Características físicas de los discos duros SSD

Los discos duros SSD (Solid State Disk - Disco 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.

Ventajas e inconvenientes frente a los discos duros magnéticos

Ventajas:

• Rapidez. Tanto en la búsqueda de los datos como en las lecturas posteriores. En una unidad de este tipo el tiempo que tienes que esperar hasta obtener los datos es siempre el mismo. No es necesario desfragmentarlo.

• Mayor resistencia a golpes. Al no tener componentes móviles responden mejor tanto a las vibraciones como a los golpes.

• Menor consumo de energía. Necesitan menos potencia para funcionar. Esto los hace ideales para dispositivos portátiles. Su menor consumo también significa que se desgastan menos debido al calor y por lo tanto su vida útil aumenta.

• Menor ruido. Otra ventaja más de no tener partes móviles.

Inconvenientes:

• Precio mayor.

• Menor capacidad.

• Menor tiempo de vida, en función de la tecnología utilizada.

Tecnologías de almacenamiento de la información

Como hemos comentado anteriormente, los discos duros SSD se caracterizan por almacenar la información en memorias de tipo flash, exactamente 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.

• 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.

• 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.

• 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.

A nivel físico, la información se alamcena 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. En la memoria SLC el valor cero sería entre 0 y 5 V, por poner un ejemplo, y el valor uno entre 6 y 11 V, dejando un margen de seguridad entre valores.

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 sobreprovisionamiento de capacidad más allá de la indicada por el fabricante.

Proceso de lectura/escritura

Los discos duros SSD almacenan la información en celdas que se agrupan en filas llamadas palabras, y estas a su vez se agrupan en páginas. Una página es la cantidad mínima de información que se puede leer o escribir en un momento dado. El tamaño de información que almacenan las páginas es de 4 kB u 8 kB, y las páginas están agrupadas en bloques que suelen tener un tamaño de 256 páginas, para un total de 2 MB. Por último, los bloques son agrupados en planos, generalmente de 1.024 bloques, con varios planos por chip de memoria.

Cuando el contenido de una página cambia, se copia a otra página del mismo bloque que esté libre y se la marca para borrado. Los valores de una página no pueden ser alterados una vez escritos debido a cómo funciona la memoria NAND, por lo que si se necesita recuperar las páginas marcadas para borrado hay que mover todas las páginas en uso del bloque a un bloque vacío. A estos ciclos de uso y borrado se les denomina ciclos de programación-borrado (Program/Erase cycles, P/E cycles).

La durabilidad del disco duro SSD también suele expresarse en número de ciclos P/E, o en información total que puede ser escrita y borrada antes de que empiecen a presentar desgaste.

En los discos duros SSD más antiguos la limpieza de bloques se hacía en el momento de necesitar uno libre, mientras que en los modernos los controladores aportan una recolección de basura que se activa periódicamente (normalmente cuando no está en uso o con un uso ligero) para mover las páginas válidas a un nuevo bloque, dejando atrás las páginas que ya no están en uso, activando su borrado. 

Factores de forma SSD

SATA

Son herencia de los discos duros magnéticos y mantienen su características externas, pero sólo en formato de 2,5 pulgadas o 1,8 pulgadas. 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

Este factor de forma era conocidos anteriormente como NGFF (Next Generation Form Factor). Vienen a sustituir al disco duro SSD mSATA, creando un nuevo factor de forma mucho más pequeño y con un nuevo conector.

Estos discos duros pueden transmitir información en los buses SATA o PCI-Express, pero sólo en uno de ellos, por lo que utilizarán el protocolo de transferencia AHCI o NVMe respectivamente.

Se presentan varios tamaños diferentes:

• Anchos: 12, 16, 22 y 30mm.
• Longitudes: 16, 26, 30, 38, 42, 60, 80, y 110mm.

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 ranuras (Key ID) en la fila de contactos. Según la posición de la ranura, es decir, los contactos que faltan, se les define con una letra. De la A la M, de izquierda a derecha si miramos la cara superior del disco duro con la fila de contactos arriba. En algunas ocasiones viene reflejado cuál es el pin 1 para tenerlo de referencia.

Aunque nos vamos a centrar solamente en los dos que actualmente se utilizan, la key B y la key M. Siendo tres las posibles combinaciones que nos vamos a encontrar. 

• Ranura B: SATA + PCIe x2.
• Ranura M: SATA + PCIe x4.
• Ranura B+M: PCIe x2.

U.2

Este factor de forma es similar al factor de forma SATA pero con un conector SATA Express en él pero distinto en la placa base. No son tan populares debido al coste de llevar aparejados un cable diferente.

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.