Unidades de memória sólida (Solid-State Drive – SSD)

A tecnologia de armazenamento está em constante evolução. Prova disso são as unidades de memória sólida, ou Solid-State Drives (SSD) em inglês, que substituem o tradicional mecanismo electromecânico de pratos em rotação e cabeças de escrita/leitura, por memórias flash.

 

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O objectivo desta publicação é dar a conhecer alguns conceitos básicos sobre esta tecnologia.

 

Os principais benefícios do armazenamento em unidades SSD são os seguintes:

  • Aceso muito rápido a localizações aleatórias uma vez que já não existem componentes electromecânicos envolvidos no processo de localização ;
  • Baixos tempos de latência devido a eliminação dos tempos de pesquisa ;
  • Performance consistente de leitura porque a localização física deixou de ser relevante ;
  • O efeito da fragmentação de ficheiros passa a ser negligenciável devido à eliminação dos componentes electromecânicos, ou seja, já não interessa o local físico dos dados ;
  • Nível de ruído extremamente baixo uma vez que não existem componentes mecânicos ;
  • Fiabilidade mecânica elevada ;
  • Resistência a variações magnéticas

Mas nem tudo são rosas… Devido à natureza das memórias sólidas (flash) e ao processo de como os dados são escritos, a performance de escrita nas unidades SSD degrada-se ao longo do tempo. Ao contrário dos discos rígidos tradicionais (electromecânicos), cada operação de escrita precisa não de uma, mas sim de no mínimo duas operações: uma para eliminar os dados e outra para escrever!

 

A performance das unidades SSD depende dos seguintes factores:

Resistência de escrita

Todos os blocos de memória flash têm um limite de ciclos de escrita. O valor máximo de ciclos de escrita (resistência) depende do tipo de memória flash (MLC ou SLC) usada na construção do SSD que pode variar entre os 10.000 ciclos nos modelos SSD mais antigos e o 1.000.000 de ciclos de escrita nos SSD mais modernos.

Amplificação de Escrita

Pode-se caracterizar o efeito de Amplificação de Escrita (Write Amplification) como sendo um fenómeno indesejável associado às memórias flash e às unidades de memória sólida (em bom rigor a todas as memórias NAND). Este fenómeno decorre do facto de qualquer operação de escrita ter de ser precedida de uma outra operação de escrita. Esta necessidade de preparar o bloco para poder ser utilizado acelera o processo de desgaste da célula, diminuindo assim o tempo de vida útil do SSD.

Tal como nas unidades de disco tradicionais os dados são dispostos em blocos. Ao contrário do que estávamos habituados, o tamanho dos blocos nos SSD são fixos não sendo possível ao utilizador redefini-los. Dependendo do tipo de memória NAND usada, um pedaço de 4k de dados pode chegar a ocupar um bloco de 512k! Quando qualquer porção dos dados é alterado, o bloco precisa de ser assinalado para eliminação de forma a poder acomodar os novos dados. A quantidade de espaço necessário para cada escrita pode variar. O efeito de amplificação de escrita pode numa unidade SSD tradicional ir de 15 a 20, ou seja por cada 1MB de escrita de dados, poderão ser necessários 15MB a 20MB de espaço.

 

Para melhorar resolver o problema do efeito de escrita e o problema do desgaste acelerado, os fabricantes dotaram as suas unidades de duas funcionalidades importantes:

Nível de desgaste

Os controladores SSD mantêm um registo de quantos ciclos de eliminação já foram realizados em cada bloco e dinamicamente realocam o índice lógico à localização física tentando assim espalhar uniformemente o desgaste das células pela unidade. Através desta técnica consegue-se prolongar o tempo de vida das unidades SSD.

Sobredimensionamento

Sabendo que o efeito de desgaste vai de facto acontecer com o decorrer do tempo, as unidades SSD têm mais capacidade do que aquela anunciada. Ao aumentar a real capacidade de provisionamento da memória (que o utilizador não consegue aceder), os controladores SSD podem usar estas células extra para criar blocos pré-preparados que poderão ser usados quando necessário.

TRIM

É um mecanismo que permite aos sistemas operativos informar o controlador da unidade SSD que se podem eliminar os dados de determinada célula  facilitando as operações de escritas subsequentes para que não tenham a necessidade de solicitar o mover, o eliminar e o escrever de dados. Com esta técnica os SSDs conseguem manter a performance de escrita por maiores períodos de tempo. Para que o TRIM seja eficiente, tanto a unidade SSD como o sistema operativo precisam de conseguir “falar” TRIM. O Windows 7 e o Windows Server 2008 R2 conseguem “falar” TRIM.

 

 

Tipos de SSD

As unidades de memória sólida podem ser construídas com base em dois tipos de células: SLC (Single Level Cell) ou MLC (Multi Level Cell). Compreender as diferenças entre este dois tipos de células é crucial para a performance, longevidade e custo.

Num sistema baseado em células SLC, cada célula preserva apenas um estado, ou seja, 1 bit, ou por outras palavras, um estado ligado ou desligado. Já num sistema baseado em MLC cada célula pode preservar mais do que um estado (tipicamente 4 estados).

As principais vantagens do sistema MLC são o custo (cada célula contem mais dados) e a performance (mais dados no mesmo espaço físico, logo mais rápido); no entanto é no capítulo da fiabilidade que o sistema MLC é mais frágil, pois ao perder-se uma célula não se está a perder apenas um bit mais sim vários.

Apesar de todas as unidades integrarem algoritmos de correcção de erro, os baseados em MLC tornam-se mais frágeis porque os algoritmos podem não conseguir recuperar toda a informação e ao serem permitidas múltiplas escritas a célula encontra-se mais sob pressão provocando um desgaste mais acelerado. Outras das desvantagens do MLC são os tempos de escrita: como cada célula contem mais do que um bit a precisão tem de ser maior, obrigando a mais verificações por cada ciclo e a um maior consumo energético.

As unidades baseadas em células individuais (SLC) são constituídas por transístores FGMOS. Tal como mencionado no início deste capítulo, cada célula armazena tipicamente 1 bit de dados. As memórias baseadas em SLC apresentam por isso velocidades de escrita superiores, menor consumo energético e maior durabilidade quando comparadas com as baseadas em MLC. Por outro lado, como cada célula armazena apenas um bit são necessárias mais células para armazenar a mesma quantidade de dados que nos baseados em MLC, tornando por isso estas unidades mais dispendiosas por MB.

4 thoughts on “Unidades de memória sólida (Solid-State Drive – SSD)

    • As unidades de memória sólidas deverão ter uma durabilidade superior ao tempo médio de vida de um equipamento, ou seja, duram em média mais tempo do que normalmente os computadores duram.
      Tratando-se de uma tecnologia recente não existem dados concretos que sustentem (ou não) o anunciado pelos fabricantes. Os fabricantes descrevem a durabilidade das unidades SSD em ciclos ou então em MTBF (tempo decorrido entre falhas ou em inglês Mean Time Between Failures).
      Existem estudos que apontam para 12 anos de vida, outros para 6 outros para 50… Como já deves ter percebido pelo artigo, tudo depende da tecnologia usada no fabrico da unidade (SLC ou MLC) e do uso dado (a leitura é menos destrutiva que a escrita).

      Independentemente desta indefinição da durabilidade, vale bem a pena optar por uma unidade SSD.

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