Dicas e Tutoriais

Conhecendo os SSDs

novembro 1, 2010
10:38 AM

Ainda hoje existem muitos usuários com dúvidas sobre SSD. Neste review vamos esclarecer as diferença e as vantagens em adquirir um.

:: Porque discos de estado sólido?

Os dispositivos de armazenamento de estado sólido conhecidos do público composto por usuários não especialistas são os “cartões de memória” usados para câmeras digitais e similares (há de diferentes tipos, mas a tecnologia básica é a mesma) e os dispositivos removíveis tipo “pen-drive”, “thumb-drive” ou “key-drive”, que se conectam a uma porta USB e simulam o comportamento de um disco removível – razão pela qual, embora de “discos” nada tenham, são designados como “discos de estado sólido”, ou SSD (Solid State Disks).

“Estado sólido” é a expressão usada desde meados do século passado para designar os dispositivos eletrônicos baseados em semicondutores. Isto porque estes semicondutores (transistores, diodos e congêneres) são constituídos de matéria sólida (basicamente silício, ao qual se adicionam impurezas), em oposição aos dispositivos eletrônicos que vieram a substituir, as válvulas, que se baseavam na transmissão de elétrons no vácuo. E o meio usado para armazenamento de dados nos novos “discos de estado sólido” é a memória tipo “flash”, um tipo de memória não volátil que usa transistores para constituir suas células de memória.

:: Revolução no mercado de HDs

Os SSDs ou “Solid State Disks” (discos de estado sólido) são possivelmente a maior revolução dentro do ramo dos HDs desde o IBM 350, já que eles utilizam um princípio de armazenamento completamente diferente, com os discos magnéticos dando lugar aos chips de memória Flash

SSD 64GB SATA 2.5″ – Kingston SSDNow V+ Series – 200MB/s – SNV425-S2/64GB

A vantagem óbvia dos SSDs é que eles oferecem tempos de acesso muito baixos, combinados com excelentes taxas de leitura e gravação em setores aleatórios, onde mesmo os melhores HDs magnéticos oferecem apenas alguns poucos MB/s. Isso melhora o desempenho consideravelmente em uma grande gama de aplicativos e reduz bastante o tempo de boot.

Os SSDs também oferecem um consumo elétrico mais baixo (o que os tornam um componente atrativo especialmente para os notebooks), são silenciosos, resistentes a impactos e oferecem uma melhor segurança contra perda de dados devido a defeitos de hardware, já que não possuem partes móveis.

A grande maioria dos SSDs domésticos utilizam módulos de memória Flash MLC, assim como nos cartões e pendrives. Entretanto, eles oferecem um diferencial importante, que é o uso de múltiplos canais de acesso. Isso permite que o controlador acesse vários chips simultaneamente, dividindo os arquivos em pequenos blocos que podem ser divididos entre os chips e depois lidos simultaneamente, de maneira muito similar ao que temos em um sistema RAID.

A maioria dos drives atuais utilizam 10 ou 20 chips de memória Flash (o que permite que os fabricantes produzam drives de baixa e alta capacidade usando as mesmas placas) e 10 canais de acesso simultâneo. Um bom exemplo é o Intel X25-M G2, que usa 10 chips na versão de 160 GB e 20 chips na versão de 320 GB (com os mesmos 10 canais de acesso em ambos os casos).

Ao escrever um arquivo de 4 MB, por exemplo, o controlador o dividirá em 10 blocos de 400 KB cada um, que serão escritos simultaneamente em 10 chips diferentes, ocupando um total de 100 páginas de 4 KB em cada um. Ao ler o arquivo posteriormente, a leitura é novamente dividida entre os 10 chips, o que multiplica tanto a taxa de escrita quanto a de leitura, sem que exista penalidade com relação aos tempos de acesso.

Outro ponto importante a favor dos SSDs é o uso de controladores mais inteligentes, que utilizam buffers de dados relativamente grandes. Isso permite que as operações sejam organizadas e agrupadas de maneiras mais eficientes e muitas operações sejam cacheadas.

Em situações em que a controladora dispõe de um volume suficiente de blocos limpos, um SSD de segunda geração como o Intel X25-M G2 pode atingir facilmente 250 MB/s de taxa de leitura sequencial e 80 MB/s de escrita sequencial (muitos drives atingem os 160 MB/s), se aproximando dos 300 MB/s teóricos do SATA-300.

