QUE ES ALMACENAMIENTO DE ESTADO SOLIDO

Almacenamiento de estado sólido, SSS

 

¿Qué es almacenamiento de estado sólido? 

El almacenamiento de estado sólido (SSS) es un método de almacenamiento de datos creado mediante dispositivos de circuitos integrados para almacenar datos en lugar de utilizar soportes ópticos o magnéticos móviles. El almacenamiento SSS suele ser no volátil y puede tomar varias formas, como una unidad de estado sólido, una tarjeta de estado sólido o un módulo de estado sólido. Además, SSS incluye opciones de interfaz PATA (anterior), SATA, SAS, canal de fibra o PCIe. ¿Qué es una unidad de estado sólido? Las unidades de estado sólido (SSD) utilizadas en las empresas son dispositivos de almacenamiento de datos que utilizan tecnología de memoria flash estática en lugar de discos magnéticos giratorios o soportes ópticos. Las unidades SSD son compatibles con las interfaces de disco duro tradicionales, como SATA o SAS, y tienen un formato de disco duro familiar, como 3,5; 2,5 o 1,8 pulgadas. ¿En qué se diferencia una unidad flash USB y una unidad de estado sólido? Tanto unas como otras utilizan memoria flash NAND. No obstante, es la calidad de la NAND usada, así como el controlador y la interfaz, lo que diferencia una unidad flash USB de un dispositivo de almacenamiento de clase empresarial, como los empleados en los servidores blade y los sistemas de almacenamiento externo. ¿Qué es la memoria flash? La memoria flash es una memoria no volátil regrabable. Al contrario que la DRAM, es necesario borrar bloques de datos antes de poder escribir en ellos, lo que hace que el rendimiento de escritura sea menor que el de lectura. La memoria flash sólo admite un número finito de escrituras y el número varía según la tecnología utilizada. La memoria flash está disponible como NAND o NOR. Los productos SSD utilizan la memoria flash NAND porque es más duradera, menos cara, sus celdas son más densas y las operaciones de escritura/borrado son más rápidas en comparación con la memoria flash NOR. La memoria flash NOR está diseñada para almacenar el código binario de programas y tiene un alto rendimiento en operaciones de lectura. Documento de tecnología A

La unidad de estado sólido, la o el SSD (acrónimo inglés de Solid State Drive), también llamado a veces incorrectamente disco de estado sólido pues carece de disco físico, es un tipo de dispositivo de almacenamiento de datos que utiliza memoria no volátil, como la memoria flash, para almacenar datos, en lugar de los platos o discos magnéticos de las unidades de discos duros (HDD) convencionales.¹​

En comparación con los discos duros tradicionales, las unidades de estado sólido son menos sensibles a los golpes al no tener partes móviles, son inaudibles, más livianas y poseen un notablemente menor tiempo de acceso y de latencia, lo que se traduce en una mejora sustancial en el rendimiento, en cuanto a la carga de sistemas operativos, software y transferencia de datos. En contrapartida, su vida útil puede ser inferior, ya que tienen un número limitado de ciclos de escritura, pudiendo producirse la pérdida absoluta de los datos de forma inesperada e irrecuperable. Sin embargo, por medio del cálculo del tiempo medio entre fallos y la administración de sectores defectuosos dicho problema puede ser mitigado razonablemente.

Las unidades SSD pueden usar la misma interfaz SATA que los discos duros, por lo que son fácilmente intercambiables sin tener que recurrir a adaptadores o tarjetas de expansión para compatibilizarlos con el equipo, pero también la interfaz PCIe para obtener velocidades mayores de lectura/escritura, pudiendo superar los 10 GB/s, si bien esto depende de la generación de PCIe que utilice y otros factores de su diseño.²​ Aunque en sus inicios el formato físico más común de estas unidades era el de un disco duro estándar de 2.5 o 3.5 pulgadas, actualmente existen otros formatos de consumo en uso como mSATA o M.2, y otros empresariales como NF1.³​⁴​

A partir de 2010, la mayoría de las SSD utilizan memoria flash basada en puertas NAND, que retiene los datos sin alimentación eléctrica. Para aplicaciones que requieren acceso rápido, pero no necesariamente la persistencia de datos después de la pérdida de alimentación, las SSD pueden ser construidos a partir de memoria de acceso aleatorio (RAM). Estos dispositivos pueden emplear fuentes de alimentación independientes, como baterías, para mantener los datos después de la desconexión de la corriente eléctrica.

Se han desarrollado y están disponibles en el mercado dispositivos que combinan ambas tecnologías, discos duros con memorias flash, en una única unidad, que se denomina disco duro híbrido (HHDD o Hybrid Hard Disk Drive), con la intención de mejorar la velocidad pero manteniendo la capacidad del disco duro, y a precios inferiores a los de estado sólido. Se logra así una solución de compromiso con una tasa de transferencia mayor que la de un disco duro convencional pero menor a la de un SSD.

