Unidad de estado sólido

Una unidad de estado sólido ( en inglés  Solid-State Drive, SSD ) es un dispositivo de almacenamiento no mecánico no volátil basado en chips de memoria , una alternativa a las unidades de disco duro (HDD). El tipo más común de unidades de estado sólido utiliza memoria flash NAND para almacenar información , sin embargo, hay opciones en las que la unidad se crea en base a DRAM - memoria, equipada con una fuente de alimentación adicional - una batería [1] . Además de los chips de memoria reales, dicha unidad contiene un chip de control: un controlador .

Actualmente, los SSD se utilizan tanto en dispositivos portátiles ( laptops , netbooks , tablets ) como en computadoras de escritorio para mejorar el rendimiento. Para 2016, los más productivos fueron los SSD M.2 con interfaz NVMe , en los que, con una conexión adecuada, la velocidad de escritura/lectura de datos podía alcanzar los 3800 megabytes por segundo [2] .

En comparación con los discos duros tradicionales, los SSD son más pequeños y livianos, más silenciosos, más resistentes a los daños (como caídas) y mucho más rápidos en las operaciones. Al mismo tiempo, tienen un costo por gigabyte varias veces mayor y una menor resistencia al desgaste (recurso de grabación) .

Descripción

Los SSD son dispositivos que almacenan datos en chips en lugar de discos metálicos giratorios o cintas magnéticas. El motivo de su aparición refleja el hecho de que la velocidad de procesamiento de datos en el procesador es mucho mayor que la velocidad de escritura de datos en el HDD. Los discos magnéticos han dominado el segmento de almacenamiento corporativo durante décadas, durante este tiempo (desde la década de 1950) la capacidad de almacenamiento ha crecido doscientas mil veces, la velocidad de los procesadores también ha aumentado mucho, pero la velocidad de acceso a los datos ha cambiado mucho menos y los discos se han convertido en un "cuello de botella". Las unidades de estado sólido resuelven el problema: proporcionan velocidades de procesamiento de datos mucho más rápidas en comparación con las unidades de disco duro [3] . Debido al uso de chips de memoria flash, los SSD difieren significativamente en sus características de los discos duros con platos magnéticos.

Para optimizar el uso de SSD, la interfaz NVMe  se desarrolló en 2011 .  Non-Volatile Memory Express , soporte para el cual se agregó a Windows a partir de la versión 8.1 solamente . En Windows 7, el protocolo es compatible con la revisión KB2990941 . No todas las placas base admiten la interfaz NVMe, por lo que la antigua interfaz SATA sigue siendo popular [4] .

Las principales características de las unidades de estado sólido [5] :

A diferencia de los discos duros, el precio de un SSD depende en gran medida de la capacidad disponible, lo que se debe a la densidad limitada de las celdas de memoria y la limitación del tamaño del chip en el microcircuito [6] .

Accionamientos híbridos

También existen discos duros híbridos ( SSHD  , solid-state hybrid drive ), que combinan memoria de estado sólido y un disco duro mecánico [7] [8] . Esta combinación le permite aprovechar algunos de los beneficios de la memoria flash (acceso aleatorio rápido) mientras mantiene bajo el costo de almacenar grandes cantidades de datos. Usan la memoria flash como un búfer ( caché ) de tamaño pequeño (por ejemplo, en Seagate Momentus XT de 4 a 8 GB) [9] , o (con menos frecuencia) pueden estar disponibles como una unidad separada (en inglés  dual-drive hybrid sistemas ) .

La tecnología Intel Smart Response le permite compartir SSD y HDD para almacenar en caché los datos (archivos) a los que se accede con frecuencia en el SSD, además de un uso más eficiente de SSHD [10] [11] .

Otros fabricantes también tienen sus propias tecnologías para usar SSD para almacenar en caché los datos almacenados en el HDD: Marvell HyperDuo (en el controlador Marvell 88SE9130), Adaptec MaxIQ (MaxCache), LSI CacheCade. De estos, solo HyperDuo está diseñado para uso doméstico [12] [13] [14] [15] .

Título

Las unidades de estado sólido incluyen solo unidades de estado sólido. No les pertenecen los discos duros y los discos ópticos, aunque son, en sentido estricto, cuerpos sólidos. Esta terminología es opuesta a la utilizada en los láseres: los láseres de estado sólido son láseres basados ​​en cualquier cuerpo sólido, con la excepción de los semiconductores.

