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Memorias de estado sólido (SSD): desde su origen hasta hoy

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Ya no es raro que cuando vamos a una tienda a comprar un PC o un portátil, el dependiente nos informe, como gran novedad y muestra de que están a la última, que en vez de un disco duro magnético, nuestro nuevo y flamante portátil tiene un disco duro de estado sólido.

La primera experiencia que la mayor parte hemos tenido con memorias de estado sólido, SDD en sus siglas en inglés, fue con las memorias USB y las tarjetas de memoria para smartphone y cámaras de fotografía digital.

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Ahora esas SDD han mejorado tanto que ya hay equipos informáticos cuyos discos duros son de estado sólido.

Al mismo tiempo, también se están generalizando discos duros externos de estado solido, como puede ser el Samsung SSD T3 con capacidad de hasta 500 GB.

Ventajas y desventajas de los discos duros SSD

En esencia, las memorias SSD son memorias no volátiles, siendo una de esas memorias SSD la memoria flash. Las ventajas de tener un disco duro SSD y no magnético son muchas. Una de las más evidentes es la mayor resistencia a los golpes.

Además, un disco duro SSD es mucho más silencioso que un disco magnético tradicional. Debido a que no tienen partes móviles, el acceso a datos es mucho más rápido y la latencia también se reduce. Cuando hablamos de latencia nos referimos al tiempo que tarda el dispositivo, en este caso un disco duro, en reaccionar ante una orden.

Eso es muy importante cuando hablamos del tiempo que se tarda en cargar el sistema operativo y por tanto, de la velocidad con la cual podemos comenzar a trabajar.

Pero en los discos duros SSD no todo son ventajas. Entre sus principales inconvenientes se encuentra que su vida útil es más corta, debido a que el número de ciclos de escritura es mucho menor.

Los discos SSD también son más proclives que los discos duros magnéticos a la pérdida total de información que en ellos hay alojada.

En cuanto a la interfaz, los discos duros SSD pueden utilizar el mismo interfaz SATA que los discos duros magnéticos. Eso hace que su instalación en un ordenador de sobremesa o portátil sea muy fácil, y su sustitución también.

Del disco duro magnético al de estado sólido

Desde el año 2010, la mayoría de los discos duros SSD son memorias flash de tipo NAND, lo que permite mantener guardados los datos sin necesidad de que se administre una corriente eléctrica.

En estos momentos, lo más habitual es la existencia de discos duros híbridos, también llamados HHD en sus siglas en inglés. Estos discos duros híbridos ofrecen la fiabilidad de un disco duro magnético con la velocidad que solo puede imprimir una unidad de memoria SSD.

A pesar de las ventajas y las desventajas que tiene el SSD, la realidad, es, al menos por el momento, que se trata de una tecnología que ha llegado para quedarse y esto se puede hacer extensible tanto para ordenadores de sobremesa como para portátiles.

Como ya hemos indicado, una de las principales ventajas, y algo perceptible casi de inmediato, es la rapidez que tiene un disco duro SSD frente a uno magnético.

Es esta alta velocidad lo que permite llevar a otra dimensión el uso de aplicaciones, sistema operativo y sobre todo el acceso a datos.

Antes de explicar las ventajas que tiene un disco duro SSD frente a uno tradicional, primero vamos a hacer un sucinto preámbulo para explicar cómo funciona un disco duro magnético a nivel interno.

Discos duros SSD: antecedentes y funcionamiento

En los discos duros tradicionales, los magnéticos, existe un plato imantado que gira y sobre el que actúa un cabezal que es el que graba la información. Hasta cierto punto, un disco duro funciona como un vinilo de música, donde la cabeza lectora lee los surcos del disco.

En los discos magnéticos, la recuperación y el grabado de datos no son inmediatos. Esto es debido a que el disco duro está continuamente girando.

Debido a ese giro constante, la cabeza lectora tiene que posicionarse, y eso lleva tiempo, sobre el sector del disco duro donde quiere recuperar la información o grabarla.

Debido a ello, la industria, sin salirse del esquema del disco duro magnético, lleva décadas ingeniándoselas para lograr que la grabación y el acceso a datos sean lo más rápidos posibles. Para ello ya lo han intentado casi todo.

La industria ha ensayado desde aumentar la velocidad de los discos duros, utilizar platos de menor tamaño o inclusive desarrollar memorias caché con una mayor capacidad de almacenaje de datos.

Sin embargo, con todas las mejoras habidas y por haber, los discos duros magnéticos llegaron a su techo hace años, por lo que los fabricantes, que llevaban lustros investigando sobre memorias sólidas, desarrollaron los primeros discos duros SSD.

