Como funcionam as unidades de estado sólido

Desde então, os discos rígidos ficaram menores, mais espaçosos e, felizmente, menos caros. Por exemplo, o disco rígido para laptop Seagate Momentus, com um formato de apenas 2,5 polegadas (6,4 centímetros), oferece 750 gigabytes de armazenamento por menos de US$ 100. Mas mesmo com tecnologias de proteção avançadas, a unidade Momentus, como todos os HDDs, pode travar e queimar, levando dados preciosos com ela. Isso porque os discos rígidos têm peças mecânicas que podem falhar. Solte um laptop e as cabeças de leitura e gravação podem tocar os pratos giratórios. Isso quase sempre resulta em perda de dados grave.

Felizmente, um novo tipo de unidade de computador pode tornar as falhas tão obsoletas quanto o seu Apple IIe. Conhecido como unidade de estado sólido , ou SSD , ele usa chips semicondutores, não mídia magnética, para armazenar dados. Seu computador já vem com chips, é claro. A placa-mãe contém alguns que abrigam a memória do sistema do seu dispositivo, ou RAM , que é onde as informações são armazenadas e processadas quando o computador está em execução. Os tipos de computador referem-se a essa memória como memória volátil porque ela evapora assim que sua máquina perde energia. Os chips usados ​​em uma unidade de estado sólido fornecem memória não volátil, o que significa que os dados permanecem parados mesmo sem energia. Os chips SSD também não estão localizados na placa-mãe. Eles têm sua própria casa em outra parte do computador. Na verdade, você pode remover o disco rígido do seu laptop e substituí-lo por uma unidade de estado sólido, sem afetar nenhum outro componente essencial.

Mas por que você iria querer? E como seria exatamente a unidade - uma placa de circuito impresso verde ou uma caixa de metal escovado semelhante a um disco rígido tradicional? Responderemos a essas perguntas nas páginas a seguir, mas antes de reformar sua máquina, vamos revisar alguns conceitos básicos de ciência da computação.

1. O que é uma unidade de estado sólido?
2. Como as unidades de estado sólido salvam dados
3. Vendido em SSDs: vantagens das unidades de estado sólido
4. Não vendido em SSDs: desvantagens de unidades de estado sólido
5. Nota do autor

Na linguagem do computador, há uma diferença entre memória e armazenamento. A memória de acesso aleatório, ou RAM (ou simplesmente memória), contém o programa que um computador está executando, bem como quaisquer dados. Como a memória de curto prazo de uma pessoa, a RAM é passageira e requer energia para fazer seu trabalho. O armazenamento, por outro lado, contém todas as coisas da sua vida digital – aplicativos, arquivos, fotos e músicas. Ele retém essas coisas mesmo se a energia estiver desligada. Tanto a RAM quanto o armazenamento possuem sua capacidade com base no número de bytes que podem conter. Para um computador moderno, a RAM normalmente vem em 4, 6 ou 8 gigabytes. O armazenamento pode ter quase 100 vezes mais capacidade - o disco rígido de um laptop típico, por exemplo, pode conter 500 gigabytes.

Aqui é onde fica um pouco pegajoso. Alguns dispositivos de armazenamento têm o que é chamado de memória flash , um termo confuso que confunde a linha entre RAM e armazenamento. Dispositivos com memória flash ainda guardam muitas informações, e eles fazem isso com a energia ligada ou não. Mas, ao contrário dos discos rígidos, que contêm pratos giratórios e braços semelhantes a mesas giratórias com cabeças de leitura e gravação, os dispositivos de memória flash não têm partes mecânicas. Eles são construídos a partir de transistores e outros componentes que você encontraria em um chip de computador. Como resultado, eles desfrutam de um rótulo - estado sólido - reservado para dispositivos que aproveitam as propriedades dos semicondutores.

There are two types of flash memory: NOR and NAND. Both contain cells -- transistors -- in a grid, but the wiring between the cells differs. In NOR flash, the cells are wired in parallel. In NAND flash, the cells are wired in a series. Because NOR cells contain more wires, they're bigger and more complex. NAND cells require fewer wires and can be packed on a chip in greater density. As a result, NAND flash is less expensive, and it can read and write data much more rapidly. This makes NAND flash an ideal storage technology and explains why it's the predominant type of memory in solid-state drives. NOR flash is ideal for lower-density, high-speed, read-only applications, such as those in code-storage applications.