Entretanto, é nas operações de leitura e escrita em setores aleatórios que a diferença se torna mais marcante. Enquanto um HD magnético de 7200 RPM não é capaz de manter mais do que 800 ou 1000 KB/s de escrita ao gravar arquivos de 4 KB em setores aleatórios, um bom SSD é capaz de ultrapassar facilmente os 20 MB/s (o X25-M G2 é capaz de manter de 36 a 40 MB/s de acordo com o volume de requisições simultâneas), o que acaba representando uma diferença muito grande em situações reais de uso.

:: Entendendo a memória Flash

Diferentemente da memória RAM e também das SRAM, a memória Flash permite armazenar dados por longos períodos, sem precisar de alimentação elétrica. Este simples fato acabou fazendo com que a memória Flash se tornasse uma das tecnologias mais importantes das últimas décadas, possibilitando o surgimento dos cartões de memória, pendrives, SSDs, celulares, câmeras e players de mídia com armazenamento interno e assim por diante.

Se a memória Flash não existisse, todas essas áreas estariam muito atrasadas em relação ao que temos hoje. Os celulares e os palmtops provavelmente ainda utilizariam memória SRAM para armazenar os dados e seriam por isso mais caros e perderiam os dados quando a bateria fosse removida. Os pendrives simplesmente não existiriam e os cartões de memória estariam estagnados nos cartões CompactFlash, utilizando microdrives ou chips de memória SRAM alimentados por uma pequena bateria. Formatos mais compactos, como os cartões SD e miniSD simplesmente não existiriam.

As células de memória Flash são bastante similares a um transistor MOSFET, construídas sobre um wafer de silício (o substrato). A grande diferença é que a célula utiliza dois gates em vez de um. O primeiro é o “control gate”, que é usado para ativar a célula e fazer a leitura dos dados armazenados.

Os dados propriamente ditos são armazenados no segundo, o “floating gate”, que é precisamente construído entre duas camadas de óxido de silício (oxide layer). O termo “floating” indica justamente o fato de ele ser posicionado entre as duas camadas, sem contato direto com os outros componentes da célula:

As camadas de dióxido de silício armazenam cargas negativas, o que cria uma espécie de armadilha de elétrons, que impede a saída de qualquer carga armazenada no floating gate, um arranjo que permite manter os dados por longos períodos de tempo, sem que seja necessário manter a alimentação elétrica (como nas memórias SRAM) ou muito menos fazer um refresh periódico (como na memória DRAM). Isso simplifica muito o design dos cartões, pendrives e outros dispositivos, pois eles precisam incluir apenas os chips de memória Flash, um chip controlador e as trilhas necessárias, sem necessidade de baterias ou de circuitos de refresh.

Os dados são gravados na célula através de um processo de programação, que consiste em ativar o transistor (a corrente flui do emissor para o coletor) e simultaneamente, aplicar uma tensão mais alta (12 volts ou mais) no control gate. A alta tensão faz com que alguns dos elétrons sejam “sugados” para dentro do floating gate, onde ficam presos devido às duas camadas de óxido de silício. Uma vez que a célula é programada, os dados podem ser lidos inúmeras vezes, sem que seja necessário regravar os dados.

Para modificar os dados gravados é necessário primeiro limpar o conteúdo das células, o que é feito aplicando uma tensão diferencial entre o emissor e o control gate. Isso remove qualquer carga armazenada no floating gate, fazendo com que a célula retorne ao estado original e possa ser programada novamente. Todo chip de memória Flash suporta um número finito de operações de escrita (de 10.000 a 100.000) mas suporta um número quase ilimitado de operações de leitura.

Continuando, nem todos os chips de memória Flash nascem iguais. Embora a função seja sempre a mesma (armazenar dados), existem diferenças nas tecnologias usadas, que determinam onde o chip será usado.

Existem dois tipos de memória Flash. A primeira tecnologia de memória Flash a se popularizar foi o tipo NOR, que chegou ao mercado em 1988. Os chips de memória Flash NOR possuem uma interface de endereços similar à da memória RAM, incluindo o suporte ao XiP (eXecute in Place), que permite que softwares armazenados no chip de memória Flash sejam executados diretamente, sem precisarem ser primeiro copiados para a memória RAM.

