Almacenamiento flash

Usos y beneficios del almacenamiento flash

La memoria flash es ampliamente utilizada en dispositivos de consumo. Los teléfonos inteligentes y los reproductores de MP3 han abandonado en gran medida la unidad de disco duro (HDD) mecánica; pues flash proporciona ventajas en cuanto a su capacidad de compactarse y su consumo de energía. En las computadoras portátiles, el almacenamiento flash ofrece la ventaja adicional de ser más resistente a los golpes de aceleración gravitatoria alta y las caídas que estos dispositivos a menudo reciben en su vida móvil. Esta naturaleza robusta permite que las unidades sigan funcionando a través de estos eventos, lo que protege los datos. Flash es más frecuente en los portátiles que en los equipos de escritorio. Flash es también la forma estándar de almacenamiento en cámaras digitales, tabletas y cámaras digitales. Los encogimientos fotolitográficos y el desarrollo de tipos de flash más densos han permitido un aumento de la capacidad, haciendo que el flash sea adecuado para aplicaciones miniaturizadas.

La adopción de almacenamiento flash está creciendo en los sistemas de almacenamiento empresarial. Los despliegues iniciales se centraron en la aceleración de aplicaciones intensivas de E/S, como bases de datos e infraestructuras de escritorio virtual. Los casos de uso se han expandido a cargas de trabajo generales de la empresa, ya que el coste del flash ha disminuido y las empresas han intentado aprovechar sus beneficios de rendimiento y baja latencia.

¿Cómo funciona el almacenamiento flash?

La memoria de almacenamiento flash es una forma de EEPROM (memoria de lectura programable borrable eléctricamente), aunque el flash difiere de la EEPROM convencional en la forma en que borra los datos. Flash borra bloques enteros de datos a la vez, en lugar de hacerlo en un nivel de bit a bit, como lo hace la EEPROM convencional. Un bloque almacenado en un chip de memoria flash debe ser borrado antes de que se puedan escribir nuevos datos en el microchip. A diferencia de la RAM dinámica (DRAM), el EEPROM estándar y flash son memoria no volátil. Esto significa que no requieren energía para conservar los datos almacenados con integridad, por lo que un sistema puede ser apagado –o perder energía– sin perder datos.

Flash es almacenamiento de estado sólido, que almacena datos usando una carga en un condensador para representar un bit. A menudo se empaqueta en chips montados en superficie unidos a una placa de circuito impreso. No hay partes mecánicas en movimiento, lo que reduce el consumo de energía. Una típica unidad flash ATA serial (SATA) consume el 50% o menos de la potencia requerida por los discos duros SATA mecánicos y puede tener velocidades de lectura secuenciales de más de 500 megabytes por segundo en unidades de consumo –más veloz que los más rápidos HDDs mecánicos de clase empresarial. Eso es sólo una parte de la imagen porque los tiempos de acceso son en donde brilla el flash. Las unidades flash no tienen ninguna limitación mecánica para el acceso a archivos, lo que permite tiempos de acceso en microsegundos, en lugar de los tiempos de búsqueda de milisegundos requeridos por los discos duros mecánicos (HDDs), que es menor en varios órdenes de magnitud en cuanto a latencia.

La mayoría de los sistemas de almacenamiento flash están compuestos de chips de memoria y un controlador de flash. Los chips de memoria almacenan datos mientras el controlador gestiona el acceso al espacio de almacenamiento en la unidad de memoria. El controlador de flash es a menudo multicanal, trabajando con un caché de RAM. El caché almacena en memoria intermedia los datos que van y salen de un número de fichas. El almacenamiento en búfer mejora la velocidad.

La historia del almacenamiento flash

Se cree que el dr. Fujio Masuoka inventó NOR y NAND flash, los dos principales tipos de memoria flash, mientras trabajaba para Toshiba en los años ochenta. En comparación con el lento proceso utilizado por EEPROM, la capacidad del nuevo formato para ser programado y borrado en bloques grandes le recordó a un colega del dr. Masuoka al flash de una cámara. NOR y NAND tienen el nombre por la forma en que están interconectadas las puertas flotantes de las celdas de memoria que contienen datos, en configuraciones que se parecen en cierta medida a una puerta lógica NOR o NAND.

El interés de Intel se despertó por el hecho de que el flash NOR funcionó como un reemplazo de mayor funcionamiento para las EPROM con las que la compañía estaba trabajando en ese momento. La compañía lanzó los primeros chips flash NOR en 1988. Toshiba siguió con los primeros chips flash NAND en 1989.

Los principales fabricantes de chips de memoria flash NAND incluyen Intel, Micron Technology, Samsung, SK Hynix, Toshiba y la división SanDisk de Western Digital. Los principales fabricantes de memoria flash NOR incluyen a Cypress Semiconductor, Macronix, Microchip Technology, Micron Technology y Winbond.

Almacenamiento flash vs. HDD tradicionales

El almacenamiento flash NAND ofrece ventajas sobre las unidades de disco duro tradicionales. Los discos duros tienen un menor coste por bit de datos almacenados, pero las unidades flash pueden proporcionar un rendimiento significativamente mayor, menor latencia y reducción del consumo de energía. El tamaño compacto también hace que flash sea adecuado para pequeños dispositivos de consumo.

En los sistemas empresariales, flash puede permitir a una empresa consolidar el almacenamiento y reducir el coste total de propiedad. Se necesitan menos SSD para procesar las transacciones y ofrecer un nivel comparable de rendimiento a los sistemas que utilizan discos duros más lentos. Las empresas, a su vez, pueden obtener ahorros de espacio en rack, administración del sistema, mantenimiento y costos de energía y refrigeración. Las tecnologías de reducción de datos, como la deduplicación en línea y la compresión en los sistemas de almacenamiento de puro flash, también permiten a las empresas reducir sus huellas de datos.

