Características físicas de los discos duros SSD

Los discos duros SSD (Solid State Drive - Unidad de Estado Sólido) son la nueva tecnología de discos duros, la cual utiliza un tipo de memoria flash para almacenar los datos en lugar de platos magnéticos y una cabeza lectora/escritora.

Tecnologías de almacenamiento de la información

Como hemos comentado anteriormente, los discos duros SSD se caracterizan por almacenar la información en memorias flash del tipo NAND. Son un chip de silicio que también se utiliza en pendrives o tarjetas de memoria, creando una memoria no volátil, es decir, incluso cuando no posee energía es capaz de guardar los datos que tiene grabados.

Podemos encontrar las siguientes tecnologías diferentes dentro de las memorias NAND flash:

• SLC (Single Level Cell - Único Nivel de Celda): Sólo posee un bit de información en cada celda. Se pueden escribir sólo en dos estados (0 o 1) y de ahí vienen sus propiedades positivas. Al ser simples, son las más rápidas, la de mayor vida útil y de menor consumo energético, aunque por el contrario son las más costosas de fabricar de todas. Apenas se utilizan actualmente.

• MLC (Multi Level Cell - Múltiple Nivel de Celda): Posee dos bits de información en cada celda. Se escriben en cuatro estados (00, 01, 10 y 11). Es de la uso más común porque son más densas y se consigue mayor capacidad en el mismo espacio, significando además un precio más reducido. Sin embargo, los chips son más lentos y menos longevos que los SLC. Existen variantes como eMLC (Enterprise MLC), que mejora la vida útil de las celdas para aplicaciones críticas. Se utilizan en ambientes empresariales.

• TLC (Triple Level Cell - Triple Nivel de Celda): Posee tres bits de información en cada celda. Se escriben en ocho estados (000, 001, 010, 011...). Son aún más económicos que los MLC. Son de gran densidad y por ende, se puede obtener gran capacidad de almacenamiento digital en poco espacio físico. Pero también son más lentos que los MLC y tienen un tiempo de vida menor. Es el predominante en entorno doméstico.

• QLC (Quad Level Cell - Cuádruple Nivel de Celda): Posee cuatro bits de información en cada celda. Se escriben en dieciseis estados (0000, 0001, 0010...). Consiguen ser más económicos que los TLC. Duplican su nivel de densidad consiguiendo gran capacidad de almacenamiento. Pero vuelven a ser más lentos que los TLC y con menor tiempo de vida. Utilizados en tareas no intensivas.

A nivel físico, la información se almacena mediante niveles de tensión en la puerta flotante del transistor, pero al guardar la información el nivel de tensión que tienen es una aproximación dentro de un rango posible pero a nivel de milivoltios (mV). Por ejemplo, en las SLC, cada celda solo necesita dos niveles de tensión claramente diferenciados, mientras que en las MLC, TLC o QLC, el rango se subdivide en más niveles, lo que introduce un margen de error más estrecho y mayor complejidad en la lectura.

Imagen de Geektopia

Sin embargo, los rangos de voltajes en la memoria TLC son más reducidos, hay más posibles valores por celda, por lo que con el tiempo y con el desgaste de los aislantes comienza a ser más difícil guardar y recuperar un valor dentro del rango apropiado, haciendo que la celda termine informando de un valor almacenado incorrecto.

En ese punto entran en juego los mecanismos de corrección de errores (ECC) que proporciona el controlador, necesario para el funcionamiento de la memoria NAND, utilizado para gestionar la lectura y escritura de información y otros aspectos de las SSD. Uno de sus cometidos es el de detectar y marcar las celdas que están desgastadas para indicar que ya no se deben usar. Debido a esto, las SSD cuentan con un sobreaprovisionamiento de capacidad más allá de la indicada por el fabricante, aunque no la visible al usuario. Cuando se termina el espacio de este sobreaprovisionamiento, puede ocurrir que notemos cómo disminuye el espacio total del disco, lo cual no es problemático si tenemos espacio libre en el mismo, donde además notaríamos una disminución en el rendimiento.

Proceso de lectura/escritura

Los discos duros SSD almacenan la información en celdas de memoria NAND, que se agrupan directamente en páginas. Una página es la cantidad mínima de información que se puede leer o escribir en un momento dado. El tamaño típico de una página suele ser de 4 kB u 8 kB, aunque puede variar dependiendo de la tecnología NAND. Las páginas están agrupadas en bloques, que suelen contener 256 páginas, sumando un total de 2 MB. A su vez, los bloques se agrupan en planos, generalmente con 1.024 bloques por plano, y varios planos por chip de memoria.

