Um SSD, ou unidade de estado sólido, é um tipo de dispositivo de armazenamento usado em computadores. Essa mídia de armazenamento não volátil armazena dados persistentes em memória flash de estado sólido. Os SSDs substituem as unidades de disco rígido tradicionais (HDDs) em computadores e executam as mesmas funções básicas de um disco rígido. Mas os SSDs são significativamente mais rápidos em comparação. Com um SSD, o sistema operacional do dispositivo será inicializado mais rapidamente, os programas serão carregados mais rapidamente e os arquivos poderão ser salvos mais rapidamente.
Um disco rígido tradicional consiste em um disco giratório com uma cabeça de leitura/gravação em um braço mecânico chamado atuador . Um HDD lê e grava dados magneticamente. As propriedades magnéticas, no entanto, podem levar a avarias mecânicas.
Em comparação, um SSD não possui partes móveis para quebrar ou girar para cima ou para baixo. Os dois componentes principais em um SSD são o controlador flash e os chips de memória flash NAND . Essa configuração é otimizada para oferecer alto desempenho de leitura/gravação para solicitações de dados sequenciais e aleatórias.
Os SSDs são usados em qualquer lugar em que os discos rígidos possam ser implantados. Em produtos de consumo, por exemplo, são usados em computadores pessoais (PCs), laptops, jogos de computador, câmeras digitais, tocadores de música digital, smartphones, tablets e pen drives. Eles também são incorporados com placas gráficas. No entanto, eles são mais caros do que os HDDs tradicionais.
As empresas com uma necessidade em rápida expansão de maior entrada/saída (E/S) impulsionaram o desenvolvimento e a adoção de SSDs. Como os SSDs oferecem menor latência do que os HDDs, eles podem lidar com eficiência com leituras pesadas e cargas de trabalho aleatórias. Essa latência mais baixa decorre da capacidade de um SSD flash de ler dados direta e imediatamente dos dados armazenados.
Servidores de alto desempenho, laptops, desktops ou qualquer aplicativo que precisa fornecer informações em tempo real pode se beneficiar da tecnologia de unidade de estado sólido. Essas características tornam os SSDs corporativos adequados para descarregar leituras de bancos de dados com muitas transações. Eles também podem ajudar a aliviar as tempestades de inicialização com a infraestrutura de desktop virtual, ou dentro de uma matriz de armazenamento para armazenar dados usados com freqüência localmente usando uma nuvem híbrida.
Como funcionam os SSDs?
Um SSD lê e grava dados em chips de memória flash interconectados subjacentes feitos de silício . Os fabricantes constroem SSDs empilhando chips em uma grade para atingir diferentes densidades.
Os SSDs lêem e gravam dados em um conjunto subjacente de chips de memória flash interconectados. Esses chips usam transistores de porta flutuantes ( FGTS em inglês) para manter uma carga elétrica, que permite que o SSD armazene dados mesmo quando não estiver conectado a uma fonte de alimentação. Cada FGT contém um único bit de dados, designado como 1 para uma célula carregada ou 0 se a célula não tiver carga elétrica.
Cada bloco de dados é acessível a uma velocidade consistente. No entanto, os SSDs só podem escrever para blocos vazios. E embora os SSDs tenham ferramentas para contornar isso, o desempenho ainda pode diminuir com o tempo.
Os SSDs usam três tipos principais de memória: células de nível único, múltiplo e triplo. As células de nível único podem conter um bit de dados por vez – um ou zero. As células de nível único ( SLC s) são a forma mais cara de SSD, mas também são as mais rápidas e duráveis. Células de vários níveis ( MLC s) podem conter dois bits de dados por célula e ter uma quantidade maior de espaço de armazenamento na mesma quantidade de espaço físico que um SLC. No entanto, os MLCs têm velocidades de gravação mais lentas. Células de nível triplo ( TLC s) podem conter três bits de dados em uma célula. Embora os TLCs sejam mais baratos, eles também têm velocidades de gravação mais lentas e são menos duráveis do que outros tipos de memória. Os SSDs baseados em TLC oferecem mais capacidade de flash e são mais baratos que um MLC ou SLC, embora com maior probabilidade de apodrecimento de bitsdevido a ter oito estados dentro da célula.
