Unidad de estado sólido

Tarjeta Estado Sólido (SSD) de un Asus Eee Pc 901 de 8 GB (Mini PCI Express).

mSATA SSD.

Un SSD estándar de 2,5 pulgadas (64 mm) de factor de forma.

DDR SDRAM basado en SSD. Max 128 GB y 3072 MB/s.

La unidad de estado sólido, dispositivo de estado sólido o SSD (acrónimo inglés de Solid-State Drive) 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.

En comparación con los discos duros tradicionales, las unidades de estado sólido son menos sensibles a los golpes, son prácticamente inaudibles y tienen un menor tiempo de acceso y de latencia. Las SSD hacen uso de la misma interfaz 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.

A partir de 2010, la mayoría de los 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 potencia, los 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 dispositivos que combinan ambas tecnologías, es decir, discos duros y memorias flash, que se denominan "discos duros híbridos" (HHD), que intentan aunar capacidad y velocidad a precios inferiores al SSD.

Definición

Una memoria de estado sólido es un dispositivo de almacenamiento secundario hecho con componentes electrónicos en estado sólido pensado para utilizarse en equipos informáticos en sustitución de una unidad de disco duro convencional, como memoria auxiliar o para crear unidades híbridas compuestas por SSD y disco duro.

Consta de una memoria no volátil, en vez de los platos giratorios y cabezal de las unidades de disco duro convencionales. Al no tener piezas móviles, una unidad de estado sólido reduce drásticamente el tiempo de búsqueda, latencia y otros, diferenciándose así de los discos duros magnéticos.

Al ser inmune a las vibraciones externas, es especialmente apto para vehículos, computadoras portátiles, etcétera.

Historia

SSD basados en RAM

Habría que remontarse a la década de 1950 cuando se utilizaban dos tecnologías denominadas memoria de núcleo magnético y CCROS. 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 70 y 80, 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, Santa Clara Systems presentó el BATRAM, 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

En 1995, M-Systems presentó unidades de estado sólido basadas en flash. Desde entonces, los SSD se han utilizado exitosamente como alternativa a los discos duros en la industria militar y aeroespacial, así como en otros menesteres análogos. 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.​

Enterprise flash drive

Los enterprise flash drives (EFD) están diseñados 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

IBM está investigando y diseñando un dispositivo, aún en fase experimental, denominado RaceTrack. Al igual que los 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.​

Arquitectura, diseño y funcionamiento

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

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

Basados en NAND Flash

Casi la totalidad de los fabricantes comercializan sus SSD con memorias no volátiles NAND flash para desarrollar un dispositivo no sólo veloz y con una vasta 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 los SSD NAND Flash 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 dispositivo 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 los SSD se incrementan añadiendo chips NAND Flash en paralelo. Un sólo chip NAND Flash es relativamente lento, dado que la interfaz de entrada y salida es de 8 ó 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 varios dispositivos 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.

Los 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 Sandforce SF 1000 Series 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 Sandforce SF 2000 Series, 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.

Basados en DRAM

Los SSD basados en este tipo de almacenamiento proporcionan una rauda velocidad de acceso a datos, en torno a 10 μs y se utilizan principalmente para acelerar aplicaciones que de otra manera serían mermadas por la latencia del resto de sistemas. Estos SSD incorporan una batería o bien un adaptador de corriente continua, además de un sistema de copia de seguridad de almacenamiento para desconexiones abruptas que al restablecerse vuelve a volcarse a la memoria no volátil, algo similar al sistema de hibernación de los sistemas operativos.

Estos SSD son generalmente equipados con las mismas DIMMs de RAM que cualquier ordenador corriente, permitiendo su sustitución o expansión.

Sin embargo, las mejoras de las memorias basadas en flash están haciendo los SSD basados en DRAM no tan efectivos y acortando la brecha que los separa en términos de rendimiento. Además los sistemas basados en DRAM son tremendamente más caros.