Armed with this background, we can offer a more precise definition of a solid-state drive: It's a device that uses NAND flash to provide non-volatile, rewritable memory. In computers, a solid-state drive can be used as a storage device, replacing the traditional hard disk drive. In fact, manufacturers produce SSDs with shapes and footprints that resemble HDDs so the two technologies can be used interchangeably. But that's where the similarities end. If you cracked open the shell of a solid-state drive, you wouldn't see platters and actuator arms. Let's do that next.

Memory Sticks and Thumbdrives

If flash memory sounds vaguely familiar, then you probably have at least one or two thumbdrives -- or memory sticks -- in your computer bag. The little devices, which have surprisingly large capacity and allow you to transfer data quickly between machines, are known officially as USB flash drives. They use the same NAND flash technology and, in many ways, can be thought of as the predecessors of today's solid-state storage devices.

On the outside, solid-state drives look just like HDDs. They're rectangular in shape, covered in a brushed-metal shell and sized to match industry-standard form factors for hard drives -- typically 2.5 and 3.5 inches (6.4 and 8.9 centimeters). But beneath the silver exterior, you'll find an array of chips organized on a board, with no magnetic or optical media in sight. Much of that stuff could fit into a smaller space, but SSD manufacturers dress up their components in extra "housing" to make sure they fit into existing drive slots of laptops and desktop PCs .

Compared to the stark simplicity of a solid-state drive, the innards of a hard drive are a marvel of motion, sound and activity. Round platters, arranged on a spindle, can spin at 7,200 revolutions per minute. An actuator arm, branching into multiple read-write heads, races across the platters in too-fast-to-be-seen bursts of speed. The arm connects to the actuator block, which holds the instructions for moving the read-write heads. As those instructions are called up, sometimes up to 50 times a second, the arm pivots at one end and moves the heads in unison over the platters. Once a head arrives at a certain location on a platter, an electromagnet produces a magnetic field, which aligns data-carrying domains in the underlying track. Each domain can be aligned in one of two possible directions -- 1 or 0. As these alignments change, they form patterns that correspond to discrete chunks of digital information.

The NAND flash of a solid-state drive stores data differently. Recall that NAND flash has transistors arranged in a grid with columns and rows. If a chain of transistors conducts current, it has the value of 1. If it doesn't conduct current, it's 0. At first, all transistors are set to 1. But when a save operation begins, current is blocked to some transistors, turning them to 0. This occurs because of how transistors are arranged. At each intersection of column and row, two transistors form a cell. One of the transistors is known as a control gate, the other as a floating gate. When current reaches the control gate, electrons flow onto the floating gate, creating a net positive charge that interrupts current flow. By applying precise voltages to the transistors, a unique pattern of 1s and 0s emerges.

NAND flash comes in two flavors based on how many 1s and 0s can be stored in each cell. Single-level cell (SLC) NAND stores one bit -- either a 1 or a 0 -- per cell. Multi-level cell (MLC) NAND stores two bits per cell. MLC flash delivers higher capacity, but it wears out more quickly (yes, wears out -- we'll cover that more in a couple of pages). Still, it's less expensive per gigabyte than SLC and, as a result, is the preferred technology in almost all consumer-level SSDs.

Cost has been one of the biggest hurdles of flash memory and, consequently, of solid-state drives. But in recent years, costs have dropped significantly. At the same time, advances in NAND flash development have taken what's good about the technology and made it even better. Up next, we'll look at the advantages of solid-state drives.

You've invested in a top-of-the-line laptop with a 500-gigabyte hard drive, and it's working great. You've got all your photos and videos, your entire music library, five half-finished novels and applications galore packed onto the drive's platters. Why would you consider swapping the HDD for a solid-state drive? Didn't Dad always say, "If it ain't broke, don't fix it"?

Maybe Dad didn't own any hard drives. The harsh reality is that HDDs can and do fail, often more frequently than their technical specs would seem to suggest. For example, hard drive manufacturers rate the reliability of their products using a measurement known as mean time between failures, or MTBF. A typical consumer hard drive has a MTBF rating of 500,000 hours, meaning that, in a sample of drives tested, there would be one failure every 500,000 hours of testing. That's one failure every 57 years, which sounds pretty good, right? Unfortunately, MTBF scores are misleading. They come from a statistical evaluation based on a small sample size and a short amount of time. In reality, you'd also want to consider a typical HDD's warranty and service life (three to five years or so), along with the MTBF score. Because they have no moving parts, SSDs can deliver improved reliability. They can rate up to 2.5 million hours MTBF, which probably means a few more years added to the lifespan of the device.