Conforme ha aumentado el interés en el almacenamiento flash, los observadores de la industria han notado una advertencia que con frecuencia es pasada por alto con flash. Mientras que la velocidad y el acceso de lectura aleatorio son muy superiores en flash, en comparación con los discos duros tradicionales, la longevidad puede reducirse en un uso intensivo con altas cargas de trabajo de escritura. Esta reducción en la resistencia se debe a la tolerancia relativamente limitada de flash para los ciclos de escritura y borrado. Los fabricantes utilizan características como nivelación de desgaste y memoria RAM no volátil RAM para proporcionar almacenamiento flash con un mejor rendimiento y reducir el desgaste de escritura SSD de flash para mejorar la confiabilidad.

Formatos de almacenamiento flash

NOR ofrece el direccionamiento de memoria en una escala de bytes, permitiendo el acceso verdadero, aleatorio y buenas velocidades de lectura. Fue esta direccionabilidad la que interesó a Intel en NOR, ya que la tecnología se ajustaba a los requerimientos de BIOS y a las aplicaciones de interfaz de firmware extensible (EFI). NOR es más caro por gigabyte (GB) que NAND debido a que su tamaño de celda individual es más grande. NOR también tiene tiempos de escritura y borrado más lentos que NAND, también. Tanto NAND como NOR utilizan el túnel cuántico de electrones para mover electrones a través del material aislante dieléctrico de la pared celular, que degrada el material con el tiempo. El flash NOR es borrable, lo que lo convierte en un gran reemplazo para los chips de BIOS y EFI basados ​​en EEPROM o ROM, donde la capacidad de direccionamiento y velocidad de lectura es una bendición, mientras que la durabilidad de reescritura es menos preocupante.

NAND ofrece mayores velocidades de escritura que NOR flash junto con un menor coste por GB. El coste más bajo es un resultado del diseño de la cadena de la memoria NAND de la secuencia, ahorrando el espacio muerto y reduciendo el tamaño total de un chip por GB. NAND puede venir en celda de un solo nivel (SLC) y en celdas de niveles múltiples (MLC), que incluyen células MLC (eMLC) y celdas de triple nivel (TLC). SLC almacena un solo bit de información por celda. SLC generalmente ofrece mayores velocidades, especialmente cuando se trata de escribir, mayor longevidad y menos errores de bits. MLC proporciona capacidad de almacenamiento para más datos, ya que su célula es capaz de más niveles de carga (o estados), lo que le permite almacenar múltiples bits de datos por célula. MLC puede doblar capacidad sobre SLC; mientras que TLC proporciona un tercer bit. Los niveles adicionales de carga, junto con controladores de flash y firmware más inteligentes, pueden permitir la corrección de errores de bits.

Interfaces de almacenamiento flash

El almacenamiento flash para la memoria de la computadora viene en una variedad de interfaces, incluyendo USB, SAS, SATA, M.2 y PCI Express (PCIe). USB 3.1 Gen 2, conocido como SuperSpeed ​​USB 10 Gbps, se hizo disponible en 2013 y es usada generalmente en unidades flash, gabinetes y dispositivos móviles. SATA es un formato común en computadoras de escritorio y portátiles, y la versión de 6 Gb puede eliminar cuellos de botella de ancho de banda. Los envíos por volumen de SAS de 12 Gbps comenzaron en 2015. Los SSD basados ​​en SAS son ampliamente utilizados en sistemas de almacenamiento empresariales. El almacenamiento flash con conexión PCIe proporciona un ancho de banda suficiente para permitir la expansión futura y representa el extremo de las ofertas de alta velocidad. La tecnología de memoria no volátil utilizada con los SSD basados ​​en PCIe reduce aún más la latencia, aumenta la IOPS y reduce el consumo de energía a través de la optimización de la pila de E/S.

Flash en el centro de datos

Los centros de datos con aplicaciones intensivas en E/S, como las bases de datos de alta tasa de transacción y los sistemas de procesamiento de tarjetas de crédito, recurren cada vez más al almacenamiento flash como una forma eficiente y rentable de aumentar el rendimiento sin tener que agregar más servidores. Los principales fabricantes de sistemas de almacenamiento ofrecen sistemas todo-flash y arreglos híbridos, que están equipados con SSD y HDD. Numerosos especialistas en almacenamiento flash también han surgido para desafiar a los titulares. Los servidores equipados con almacenamiento flash también son cada vez más comunes y pueden reducir aún más la latencia.

Los administradores de centros de datos que buscan maneras de abordar el drenaje de energía representado por HDDs están examinando el almacenamiento flash como una forma de lograr la computación verde o puntos de referencia de centros de datos verdes. Los SSD de flash proporcionan un ancho de banda alto con un consumo de energía mucho menor que los discos duros, lo que los convierte en una buena opción para esta aplicación.

Flash para aficionados

Muchos entusiastas han adoptado el almacenamiento flash. Estos usuarios suelen tener su sistema operativo, unos cuantos juegos y aplicaciones de uso intensivo de datos como software de edición de audio, video e imágenes en una unidad flash o incluso en una matriz RAID de flash. El almacenamiento principal de archivos que no requieren velocidad podría realizarse en un disco duro convencional, potencialmente masivo y económicamente rentable. Otros entusiastas pueden utilizar todo-flash, dependiendo de si están entusiasmados con el flash en sí o sus atributos, incluyendo el silencio, la velocidad y la eliminación de cuellos de botella.