Isso permite que eles sejam usados para armazenar o BIOS da placa-mãe e firmwares em dispositivos diversos, que antes eram armazenados em chips de memória ROM ou EEPROM. Nos primeiros PCs, por exemplo, o BIOS da placa-mãe era gravado em um chip de memória ROM e por isso não era atualizável, a menos que o chip fosse fisicamente substituído.

O problema com as memórias NOR é que elas são muito caras e, embora as leituras sejam rápidas, o tempo de gravação das células é muito alto. Em um chip de memória NOR típico, as operações de gravação demoram cerca de 750 nanosegundos, o que é várias ordens de magnitude mais lento do que em um chip de memória RAM.

No caso do BIOS da placa-mãe, isso não é um grande problema, pois você só precisa atualizá-lo esporadicamente, mas os chips de memória Flash NOR não seriam muito adequados para uso em um SSD, por exemplo.

Chips de memória Flash NOR de acesso serial, como os usados para gravar o BIOS em placas-mãe atuais

As memórias NOR chegaram a ser utilizadas em muitos palmtops e smartphones (até por volta de 2006) para armazenar o firmware do sistema, mas nesse caso ela era usada apenas para leitura, com todas as operações de escrita sendo feitas em um chip de memória SRAM ou Flash NAND separado. A vantagem nesse caso é que o boot era um pouco mais rápido, já que o sistema podia rodar diretamente a partir da memória Flash, sem precisar ser primeiro copiado para a memória RAM. Eles são também muito utilizados em dispositivos mais simples, como impressoras, modems ADSL, pontos de acesso e outros, armazenando o firmware do sistema.

De volta aos PCs, as memórias Flash NOR chegaram a ser utilizadas nos primeiros cartões de memória PCMCIA e CompactFlash, mas elas desapareceram desse ramo quando foram introduzidas as memórias NAND, que rapidamente se tornaram as mais populares.

Além de mais baratas que as NOR, as memórias NAND também são muito mais rápidas na hora de gravar dados. A principal limitação é que elas são endereçadas usando páginas de 4 KB (ou 2 KB, dependendo do design do chip) e acessadas através de um barramento serial. Ou seja, do ponto de vista do sistema, um cartão de memória Flash NAND está mais para um HD do que para uma unidade de memória. Você pode usá-lo para guardar dados, mas na hora que o sistema precisa rodar um programa, precisa primeiro copiá-lo para a memória RAM, da mesma forma que faria ao usar um HD.

A partir de 2006, até mesmo os smartphones e palmtops passaram a utilizar chips de memória NAND para armazenar o firmware e os aplicativos instalados, em vez de um chip separado de memória XOR.

Isso se tornou possível graças ao uso de sistema de execução dinâmica, onde os aplicativos são primeiro copiados da memória Flash para a memória RAM e executados a partir dela. Esse esquema é muito similar ao que temos num PC, onde os arquivos são salvos no HD, porém processados usando a memória RAM.

O grande boom da memória Flash aconteceu entre 2004 e 2005, quando uma combinação de dois fatores fez com que os preços por MB caíssem rapidamente.

O primeiro foi o brutal aumento na produção e a concorrência entre os fabricantes, que empurraram os preços para baixo. Além de gigantes como a Samsung e a Toshiba, até mesmo a Intel e a AMD investiram pesadamente na fabricação de memória Flash.

O segundo foi a introdução da tecnologia MLC (Mult-Level Cell), onde cada célula passa a armazenar dois ou mais bits em vez de apenas um. Isso é possível graças ao uso de tensões intermediárias. Com 4 tensões diferentes, a célula pode armazenar 2 bits, com 8 pode armazenar 3 bits e assim por diante. Na geração atual (2009) os chips armazenam apenas 2 bits, mas não deve demorar até que os fabricantes desenvolvam células capazes de armazenar 3 e 4 bits, já que isso reduzirá proporcionalmente o custo por megabyte.

O MLC foi implantado de forma mais ou menos simultânea pelos diversos fabricantes e permitiu reduzir drasticamente o custo por megabyte, quase que de uma hora para a outra. Hoje em dia, os chips MLC são os usados na esmagadora maioria dos pendrives, cartões de memória e SSDs.

