Los discos o unidades SSD se han convertido en poco tiempo en un elemento hardware de lo más importante en un PC.
Tanto si vas a comprar un portátil o sobremesa nuevo como si estás en proceso de actualizar el que ya tienes para hacerlo más veloz, escoger el mejor SSD es un proceso que requiere conocer qué es un SSD, cómo funciona, los diferentes tipos de SSD que podemos encontrar y lo que debemos mirar antes de comprar uno. Aquí tienes la guía completa sobre la tecnología SSD y sus tipos.
Salvo en casos muy excepcionales, las unidades SSD son ya elementos hardware habituales tanto en ordenadores portátiles como en equipos de sobremesa nuevos. Pero también es una de las actualizaciones hardware más económicas y sencillas para mejorar el rendimiento de un PC.
Las unidades SSD o unidades de estado sólido ofrecen una serie de ventajas asociadas todas ellas a la tecnología con la que están fabricadas. Tenemos por ejemplo unas velocidades de lectura y escritura más rápidas, ruido en funcionamiento inexistente, un consumo reducido y, dependiendo del modelo elegido, incluso una vida útil mayor y un tiempo medio entre fallos mayor. También la fiabilidad ante caídas del portátil o unidad de disco es mucho mayor que con un HDD.
Conocer cómo funciona un SSD y los tipos de elementos que debemos entender en su ficha técnica nos será de gran ayuda para elegir el mejor SSD para nuestro ordenador.
Una unidad SSD es un sistema de almacenamiento de información que usa memoria de tipo flash. En la actualidad, en el mercado de consumo, la mayoría de unidades SSD basan su funcionamiento en una arquitectura construida con puertas NAND.
Además de la memoria principal, un disco SSD se compone de otras partes esenciales como la memoria caché o DRAM, la interfaz y el controlador.
Actualmente, uno de los componentes clave de un disco SSD es el controlador, que el fabricante personaliza para aportar diferenciación a nivel de software y con el que consigue, a igualdad de hardware básico, ofrecer mejoras en velocidades de escritura y lectura, durabilidad o protección frente a errores.
La conexión física de la unidad SSD con nuestro equipo PC se puede realizar usando diferentes interfaces de buses. Las más usadas en la actualidad son dos: SATA y PCI Express (PCIe). El primero, en su última versión 3, permite un ancho de banda de hasta 600 MB/s por canal. Por contra, el PCIe Gen 4 admite hasta 2000 MB/s por canal.
Por lo tanto elegir una u otra determinará el ancho de banda para la transmisión de datos pero también los modelos de SSD disponibles en el mercado.
Lo mismo ocurre con los protocolos de control de bus. En el mercado de los SSD podemos encontrarnos con el veterano AHCI (Advanced Host Controller Interface) heredado de los discos duros clásicos o el NVMe, diseñado para las unidades SSD. La diferencia de rendimiento es abismal entre estos dos protocolos gracias a que el NVMe ha sido creado pensando en el modo de funcionamiento de una unidad SSD. Por ejemplo admite IOPs de más de un millón frente al límite de 100.000 IOPs de las unidades AHCI.
Los tipos de unidades SSD que encontramos en el mercado se generan por la combinación tanto de diferentes interfaces como de factores de forma y los protocolos de control de bus.
Hay algunos factores de forma exclusivos para una interfaz y otros que podemos encontrar para ambos modos de conexión. Lo mismo ocurre con los protocolos de control, aunque este elemento es más limitador. Por ejemplo, las unidades conectadas vía SATA solo usan el protocolo AHCI.
Aunque hasta hace poco podíamos encontrar en el mercado de consumo SSD SATA con formatos de 3.5 , 2.5 o 1.8 pulgadas, en la actualidad la inmensa mayoría de las unidades son de 2.5 pulgadas, con versiones de diferentes grosores (los más habituales son de 9,5 y 7 mm).
La versión reducida del SATA, la mSATA, ya está prácticamente en desuso debido a la llegada del factor de forma M.2, que es el que se está imponiendo en el mercado, estando disponible tanto para conexiones SATA como PCIe (en este caso solo compatible con NVMe). En estos modelos encontramos factores de forma con diferente longitud y especificados por el ancho x largo, por ejemplo: 2280 es 22 mm de ancho y 80 mm de largo.
Por último, para la conexión vía PCIe, los factores de forma habituales son el citado M.2, así como el HHHL y el U.2.
