabricación, el rendimiento de la memoria de estado sólido ha mejorado drásticamente. Los chips DRAM modernos alcanzan velocidades operativas del orden de 10  ns o menos. Un efecto menos evidente es que, al aumentar la densidad, disminuye el número de módulos DIMM necesarios para suministrar una cantidad determinada de memoria, lo que a su vez implica un menor número total de módulos DIMM en cualquier ordenador. Esto suele traducirse en un mejor rendimiento, ya que se reduce el tráfico del bus. Sin embargo, este efecto generalmente no es lineal.

La densidad de almacenamiento también influye notablemente en el precio de la memoria, aunque en este caso las razones no son tan obvias.

En el caso de los medios basados ​​en discos, el costo principal reside en las piezas móviles dentro de la unidad. Esto establece un límite inferior fijo, razón por la cual el precio de venta promedio de los dos principales fabricantes de HDD ha sido de US$45–75 desde 2007. ^{[ 15 ]} Dicho esto, el precio de las unidades de alta capacidad ha disminuido rápidamente, y esto es, de hecho, un efecto de la 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 el número de platos, lo que conlleva menores costos.

El precio de los discos duros suele medirse en función del coste por bit. Por ejemplo, el primer disco duro comercial, el RAMAC de IBM en 1957, ofrecía 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, los discos de 4 TB se vendían por 75 dólares, o 1,9 centavos de dólar por GB, lo que supone un aumento de 1,5 millones de unidades desde 1989 y de 520 millones desde el RAMAC. Esto sin tener en cuenta la inflación, que multiplicó los precios por nueve entre 1956 y 2018.

El almacenamiento de estado sólido ha experimentado una caída similar en el costo por bit. En este caso, el costo está determinado por el rendimiento , es decir, la cantidad de chips viables producidos por unidad de tiempo. Los chips se producen en lotes impresos en la superficie de una única oblea de silicio grande, que luego se corta y se desechan las muestras defectuosas. La fabricación ha mejorado los rendimientos con el tiempo mediante el uso de obleas más grandes y la producción de obleas con menos fallos. El límite inferior de este proceso es de aproximadamente $1 por chip terminado debido al empaquetado y otros costos. ^{[ 16 ]}

La relación entre la densidad de información y el costo por bit se puede ilustrar de la siguiente manera: un chip de memoria que tiene la mitad del tamaño físico significa que se pueden 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 en grandes lotes, o alrededor de 5 centavos por bit.  Las piezas de 64 Mbit eran comunes en 1999, que costaban alrededor de 0,00002 centavos por bit (20 microcentavos/bit). ^{[ 16 ]}

• Bekenstein estaba atado
• Celda de bit : la longitud, área o volumen necesarios para almacenar un solo bit. 
• Mark Kryder , quien proyectó en 2009 que si los discos duros continuaban progresando a su ritmo actual de aproximadamente un 40% anual, entonces en 2020 un disco duro de dos platos y 2,5 pulgadas almacenaría aproximadamente 40 terabytes (TB) y costaría alrededor de 40 dólares.
• Medios estampados
• Grabación magnética superpuesta (SMR)