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Parte 1. Anatomía del disco: discos duros

Tan duro como la piedra

De la misma manera que los transistores revolucionaron el campo de la computadora al aumentar la velocidad de conmutación y realizar operaciones matemáticas, el uso de dispositivos semiconductores como dispositivos de almacenamiento condujo al mismo resultado.

Toshiba dio los primeros pasos en esta dirección y propuso el concepto de memoria flash en 1980 . Cuatro años después, creó la memoria NOR y, en 1987, la memoria NAND. La primera unidad flash comercial ( unidad de estado sólido o SSD) fue lanzada por SunDisk (más tarde rebautizada como SanDisk) en 1991.

La mayoría de las personas comenzaron a conocer las SSD de las llamadas memorias USB . Incluso hoy, su estructura en su conjunto se asemeja a la de la mayoría de los SSD.

A la izquierda hay un solo chip de memoria SanDisk NAND. Al igual que SRAM, se usa en cachés de CPU y GPU. Está lleno de millones de "celdas" creadas a partir de transistores de puerta flotante modificados . Usan alto voltaje para registrar y borrar la carga en secciones individuales del transistor. Al leer una celda, se aplica un voltaje reducido a la sección.

Si la celda no está cargada, cuando se aplica un voltaje bajo, fluye corriente. Esto hace que el sistema entienda que la celda tiene el estado 0; en el caso opuesto, tiene el estado 1 (es decir, no fluye corriente cuando se aplica voltaje). Gracias a esto, leer desde la memoria NAND es muy rápido, pero escribir y eliminar datos no es tan rápido.

Las mejores células de memoria llamadas células pares(celdas de un solo nivel, SLC), tienen solo una cantidad de carga creada en el sitio del transistor; sin embargo, hay celdas de memoria que pueden tener varios niveles de carga. En general, todas se denominan celdas multinivel ( celdas multinivel , MLC) , pero el acrónimo de la industria NAND-MLC memory 4 denota la carga de producción. Otros tipos tienen nombres similares: tres niveles ( nivel triple, TLC) y cuatro niveles (nivel cuádruple, QLC) tienen, respectivamente, 8 y 16 niveles de carga diferentes.

Esto afecta la cantidad de datos que se pueden almacenar en cada celda:

SLC - 1 nivel = 1 bit
MLC - 4 niveles = 2 bits
TLC - 8 niveles = 3 bits
QLC - 16 niveles = 4 bits

Etc. QLC parece ser las mejores células, ¿verdad? Lamentablemente no lo es. Las corrientes son muy pequeñas y sensibles al ruido eléctrico, por lo tanto, para determinar los diferentes niveles de carga de la celda, debe leer el valor varias veces para confirmarlo. En resumen, los SLC son las células más rápidas, pero ocupan la mayor parte del espacio físico, y los QLC son los más lentos, pero por su dinero obtiene más bits.

A diferencia de SRAM y DRAM, cuando se apaga la alimentación, la carga en la memoria flash se guarda y su fuga es muy alta.lento. En el caso de la memoria del sistema, las células se descargan en nanosegundos y, por lo tanto, deben actualizarse constantemente. Desafortunadamente, el uso de voltaje y el suministro de carga dañan las células y, por lo tanto, los SSD se desgastan con el tiempo. Para combatir esto, se utilizan procedimientos complicados para minimizar la tasa de desgaste; Por lo general, hacen que el uso de las células sea el más uniforme.

Esta función está controlada por el chip de control que se muestra a la derecha. También realiza las mismas tareas que el chip LSI utilizado en el HDD. Sin embargo, las unidades con discos giratorios tienen chips separados para la memoria caché DRAM y el firmware Serial Flash, y ambos controladores están integrados en la unidad flash USB. Y dado que están diseñados para ser baratos, no obtendrá mucha funcionalidad de ellos.

Pero debido a la falta de partes móviles, podemos esperar con confianza que el rendimiento de la memoria flash sea mayor que el del HDD. Veamos las métricas con CrystalDiskMark :

Al principio, los resultados son decepcionantes. Las velocidades de lectura / escritura secuencial y de escritura aleatoria son mucho peores que las del disco duro probado; sin embargo, la lectura aleatoria es mucho mejor, y esta es la ventaja que proporciona flash. Escribir y eliminar datos es bastante lento, pero la lectura generalmente se realiza al instante.

Sin embargo, esta prueba tiene otra característica imperceptible. La prueba de memoria USB proporciona conectividad solo de acuerdo con el estándar USB 2.0, que tiene una velocidad de transferencia máxima de solo 60 MB / s, y el disco duro utiliza el puerto SATA 3.3, que proporciona un rendimiento 10 veces más. Además, la tecnología de memoria flash utilizada es bastante simple: las celdas son del tipo TLC y están dispuestas en largas franjas paralelas; este arreglo se llama plano(plano) o bidimensional (2D).