Otras aplicaciones

Las unidades de estado sólido son especialmente útiles en un ordenador que ya llegó al máximo de memoria RAM. Por ejemplo, algunas arquitecturas x86 tienen 4 GiB de límite, pero éste puede ser extendido colocando un SSD como archivo de intercambio (swap). Estos SSD no proporcionan tanta rapidez de almacenamiento como la memoria RAM principal debido al cuello de botella del bus que los conecta y a que la distancia de un dispositivo a otro es mucho mayor, pero aun así mejoraría el rendimiento con respecto a colocar el archivo de intercambio en una unidad de disco duro tradicional.

Tecnologías

PCI-E,DRAM,y SSD basado en NAND.

Los SSD basados en NAND almacenan la información no volátil en celdas mediante puertas lógicas "Y Negadas". Actualmente las celdas son fabricadas mediante tres tecnologías distintas:

Comparación entre Chips MLC y SLC.

Celda de nivel individual (SLC)

Este proceso consiste en cortar las obleas de silicio y obtener chips de memoria. Este proceso monolítico tiene la ventaja de que los chips son considerablemente más rápidos que los de la tecnología opuesta (MLC), mayor longevidad, menor consumo, un menor tiempo de acceso a los datos. A contrapartida, la densidad de capacidad por chips es menor, y por ende, un considerable mayor precio en los dispositivos fabricados con éste método. A nivel técnico, pueden almacenar solamente un bit de datos por celda.

Celda de nivel múltiple (MLC)

Este proceso consiste en apilar varios moldes de la oblea para formar un sólo chip. Las principales ventajas de este sistema de fabricación es tener una mayor capacidad por chip que con el sistema SLC y por tanto, un menor precio final en el dispositivo. A nivel técnico es menos fiable, durable, rápido y avanzado que las SLC. Estos tipos de celdas almacenan dos bits por cada una, es decir cuatro estados, por esa razón las tasas de lectura y escritura de datos se ven mermadas. Toshiba ha conseguido desarrollar celdas de tres bits.​

Triple bit por celda (TLC)

Nuevo proceso en el que se mantienen tres bits por cada celda. Su mayor ventaja es la considerable reducción de precio. Su mayor desventaja es que solo permite 1000 escrituras.​

Optimizaciones afines a SSD en los sistemas de archivos

Los sistemas de archivos se pensaron para trabajar y gestionar sus archivos según las funcionalidades de un disco duro. Ese método de gestión no es eficaz para ordenar los archivos dentro del SSD, provocando una seria degradación del rendimiento cuanto más se usa, recuperable por formateo total de la unidad de estado sólido, pero resultando engorroso, sobre todo en sistemas operativos que dependan de almacenar diariamente bases de datos. Para solucionarlo, diferentes sistemas operativos optimizaron sus sistemas de archivos para trabajar eficientemente con unidades de estado sólido, cuando éstas eran detectadas como tales, en vez de como dispositivos de disco duro.​

NTFS y exFAT

Antes de Windows 7, todos los sistemas operativos venían preparados para manejar con precisión las unidades de disco duro. Windows Vista incluyó la característica ReadyBoost para mejorar y aprovechar las características de las unidades USB, pero para los SSD tan sólo optimizaba la alineación de la partición para prevenir operaciones de lectura, modificaciones y escritura, ya que en los SSD normalmente los sectores son de 4 KiB, y actualmente los discos duros tienen sectores de 512 bytes desalineados (que luego también se aumentaron a 4 KiB). Entre algunas cosas, se recomienda desactivar el desfragmentador; su uso en una unidad SSD no tiene sentido, y reduciría su vida al hacer un uso continuo de los ciclos de lectura y escritura.

Windows 7 viene optimizado de serie para manejar correctamente los SSD sin perder compatibilidad con los discos duros. El sistema detecta automáticamente si es unidad de estado sólido o disco duro, y cambia varias configuraciones; por ejemplo, desactiva automáticamente el desfragmentador, el Superfetch, el Readyboost, cambia el sistema de arranque e introduce el comando TRIM, que prolonga la vida útil de los SSD e impide la degradación de su rendimiento.

ZFS

Solaris, en su versión 10u6, y las últimas versiones de OpenSolaris y Solaris Express Community Edition, pueden usar SSD para mejorar el rendimiento del sistema ZFS. Hay dos modos disponibles, utilizando un SSD para el registro de ZFS Intent (ZIL) o para la L2ARC. Cuando se usa solo o en combinación, se aumenta radicalmente el rendimiento.