Os chips “tradicionais”, que armazenam um único bit por célula passaram a ser chamados de “SLC” (Single-Level Cell) e ainda são produzidos com o objetivo de atender o mercado de SSDs de alto desempenho (sobretudo os modelos destinados ao mercado de servidores). Embora muito mais caros, eles oferecem um melhor desempenho e são mais duráveis.

Outra tecnologia usada pelos fabricantes para cortar custos e ao mesmo tempo permitir a criação de chips de maior densidade é o “Die-Stacking”, onde dois ou mais chips são “empilhados”, conectados entre si e selados dentro de um único encapsulamento, que possui o mesmo formato e contatos que um chip tradicional:

Chips de memória empilhados, usando o die-stacking

Assim como em outras tecnologias, o uso do die-stacking inicialmente encarecia os chips, mas, com a evolução das técnicas de produção, ele acabou resultando em redução de custos, já que boa parte do preço de um chip de memória flash corresponde, justamente, ao processo de encapsulamento. Com isso, acaba sendo bem mais barato produzir um único chip com 8 camadas, do que 8 chips separados, por exemplo.

:: SSD no Mercado

Considerando o custo por gigabyte dos SSDs é interessante combinar um SSD de baixa capacidade com um ou mais HDs magnéticos de grande capacidade, usando o SSD para armazenar a partição principal (com o sistema operacional, programas e arquivos de trabalho) e usar o HD magnético para os arquivos maiores.

Isso permite que o SSD desempenhe seu papel de oferecer um boot mais rápido e carregamento quase instantâneo dos aplicativos, exibindo seus dotes com leitura de setores não sequenciais, ao mesmo tempo em que o HD magnético tem a oportunidade de demostrar seus talentos com relação à capacidade e leitura de setores sequenciais.

Formatos: Embora os SSDs não pareçam tão atrativos nos desktops devido ao custo e à baixa capacidade em relação aos HDs magnéticos, eles tendem a se tornar muito populares em notebooks ultraportáteis.

Os primeiros modelos de SSDs destinados a ultraportáteis utilizam o formato half-slim, com metade do comprimento de um HD de 2.5″ regular, baseados no conector SATA padrão. Entretanto, prevendo o crescimento do setor, a SATA-IO se apressou em criar um padrão miniaturizado, o mSATA (ou mini-SATA) que permite a criação de SSDs mais compactos:

Embora o mSATA utilize o mesmo conector das placas Express Mini, ele mantém o uso da sinalização Serial-ATA. Graças a isso, os SSDs suportam as mesmas taxas de 150 e 300 MB/s do SATA-150 e do SATA-300 e são detectados pelo sistema operacional da mesma maneira que HDs SATA regulares, sem necessidade de novos drivers.

:: Phase-change memory e o futuro

Embora a densidade da memória Flash tenha crescido acima do esperado nos últimos anos, levando a uma rápida queda no preço por megabyte, o futuro da memória Flash está ameaçado pelo mesmo problema que ameaça a evolução dos processadores: os limites físicos para a miniaturização das células.

Cada célula de memória Flash funciona como uma pequena prisão de elétrons. Conforme as células se tornam cada vez menores, o número de elétrons armazenados no floating gate se torna menor, tornando mais difícil para o controlador discernir entre um bit “1” e um bit “0”. O problema é maior nos chips MLC, onde as células trabalham com quatro ou mais possibilidades.

Os mais pessimistas afirmam que os 20 nm serão o limite final para a memória Flash, apenas duas gerações à frente dos chips atuais, que são produzidos em 34 nm. A partir daí, os cartões e SSDs ainda poderiam atingir capacidades maiores através do uso de chips com mais camadas, ou através do uso de mais chips, mas o preço por gigabyte deixaria de cair, comprometendo a adoção dos SSDs e retardando o progresso da tecnologia em diversas áreas.

A principal candidata à sucessora da memória Flash é a PCM (Phase-Change Memory), um tipo de memória não volátil baseada no uso de vidro calcogeneto (chalcogenide glass) para o armazenamento de dados. O vidro calcogeneto é uma estrutura cristalina (não necessariamente de sílica) que inclui elementos do grupo 16 da tabela periódica, como o selênio, enxofre, telúrio ou antimônio.