Inicialmente, los SSD se denominaban "unidades de estado sólido" ( en inglés:  Solid-State Disk ), aunque ninguno de los SSD es un disco. Este nombre ahora se está volviendo obsoleto.

Historial de desarrollo

Mercado

En 2013, los mayores fabricantes de chips NAND fueron Samsung , Toshiba , Micron y SK-Hynix [17] , los chips controladores para SSD fueron LSI-SandForce, Marvell , Silicon Motion, Phison y JMicron [18] .

En el mismo año, Samsung, Toshiba y Micron comenzaron a producir unidades con chips 3D-NAND, lo que permitió reducir el costo de los dispositivos, especialmente de alta capacidad [19] .

En el primer trimestre de 2016, los mayores fabricantes de SSD fueron Samsung Electronics (primer lugar, alrededor del 40 % del mercado), SanDisk (12 %), Lite-On ( Plextor [20] , Lite-On), Kingston , Intel , Micron , OCZ , HGST .

La memoria flash NAND para SSD fue producida por SanDisk, Toshiba ( Kioxia [21] ), Samsung, Intel, Micron. A pesar de que Toshiba Memory era y es uno de los mayores fabricantes de chips NAND, la participación de la empresa en el mercado de SSD era solo del 3,9 % [22] .

Desde 2016, Samsung ha estado lanzando SSD de "consumidor" con chips 3D NAND exclusivamente de su propia producción [6] .

La escasez de chips de 2021 condujo a una “oscilación de precios” para las SSD debido a su sobreproducción y, luego, en el contexto de una fuerte caída en las ventas de SSD, a un colapso de los precios a fines de 2022 [23] [24] .

Factores de forma e interfaces

Unidades externas

Inicialmente, las unidades de estado sólido se extendieron en forma de dispositivos separados para almacenar y transferir información. Se conectaron a computadoras y dispositivos digitales a través de una serie de interfaces externas estandarizadas, y el diseño de las unidades permitió que un usuario no calificado las manipulara y transfiriera datos entre dispositivos de manera segura. Todas estas unidades se podrían dividir en dos grandes grupos: con interfaz USB (“ unidades flash USB ”), utilizadas principalmente con computadoras, y tarjetas de memoria , utilizadas principalmente en una variedad de dispositivos electrónicos, como cámaras digitales, teléfonos, etc.

Las unidades USB estaban perfectamente estandarizadas y garantizaban el rendimiento en cualquier dispositivo con este conector. Las tarjetas de memoria tenían una amplia variedad de diseños e interfaces incompatibles. Inicialmente, CompactFlash , SmartMedia , Memory Stick , MMC , SD eran populares . Hasta ahora, solo las tarjetas SD en dos factores de forma han conservado una gran popularidad : estándar y en miniatura (microSD).

Unidades integradas

A medida que la capacidad creció y el costo de la memoria flash se abarató , la memoria de estado sólido comenzó a reemplazar la principal memoria a largo plazo de las computadoras  : los discos duros . Para garantizar la intercambiabilidad con las tecnologías existentes, las unidades de estado sólido integradas comenzaron a fabricarse en diseños de disco duro estandarizados y con la interfaz de disco duro más popular en ese momento. Fue así como aparecieron las unidades de estado sólido SATA de 2,5″ , que se instalaron en lugar de los discos duros mecánicos.

Sin embargo, los diseños voluminosos y las interfaces lentas de los discos duros mecánicos no permitieron que la memoria flash liberara su potencial. El proceso de miniaturización de las unidades ha comenzado. Inicialmente, abandonaron el diseño del disco duro y se estandarizaron en los diseños mSATA y M.2 SATA (a veces llamados NGFF) de tamaño pequeño, pero conservaron la compatibilidad con la interfaz SATA. El siguiente paso fue alejarse de la lenta interfaz SATA y cambiar a la rápida interfaz PCI Express . Así es como aparecieron las unidades NVM Express (NVMe) en una variedad de diseños, de los cuales M.2 NVMe es el más común .

A pesar del diseño similar, las unidades M.2 SATA no se pueden instalar en lugar de M.2 NVMe y M.2 NVMe no se pueden instalar en lugar de M.2 SATA, son incompatibles entre sí. Exteriormente, se pueden distinguir por la cantidad de cortes en los contactos de la placa de la unidad y las inserciones de teclas correspondientes en el conector de acoplamiento: M.2 SATA tiene dos y M.2 NVMe tiene uno.

