Cómo funcionan las unidades de estado sólido

Desde entonces, los discos duros se han vuelto más pequeños, más espaciosos y, afortunadamente, menos costosos. Por ejemplo, el disco duro para computadora portátil Seagate Momentus, con un factor de forma de solo 2,5 pulgadas (6,4 centímetros), ofrece 750 gigabytes de almacenamiento por menos de $100. Pero incluso con tecnologías de protección avanzadas, la unidad Momentus, como todas las unidades de disco duro, puede fallar y quemarse, llevándose consigo datos valiosos. Eso es porque los discos duros tienen partes mecánicas que pueden fallar. Suelte una computadora portátil y los cabezales de lectura y escritura pueden tocar los platos giratorios. Esto casi siempre resulta en una pérdida severa de datos.

Afortunadamente, un nuevo tipo de unidad de computadora podría hacer que las fallas sean tan obsoletas como su Apple IIe. Conocido como unidad de estado sólido o SSD , utiliza chips semiconductores, no medios magnéticos, para almacenar datos. Su computadora ya viene con chips, por supuesto. La placa base contiene algunos que albergan la memoria del sistema de su dispositivo, o RAM , que es donde se almacena y procesa la información cuando su computadora está funcionando. Los tipos de computadora se refieren a dicha memoria como memoria volátil porque se evapora tan pronto como su máquina pierde energía. Los chips utilizados en una unidad de estado sólido ofrecen una memoria no volátil, lo que significa que los datos permanecen en su lugar incluso sin energía. Los chips SSD tampoco se encuentran en la placa base. Tienen su propia casa en otra parte de la computadora. De hecho, podría quitar el disco duro de su computadora portátil y reemplazarlo con una unidad de estado sólido, sin afectar ningún otro componente esencial.

pero ¿Por qué querrías? ¿Y cómo se vería exactamente la unidad: una placa de circuito impreso verde o una caja de metal cepillado que se asemeja a una unidad de disco duro tradicional? Responderemos a esas preguntas en las siguientes páginas, pero antes de darle un cambio de imagen a su máquina, repasemos algunos conceptos básicos de informática.

1. ¿Qué es una unidad de estado sólido?
2. Cómo las unidades de estado sólido ahorran datos
3. Vendido en SSD: ventajas de las unidades de estado sólido
4. No se vende en SSD: desventajas de las unidades de estado sólido
5. Nota del autor

En la jerga informática, existe una diferencia entre memoria y almacenamiento. La memoria de acceso aleatorio, o RAM (o simplemente memoria), contiene el programa que está ejecutando una computadora, así como cualquier dato. Al igual que la memoria a corto plazo de una persona, la memoria RAM es efímera y requiere energía para hacer su trabajo. El almacenamiento, por otro lado, contiene todas las cosas de tu vida digital: aplicaciones, archivos, fotos y música. Conserva esas cosas incluso si se apaga la alimentación. Tanto la RAM como el almacenamiento cuentan con su capacidad en función de la cantidad de bytes que pueden contener. Para una computadora moderna, la RAM generalmente viene en 4, 6 u 8 gigabytes. El almacenamiento puede tener casi 100 veces más capacidad; el disco duro de una computadora portátil típica, por ejemplo, puede contener 500 gigabytes.

Aquí es donde se pone un poco pegajoso. Algunos dispositivos de almacenamiento tienen lo que se conoce como memoria flash , un término confuso que desdibuja la línea entre RAM y almacenamiento. Los dispositivos con memoria flash todavía contienen mucha información, y lo hacen tanto si están encendidos como si no. Pero a diferencia de los discos duros, que contienen platos giratorios y brazos en forma de tocadiscos con cabezales de lectura y escritura, los dispositivos de memoria flash no tienen partes mecánicas. Están construidos a partir de transistores y otros componentes que encontrarías en un chip de computadora. Como resultado, disfrutan de una etiqueta, estado sólido , reservada para dispositivos que aprovechan las propiedades de los semiconductores.