Las memorias NAND con las que están fabricadas las unidades SSD se acogen a diferentes tipos de tecnología de fabricación. La clasificación principal es en función de los bits que cada celda de esa memoria flash pueda almacenar y como veremos, ello afecta básicamente a la capacidad, rendimiento y durabilidad de un disco SSD.
Actualmente, a nivel comercial tenemos diferentes tipos de memoria flash en las unidades SSD:
SLC (Single Level Cell): solo son capaces de almacenar un bit de información por celda, pudiendo escribir en ellos dos estados (0 o 1). Son las más rápidas debido a que solo hay que comprobar dos situaciones, además de las más duraderas (hay que comprobar menos veces cada celda), pero el precio del GB es el más alto al requerir más elementos para almacenar la misma información. MLC (Multi-Level Cell): ya poseen dos bits por celda, por lo que podemos almacenar más información, perdiendo velocidad y vida útil. TLC (Triple Level Cell): con tres bits por celda, admiten mucha capacidad de almacenamiento con menos requerimiento de componentes y por ello de espacio. QLC (Quad Level Cell): los más económicos de todos al usar cuatro bits de información por cada celda, lo que permite tener grandes capacidades de almacenamiento pero a costa de ser los más lentos y con menor vida útil.
Como hemos visto, la elección de un SSD con memorias SLC o TLC, por ejemplo, afectará a aspectos esenciales como la capacidad máxima disponible (y el precio por GB), a la velocidad de escritura y lectura y también a la vida útil. Y todo está relacionado.
El almacenamiento de información en cada celda se produce a nivel físico con niveles de tensión. Si en cada celda se pueden almacenar más cantidad de bits, significa que el rango de voltaje para cada bit será más reducido (por ejemplo una QLC dispone de 15 rangos de voltaje para gestionar), por lo que con el desgaste de esos elementos y la correspondiente pérdida de aislamiento, se pueden producir almacenamientos erróneos de voltaje y con ello, de la información.
También, debido a esa mayor tasa de bits por celda NAND, la lectura del nivel de voltaje de cada una de ellas ha de ser más precisa y con ello también se incrementa la complejidad de las operaciones en esa celda.
Conforme aumenta la cantidad de bits que se pueden almacenar por celda, la corrupción de datos se incrementa y por ello los fabricantes deben integrar mejores y más precisos mecanismos de corrección de errores, los cuales se incluyen en el controlador. Esos mecanismos se encargan, entre otros menesteres, de detectar las celdas que por desgaste ya no son fiables a la hora de almacenar la información. Con el tiempo, si la unidad SSD es muy propensa a esos errores, esas celdas se irán perdiendo de manera efectiva y con ello la capacidad de almacenamiento de la unidad SSD.
De manera general, conforme aumentamos el número de bits que puede almacenar una celda, aumentamos la densidad de información que podemos almacenar (y por ello el precio por GB) pero por contra empeoramos la velocidad de funcionamiento y la durabilidad, al tiempo que la probabilidad de error se incrementa.
Dependiendo pues del tipo de uso que se vaya a dar a esa unidad SSD y los requerimientos, será mejor escoger un SSD SLC, MLC o TLC. Y ello nos marca la gama, calidad y precio por GB de las memorias SSD.
Más allá de la teoría, los fabricantes recurren a combinaciones y sistemas híbridos en el diseño de las memorias basadas en NAND para conseguir la máxima optimización. También hay avances en el diseño de las celdas, como ocurre con las unidades de tipo SSD 3D NAND y V-NAND.
En su diseño más básico, una memoria NAND contienen una sola capa de celdas de memoria. Con avances en la fabricación se han ido reduciendo el tamaño de esas celdas y con ello aumentado la capacidad de almacenamiento en el mismo espacio. Pero esto conlleva mayores riesgos de interferencias eléctricas y una menor resistencia a procesos de escritura/lectura.
Para solucionarlo, la industria construye unidades SSD con apilamiento de las celdas en múltiples capas. Ese diseño vertical admite más densidad de celdas al tiempo que hay una separación entre celdas mayor, aunando las ventajas de una alta densidad de celdas al tiempo que se minimizan los inconvenientes e incrementan prestaciones.
Como hemos indicado, asociado al tipo de interfaz de comunicación con el PC, el protocolo de bus y el tipo de memoria flash usadas en su fabricación, quedan determinados los principales valores técnicos asociados a una unidad SSD, los cuales tienen que ver con su rendimiento (velocidades de escritura/lectura) así como la vida útil del disco SSD.