La memoria flash utilizada en los mejores SSD modernos es del tipo SLC o MLC, es decir, funciona un poco más rápido y se desgasta un poco más lento, y las rayas se doblan por la mitad y se alinean en posición vertical, formando una estructura celular vertical o tridimensional . También usan la interfaz SATA 3.0, aunque cada vez usan más un sistema PCI Express más rápido a través de la interfaz NVMe.

Echemos un vistazo a uno de esos ejemplos: el Samsung 850 Pro , que utiliza estos trucos con un diseño vertical.

A diferencia del pesado disco Seagate de 3.5 pulgadas , este SSD tiene solo 2.5 pulgadas de tamaño y es mucho más delgado y liviano.

Vamos a abrirlo (gracias a Samsung por usar pernos Torx tan baratos que casi se desmoronaron cuando se desmantelaron ...) y veamos por qué:

¡No hay casi nada en ello!

Sin discos, sin palancas, sin imanes, solo una placa de circuito impreso que consta de varios chips.

Entonces, ¿qué vemos aquí? Los pequeños chips negros son reguladores de voltaje, y el resto realiza las siguientes funciones:

Samsung S4LN045X01-8030: procesador de tres núcleos basado en ARM Cortex R4 para procesar instrucciones, datos, corrección de errores, cifrado y gestión del desgaste
Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 MB de SDRAM DDR2 utilizada para caché
Samsung K9PRGY8S7M: cada chip es 64 GB de memoria flash vertical MLC tipo NAND de 32 capas (en total 4 chips, dos están ubicados en el otro lado de la placa)

Tenemos celdas de memoria flash de 2 bits, varios chips de memoria y mucho caché, lo que debería proporcionar un mayor rendimiento. ¿Por qué? Recuerde que escribir datos en la memoria flash es un proceso bastante lento, pero tener múltiples chips flash le permite grabar en paralelo. Una memoria USB no tiene mucha DRAM para almacenar datos listos para grabar, por lo que un chip separado también ayudará. Volver a CrystalDiskMark ...

La mejora resultó ser enorme . La velocidad de lectura y escritura se ha vuelto mucho más alta, y los retrasos son mucho menores. ¿Qué más se necesita para la felicidad? Más pequeño y ligero, sin partes móviles; Los SSD también consumen menos energía que las unidades de disco mecánicas.

Por supuesto, todas estas ventajas tienen un precio, y aquí la palabra "precio" se usa literalmente: ¿recuerda que por $ 350 puede comprar un HDD de 14 TB ? Si toma el SSD, entonces por esta cantidad podrá comprar solo 1 o 2 TB . Si desea una unidad del mismo nivel, hasta ahora lo mejor que puede hacer es gastar $ 4,300 en un SSD de nivel empresarial con una capacidad de 15.36 TB.

Algunos fabricantes hicieronHDD híbridos: discos duros estándar con un poco de memoria flash en sus placas de circuito; se usa para almacenar datos en discos, a los que a menudo se accede. A continuación se muestra una placa de una unidad híbrida Samsung de 1 TB (a veces llamada SSHD ).

En la esquina superior derecha de la placa se encuentran el chip NAND y su controlador. Todo lo demás es casi lo mismo que en el modelo Seagate, que examinamos en una publicación anterior.

Podemos usar CrystalDiskMark por última vez para ver si hay algún beneficio tangible al usar memoria flash como caché, pero la comparación será injusta, ya que los discos de este disco giran a una velocidad de 7200 rpm (y el HDD WD, que nosotros utilizado para la autopsia, desde solo 5400 rpm):

El rendimiento es ligeramente mejor, pero la razón de esto es probablemente la mayor velocidad de rotación: cuanto más rápido se mueve el disco debajo de los cabezales de lectura / escritura, más rápido puede transferir datos. También vale la pena señalar que los archivos generados por la prueba de referencia no serán reconocidos como leídos activamente por el algoritmo, lo que significa que el controlador probablemente no podrá usar correctamente la memoria flash.

A pesar de esto, mejores pruebas mostraron una mejora en el rendimiento del HDD con un SSD integrado. Sin embargo, es probable que la memoria flash barata falle mucho más rápido que una HDD de alta calidad, por lo que las unidades híbridas probablemente no merecen nuestra atención: la industria de las unidades está mucho más interesada en las SSD.

Antes de continuar, vale la pena mencionar que la memoria flash no es la única tecnología utilizada en las unidades de estado sólido. Intel y Micron inventaron conjuntamente un sistema llamado 3D XPoint . En lugar de escribir y borrar las cargas de las cargas en las celdas para crear estados 0 y 1, para generar bits en este sistema, las celdas cambian su resistencia eléctrica.

Intel promocionó esta nueva memoria bajo la marca Optane, y cuando la probamos, el rendimiento fue sobresaliente . Como el precio del sistema, pero en un mal sentido. Una unidad Optane por solo 1 TB cuesta hoy más de $ 1,200 , cuatro veces más que una SSD del mismo tamaño basada en memoria flash.

La tercera y última unidad, que exploraremos en el próximo artículo, serán unidades ópticas.

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