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Evolución del almacenamiento de estado sólido

Los administradores de almacenamiento que enfrentan problemas críticos de rendimiento de almacenamiento y que necesitan un máximo de IOPS han encontrado una opción viable en los discos de estado sólido. El almacenamiento en estado sólido es rápido, fresco y apenas consume energía, pero aún es más costoso que los medios tradicionales.

Hace algunos años, el International Securities Exchange (ISE) en la ciudad de Nueva York decidió comprar un sistema de almacenamiento de 128 GB a un precio de aproximadamente $85,000 o el equivalente de $664 dólares por GB. Aunque suena impactante, en su momento la compañía lo consideró un movimiento inteligente.

El ISE tenía una aplicación muy sensible a la latencia [que gestiona el comercio de acciones], y el almacenamiento les brinda una clara ventaja competitiva. El sistema de disco de estado sólido (SSD) de Texas Memory Systems Inc. les ayudó a manejar las lecturas y escrituras en 0.02 milisegundos (20 microsegundos), lo cual es mucho mejor que las unidades de disco duro (HDD) más rápidas.

El sistema SSD que el ISE seleccionó se basaba en la tecnología DRAM de doble velocidad de datos (DDR) y estaba integrado con una batería de respaldo, una interfaz Fibre Channel (FC) y discos duros convencionales. Esta tecnología SSD ha existido durante años y se ha establecido en un nicho de mercado que sirve a grandes proyectos gubernamentales de procesamiento intensivo y compañías involucradas en transacciones de alto volumen, alta velocidad y baja latencia, como el sistema de comercio de acciones del ISE.

Las organizaciones usan SSD como un gran caché para aumentar el rendimiento al extraer datos de lo que equivale a memoria, en lugar de hacerlo desde un disco giratorio mucho más lento. La industria SSD regularmente aprovecha la caída de los precios de la memoria y el almacenamiento, lo que permite a organizaciones como ISE comprar 128 GB de almacenamiento SSD a un precio alto pero justificable. Sin embargo, incluso los defensores de las SSD admiten que los sistemas SSD basados en DRAM solían ser demasiado caros para su uso en sistemas del tamaño de un terabyte.

Muchas opciones de SSD

Pero hay otras opciones de SSD. El rápido aumento de la tecnología de memoria flash NAND permitió hacer de la SSD una opción de almacenamiento viable en el entorno de almacenamiento de TI corporativo. Como el flash no es volátil, es adecuado para el almacenamiento de datos a largo plazo; además, los sistemas basados en tecnología flash siguen una curva de precios completamente diferente porque no tienen que incorporar la protección de energía y respaldo de batería requeridas por el volátil SSD basado en DRAM.

A medida que el almacenamiento flash se hace más accesible, gracias a los beneficios de la Ley de Moore y las economías de escala de la industria SSD, incluso las compañías que no calculan su ventaja competitiva en microsegundos pueden recurrir a SSD. Las ventajas del almacenamiento flash NAND en términos de alto rendimiento, bajo consumo de energía y confiabilidad pueden compensar el alto costo por gigabyte de SSD.

Los muchos sabores de SSD

El mercado de discos de estado sólido (SSD) evoluciona rápidamente hacia una sopa de letras con acrónimos a medida que las empresas intentan encontrar una tecnología de almacenamiento no volátil que ofrezca alto rendimiento de doble velocidad de datos con el bajo costo de las unidades de disco duro, pero sin los problemas de desgaste del flash. Además de NOR y NAND, las opciones incluyen:

  • RAM de cambio de fase (PC-RAM)
  • Memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva (MRAM)
  • RAM de par de transferencia de giro (STT-RAM)
  • RAM ferroeléctrica (FE RAM)
  • Memoria de solo lectura de nitruro (NROM)

Con los cambios fundamentales de la tecnología para HDD mientras la industria tiene dificultades para aumentar la densidad de área (la cantidad de datos que se pueden empaquetar en el disco) más allá de lo que se puede lograr con la última tecnología de disco perpendicular, los proveedores de unidades de disco ven a SSD como un competidor potencial.