Quais são os principais recursos dos SSDs?
Vários recursos caracterizam o design de um SSD. Por não ter partes móveis, um SSD não está sujeito às mesmas falhas mecânicas que podem ocorrer em HDDs. Os SSDs também são mais silenciosos e consomem menos energia. E como os SSDs pesam menos que os discos rígidos, eles são adequados para laptops e dispositivos de computação móvel.
Além disso, o software do controlador SSD inclui análises preditivas que podem alertar o usuário antecipadamente sobre uma possível falha na unidade. Como a memória flash é maleável, os fornecedores de array totalmente flash podem manipular a capacidade de armazenamento utilizável usando técnicas de redução de dados.
Quais são as vantagens dos SSDs?
Os benefícios dos SSDs sobre os HDDs incluem:
Velocidades de leitura/gravação mais rápidas. Os SSDs podem acessar arquivos grandes rapidamente.
Tempos de inicialização mais rápidos e melhor desempenho. Como a unidade não precisa girar como um HDD, ela é mais responsiva e oferece melhor desempenho de carga.
Durabilidade. Os SSDs são mais resistentes a choques e podem lidar melhor com o calor do que os HDDs porque não possuem partes móveis.
Consumo de energia. Os SSDs precisam de menos energia para operar do que os HDDs devido à falta de partes móveis.
Mais silencioso. Os SSDs produzem menos ruído audível porque não há peças móveis ou giratórias.
Tamanho. Os SSDs vêm em uma variedade de fatores de forma, enquanto os tamanhos de HDD são limitados.
Quais são as desvantagens dos SSDs?
As desvantagens que vêm com SSDs incluem:
Custo. Os SSDs são mais caros que os HDDs tradicionais.
Expectativa de vida. Alguns SSDs, por exemplo, aqueles que usam chips de memória flash NAND, só podem ser gravados um número especificado de vezes que normalmente é menor que os HDDs.
Desempenho. As limitações no número de ciclos de gravação fazem com que o desempenho dos SSDs diminua ao longo do tempo.
Opções de armazenamento. Por causa do custo, os SSDs geralmente são vendidos em tamanhos menores.
Recuperação de dados . Esse processo demorado pode ser caro, pois os dados nos chips danificados podem não ser recuperáveis.
Quais são os tipos de memória não volátil SSD?
Os circuitos NAND e NOR diferem no tipo de porta lógica que usam. Os dispositivos NAND usam acesso serial de oito pinos aos dados. Enquanto isso, a memória flash NOR é comumente usada em telefones celulares, suportando acesso aleatório de 1 byte.
Comparado com o NAND, o flash NOR oferece tempos de leitura rápidos, mas geralmente é uma tecnologia de memória mais cara. O NOR grava dados em grandes blocos, o que significa que leva mais tempo para apagar e gravar novos dados. Os recursos de acesso aleatório do NOR são usados para execução de código, enquanto o flash NAND é destinado ao armazenamento. A maioria dos smartphones suporta os dois tipos de memória flash, usando NOR para inicializar o sistema operacional e cartões NAND removíveis para expandir a capacidade de armazenamento do dispositivo.
Quais são os tipos de SSD?
Os tipos de SSDs incluem:
Unidades de estado sólido. SSDs básicos oferecem o menor desempenho. Os SSDs são dispositivos flash que se conectam via Serial Advanced Technology Attachment (SATA) ou SCSI conectado em série (SAS) e fornecem um primeiro passo econômico no mundo do estado sólido. Para muitos ambientes, o aumento de desempenho nas velocidades de leitura sequencial de um SSD SATA ou SAS será suficiente.