Hay dos tipos de memoria flash: NOR y NAND. Ambos contienen celdas (transistores) en una cuadrícula, pero el cableado entre las celdas es diferente. En NOR flash , las celdas están conectadas en paralelo. En flash NAND, las celdas están conectadas en serie. Debido a que las celdas NOR contienen más cables, son más grandes y más complejas. Las celdas NAND requieren menos cables y se pueden empaquetar en un chip con mayor densidad. Como resultado, la memoria flash NAND es menos costosa y puede leer y escribir datos mucho más rápido. Esto convierte a NAND flash en una tecnología de almacenamiento ideal y explica por qué es el tipo de memoria predominante en las unidades de estado sólido. NOR flash es ideal para aplicaciones de solo lectura de baja densidad y alta velocidad, como las aplicaciones de almacenamiento de códigos.

Armados con este trasfondo, podemos ofrecer una definición más precisa de una unidad de estado sólido: es un dispositivo que utiliza flash NAND para proporcionar una memoria no volátil y regrabable. En las computadoras, se puede usar una unidad de estado sólido como dispositivo de almacenamiento, reemplazando la unidad de disco duro tradicional. De hecho, los fabricantes producen SSD con formas y tamaños que se asemejan a los HDD, por lo que las dos tecnologías se pueden usar indistintamente. Pero ahí es donde terminan las similitudes. Si abriera la carcasa de una unidad de estado sólido, no vería los platos ni los brazos actuadores. Hagamos eso a continuación.

Tarjetas de memoria y unidades de memoria USB

Si la memoria flash le suena vagamente familiar, entonces probablemente tenga al menos una o dos unidades de memoria USB, o tarjetas de memoria, en la bolsa de su computadora. Los pequeños dispositivos, que tienen una capacidad sorprendentemente grande y le permiten transferir datos rápidamente entre máquinas, se conocen oficialmente como unidades flash USB. Utilizan la misma tecnología flash NAND y, en muchos sentidos, pueden considerarse los predecesores de los dispositivos de almacenamiento de estado sólido actuales.

En el exterior, las unidades de estado sólido se parecen a las unidades de disco duro. Tienen forma rectangular, están cubiertos por una carcasa de metal cepillado y tienen un tamaño que coincide con los factores de forma estándar de la industria para discos duros, generalmente de 2,5 y 3,5 pulgadas (6,4 y 8,9 centímetros). Pero debajo del exterior plateado, encontrará una variedad de chips organizados en un tablero, sin medios magnéticos u ópticos a la vista. Mucho de eso podría caber en un espacio más pequeño, pero los fabricantes de SSD visten sus componentes con una "carcasa" adicional para asegurarse de que encajen en las ranuras de unidades existentes de las computadoras portátiles y de escritorio .

En comparación con la absoluta simplicidad de una unidad de estado sólido, las entrañas de una unidad de disco duro son una maravilla de movimiento, sonido y actividad. Los platos redondos, dispuestos sobre un eje, pueden girar a 7.200 revoluciones por minuto. Un brazo actuador, ramificándose en múltiples cabezales de lectura y escritura, corre a través de los platos en ráfagas de velocidad demasiado rápidas para ser vistas. El brazo se conecta al bloque actuador, que contiene las instrucciones para mover los cabezales de lectura y escritura. A medida que se activan esas instrucciones, a veces hasta 50 veces por segundo, el brazo gira en un extremo y mueve las cabezas al unísono sobre los platos. Una vez que una cabeza llega a un lugar determinado en un plato, un electroimán produce un campo magnético que alinea los dominios que transportan datos en la pista subyacente. Cada dominio se puede alinear en una de dos direcciones posibles: 1 o 0. A medida que estas alineaciones cambian, forman patrones que corresponden a fragmentos discretos de información digital.

La memoria flash NAND de una unidad de estado sólido almacena datos de manera diferente. Recuerde que la memoria flash NAND tiene transistores dispuestos en una cuadrícula con columnas y filas. Si una cadena de transistores conduce corriente, tiene el valor de 1. Si no conduce corriente, es 0. Al principio, todos los transistores se establecen en 1. Pero cuando comienza una operación de guardado, la corriente se bloquea en algunos transistores, volviéndolos a 0. Esto ocurre debido a cómo están dispuestos los transistores. En cada intersección de columna y fila, dos transistores forman una celda. Uno de los transistores se conoce como puerta de control , el otro como puerta flotante .. Cuando la corriente llega a la puerta de control, los electrones fluyen hacia la puerta flotante, creando una carga neta positiva que interrumpe el flujo de corriente. Al aplicar voltajes precisos a los transistores, surge un patrón único de 1 y 0.