O armazenamento de dados é possível graças à uma peculiaridade do material: de acordo com a temperatura, ele pode assumir uma estrutura cristalina ou amorfa depois de aquecido e resfriado. Os dois estados possuem características elétricas diferentes, com o estado amorfo oferecendo uma resistência muito maior à passagem de corrente elétrica que o estado cristalino. Isso permite que os dois estados sejam usados para armazenar dígitos binários, com o estado amorfo representando um bit “0” e o cristalino um bit “1”.

Essa mesma característica é usada em mídias ópticas regraváveis, onde a diferença na taxa de opacidade dos dois estados é usada pelo laser de leitura para armazenar os bits. No caso das mídias ópticas, o calcogeneto é simplesmente espalhado uniformemente sobre a mídia e variações na intensidade do laser de gravação são usadas para atingir as temperaturas que dão origem aos dois estados.

Os chips PCM por sua vez utilizam células compostas por um par de eletrodos, um pequeno bloco de uma liga de calcogeneto (uma liga de germânio, antimônio e telúrio) e um resistor, que é usado para aquecer e assim alterar o estado de parte do material. Uma vez solidificado, o bit armazenado no bloco pode ser lido através dos eletrodos, com o controlador enviando uma pequena corrente elétrica e medindo a resistência.

Sendo um bloco sólido, a estrutura é extremamente durável, permitindo que os dados sejam armazenados por vários séculos, com suporte a um volume de regravações potencialmente muito maior que os chips de memória Flash NAND atuais.

Embora o uso de um resistor sugira o uso de muita energia, o tamanho reduzido das células permite que os chips PCM sejam na verdade mais econômicos que os chips de memória Flash, onde as células utilizam muita energia nas operações de escrita devido às tensões necessárias.

Em termos de desempenho, os chips PCM assumem um posto intermediário entre os chips de memória Flash e memória RAM. Em termos de leitura, eles podem ser quase tão rápidos quanto a memória RAM e mesmo as taxas de escrita são superiores à da memória Flash, graças ao endereçamento individual das células. Este formato de endereçamento permite escrever um bit de cada vez (em oposição à escrita em blocos da memória Flash), uma combinação que as torna especialmente atrativas no caso dos SSDs.

As memórias PCM não são uma tecnologia nova. As primeiras pesquisas foram publicadas ainda na década de 60 e um chip de 256 bits chegou a ser construído em 1970, mostrando a viabilidade da tecnologia. Entretanto, a evolução da memória RAM e das mídias magnéticas rapidamente roubaram a atenção, fazendo com que as memórias PCM fossem deixadas de lado, até que a ameaça de estagnação da memória Flash fez com que as pesquisas fossem retomadas.

A principal empresa por trás do desenvolvimento das memórias PCM é a Numonyx, uma joint-venture entre a Intel e a STMicro. Em outubro de 2009 foi apresentado um protótipo de chip de 64 megabits, que suporta o empilhamento de múltiplas camadas (um pré-requisito para a construção de chips de grande capacidade) e suporta a gravação de dois bits por célula, usando uma técnica similar à usada nos chips de memória Flash MLC. Temos aqui uma foto de microscópio que mostra os eletrodos e as células dentro do chip:

Outra proponente é a Samsung, que já fabrica chips de 512 megabits (64 MB) em pequena escala desde setembro de 2009. Eles são destinados a substituírem chips de memória RAM em smartphones, oferecendo como vantagem um consumo elétrico mais baixo (já que não precisam de ciclos refresh). A Samsung prefere chamá-las de PRAM (Phase-change RAM), mas a tecnologia é a mesma:

Embora ainda esteja um pouco longe de ser competitiva em termos de preço e densidade com os os chips de memória Flash, as memórias PCM realmente funcionam e oferecem taxas de leitura e gravação consideravelmente mais altas. O grande problema por enquanto é como aumentar a densidade e reduzir o custo dos chips a ponto de permitir que eles sejam usados como memória de armazenamento em smartphones e em seguida nos SSDs.

A grande questão é que a estrutura é mais simples que uma célula de memória Flash, possibilitando do uso de níveis muito maiores de miniaturização. Isso torna os chips de memória PCM uma possibilidade real para os próximos anos.
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Assita ao vídeo abaixo e veja a comparação na prática entre computadores com os dos tipos de drivers de armazenamento:
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