Flash baseado em PCIe. O flash baseado no Peripheral Component Interconnect Express é o próximo passo em termos de desempenho. Embora esses dispositivos normalmente ofereçam maior taxa de transferência e mais operações de entrada/saída por segundo, a maior vantagem é a latência significativamente menor. A desvantagem é que a maioria dessas ofertas requer um driver personalizado e possui proteção de dados integrada limitada.
Flash DIMM. Os módulos de memória flash em linha dupla reduzem a latência, indo além das placas flash PCIe, eliminando a possível contenção do barramento PCIe. Eles exigem drivers personalizados exclusivos para flash DIMMS, com alterações específicas no sistema de E/S somente leitura na placa-mãe.
SSDs NVMe. Esses SSDs usam a especificação de interface de memória não volátil expressa ( NVMe ). Isso acelera as velocidades de transferência de dados entre sistemas clientes e unidades de estado sólido em um barramento PCIe. Os SSDs NVMe são projetados para armazenamento não volátil de alto desempenho e são adequados para configurações altamente exigentes e com uso intensivo de computação.
NVMe-oF. O protocolo NVMe over Fabrics permite transferências de dados entre um computador host e um dispositivo de armazenamento de estado sólido de destino. O NVMe-oF transfere dados por meio de métodos como Ethernet, Fibre Channel ou InfiniBand.
Armazenamento híbrido DRAM-flash. Essa configuração de canal de memória dinâmica de acesso aleatório ( DRAM ) combina flash e DRAM de servidor. Esses dispositivos de armazenamento flash híbrido atendem ao limite de escala teórico da DRAM e são usados para aumentar a taxa de transferência entre o software de aplicativo e o armazenamento.
Fatores de desenvolvimento de SSD
Os fabricantes de SSD oferecem diversos fatores de forma. O formato mais comum é um SSD de 2,5 polegadas que está disponível em várias alturas e suporta os protocolos SAS, SATA e NVMe.
A Solid State Storage Initiative, um projeto da Storage Networking Industry Association, identificou os três principais fatores de forma de SSD a seguir:
SSDs que vêm em formatos tradicionais de HDD e se encaixam nos mesmos slots SAS e SATA em um servidor.
Placas de estado sólido que usam fatores de forma de placa suplementar padrão, como aquelas com uma placa de porta serial PCIe. Um SSD conectado por PCIe não requer adaptadores de barramento de host de rede para retransmitir comandos, o que acelera o desempenho do armazenamento. Esses dispositivos incluem os SSDs U.2 que geralmente são considerados a eventual substituição de unidades usadas em laptops finos.
Módulos de estado sólido que residem em um DIMM ou módulo de memória em linha dupla de contorno pequeno. Eles podem usar uma interface de HDD padrão, como SATA. Esses dispositivos são conhecidos como placas DIMM não voláteis ( NVDIMM ).
Dois tipos de RAM são usados em um sistema de computador: DRAM, que perde dados quando a energia é perdida, e RAM estática. Os NVDIMMs fornecem o armazenamento persistente que um computador precisa para recuperar dados. Eles colocam o flash perto da placa-mãe, mas as operações são realizadas na DRAM. O componente flash se encaixa em um barramento de memória para backup em armazenamento de alto desempenho.
Tanto os SSDs quanto a RAM incorporam chips de estado sólido, mas os dois tipos de memória funcionam de maneira diferente em um sistema de computador.
Dois novos fatores de forma dignos de nota são os SSDs M.2 e U.2. Um SSD M.2 varia em comprimento – normalmente de 42 milímetros (mm) a 110 mm – e se conecta diretamente a uma placa-mãe. Ele se comunica via NVMe ou SATA. O tamanho pequeno de um M.2 limita a área de superfície para dissipação de calor que, com o tempo, reduzirá seu desempenho e estabilidade. No armazenamento corporativo, os SSDs M.2 geralmente são usados como um dispositivo de inicialização. Em dispositivos de consumo, como notebooks, um SSD M.2 oferece expansão de capacidade.