SSD basados en RAM[editar]

En la década de 1950 se utilizaban dos tecnologías denominadas memoria de núcleo magnético y CCROS (en inglés, Charged Capacitor Read-Only Storage). Estas memorias auxiliares surgieron durante la época en la que se hacía uso del tubo de vacío, pero con la introducción en el mercado de las memorias de tambor, más asequibles, no se continuaron desarrollando. Durante los años 1970 y 1980, se aplicaron en memorias fabricadas con semiconductores. Sin embargo, su precio era tan prohibitivo que tuvieron muy poca aceptación, incluso en el mercado de los superordenadores.

En 1978, Texas memory presentó una unidad de estado sólido de 16 KiB basada en RAM para los equipos de las petroleras. Al año siguiente, StorageTek desarrolló el primer tipo de unidad de estado sólido moderna. En 1983, se presentó el Sharp PC-5000, haciendo gala de 128 cartuchos de almacenamiento en estado sólido basado en memoria de burbuja. En septiembre de 1986, la empresa Santa Clara Systems presentó el BATRAM,⁷​ que constaba de 4 MiB ampliables a 20 MiB usando módulos de memoria; dicha unidad contenía una pila recargable para conservar los datos cuando no estaba en funcionamiento.

SSD basados en flash[editar]

Kingston HyperX Predator 480GB con adaptador pci express.

Fueron inventadas por el doctor Fujio Masuoka en 1980 cuando trabajaba para Toshiba. Él retomó el proyecto en 1987 pero fueron comercializadas por esa empresa en 1989.⁸​En 1991 SanDisk (llamada SunDisk en esa época) logró también comercializar con éxito un dispositivo que corregía errores de lectura y escritura en memorias flash.⁹​ En 1995, M-Systems presentó unidades de estado sólido basadas en flash. Desde entonces, las SSD se han utilizado exitosamente como alternativa a los discos duros en la industria militar y aeroespacial, así como en otros menesteres análogos.¹⁰​ Estas aplicaciones dependen de una alta tasa de tiempo medio entre fallos (MTBF), gran capacidad para soportar golpes fuertes, cambios bruscos de temperatura, presión y turbulencias.

BiTMICRO, en 1999, hizo gala de una serie de presentaciones y anuncios de unidades de estado sólido basadas en flash de 18 GiB en formato de 3,5 pulgadas. Fusion-io, en 2007, anunció unidades de estado sólido con interfaz PCI-Express capaces de realizar 100 000 operaciones de Entrada/Salida en formato de tarjeta de expansión con capacidades de hasta 320 GB. En el CeBIT 2009, OCZ presentó un SSD basado en flash de 1 TiB con interfaz PCI Express x8 capaz de alcanzar una velocidad máxima de escritura de 654 MB/s y una velocidad máxima de lectura a 712 MB/s. En diciembre de 2009, Micron Technology anunció el primer SSD del mundo, utilizando la interfaz SATA III.¹¹​

En 2016, Seagate muestra velocidades de transferencia de 10GB/s desde un SSD PCIe de 16 vías y también muestra un SSD de 60TB con un factor de forma de 3.5 pulgadas, la unidad de mayor capacidad del mundo.¹²​ Samsung también lanza al mercado un SSD de 15.36TB con un precio de US $ 10,000 utilizando una interfaz SAS, utilizando un factor de forma de 2.5 pulgadas pero con el grosor de unidades de 3.5 pulgadas. Esta fue la primera vez que un SSD disponible en el mercado tenía más capacidad que el disco duro más grande disponible en la actualidad. ¹³​¹⁴​¹⁵​

En 2017, se lanzan los primeros productos con memoria 3D Xpoint. 3D Xpoint es completamente diferente de NAND Flash y almacena datos usando diferentes principios. ¹⁶​

En 2018, tanto Samsung como Toshiba introducen en el mercado unidades SSD de 30.72TB que usan el mismo factor de forma de 2.5 pulgadas pero con un grosor de unidad de 3.5 pulgadas que usa interfaces SAS. Nimbus Data anuncia y, según se informa, envía unidades de 100TB utilizando una interfaz SATA, no se espera que alcancen a una unidad de disco duro hasta 2025. Samsung presentó un SSD m.2 con velocidades de 3500MB/S.¹⁷​¹⁸​¹⁹​²⁰​

Unidad flash empresarial[editar]

Las unidades flash empresariales (EFD) están diseñadas para aplicaciones que requieren una alta tasa de operaciones por segundo, fiabilidad y eficiencia energética. En la mayoría de los casos, un EFD es un SSD con un conjunto de especificaciones superiores. El término fue acuñado por EMC en enero de 2008, para ayudarles a identificar a los fabricantes SSD que irían orientados a mercados de más alta gama. No existen organismos de normalización que acuñen la definición de EFD, por lo que cualquier fabricante puede denominar EFD a unidades SSD sin que existan unos requisitos mínimos. Del mismo modo que puede haber fabricantes de SSD que fabriquen unidades que cumplan los requisitos EFD y que jamás sean denominados así.