Memorias NAND

El desarrollo de los SSD ha crecido parejo al de las memorias NAND, que a su vez se basan en el uso de transistores de puerta flotante. Tras este críptico nombre, se encuentran un tipo de memoria que no necesita tener un flujo de corriente eléctrica para mantener la información almacenada.

Este tipo de memoria RAM es deudora de la memoria EEPROM, un híbrido entre la memoria ROM y la RAM, desarrollada hace ya varias décadas. De cualquier modo, el funcionamiento de las memorias NAND es peculiar, y aquí os lo explicamos.

Por el diseño de cada celda de memoria, los electrones se almacenan en el puente flotante, de manera que se considera como 0 cuando está cargado y un 1 si está vacío.

En cuanto a su arquitectura, la memoria NAND está organizada como si de una matriz se tratase, pero con la salvedad de que aunque la matriz completa se considera como un bloque, las filas que forman parte de la misma son consideradas como páginas.

Cada página tiene un tamaño variable que oscila entre los 2 y los 16K, con 256 páginas por bloque, por lo que cada uno de esos bloques puede tener un tamaño que va desde los 256 KB a los 4 MB.

Toda esa complejidad técnica que os hemos explicado se sustancia en que un disco duro SSD carece de partes móviles, por lo que las velocidades de lectura/escritura de datos nos llevan a una nueva dimensión, si las comparamos con los discos duros magnéticos.

En uno de los movimientos más interesantes del mercado, Samsung va a suministrar, durante todo el 2017, memorias flash NAND a nada menos que a Apple, para que los de Cupertino las utilicen en sus dispositivos.

Tipos de discos SSD atendiendo a su capacidad: SLC, MLC, TLC

Memorias de estado sólido SLC

Como ya os hemos explicado, la estructura de las celdas de memoria de las memorias NAND es peculiar, y podemos clasificar los discos duros SSD por la cantidad de información que pueden almacenar esas celdas.

El primer tipo de SSD se denomina SLC, acrónimo en inglés de Single Level Cell, que fueron el primer tipo de disco duro SSD que se sacó al mercado. El SLC permite almacenar un bit en cada celda de memoria.

Como ya os habréis dado cuenta, eso implica que la memoria tiene menor densidad, por lo que por la demanda de capacidad que hoy en día tienen los discos duros actualmente, no es una solución óptima de almacenamiento.

Además, para lograr un disco duro basado en SLC que tenga la suficiente capacidad para los requerimientos de hoy en día, el número de celdas necesarias es enorme, lo que redunda en un producto de almacenamiento extremadamente caro.

Sin embargo, los SSD de tipo SLC tienen una virtud, como es que el rendimiento es más alto que en otro tipo de memorias, permitiendo hasta 100.000 operaciones de borrado.

Todas estas características hacen que el SLC esté casi vedado a un uso industrial y profesional. Y aquí no podemos dejar de citar el disco duro SSD de 60 TB que Seagate sacó la mercado en los últimos meses del año 2016.

Memorias de estado sólido: MLC

Otro tipo de SSD es el que se conoce como MLC, acrónimo, en inglés, de Multi Level Cell. En este tipo de memoria, en cada celda se pueden almacenar hasta 2 bits.

A simple vista vemos que, una memoria MLC, permite el almacenamiento del doble de información que la SLC. Además de poder contener el doble de información, las memorias de tipo MLC son más baratas y eso hace que su uso sea más habitual. Sin embargo, como cualquier otro tipo de memoria, también tiene sus desventajas.

Una de las principales desventajas es que permiten un menor número de escrituras/borrado de datos, además de un menor rendimiento. Que cada celda contenga dos bits hace necesario la posibilidad de cuatro estados, debido a lo cual el acceso a memoria es más lento.

Memorias de estado sólido: TLC

El tercer tipo de memorias de estado sólido es la que se conoce como Triple Level Cell, esto es, TLC, en su acrónimo en inglés. En este caso, el número de bits que tenemos en cada celda sube a tres, lo que implica una mayor capacidad de almacenaje por cada «pastilla».

Además, el precio de fabricación de este tipo de SSD es el más barato de los tres, habiendo sacado al mercado discos duros SSD muy económicos, por lo que se ha convertido en uno de los tipos de memorias sólidas más populares. En este caso, el número de estados que podemos tener en este tipo de SSD son 8, lo que permite mucho más rendimiento.

Sin embargo, también nos encontramos con algunas desventajas, como pueda ser una mayor rapidez en la degradación de la memoria cuando se llega a un número determinado de lecturas/escrituras.

Para paliar este problema de la degradación de las memorias SSD, surgió TRIM, una tecnología que está íntimamente relacionada con el borrado de datos en una memoria de estado sólido.

