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] :
- el tiempo de acceso a datos más corto: de cien a mil veces más rápido que los discos mecánicos;
- alta velocidad, hasta varios gigabytes por segundo para datos distribuidos aleatoriamente;
- alto IOPS debido a la alta velocidad y el bajo tiempo de acceso;
- Rendimiento a bajo precio, la mejor relación precio-rendimiento entre todos los dispositivos de almacenamiento;
- alta fiabilidad; Los SSD proporcionan el mismo nivel de seguridad de datos que otros dispositivos semiconductores.
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
- 1978 : la empresa estadounidense StorageTek desarrolló la primera unidad de semiconductores de tipo moderno (basada en memoria RAM).
- 1982 - La compañía estadounidense Cray introdujo una unidad de memoria RAM de semiconductores para sus supercomputadoras Cray-1 con una velocidad de 100 Mbps y Cray X-MP con una velocidad de 320 Mbps, con una capacidad de 8, 16 o 32 millones de 64 bits. palabras [16] .
- 1995 : la empresa israelí M-Systems presentó la primera unidad flash de semiconductores.
- 2007 : ASUS lanzó la netbook EEE PC 701 con un SSD de 4 GB.
- 2008 - La empresa surcoreana Mtron Storage Technology logró crear una unidad SSD de 128 GB con una velocidad de escritura de 240 MB/s y una velocidad de lectura de 260 MB/s.
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.
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Unidades SATA y mSATA de 2,5"
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Unidades mSATA y M.2 SATA
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Unidades mSATA y M.2 NVMe
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M.2 SATA izquierda, M.2 NVMe derecha
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Conector y sujetadores Unidad M.2 NVMe en la placa base de la computadora
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Unidad M.2 NVMe en la placa base de la computadora
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] :
- SLC (celda de un solo nivel), un bit por celda;
- MLC (celda multinivel) - dos bits;
- TLC (celda de triple nivel) - tres bits.
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
- El número de operaciones de entrada/salida aleatorias por segundo ( IOPS ) para SSD es un orden de magnitud mayor que para los discos duros, debido a la capacidad de ejecutar muchas operaciones simultáneamente y a la menor latencia de cada operación (sin necesidad de esperar por un disco). rotación antes del acceso, y también espere a que la cabeza del disco se desplace a la pista correcta). Gracias a esto, el lanzamiento de programas y del sistema operativo es mucho más rápido.
- La velocidad lineal de lectura/escritura es superior a la de los discos duros comunes , y en algunas operaciones puede estar cerca del ancho de banda de la interfaz ( SAS /SATA III 600 MB/s). Las unidades de estado sólido se pueden vender con interfaces más rápidas: SATA III, PCI Express , NGFF (M.2, en versiones con PCIe), SATA Express , NVM Express (estándar para conectar SSD a través de buses PCI Express ), U.2 .
- Pequeñas dimensiones y peso. Se han desarrollado tamaños estándar más compactos para unidades de estado sólido, como mSATA , NGFF (M.2).
- Estabilidad del tiempo de lectura de los archivos independientemente de su ubicación o fragmentación.
- Sin partes móviles, por lo tanto:
- ausencia total de ruido;
- alta resistencia mecánica (resistencia a corto plazo de unos 1500 g ).
- Bajo consumo de energía.
- Mucho menos sensible a los campos electromagnéticos externos [comm. 1] .
- Mayor confiabilidad en comparación con HDD para uso a largo plazo como disco de arranque. Entonces, según un estudio realizado por Backblaze , que se prolongó durante 5 años, los SSD mostraron una tasa de fallas tres veces menor cuando se usaban los medios como de arranque. Al mismo tiempo, el estudio no estudió la tolerancia a fallas con la reescritura frecuente de grandes cantidades de datos, así como la seguridad de la información durante su almacenamiento a largo plazo [31] .