Almacenamiento híbrido

El almacenamiento híbrido combina el flash con las unidades de disco duro (HDD). Los primeros dispositivos agregan 256 MB de flash a una unidad de disco convencional. El flash se encuentra entre la RAM del sistema y el disco duro pero los beneficios del almacenamiento híbrido fueron mínimos hasta que Microsoft Windows Vista entró en escena.

Vista tenía la característica SuperFetch, que gestionaba la arquitectura de memoria para aprovechar el flash. Tener 256 MB de memoria no volátil le permitía al fabricante de un disco hacer más en términos de reducción de energía y confiabilidad. Por ejemplo, es posible dejar de girar el disco durante períodos de tiempo y depender completamente de la porción del flash, lo que ahorra energía y desgaste en el disco.

Ventajas de flash

Flash es un almacenamiento no volátil, lo que significa que los datos permanecen incluso si se corta la energía. Todos han visto flash, especialmente flash NAND. Es el almacenamiento detrás del iPod nano de Apple y se usa ampliamente en dispositivos de almacenamiento USB portátiles. Aunque el almacenamiento flash viene en los sabores NOR y NAND, este artículo se refiere solo a la versión NAND de flash. Los términos NOR y NAND se refieren a las puertas electrónicas lógicas (OR y AND) que componen el chip de memoria. NOR significa no OR y NAND significa no AND.

NOR solía ser demasiado costoso y lento para escribir por lo que no se consideraba una tecnología de almacenamiento empresarial viable.

Las principales ventajas del almacenamiento flash son el alto rendimiento, la fiabilidad, el bajo consumo de energía y el tamaño pequeño. El rendimiento de la unidad flash es 1.000 veces mejor que el disco duro. La robustez de flash le da a la tecnología otra ventaja sobre la HDD. El ejército fue uno de los primeros en adoptar el almacenamiento flash para PCs reforzadas utilizadas en el campo y en aviones militares. Lo utilizaban dentro de la computadora en un caza jet, que vibraba muchísimo. Un disco duro no puede soportar ese tipo de choque.

Para el área de TI corporativa, la robustez no suele ser un problema, pero la fiabilidad sí lo es. El gran atractivo de SSD, tanto flash como DRAM, es un rendimiento extremadamente alto.

Otro aspecto atractivo del almacenamiento flash es su menor consumo de energía y bajo nivel de calor. La energía, el calor y la refrigeración se han convertido en grandes problemas, y la SSD flash puede reducir el uso de energía en el centro de datos. La memoria flash no tiene partes móviles y requiere cantidades insignificantes, en el área de 10 miliamperios (mA) de potencia para lecturas y escrituras.

Desventajas del flash

Sin embargo, la tecnología flash SSD tiene sus desventajas, comenzando con su alto precio. Aunque se ha reducido el costo y seguirá haciéndolo, llegará a un límite pues hay un costo bruto de los chips flash que impactan en la calidad para el integrador de sistemas. Las organizaciones de TI probablemente querrán sistemas flash de mayor calidad entregados por los fabricantes de equipos originales. La pregunta es cuánto están dispuestos a pagar por las ventajas del almacenamiento flash. Pero si solo se necesitan unos pocos gigabytes para una memoria caché de alto rendimiento, pueden justificarlo.

En relación con su alto precio, la capacidad limitada de los sistemas SSD flash ofrece. La mayoría de los sistemas están configurados para 16 GB, 32 GB, incluso 64 GB… El precio es un problema en la empresa. Si necesita una gran capacidad, un disco duro es mucho más barato.

Otro inconveniente es la fiabilidad a largo plazo o "desgaste". La SSD flash puede no ser volátil, pero las celdas individuales de memoria flash tienen una vida útil limitada. Por ejemplo, un promedio de vida de 100.000 escrituras puede parecer una gran cantidad de escrituras hasta que se piensa en un sistema de transacciones de gran volumen.

Los sistemas flash SSD intentan superar este problema construyendo algoritmos de nivelación de desgaste en los controladores. Estos algoritmos separan las escrituras en diferentes celdas para que ninguna celda se escriba excesivamente.