TRIM ¿Y eso qué es?

Las memorias de estado sólido tiene la peculiaridad de que solo pueden escribir en una fila, mientras que solo se pueden borrar en bloque.

Al menos hasta ahora, la única manera de borrar el contenido de una página es copiar el contenido de las celdas útiles, borrar todo el bloque, y volver a escribir el contenido copiado.

A esa operativa se la denomina Garbage Collection. Es este continuo proceso de copia, escritura y borrado lo que acaba degradando los discos duros SSD, que también se ven afectados por el paso del tiempo.

Aquí es donde entra en juego TRIM, encargado de comunicar el sistema operativo con el controlador del disco duro SSD, informando al sistema operativo cuales son los bloques de la memoria que han sido borrados.

Aquí debemos explicar que cuando se borra un archivo, el sistema operativo marca los bloques de memoria como no usados, pero no los borra; para borrar esos bloques de memoria, el sistema operativo debe indicar al disco duro SSD que bloques hay que borrar.

TRIM depende del sistema operativo, es decir, es este el que tiene que integrarlo como característica. TRIM forma parte de los sistemas operativos de Microsoft desde Windows 7, mientras que Apple introdujo la característica desde Snow Leopard.

Controlador de SSD

A medida que han ido evolucionando los discos duros SSD, sus controladores han ido volviéndose mucho más complejos, y en estos momentos se parecen mucho a un ordenador.

Todo controlador de SSD tiene una interfaz de entrada, un procesador, su propia memoria caché y hasta memoria RAM, habitualmente DDR3. Inclusive hay discos duros SSD que tienen hasta sus propios algoritmos de compresión, para de ese modo lograr que el número de lecturas y escrituras descienda, logrando de esa manera que la degradación del disco duro sea más lenta.

Por lo general, es el mismo fabricante del disco duro SSD el que fabrica el controlador, aunque también existen fabricantes, como Marvell o SandForce, que fabrican controladores para discos duros SSD de otros fabricantes.

Discos duros SSD y nuevos protocolos

En la prehistoria de los discos duros de estado sólido, no era extraño encontrar SSD utilizando interfaces IDE, aunque al poco tiempo se desarrolló el protocolo SATA 2, basado en el protocolo SATA de los discos magnéticos.

SATA 2 ya permitía una tasa de transferencia de 300 MB/s para discos duros SSD, lo que supuso una auténtica revolución. En pocos años surgió SATA 3, que llegaba a tasas de transferencia de 600 MB/s.

Otro de los protocolos que han surgido al calor de los discos duros SSD ha sido el NVMe, que mediante el uso de buses PCI-express ha llegado a velocidades de transferencia de 2.000 MB/s en discos duros SSD de 2,5’’. Esos discos se pueden ver ya alojados tanto en portátiles como en ordenadores de sobremesa.

¿Tiene futuro el SSD?

Aunque nadie puede asegurar totalmente que los discos duros de estado sólido vayan a convertirse en el futuro del almacenamiento, es muy probable que sí.

Los indicios informan que el estándar se está consolidando por las ventajas que ofrecen ante otro tipo de tecnologías de almacenamiento masivo.

Una de esas ventajas es que, aunque todavía no han alcanzado la capacidad de almacenaje de los discos duros magnéticos, en muy poco tiempo han ido sumando terabytes.

Por otro lado, los precios, que en un primer momento fueron prohibitivos, con el mayor uso de esta tecnología se han ido moderando, haciendo más económica esta opción de almacenaje de datos.

En este sentido, en poco tiempo, hemos pasado de un precio de un euro por cada gigabyte de almacenamiento SSD, a pagar ahora un euro por cada cuatro gigabytes del mismo tipo de almacenamiento.

La consolidación de los discos duros SSD va a depender de la mejora de las NAND, ya que a día de hoy, no existen grandes diferencias en el uso de un disco duro SSD, ya sea utilizando un protocolo NVMe o un protocolo SATA.

Nuevas tecnologías en memorias sólidas: IBM

Sin embargo, que el SSD casi se haya consolidado, no implica que varias empresas tecnológicas sigan investigando en estos campos. Entre esas nuevas tecnologías que se han investigado con éxito nos encontramos la 3D NAND.

La multinacional IBM se encuentra experimentando una memoria que ha denominado de cambio de fase, que puede suponer un cambio de paradigma en lo que hasta ahora hemos concebido como ordenador.

IBM no deja de sorprendernos, máxime cuando sabemos ahora la alianza, que ya dura cinco años, entre IBM y Apple para fabricar procesadores conjuntamente.

Fuente: Wikipedia / Computer Hoy

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