Desventajas
- La principal desventaja de NAND SSD es el número limitado de ciclos de escritura. La memoria flash convencional (MLC, inglés Multi-level cell “multi-level memory cells”) le permite escribir datos entre tres y diez mil veces (recurso garantizado); las unidades más económicas (USB, SD , µSD ) pueden usar una memoria TLC [en] (MLC-3) aún más densa con un recurso de alrededor de 1000 ciclos o menos. Los tipos de memoria más caros (SLC, ing. celda de un solo nivel "celdas de memoria de un solo nivel") tienen alrededor de cientos de miles de ciclos de reescritura [32] . Para combatir el desgaste desigual en los SSD de alto rendimiento ( SATA y PCIe ), se utilizan esquemas de equilibrio de carga (nivelación de desgaste): el controlador almacena información sobre cuántas veces se sobrescribieron qué bloques y, si es necesario, escribe en bloques menos desgastados. [33] . Cuando se agota el recurso real de los bancos de memoria, la unidad puede entrar en modo de solo lectura, lo que permitirá copiar los datos [34] [35] . En una serie de casos de uso, incluso en computadoras domésticas, con algoritmos de nivelación de desgaste que funcionan correctamente, el recurso de las unidades generalmente supera considerablemente el período de garantía declarado por el fabricante, que es en promedio de 5 años [36] ;
- el precio de un gigabyte de unidades SSD, a pesar de una rápida caída a lo largo de los años, sigue siendo varias veces (6-7 para la memoria flash más barata) más alto que el precio de un gigabyte de HDD [37] (en 2012-2015: menos de 0,1 $/GB en HDD[ ¿Qué? ] , de 1 a 0.5−0.4 $/GB en SSD [38] ). La igualación del costo por unidad de volumen de SSD y HDD se prevé para aproximadamente 2019 [39] , además, el costo de SSD es casi directamente proporcional a su capacidad, mientras que el costo de los discos duros tradicionales no solo depende de la cantidad de platos. y crece más lentamente al aumentar el volumen de la unidad [40] . Al mismo tiempo, los SSD más pequeños pueden ser notablemente más baratos que los HDD más pequeños, que siempre requieren sistemas mecánicos precisos. Esto permite reducir el costo de las PC masivas, las computadoras portátiles económicas y los sistemas integrados [41] ;
- los modelos de unidades con un volumen mínimo suelen tener un rendimiento ligeramente inferior en un número de operaciones debido a un menor paralelismo [42] ;
- El rendimiento de la unidad a menudo puede disminuir temporalmente cuando se escriben grandes cantidades de datos (y se agota un búfer de escritura rápido, por ejemplo, un área de memoria que funciona en modo pseudo-SLC), durante la operación del "recolector de basura" o cuando se accede a páginas de memoria más lentas [ 43] ;
- el uso del comando de hardware TRIM en los SSD para marcar la información eliminada puede complicar mucho o imposibilitar la recuperación de la información eliminada con las utilidades adecuadas . Por otro lado, debido a la nivelación del desgaste, no hay forma de garantizar la eliminación de archivos individuales del SSD: solo es posible un reinicio completo de todo el disco usando el comando "ATA Secure Erase". El comando TRIM marca los bloques como libres, y la decisión sobre el momento de borrado físico de la información está determinada por el firmware del dispositivo [44] ;
- posible falla de los dispositivos electrónicos, incluido el controlador o los chips de memoria NAND individuales o los componentes pasivos. Entre algunos modelos, hasta el 0,5-2 % de las unidades SSD fallan durante los primeros años de funcionamiento [45] . A diferencia de HDD, la falla es repentina [46] ;
- alta complejidad o imposibilidad de recuperar la información después de un daño eléctrico. Dado que el controlador y los medios de almacenamiento en el SSD están en la misma placa, si el voltaje se excede o es significativo, se pueden dañar varios microcircuitos, lo que conduce a una pérdida irrecuperable de información. Existe la posibilidad de recuperación de datos si solo el controlador está dañado [47] . En los discos duros, la recuperación de la información con una laboriosidad aceptable también es posible solo si falla la placa controladora, manteniendo la integridad de las placas, la mecánica y los equipos de lectura;
- la baja inmunidad al ruido real de las operaciones de lectura de las celdas de memoria y la presencia de celdas defectuosas, especialmente cuando se fabrican de acuerdo con los procesos técnicos más modernos ("delgados"), lleva a la necesidad de utilizar códigos internos de corrección de errores cada vez más complejos en los controladores de modelos modernos : ECC , código Reed-Solomon , LDPC [48] [49] . En varios SSD económicos, los errores de código de corrección internos pueden provocar un aumento significativo en la latencia de las operaciones individuales.
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
- ↑ 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.
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