Um SSD U.2 descreve um SSD PCIe de 2,5 polegadas. Esses pequenos dispositivos de fator de forma eram anteriormente conhecidos como SFF-8639. A interface U.2 permite que SSDs PCIe baseados em NVMe de alta velocidade sejam inseridos na placa de circuito de um computador, sem a necessidade de desligar o servidor e o armazenamento.
fabricantes de SSD
O mercado SSD é dominado pelas seguintes fabricantes:
Crucial
Intel
Tecnologia Kingston
Micron Technology Inc.
Xiaomi
SanDisk
Tecnologia Seagate
SK Hynix
Western Digital Corp.
Esses fabricantes produzem e vendem chipsets flash NAND para fornecedores de unidades de estado sólido. Eles também comercializam SSDs de marca com base em seus próprios chips flash. Fatores a serem considerados ao comprar SSDs incluem:
Durabilidade. Cada garantia de SSD cobre um número finito de ciclos de unidade, determinado pelo tipo de flash NAND. Um SSD usado apenas para leituras não requer o mesmo nível de resistência que um SSD destinado a lidar principalmente com gravações.
Fator de forma. Isso determina se um SSD substituto funciona com o armazenamento existente e o número de SSDs que podem caber em um único chassi.
Interface. Isso determina os limites máximos de taxa de transferência e latência mínima, bem como os recursos de expansão do SSD. Os fabricantes qualificam seus SSDs para NVMe, SAS e SATA.
Uso de energia. A interface da unidade também especifica a potência máxima de um SSD, embora muitos SSDs corporativos sejam projetados para serem ajustados durante a operação.
Os SSDs custam mais do que os discos rígidos convencionais. Mas devido a melhorias na tecnologia de fabricação e capacidade de chip expandida, os preços dos SSDs estavam caindo, permitindo que consumidores e clientes corporativos vissem os SSDs como uma alternativa viável ao armazenamento convencional. No entanto, os preços estão aumentando devido à escassez de chips e a um mercado geral volátil – mais recentemente em 2020 e 2021, devido a problemas na cadeia de suprimentos relacionados ao COVID-19. A demanda flutuante por chips flash manteve os preços dos SSDs variáveis, mas o preço de um SSD permanece mais alto do que um HDD.
SSD vs. HDD
Os SSDs são considerados muito mais rápidos do que os HDDs de melhor desempenho. A latência também é substancialmente reduzida e os usuários normalmente experimentam tempos de inicialização muito mais rápidos.
Vários fatores influenciam a vida útil de SSDs e HDDs, incluindo calor, umidade e o efeito da oxidação de metais dentro das unidades. Os dados em ambos os tipos de mídia serão degradados com o tempo, com os HDDs geralmente suportando um número maior de gravações de unidade por dia . Especialistas do setor recomendam armazenar SSDs não utilizados ou inativos em baixas temperaturas para prolongar sua vida útil.
As partes móveis dos HDDs aumentam a chance de falhas. Para compensar, os fabricantes de HDD adicionaram sensores de choque para proteger as unidades e outros componentes dentro dos PCs. Esse tipo de sensor detecta se a máquina está prestes a cair e toma medidas para desligar o HDD e o hardware crítico relacionado.
O desempenho de leitura de um disco rígido pode sofrer quando os dados são divididos em diferentes setores do disco. Para reparar o disco, é usada uma técnica conhecida como desfragmentação. Os SSDs não armazenam dados magneticamente, portanto, o desempenho de leitura permanece estável, independentemente de onde os dados estão armazenados na unidade.