Arquitectura y funcionamiento

SSD NAND

Las unidades basadas en el uso de memoria no volátil ( SSD NAND ) aparecieron en la segunda mitad de los años 90 del siglo pasado, pero comenzaron a conquistar el mercado con confianza debido al progreso en la microelectrónica y la mejora en las características básicas, incluido el costo por gigabyte. Hasta mediados de la década de 2000, eran inferiores a las unidades tradicionales ( discos duros  ) en velocidad de escritura, pero esto se compensaba con una alta velocidad de acceso a bloques arbitrarios de información (velocidad de búsqueda, velocidad de posicionamiento inicial). Desde 2012, las unidades de estado sólido ya se han producido con velocidades de lectura y escritura que son muchas veces mayores que las capacidades de los discos duros [25] . Se caracterizan por un tamaño relativamente pequeño y un bajo consumo de energía.

Para 2016, los chips NAND se crearon con tres tecnologías diferentes en términos de densidad de almacenamiento de datos [6] :

TLC proporciona la densidad de almacenamiento más alta (tres veces mayor que la SLC planar), pero tiene la vida útil más corta y la menor confiabilidad, lo que los fabricantes compensan al complicar el procesamiento de datos [6] .

Otro desarrollo de la tecnología NAND es la TLC 3D, en la que las células TLC se colocan en un chip en varias capas. Por ejemplo, el Samsung SSD 850 EVO usa memoria 3D con 32 capas de celdas TLC de 3 bits; el fabricante les promete confiabilidad a nivel de dispositivo con MLC planos de dos bits [6] .

Desde 2017, QLC (Quad Level Cell) también se ha generalizado: cuatro bits [26] . Para 2022, el récord es la 3D NAND de séptima generación con 176 capas (frecuencia de interfaz de 1,6 GHz) de Micron , lanzada el año pasado ; el estándar de consumo son los microcircuitos de 96-144 capas [27] .

RAM SSD

Estas unidades se basan en el uso de memoria volátil (la misma que se usa en la memoria RAM de una computadora personal) como una unidad RAM y se caracterizan por una lectura, escritura y búsqueda de información ultrarrápidas. Su principal desventaja es el costo extremadamente alto por unidad de volumen. Se utilizan principalmente para acelerar el funcionamiento de grandes sistemas de gestión de bases de datos y potentes estaciones gráficas. Tales unidades generalmente están equipadas con baterías para guardar datos en caso de pérdida de energía, y los modelos más caros están equipados con sistemas de respaldo y / o respaldo en línea. Ejemplos de tales unidades son I-RAM y la serie HyperDrive (estas últimas se conocen en Europa como ACARD ANS-9010 y 9010BA).

Los usuarios con suficiente RAM pueden simular dichos dispositivos utilizando la tecnología de disco en RAM (unidad RAM), por ejemplo, para evaluar el rendimiento de las máquinas virtuales.

Otros

En 2015, Intel y Micron anunciaron el lanzamiento de una nueva memoria no volátil 3D XPoint [28] . Intel planeó lanzar SSD basados ​​en 3D XPoint utilizando la interfaz PCI Express en 2016, que serían más rápidos y duraderos que los discos basados ​​en NAND. En marzo de 2017, Intel lanzó el primer SSD con tecnología 3D XPoint, el Intel Optane P4800X [29] .

Beneficios

Desventajas

Soporte en varios sistemas operativos

Microsoft Windows y SSD

Windows 7 introdujo optimizaciones especiales para trabajar con unidades de estado sólido. Con las unidades SSD, este sistema operativo funciona de manera diferente con ellas que con las unidades HDD normales. Por ejemplo, Windows 7 no aplica la desfragmentación a la unidad SSD, las tecnologías SuperFetch y ReadyBoost y otras técnicas de lectura anticipada que aceleran la carga de aplicaciones desde HDD comunes.

Las versiones anteriores de Microsoft Windows no tienen esta optimización especial y están diseñadas para funcionar solo con discos duros normales. Por lo tanto, por ejemplo, algunas operaciones de archivos de Windows Vista , si no se deshabilitan, pueden reducir la vida útil de una unidad SSD. La operación de desfragmentación debe estar deshabilitada, ya que prácticamente no afecta el rendimiento de los medios SSD de ninguna manera y solo los desgasta adicionalmente.

Computadoras Mac OS X y Macintosh con SSD

El sistema operativo Mac OS X , a partir de la versión 10.7 (Lion), implementa completamente el soporte TRIM para la memoria de estado sólido instalada en el sistema [50] .