NAND flash viene en dos sabores según la cantidad de 1 y 0 que se pueden almacenar en cada celda. NAND de celda de un solo nivel ( SLC ) almacena un bit, ya sea un 1 o un 0, por celda. NAND de celda multinivel ( MLC ) almacena dos bits por celda. La memoria flash MLC ofrece mayor capacidad, pero se desgasta más rápidamente (sí, se desgasta; lo cubriremos más en un par de páginas). Aún así, es menos costoso por gigabyte que SLC y, como resultado, es la tecnología preferida en casi todos los SSD de nivel de consumidor.

El costo ha sido uno de los mayores obstáculos de la memoria flash y, en consecuencia, de las unidades de estado sólido. Pero en los últimos años, los costos se han reducido significativamente. Al mismo tiempo, los avances en el desarrollo de flash NAND han tomado lo bueno de la tecnología y lo han mejorado aún más. A continuación, veremos las ventajas de las unidades de estado sólido.

Ha invertido en una computadora portátil de primera línea con un disco duro de 500 gigabytes y funciona muy bien. Tienes todas tus fotos y videos, toda tu biblioteca de música, cinco novelas a medio terminar y una gran cantidad de aplicaciones empaquetadas en los platos de la unidad. ¿Por qué consideraría cambiar el HDD por una unidad de estado sólido? ¿No decía papá siempre: "Si no está roto, no lo arregles"?

Tal vez papá no tenía discos duros. La dura realidad es que los discos duros pueden fallar y fallan, a menudo con más frecuencia de lo que parecen sugerir sus especificaciones técnicas. Por ejemplo, los fabricantes de discos duros califican la confiabilidad de sus productos utilizando una medida conocida como tiempo medio entre fallas o MTBF .. Un disco duro de consumo típico tiene una calificación de MTBF de 500 000 horas, lo que significa que, en una muestra de unidades probadas, habría una falla cada 500 000 horas de prueba. Eso es una falla cada 57 años, lo que suena bastante bien, ¿verdad? Desafortunadamente, las puntuaciones de MTBF son engañosas. Provienen de una evaluación estadística basada en un tamaño de muestra pequeño y un período de tiempo corto. En realidad, también querrá considerar la garantía y la vida útil de un HDD típico (de tres a cinco años más o menos), junto con el puntaje MTBF. Debido a que no tienen piezas móviles, los SSD pueden ofrecer una confiabilidad mejorada. Pueden calificar hasta 2,5 millones de horas MTBF, lo que probablemente signifique que se agreguen algunos años más a la vida útil del dispositivo.

Un problema aún mayor es el rendimiento de las unidades de estado sólido en comparación con las unidades de disco duro. Sin cabezales móviles ni platos giratorios, los SSD pueden acceder a un dato tan rápido como a cualquier otro, incluso si no están en la misma proximidad. La velocidad del dispositivo se manifiesta en todas las tareas clave de la CPU, desde iniciar el software del sistema hasta abrir archivos y leer y escribir datos. Las siguientes viñetas comparan SSD y HDD en estas actividades críticas:

Tiempo de arranque (Windows 7): 22 segundos (SSD), 40 segundos (HDD)

Velocidad de lectura y escritura de datos : 510-550 megabytes por segundo (SSD), 50-150 megabytes por segundo (HDD)

Velocidad de apertura del archivo de Excel : 4 segundos (SSD), 14 segundos (HDD)

Todo esto suma. Incluso un usuario ocasional notará un aumento significativo en el rendimiento de una computadora equipada con un SSD. Pero un usuario avanzado realmente sentirá la diferencia. Los diseñadores de juegos , los animadores y otras personas que procesan archivos de salida de gran tamaño fueron los primeros en adoptar SSD solo por el tiempo acumulativo que podían ahorrar leyendo y escribiendo archivos de gran tamaño. Hoy en día, los jugadores, los fotógrafos y cualquier persona que edite gráficos o archivos de video apreciarán el aumento de velocidad que ofrece una unidad de estado sólido.