An even bigger deal is the performance of solid-state drives compared to HDDs. With no moving heads and spinning platters, SSDs can access one piece of data as quickly as any other piece, even if they aren't in the same proximity. The speediness of the device manifests itself in all key CPU tasks, from booting up system software to opening files to reading and writing data. The following bullets compare SSDs and HDDs on these critical activities:

Boot-up time (Windows 7): 22 seconds (SSD), 40 seconds (HDD)

Data read-write speed: 510-550 megabytes per second (SSD), 50-150 megabytes per second (HDD)

Excel file open speed: 4 seconds (SSD), 14 seconds (HDD)

All of this adds up. Even a casual user will notice a significant increase in the performance of a computer equipped with an SSD. But a power user will really feel the difference. Game designers , animators and other folks rendering huge output files were early adopters of SSDs just because of the cumulative time they could save reading and writing large files. Today, gamers, photographers and anyone editing graphics or video files will appreciate the boost in speed a solid-state drive delivers.

Por fim, os SSDs consomem muito menos energia do que os discos rígidos tradicionais, o que significa que preservam a vida útil da bateria e ficam mais frios. Eles também são super silenciosos, sem nenhum zumbido e cliques que você obtém com HDDs. Você apreciará isso mais se for um viajante frequente e muitas vezes tiver seu computador empoleirado nos joelhos, mas mesmo que seu laptop permaneça na base a maior parte do tempo, uma máquina mais fria e silenciosa pode fazer uma diferença notável no conforto do seu área de trabalho.

Obviamente, nenhuma tecnologia é perfeita e os SSDs estão longe disso. Na próxima página, examinaremos os pontos negativos do flash NAND e por que uma combinação de tecnologias pode ser a melhor solução.

Trocar seu disco rígido por uma unidade de estado sólido parece um acéfalo. Mas antes de fazer a troca, você deve entender as limitações dos SSDs. Como custo. Embora os preços tenham diminuído constantemente, a memória flash NAND ainda é cara. Para obter 240 gigabytes de armazenamento em um SSD PNY Prevail, por exemplo, você pode desembolsar US$ 280. Isso é $ 1,17 por gigabyte. O Western Digital Scorpio Blue HDD, por outro lado, oferece 250 gigabytes de armazenamento por aproximadamente US $ 65. Isso resulta em US $ 0,26 por gigabyte.

Depois, há a questão da longevidade. O flash NAND usado em SSDs só pode ser usado para um número finito de gravações. Por quê? Porque os SSDs não podem gravar um único bit de informação sem primeiro apagar e depois reescrever blocos muito grandes de dados de uma só vez. Cada vez que uma célula passa por um ciclo de apagamento, alguma carga é deixada no transistor de porta flutuante, o que altera sua resistência. À medida que a resistência aumenta, a quantidade de corrente necessária para mudar o portão aumenta. Eventualmente, o portão não pode ser invertido, tornando-o inútil. Esse processo de deterioração não afeta os recursos de leitura do SSD, porque a leitura requer apenas verificar, não alterar, as voltagens das células. Como resultado, o flash NAND pode "apodrecer" em um estado somente leitura.

Alguns fabricantes usam algo chamado nivelamento de desgaste para neutralizar a degradação do flash NAND. Essa técnica distribui gravações de dados em todos os blocos para garantir que a memória flash se desgaste uniformemente, mas mesmo com isso, os SSDs se deteriorarão com o tempo. A memória flash NAND da variedade de células de nível único geralmente oferece 50.000 ciclos de programa/apagamento. O flash da variedade de células de vários níveis - o tipo usado em produtos de nível de consumidor - se desgasta após cerca de 5.000 ciclos.

Por esse motivo, muitos data centers e técnicos usam uma combinação de SSD e HDD. Uma abordagem é usar uma unidade de estado sólido em um laptop e um disco rígido tradicional como armazenamento externo contendo músicas, fotos e outros arquivos. Isso combina o melhor dos dois mundos - o acesso a dados aleatório e ultrarrápido do SSD com a capacidade relativamente barata e alta do HDD. Se isso soa bem para você, você vai querer começar a comprar uma unidade de estado sólido adequada. Os principais fabricantes incluem Samsung, Seagate, SanDisk, PNY, Toshiba e OCZ Technology. E não se esqueça da Intel, que oferece uma linha robusta de drives, bem como várias ferramentas para ajudá-lo a escolher a tecnologia certa e calcular quanto tempo e dinheiro você pode economizar se mudar para SSD.

Trabalhar neste artigo me levou de volta à ciência da computação da faculdade, onde aprendemos sobre bits, bytes e, claro, memória. Naquela época, eu sentei na frente de um Commodore 64 (que são 64 kilobytes de RAM) com um drive de disquete externo de 5,25 polegadas! Cara, a que ponto chegamos.

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