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Tendencias en la tecnología SSD aplicada a los sistemas de almacenamiento corporativo

Descubra por qué la tecnología de unidades de estado sólido (SSD) se está convirtiendo en una de las soluciones más importantes de almacenamiento corporativo.

La tecnología de unidades de estado sólido (SSD, Solid-State Drive) lleva utilizándose varias décadas, aunque no había gozado de una gran relevancia en el ámbito de los sistemas de almacenamiento corporativos hasta hace aproximadamente 18 meses, cuando el precio de la memoria flash empezó a caer de forma espectacular.

Con un precio actual que se sitúa en torno a los $4 dólares por gigabyte, las unidades de estado sólido, como norma general, sólo resultan adecuadas para aquellas aplicaciones con mayores exigencias de rendimiento. Aunque la práctica totalidad de los proveedores de servidores y sistemas de almacenamiento han incorporado ya las unidades de estado sólido a sus paquetes tecnológicos, el año pasado se despacharon menos de 70,000 unidades SSD, y se calcula que este año no llegarán a alcanzarse las 300,000, según los datos de Joseph Unsworth, director de investigación de la empresa Gartner Inc., con sede en Stamford (Connecticut, E.U.).

“Quedan aún muchos retos pendientes” —afirma. “Hay que instalar la SSD apropiada, realizar una gestión adecuada y contar con el soporte de la empresa más indicada. La arquitectura de los servidores y los sistemas de almacenamiento corporativos se ha desarrollado, durante los últimos 20, 30 o 40 años, sobre la base de los discos duros. Cómo vamos a poder, de buenas a primeras, introducir en ellos unidades de estado sólido, que permiten un acceso a los datos a una velocidad 100 veces superior a la del disco duro más rápido? Créanme, estos sistemas no están diseñados para aprovechar las ventajas y explotar los recursos de estas unidades."

Las unidades de estado sólido frente al Canal de Fibra

Con todo, sus atractivos saltan a la vista, incluso al analizar los resultados experimentales de uno de los primeros usuarios que ha adoptado esta tecnología. La empresa Munder Capital Management (situada en Birmingham, Michigan, E.U.) consiguió reducir los tiempos de acceso a datos de su servidor Exchange Server de Microsoft Corp. en un porcentaje medio del 89% durante un período de prueba de 15 días de duración en el que se comparó el rendimiento de varias unidades de estado sólido con el de unas unidades de Canal de Fibra con una velocidad de giro de 15,000 rpm en su sistema Storage Center (centro de almacenamiento), desarrollado por Compellent Technologies Inc. El tiempo de respuesta del servidor SQL Server se redujo en un 86%, en promedio.

Munder realizó pruebas con volúmenes de 4,000; 8,000; 16,000; 32,000 y 64,000 bloques de E/S, incluyendo 25 cargas de trabajo diferentes en un período de 24 horas, alternando las de lectura y las de escritura, las secuenciales y las aleatorias. Los resultados, según la propia empresa, revelaron que la eficacia de una SSD era equivalente al rendimiento de entre 10 y 16 discos duros de Canal de Fibra, en función de la carga de trabajo.

Tal incremento del rendimiento resulta especialmente interesante a efectos de las aplicaciones comerciales de vital importancia, en las que han de procesarse grandes volúmenes de datos y números clave prácticamente a la velocidad de la luz. Munder planea, asimismo, aplicar las SSD a los servidores SharePoint y Exchange Server de Microsoft.

Michael Dufek, director de sistemas de información de Munder Capital Management, opina que: “Ahora mismo, es la inversión más rentable.” Sin embargo, añade que, mientras no bajen los precios de las SSD, ""no resultan aplicables a todos los sistemas"".

Con el sistema de Compellent, el costo de un único disco duro de 15,300 GB de Canal de Fibra asciende a $2,100 dólares, mientras que el de una SSD de 146 GB se eleva a $24,000 dólares, aunque el ahorro de consumo energético y en el pago de las licencias de software permite amortizar, en alguna medida, esta diferencia de precio.

La SSD que Munder Capital Management probó en su matriz Compellent es un tipo de memoria flash conocido como flash de celdas mononivel, y constituye la solución tecnológica en la que más están invirtiendo la mayor parte de los proveedores de sistemas de almacenamiento concebidos para la gran empresa.