Debido a cómo funciona la memoria NAND, los valores almacenados en una página no pueden ser alterados directamente una vez escritos. Si el contenido de una página debe cambiarse, los datos modificados se copian a una página libre en un bloque diferente, y la página original se marca como inválida. Para recuperar el espacio ocupado por las páginas inválidas, todo el bloque debe ser borrado, ya que las celdas NAND solo pueden borrarse en bloques completos. Este proceso, junto con la escritura de nuevos datos, se denomina ciclo de programación-borrado (Program/Erase cycle, P/E cycle).

Cada ciclo P/E provoca un desgaste gradual de las celdas NAND, ya que el material dieléctrico del aislante en la puerta flotante se degrada con el tiempo. La durabilidad de un SSD se mide en términos del número de ciclos P/E que puede soportar antes de que las celdas comiencen a fallar.

En los SSD más antiguos, la limpieza de bloques se realizaba únicamente cuando era necesario liberar espacio, lo que podía provocar una caída de rendimiento en momentos críticos. En cambio, los SSD modernos incorporan controladores que emplean mecanismos de recolección de basura (garbage collection). Este proceso se activa periódicamente, a menudo durante los períodos de inactividad, y consiste en mover las páginas válidas a nuevos bloques, dejando atrás las páginas inválidas. Posteriormente, los bloques que contienen esas páginas inválidas se borran para liberar espacio y mantener un rendimiento óptimo.

Para mejorar la eficiencia de este proceso, la mayoría de los SSD actuales también implementan la tecnología TRIM. Este comando permite al sistema operativo informar al SSD qué bloques de datos ya no se utilizan, facilitando así la tarea del controlador al identificar qué áreas pueden limpiarse con seguridad. Es importante señalar que, para que TRIM funcione correctamente, el sistema operativo debe ser compatible con esta tecnología.

También existe el mecanismo de nivelación de desgaste (wear leveling) que distribuye uniformemente las operaciones de escritura y borrado entre todas las celdas disponibles, evitando que algunas celdas se desgasten prematuramente mientras otras permanecen prácticamente intactas.

La recolección de basura y la nivelación de desgaste ayudan a maximizar la vida útil del disco duro.

Factores de forma SSD

SATA

Son herencia de los discos duros magnéticos y mantienen su características externas, pero sólo en los siguientes factores de forma:

• 2,5 pulgadas (2,5" / 2,5 inches / 2,5 in).
• 1,8 pulgadas (1,8" / 1,8 inches / 1,8 in).

Los grosores más comunes son 7mm, 9,5mm y 12mm.

La interfaz utilizada es SATA con el protocolo de transferencia AHCI.

mSATA

Es un formato compatible con la interfaz SATA pero con un tamaño mucho menor que el factor de forma SATA. Está en desuso, habiendo sido reemplazado por el factor de forma M.2.

M.2

El factor de forma M.2, anteriormente conocido como NGFF (Next Generation Form Factor), se diseñó para reemplazar el estándar mSATA, ofreciendo un factor de forma más compacto y versátil con un nuevo tipo de conector.

Los discos duros SSD M.2 pueden transmitir información mediante los buses SATA o PCI-Express, dependiendo del diseño del módulo, normalmente uno u otro. Esto implica que utilizarán diferentes protocolos de transferencia:

• SATA: Protocolo AHCI (Advanced Host Controller Interface), el mismo utilizado en discos SSD tradicionales.
• PCI-Express: Protocolo NVMe (Non-Volatile Memory Express), que proporciona mayor velocidad y menor latencia.

Se presenta en varios tamaños diferentes:

• Anchos: 12, 16, 22 y 30 mm, pero el de 22 mm es el único utilizado.
• Longitudes: 16, 26, 30, 38, 42, 60, 80, y 110 mm.

Uniendo ambos tamaños obtenemos el tipo de disco M.2 que nos va a aparecer en sus especificaciones, por ejemplo 2230, 2242, 2260 o 2280.

Los discos duros M.2 presentan una o varias muescas en su fila de contactos, conocidas como Key IDs, que determinan las capacidades de conexión y compatibilidad con diferentes interfaces. Estas ranuras están definidas por letras (de A a M), según la posición de los contactos que faltan. Si miramos la cara superior del disco M.2 con los contactos en la parte superior, las letras van de izquierda a derecha. En muchos casos, se incluye una marca para identificar el pin 1 como referencia.

Actualmente, las configuraciones más comunes para discos SSD M.2 son las siguientes, pero no son las únicas:

1. Key B+M: discos con trasmisión en SATA (AHCI).
2. Key M: discos con transmisión PCI-Express (NVMe).

U.2

El factor de forma U.2 es una solución diseñada para dispositivos de almacenamiento de alto rendimiento, como discos SSD empresariales y de gama alta. Utiliza también los buses PCI Express para la transmisión de datos, y su conector fue derivado del SATA Express, pero no tiene relación.

Bibliografía

• Tipos de memoria NAND en SSD: SLC, MLC, TLC y QLC. Profesional Review.
• Qué es una unidad de estado sólido (SSD): componentes, tecnologías y tipos. Geektopia.