Finalmente, los SSD consumen mucha menos energía que los discos duros tradicionales, lo que significa que conservan la vida útil de la batería y se mantienen más frescos. También son súper silenciosos, sin los zumbidos y clics que se obtienen con los discos duros. Apreciará esto más si es un viajero frecuente y, a menudo, tiene su computadora sobre las rodillas, pero incluso si su computadora portátil permanece conectada la mayor parte del tiempo, una máquina más fría y silenciosa puede marcar una diferencia notable en la comodidad de su espacio de trabajo

Por supuesto, ninguna tecnología es perfecta, y los SSD están lejos de serlo. En la página siguiente, examinaremos los aspectos negativos de la memoria flash NAND y por qué una combinación de tecnologías puede ser la mejor solución.

Cambiar su disco duro por una unidad de estado sólido parece una obviedad. Pero antes de hacer el cambio, debe comprender las limitaciones de los SSD. Como costo. Aunque los precios han disminuido constantemente, la memoria flash NAND sigue siendo costosa. Para obtener 240 gigabytes de almacenamiento en un SSD PNY Prevail, por ejemplo, podría desembolsar $280. Eso es $1.17 por gigabyte. El Western Digital Scorpio Blue HDD, por otro lado, le brinda 250 gigabytes de almacenamiento por aproximadamente $ 65. Eso resulta ser $0.26 por gigabyte.

Luego está el tema de la longevidad. La memoria flash NAND utilizada en SSD solo se puede utilizar para un número finito de escrituras. ¿Por qué? Porque los SSD no pueden escribir un solo bit de información sin borrar primero y luego reescribir bloques de datos muy grandes a la vez. Cada vez que una celda pasa por un ciclo de borrado, queda algo de carga en el transistor de puerta flotante, lo que cambia su resistencia. A medida que aumenta la resistencia, aumenta la cantidad de corriente necesaria para cambiar la compuerta. Eventualmente, la puerta no se puede voltear en absoluto, lo que la vuelve inútil. Este proceso de descomposición no afecta las capacidades de lectura de SSD, porque la lectura solo requiere verificar, no cambiar, los voltajes de las celdas. Como resultado, la memoria flash NAND puede "descomponerse" en un estado de solo lectura.

Algunos fabricantes usan algo llamado nivelación de desgaste para contrarrestar la degradación de la memoria flash NAND. Esta técnica distribuye escrituras de datos en todos los bloques para asegurarse de que la memoria flash se desgaste de manera uniforme, pero incluso con eso, los SSD se deteriorarán con el tiempo. La memoria flash NAND de la variedad de celdas de un solo nivel generalmente ofrece 50,000 ciclos de programación/borrado. El flash de la variedad de celdas multinivel, del tipo que se usa en los productos de consumo, se desgasta después de unos 5.000 ciclos.

Por esta razón, muchos centros de datos y técnicos utilizan una combinación de SSD y HDD. Un enfoque es utilizar una unidad de estado sólido en una computadora portátil y un disco duro tradicional como almacenamiento externo para almacenar música, fotos y otros archivos. Esto combina lo mejor de ambos mundos: el acceso a datos aleatorio y ultrarrápido de SSD con la alta capacidad relativamente económica de HDD. Si esto le suena bien, querrá comenzar a comprar una unidad de estado sólido adecuada. Los principales fabricantes incluyen Samsung, Seagate, SanDisk, PNY, Toshiba y OCZ Technology. Y no se olvide de Intel, que ofrece una sólida línea de unidades, así como varias herramientas para ayudarlo a elegir la tecnología adecuada y calcular cuánto tiempo y dinero puede ahorrar si cambia a SSD.

Trabajar en este artículo me llevó de regreso a la universidad de informática, donde aprendimos sobre bits, bytes y, por supuesto, memoria. En aquel entonces, me senté frente a un Commodore 64 (que tiene 64 kilobytes de RAM) con una unidad de disquete externa de 5,25 pulgadas. Hombre, lo lejos que hemos llegado.

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Fuentes