En la ficha técnica de un disco SSD solemos encontrar dos tipos de medidas de rendimiento. La principal es la que nos informa sobre las velocidades de lectura y escritura secuencial de la unidad SSD.
Viene indicada en MB/s y varía según el tipo de memoria flash que se use (las SLC son las más rápidas pero también de precio alto por GB) y la interfaz y protocolo del disco. Los mejores datos teóricos se consiguen en este caso con PCIe y protocolo NVMe.
Fuente: Micron
Otra referencia sobre el rendimiento es la de la velocidad de lectura y escritura pero aleatoria. En este caso la unidad de medida son los IOPS (operaciones de entrada/salida por segundo) y en este caso, el controlador es un elemento que aporta mucho valor. Asociado al IOPS de una unidad SSD tenemos la latencia.
En una unidad SSD, la cantidad mínima de información que se puede leer o escribir no es la de una celda, ni tan siquiera la agrupación de éstas en palabras. Son las páginas, las cuales se agrupan a su vez en bloques.
En el momento en que la información de una página debe cambiar, ésta se copia a otra del mismo bloque que esté vacía o libre. Y a la primera el sistema le coloca un marcador para que pueda ser borrada. Cuando es necesaria esa página de nuevo porque no queda ninguna sin usar, se procede a su borrado.
En realidad la operación de borrado se realiza a nivel de bloque, por lo que si necesitamos borrar alguna página de un bloque, previamente hay que mover todas las páginas en uso de ese bloque a uno vacío. Esta manera peculiar de gestionar la información es lo que provoca que con el tiempo y a más información almacenada, los SSD tiendan a empeorar su rendimiento.
Para que esto no ocurra y la velocidad de escritura/lectura se mantenga alta, los controladores son clave en todo el proceso. Es especialmente interesante la llamada "recolección de elementos no utilizados o basura", una especie de previsión y mantenimiento que se suele realizar cuando el SSD no está en uso intensivo, y en el que el controlador, de manera periódica, copia todos los datos válidos de una página en uso y los pasa a páginas vacías de otro bloque. Así se puede realizar ya el borrado las celdas del bloque actual y dejarlo listo para que cuando sea necesario, el SSD pueda escribir nuevos datos.
Una operación complementaria es el comando TRIM, en el que el sistema operativo agiliza este proceso en colaboración con el controlador de la unidad SSD.
Todo ese proceso de borrado conlleva un desgaste de los transistores, el cual puede llegar un momento en que el controlador los deje marcados como no válidos para almacenar información. Ese proceso se denomina P/E (Program/Erase) y es lo que marca la durabilidad de un SSD.
El ciclo de vida de un disco SSD se puede indicar en ciclos de P/E o en información total que se puede escribir en el SSD antes de que comiencen a aparecer errores. La unidad es TW (TeraBytes Written). Otra medida de la fiabilidad de un disco SSD es MTBF (Mean Time Between Failures), que cambia el valor de fiabilidad a tiempo en vez de a cantidad de información que puede escribir.
Buena parte de las tecnologías que aporta el controlador a una unidad SSD tiene que ver con tratar de optimizar los procesos de borrado/escritura debido a que estos son limitados en las memorias tipo NAND.
Una de las tecnologías usadas se denomina Wear Leveling. Está gestionada plenamente por el controlador y básicamente consiste en hacer un reparto equitativo de la información en todas las cedas de las memorias flash, para evitar excesos de procesos de borrado/escritura en algunas celdas concretas.
Ahora bien, para no ralentizar el funcionamiento de un SSD, las peticiones de direcciones LBA del sistema operativo al SSD deben agilizarse, para lo que es necesario que el controlador del SSD conozca en todo momento qué información está en qué bloque y cuáles son sus movimientos por el Wear Leveling.
Para conseguirlo, la controladora gestiona una base de datos con esa información y a la que se denomina Flash Translation Layer (FTL). Esa información, que debe ser accesible a más velocidad que a la memoria NAND de las celdas, se construye con memoria de tipo DRAM. Es la caché de un SSD.
Si un disco SSD carece de caché DRAM, será más económica pero su funcionamiento estará alejado de lo ideal.
Imagen portada | Tsano.
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Fecha: 05-05-20
Categoría: Informática
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