Desde 2010, Apple ha introducido computadoras en la línea Air , totalmente equipadas con solo memoria de estado sólido basada en memoria flash NAND . Hasta 2010, el comprador podía elegir un disco duro normal para esta computadora, pero el mayor desarrollo de la línea a favor del máximo aligeramiento y la reducción de la carcasa de las computadoras de esta serie requirió un rechazo total de los discos duros convencionales a favor de las unidades de estado sólido. .

La cantidad de memoria incluida en las computadoras de la serie Air oscila entre 128 GB y 512 GB [51] . Según JP Morgan, desde el momento de su introducción hasta junio de 2011, se vendieron 420.000 ordenadores de esta serie en su totalidad con memoria flash NAND de estado sólido [52] .

El 11 de junio de 2012, basada en memoria flash, se presentó una línea actualizada de portátiles profesionales MacBook Pro con pantalla Retina , en la que se podían instalar 768 GB de memoria flash opcional. .

GNU/Linux y Computadoras con Unidad de Estado Sólido

El sistema operativo Linux , a partir de la versión 2.6.33 del kernel, implementa completamente la compatibilidad con TRIM para la memoria de estado sólido instalada en el sistema cuando se especifica la opción "descartar" en la configuración de montaje de la unidad [53] .

Perspectivas de desarrollo

La principal desventaja de los SSD basados ​​en flash es el número limitado de ciclos de escritura; con el desarrollo de tecnologías de fabricación de memoria no volátil, se puede eliminar fabricando un soporte de información según otros principios físicos, por ejemplo , FeRam , ReRAM (memoria resistiva de acceso aleatorio), etc.

Véase también

Notas

  1. Los campos magnéticos solo pueden dañar un disco duro en funcionamiento. Por ejemplo, si conecta un imán de neodimio a un disco duro en funcionamiento, esto puede interrumpir el funcionamiento de las piezas móviles de metal en el disco: un bloque de cabezales magnéticos, mientras que el campo magnético no puede dañar o desmagnetizar directamente el disco y dañar la información. almacenado en él. Una unidad SSD es aún más resistente al daño de la información almacenada en ella debido a los campos magnéticos. Para que el campo magnético desmagnetice o dañe la información almacenada en un SSD, se necesita un imán de tamaño colosal y poder gigantesco.
  1. SNIA, 2009 , Resumen, pág. 2.
  2. Aubert, 2016 , Página 2: Factores de forma y conectores: 2,5", M.2, mSATA, SATA y PCIe .
  3. SNIA, 2009 , ¿Qué es el almacenamiento de estado sólido?, pág. 2−3.
  4. Aubert, 2016 , página 3: ¿Cuál es la diferencia entre AHCI y NVMe? .
  5. SNIA, 2009 , Aumentar la Velocidad Aumenta las Ganancias, p. 3.
  6. 1 2 3 4 5 Aubert, 2016 , página 4: Tecnologías de memoria: SLC, MLC, TLC y 3D-NAND .
  7. Dong Ngo. WD muestra su primer disco híbrido, el WD Black SSHD .  WD mostró su primer disco híbrido, el WD Black SSHD, que viene en grosores de 7 mm y 5 mm . Cnet (9 de enero de 2013) . Consultado el 27 de abril de 2019. Archivado desde el original el 29 de marzo de 2013.
  8. Revisión de Momentus XT de 750 GB: una unidad de disco duro híbrida de segunda generación . Hardware de Tom (8 de febrero de 2012). Fecha de acceso: 27 de abril de 2019.
  9. Anand Lal Shimpi. Reseña de disco duro híbrido Momentus XT (750 GB) de 2.ª generación de Seagate . AnandTech (13 de diciembre de 2011). Consultado el 27 de abril de 2019. Archivado desde el original el 1 de noviembre de 2013.
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  11. Andrei Kozhemyako. Ventajas y desventajas de la tecnología Intel Smart Response . Un estudio detallado del impacto del almacenamiento en caché SSD en el rendimiento del disco duro . iXBT (26 de marzo de 2013) . Consultado el 27 de abril de 2019. Archivado desde el original el 27 de abril de 2019.
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  13. Adaptec MaxIQ (MaxCache) . NIKS (3 de septiembre de 2011). Consultado el 27 de abril de 2019. Archivado desde el original el 5 de diciembre de 2017.
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  18. Información del mercado flash de Shenzhen, 2014 , p. Dieciocho.
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Literatura

Enlaces