RaceTrack[editar]

IBM está investigando y diseñando un dispositivo, aún en fase experimental, denominado RaceTrack. Al igual que las SSD, son memorias no volátiles basadas en nanohilos compuestos por níquel, hierro y vórtices que separan entre sí los datos almacenados, lo que permite velocidades hasta cien mil veces superiores a los discos duros tradicionales, según apunta la propia IBM.²¹​

Partes principales de una SSD[editar]

Una unidad de estado sólido dispone de cuatro aspectos fundamentales que determinan sus principales características, tanto de lectura y escritura como de capacidad: formato físico y conector, interfaz de comunicación y protocolo de comunicación.

Formato físico[editar]

Las unidades de estado sólido llegaron inicialmente al mercado en un formato igual al de los discos duros, y hoy en día sigue siendo habitual encontrar SSD que disponen de un formato de disco de 2.5 pulgadas y, sobre todo en entornos empresariales, 3.5 pulgadas. A medida que se ha ido reduciendo el tamaño de los chips de memoria, de los controladores y otros chips que se usan para su funcionamiento, y debido a la necesidad de ahorrar espacio en portátiles, tabletas y convertibles, existen formatos que son como tarjetas pequeñas.

El primer formato mini-SATA (abreviado mSATA) es una pequeña tarjeta de 30 mm de ancho y 50.95 mm de largo. Actualmente es mucho más común el formato M.2, que tiene un ancho de 22 mm y está estandarizado en cinco longitudes diferentes: 30 mm, 42 mm, 60 mm, 80 mm y 110 mm. Se suele nombrar el formato específico de la tarjeta añadiendo el largo al ancho. El más común a nivel doméstico es el M.2 2280.

Existen otros formato menos habituales y otros que están en desarrollo como el NF1 de Samsung.

Interfaz física[editar]

La interfaz del bus de una SSD determina el tipo de bus que usa para la comunicación a nivel físico con el dispositivo en el que se sitúa la SSD. Existen principalmente dos: SATA3, que permite velocidades de hasta 6 Gb/s (750 MB/s); y PCI Express (PCIe) cuya velocidad máxima dependerá de la generación que implemente, siendo de hasta 16 Gb/s por canal PCIe 4.0. Lo más habitual es tener conexiones PCIe ×2 y ×4 (dos y cuatro canales PCIe agregados, respectivamente). También existen otros buses como SATA Express.

Conector físico[editar]

Existen distintos conectores físicos utilizados en las SSD, y cada uno está ligado a una interfaz de bus. Por ejemplo, las SSD doméstica de 2.5 pulgadas usan un conector SATA para usar SATA3 como si fueran un disco duro, mientras que la especificación M.2 determina una serie de formatos para los contactos del conector en función de si el bus es SATA3 o PCIe. Existe también el conector SATA Express (SATA 3.2) que usa una interfaz de bus PCIe ×2, y el U.2 que también usa PCIe; suelen ser usados en unidades con formato de disco de 2.5 o 3.5 pulgadas.

Protocolo de comunicación[editar]

La interfaz de comunicación es la forma en la que se transmiten los unos y ceros a nivel físico entre la unidad de estado sólido y el equipo anfitrión. Principalmente se usan: AHCI que está ligada a Serial ATA, y NVMe que está ligado a PCIe. Puesto que es un protocolo de comunicación a nivel físico, la información se divide en grupos de bits (carga útil) y a cada grupo se le asigna una cabecera para realizar labores de control de transmisión y corrección de errores.

En el caso de AHCI, el envío se realiza con una gran pérdida de bus útil al hacer una codificación 8b/10b (ocho bits de carga útil son diez bits enviados), mientras que NVMe tiene una codificación 128b/130b, por lo que se desperdicia menos ancho de bus en la transmisión de información. Debido a ello la velocidad máxima real de SATA3 es de 600 MB/s aunque la teórica es de 750 MB/s. En el caso de PCIe, la velocidad máxima real de una conexión PCIe 3.0 ×1 sería de 984 MB/s.

Arquitectura y funcionamiento[editar]

Chasis abierto de un disco duro tradicional (izquierda). Aspecto de un SSD indicado especialmente para computadoras portátiles (derecha).