Flash se entrega en dos formatos: celda de nivel único (SLC) y celda de niveles múltiples (MLC). El problema del desgaste y el costo se puede abordar en parte mediante una combinación de flash SLC y MLC. El almacenamiento MLC, que coloca más datos en cada celda, es más barato que SLC. Los OEM pueden usarlo para agregar capacidad a los sistemas de SSD. Sin embargo, MLC tiene una vida mucho más corta que SLC. Debido a que es el proceso de escritura y no el proceso de lectura el que acorta la vida útil de la célula, el truco para los fabricantes de equipos originales (OEM) es tratar de determinar qué parte debe ser de solo lectura y hacer esa parte de MLC. Pueden usar SLC para el resto.

Además del desgaste por la escritura, hay otra preocupación. El flash NAND tiene una velocidad de escritura más lenta; aunado al tema del desgaste, el flash SSD es más adecuado para las aplicaciones que escriben una vez u ocasionalmente, pero que se leen muchas veces.

Economía SSD

En el pasado, los administradores de almacenamiento se centraban en el costo de la capacidad medido en costo por gigabyte (costo/GB). Con SSD, los grandes beneficios son el rendimiento y la capacidad de entrega. En lugar de costo por GB, los defensores de SSD hablan sobre las operaciones de entrada y salida por segundo (IOPS).

Mientras que HDD tiene una ventaja abrumadora en términos de costo por GB, la situación se revierte cuando se trata del costo por IOPS. Pero el problema va más allá de comparar un sistema HDD con un sistema SSD. Debido a que los servidores pueden consumir datos almacenados más rápido de lo que los discos duros pueden proporcionar, las compañías se ven obligadas a agregar más discos para aumentar el rendimiento. Terminan comprando más discos duros para obtener el mismo nivel de IOPS que un SSD, y esas unidades requieren más espacio, energía y refrigeración.

Pero el problema en realidad va más allá del almacenamiento. Las organizaciones están comprando servidores que están mal utilizados en parte porque el almacenamiento no puede alimentar los datos al servidor lo suficientemente rápido. Esto suele ser resultado de la latencia del disco giratorio frente a la velocidad del procesador del servidor. Con SSD, el problema de latencia desaparece. Donde podrían usarse dos servidores [cada uno funcionando con un bajo nivel de utilización], se necesitaría solo uno. Con SSD, las empresas podrían reducir la cantidad de servidores que necesitan en ciertas situaciones.

Nuevo nivel de almacenamiento

La aparición de SSD como una opción viable de almacenamiento empresarial llevó a los analistas a hablar de un nuevo nivel de almacenamiento, el nivel 0. Este nivel 0 se ubicará por encima del almacenamiento empresarial primario (Nivel 1) y se utilizará para aquellas aplicaciones que requieren el rendimiento la latencia más baja.

Aunque el SSD se percibía demasiado caro para los datos corporativos, hoy parece ideal para los metadatos, que se leen con frecuencia. Del mismo modo, sería bueno para los índices de la base de datos.

Flash también parece prometedor para los medios, donde las aplicaciones se escriben una sola vez pero se leen muchas veces. Otro uso recomendado pone flash en el servidor para el sistema operativo de arranque, que sería mucho más rápido. Otra alternativa más al SSD es utilizar la memoria como un dispositivo de almacenamiento en caché.

Alternativas del rendimiento SSD

Si desea un alto rendimiento y no le importa el almacenamiento de datos (persistencia), considere dispositivos de almacenamiento en memoria caché de DRAM.

Por otro lado, flash SSD permitió a IBM eliminar componentes, como un disco duro, que tienen más probabilidades de fallar y provocar un tiempo de inactividad. Al usar SSD, IBM informó de una reducción en el consumo de energía en sus servidores blade. Además de conservar energía, las unidades flash aumentan el rendimiento con un tiempo de búsqueda menor frente al de un disco duro convencional.

Sobre el autor: Alan Radding es escritor independiente para medios de tecnología y negocios, y fue colaborador para SearchStorage de 2004 a 2010.

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