Os SSDs têm uma expectativa de vida definida, com um número finito de ciclos de gravação antes que o desempenho se torne errático. Para compensar, os SSDs empregam o nivelamento de desgaste , um processo que prolonga a vida útil de um SSD. O nivelamento de desgaste é normalmente gerenciado pelo controlador flash, que usa um algoritmo para organizar os dados de modo que os ciclos de gravação/exclusão sejam distribuídos uniformemente entre todos os blocos do dispositivo. Outra técnica, o provisionamento excessivo de SSD, pode ajudar a minimizar o impacto da amplificação de gravação da coleta de lixo.
SSD vs. eMMC
Um MultiMediaCard ( eMMC ) integrado fornece o armazenamento flash integrado em um computador. Ele é instalado diretamente na placa-mãe do computador. A arquitetura inclui memória flash NAND e um controlador projetado como um circuito integrado. O armazenamento EMMC é normalmente encontrado em telefones celulares, laptops mais baratos e aplicativos de IoT.
Um dispositivo eMMC oferece desempenho aproximadamente equivalente ao de um SSD. Mas eles diferem em capacidade, pois um eMMC padrão geralmente varia de 1 GB a 512 GB e os tamanhos de SSD podem variar de 128 GB a vários terabytes. Isso torna os eMMCs mais adequados para lidar com tamanhos de arquivo menores.
Em dispositivos portáteis, um eMMC serve como armazenamento primário ou como um complemento para cartões multimídia SD e microSD removíveis. Embora este seja o uso histórico de dispositivos eMMC, eles são cada vez mais implantados em sensores dentro de dispositivos conectados à Internet das Coisas.
SSD vs. disco rígido híbrido
Embora não seja tão amplamente utilizado como uma unidade de estado sólido padrão, uma alternativa é um disco rígido híbrido ( HHD ). Os HHDs preenchem a lacuna entre o armazenamento magnético em flash e em disco fixo e são usados para atualizar laptops, tanto para capacidade quanto para desempenho.
Os HHDs têm uma arquitetura de disco convencional que adiciona aproximadamente 8 GB de flash NAND como buffer para cargas de trabalho baseadas em disco.
Como tal, um HHD é mais adequado para computadores com um número limitado de aplicativos. O custo de um disco rígido híbrido é um pouco menor do que um HDD.
História e evolução dos SSDs
As primeiras unidades de estado sólido geralmente foram projetadas para dispositivos de consumo. Isso mudou em 1991, quando a SanDisk lançou o primeiro SSD comercial baseado em flash. Os SSDs projetados comercialmente foram feitos com tecnologia de flash celular multinível empresarial , que melhorou os ciclos de gravação.
A linha do tempo dos SSDs:
A estreia do Apple iPod em 2005 marcou o primeiro dispositivo notável baseado em flash a penetrar amplamente no mercado consumidor.
A Toshiba anunciou o 3D V-NAND em 2007. Os dispositivos flash 3D aumentam a capacidade e o desempenho.
A EMC – agora Dell EMC – é creditada por ser o primeiro fornecedor a incluir SSDs em hardware de armazenamento corporativo, adicionando a tecnologia a seus disk arrays Symmetrix em 2008. Isso gerou a criação de arrays flash híbridos que combinam flash drives e HDDs.
A Toshiba introduziu células de nível triplo em 2009. O flash TLC é um tipo de memória flash NAND que armazena três bits de dados por célula.
A IBM é considerada o primeiro grande fornecedor de armazenamento a lançar uma plataforma de array totalmente flash dedicada, chamada FlashSystem, baseada na tecnologia de sua aquisição da Texas Memory Systems em 2012. Naquela época, Nimbus Data, Pure Storage, Texas Memory Systems e Violin Memory começou a ser pioneira na adoção de arrays totalmente flash, contando com armazenamento SSD para substituir discos rígidos.
Em 2012, a EMC adquiriu o XtremIO e agora fornece um sistema totalmente flash baseado na tecnologia XtremIO.