Se distinguen dos períodos: al principio, se construían con una memoria volátil tipo DRAM y, más adelante, se empezaron a fabricar con una memoria no volátil flash tipo NAND.

Controlador[editar]

Toda SSD incluye un chip de control, más comúnmente llamado controlador, que permite que la unidad gestione la forma de leer y escribir la información. Cuenta con un diseño similar al de un sistema en chip, ya que incluye un procesador de uno o más núcleos, similar a un circuito integrado de aplicación específica con SRAM interna. Algunas veces también se incluye un chip de DRAM en la SSD, gestionada por el controlador, para actuar de caché de datos de usuario y metadatos internos de la SSD.²²​

Si bien los primeros controladores eran bastante básicos, actualmente proporcionan una gran variedad de características relacionadas con la protección de la información guardada y la seguridad. Puesto que también se encarga de gestionar la pérdida de alimentación de la unidad, el diseño de la SSD suele incluir condensadores para permitir que el controlador termine de realizar de una manera ordenada las transacciones que estuviera llevando a cabo.

El controlador se encarga de tareas tales como:

• Marcado de bloques erróneos
• Caché de lectura y escritura
• Cifrado
• Detección de errores mediante un código de corrección de errores
• Borrado criptográfico seguro
• Recolección de basura
• Depuración de lectura
• Gestión de diafonía de lectura
• Gestión del desgaste de celdas

Memoria[editar]

Memoria flash[editar]

Casi la totalidad de los fabricantes comercializan sus SSD con memorias no volátiles NAND para haber un desarrollo de un dispositivo no solo veloz y con una gran capacidad, sino robusto y a la vez lo más pequeño posible tanto para el mercado de consumo como el profesional. Al ser memorias no volátiles, no requieren ningún tipo de alimentación constante ni pilas para no perder los datos almacenados, incluso en apagones repentinos, aunque cabe destacar que las SSD NAND son más lentos que los que se basan en DRAM. Son comercializadas con las dimensiones heredadas de los discos duros, es decir, en 3.5 pulgadas, 2.5 pulgadas y 1.8 pulgadas, aunque también ciertas SSD vienen en formato tarjeta de expansión.

En algunos casos, las SSD pueden ser más lentas que los discos duros, en especial con controladoras antiguas de gamas bajas, pero dado que los tiempos de acceso de una SSD son inapreciables, al final resultan más rápidos. Este tiempo de acceso tan corto se debe a la ausencia de piezas mecánicas móviles, inherentes a los discos duros.

Una SSD se compone principalmente:

• Controladora: es un procesador electrónico que se encarga de administrar, gestionar y unir los módulos de memoria NAND con los conectores en entrada y salida. Ejecuta software a nivel de firmware y es con toda seguridad, el factor más determinante para las velocidades del dispositivo.
• Caché: un SSD utiliza un pequeño dispositivo de memoria DRAM similar al caché de los discos duros. El directorio de la colocación de bloques y el desgaste de nivelación de datos también se mantiene en la memoria caché mientras la unidad está operativa.
• Condensador: es necesario para mantener la integridad de los datos de la memoria caché, si la alimentación eléctrica se ha detenido inesperadamente, el tiempo suficiente para que se puedan enviar los datos retenidos hacia la memoria no volátil.

El rendimiento de las SSD se incrementan añadiendo chips NAND en paralelo. Un solo chip NAND es relativamente lento, dado que la interfaz de entrada y salida es de 8 o 16 bits asíncrona y también por la latencia adicional de las operaciones básicas de E/S (típica de los SLC NAND, aproximadamente 25 μs para buscar una página de 4 KiB de la matriz en el búfer de E/S en una lectura, aproximadamente 250 μs para una página de 4 KiB de la memoria intermedia de E/S a la matriz de la escritura y sobre 2 ms para borrar un bloque de 256 KiB). Cuando varias unidades con NAND operan en paralelo dentro de un SSD, las escalas de ancho de banda se incrementan y las latencias de alta se minimizan, siempre y cuando suficientes operaciones estén pendientes y la carga se distribuya uniformemente entre los dispositivos.

Las SSD de Micron e Intel fabricaron unidades flash mediante la aplicación de los datos de creación de bandas (similar a RAID 0) e intercalado. Esto permitió la creación de SSD ultrarápidos con 250 MB/s de lectura y escritura.

Las controladoras serie SF 1000 de Sandforce consiguen tasas de transferencia cercanas a la saturación de la interfaz SATA II (rozando los 300 MB/s simétricos tanto en lectura como en escritura). La generación sucesora, las de la serie SF 2000 de Sandforce, permiten más allá de los 500 MB/s simétricos de lectura y escritura secuencial, requiriendo de una interfaz SATA III si se desea alcanzar estos registros.