Los nuevos SSD incluyen la tecnología GC (Garbage Collector), otro mecanismo muy útil, en especial para las personas que no tienen el PC encendido todo el día, el cual consiste en programar o forzar limpiezas manuales. A estas utilidades se las conoce como recolectoras de basura y permiten de un modo manual borrar esos bloques en desuso. Este tipo de utilidades son útiles si no usamos un sistema operativo como Windows 7 y también se puede usar en combinación con TRIM.​

Ventajas, inconvenientes y soluciones

Ventajas

Los dispositivos de estado sólido que usan bloques de memorias flash tienen varias ventajas únicas frente a los discos duros mecánicos:​

• Arranque más rápido, al no tener platos que necesiten tomar una velocidad constante.
• Gran velocidad de escritura.
• Mayor rapidez de lectura, incluso diez veces más que los discos duros tradicionales más rápidos gracias a los RAID internos en un mismo SSD.
• Baja latencia de lectura y escritura, cientos de veces más rápido que los discos mecánicos.
• Lanzamiento y arranque de aplicaciones en menor tiempo: resultado de la mayor velocidad de lectura y especialmente del tiempo de búsqueda. Pero sólo si la aplicación reside en flash y es más dependiente de la velocidad de lectura que de otros aspectos.
• Menor consumo de energía y producción de calor: resultado de no tener elementos mecánicos.
• Sin ruido: la misma carencia de partes mecánicas los hace completamente inaudibles.
• Mejorado el tiempo medio entre fallos, superando dos millones de horas, muy superior al de los discos duros.
• Seguridad: permitiendo una muy rápida "limpieza" de los datos almacenados.
• Rendimiento determinista: a diferencia de los discos duros mecánicos, el rendimiento de los SSD es constante y determinista a través del almacenamiento entero. El tiempo de "búsqueda" constante.
• El rendimiento no se deteriora mientras el medio se llena. (Véase Desfragmentación).
• Menor peso y tamaño que un disco duro tradicional de similar capacidad.
• Resistente: soporta caídas, golpes y vibraciones sin estropearse y sin descalibrarse como pasaba con los antiguos discos duros, gracias a carecer de elementos mecánicos.
• Borrado más seguro e irrecuperable de datos, es decir, no es necesario hacer uso del Algoritmo Gutmann para cerciorarse totalmente del borrado de un archivo.

Limitaciones

Los dispositivos de estado sólido que usan memorias flash tienen también varias desventajas:

• Precio: los precios de las memorias flash son considerablemente más altos en relación precio/gigabyte, debido a su baja demanda. Esta como tal no es una desventaja técnica, y según se logre su uso masificado en detrimento del estándar precedente, su precio se regularizará y se hará asequible como sucede con los discos duros móviles, que en teoría son más caros de producir por llevar piezas metálicas y tener mecanismos de alta precisión.

• Menor recuperación: después de un fallo físico se pierden completamente los datos pues la celda es destruida, mientras que en un disco duro normal que sufre daño mecánico los datos son frecuentemente recuperables usando ayuda de expertos.

• Vida útil: al reducirse el tamaño del transistor se disminuye directamente la vida útil de las memorias NAND, se solucionaría ya en modelos posteriores al instalar sistemas utilizando memristores.

• Menores capacidades de almacenamiento.

Soluciones

Aunque su masificación está en entredicho, algunos de los problemas que mayormente afectaron su uso masivo fueron:

• Degradación de rendimiento al cabo de mucho uso en las memorias NAND (solucionado, en parte, con el sistema TRIM).
• Vulnerabilidad contra ciertos tipo de efectos: incluyendo pérdida de energía abrupta (en los SSD basado en DRAM), campos magnéticos y cargas estáticas comparados con los discos duros normales (que almacenan los datos dentro de una jaula de Faraday).

Véase también

• Disco duro portátil
• Memoria (informática)
• Unidad de disco duro

Enlaces externos

• A guide to understanding Solid State Drives
• Qué es un disco duro SSD
• Guías sobre discos SSD