Los diferentes tipos de tecnologías SSD para el almacenamiento de datos corporativos

Aunque algunos usuarios como Munder ya disfrutan de los beneficios de las SSD, la adopción de esta tecnología en el ámbito de los sistemas de almacenamiento corporativo se encuentra aún en fase inicial. La tecnología sigue inmersa en un proceso de evolución, aunque ya se encuentran disponibles en el mercado diferentes tipos de unidades de estado sólido, cada uno de ellos con sus propios beneficios e inconvenientes. Pero la primera cuestión objeto de debate no tiene nada que ver la tecnología. Se trata de la propia sigla.

Los expertos más puristas mantienen que SSD remite a Solid-State Drive (unidad de estado sólido), y no a Solid-State Disk (disco de estado sólido), ya que, en sentido estricto, no hay ningún disco girando en el interior de una SSD. A pesar de ello, el término disco de estado de estado sólido se escucha frecuentemente, quizá porque a menudo sus resultados se comparan con los de los discos duros, y porque, en algunos sistemas, las SSD emplean las mismas interfaces de almacenamiento de Canal de Fibra, SAS o SATA que utilizan los discos duros convencionales.

La primera solución SSD que ha conseguido una aceptación digna de mención en el mundo de la gran empresa son las SSD de memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM, Dynamic Random Access Memory). El mayor proveedor de las SSD DRAM es Texas Memory Systems Inc. Pero el prohibitivo precio de este sistema ha cerrado las puertas de esta tecnología a la inmensa mayoría de las empresas, exceptuando aquellas cuyo éxito empresarial depende directamente del rendimiento de las aplicaciones informáticas.

La principal característica que diferencia a las unidades de estado masivo DRAM de otras SSD es su volatilidad. Si se interrumpe la conexión con la fuente de alimentación, los datos contenidos en ella se pierden. Las DRAM utilizan condensadores, pero estos sufren pérdidas de carga a lo largo del tiempo, por lo que deben actualizarse continuamente para poder conservar los datos. Para poner solución a estos problemas, los fabricantes suelen incluir una fuente de alimentación alternativa en forma de batería redundante interna, y configuran el sistema de tal forma que los datos puedan volcarse a un disco duro o a una memoria flash en caso de que se produzca un fallo en la mencionada fuente de alimentación.

El mayor reclamo comercial de las SSD de memoria de acceso aleatorio dinámico es su rendimiento, sin olvidar que sigue siendo la tecnología de acceso a datos más rápida, y su capacidad para procesar datos de lectura y de escritura prácticamente a la misma velocidad. Entre sus aspectos negativos, hay que señalar que las SSD DRAM resultan caras y consumen más energía, lo que favorece una adopción creciente en la gran esfera empresarial de las SSD de memoria flash, más económicas, y que conllevan un menor consumo de energía.

Memorias flash de tipo NAND

A diferencia de las DRAM, las memorias flash no son volátiles, por lo que las celdas de almacenamiento conservan los datos tanto si hay suministro energético como si no. Las SSD de memoria flash poseen transistores floating-gate (de puerta flotante) que permiten almacenar cargas durante un período de tiempo prolongado, aunque no estén conectadas a una fuente de alimentación. La capa de óxido que aísla los terminales conductores permite capturar los electrones circundantes.

Otro importante aspecto que las diferencia de las SSD DRAM es el acceso a los datos. En las DRAM, es aleatorio. Las memorias flash constituyen una tecnología en serie, que depende de un controlador para extraer los datos del chip y transmitirlos correctamente al procesador.

Existen dos clases de memoria flash: Las memorias flash de tipo NAND (puerta lógica NO-Y) y las de tipo NOR (puerta lógica NO-O) La tecnología flash de tipo NAND interconecta los transistoresfloating-gate para lograr una mayor densidad. Las flash de tipo NOR no tienen componentes compartidos y su fabricación resulta más costosa. Suelen emplearse en los equipos integrados y para consumo, como recurso para aumentar su rendimiento. Las memorias flash de tipo NAND, por el contrario, se aplican a los sistemas de almacenamiento de datos, y cada vez ganan más aceptación en la gran esfera empresarial.

Una de las cuestiones que cada vez adquiere mayor relevancia entre las empresas usuarias es la elección entre una memoria flash de tipo NAND con celdas mononivel o multinivel. En las flash de tipo NAND con celdas mononivel, cada celda de la memoria almacena una representación analógica de los datos y dos niveles de carga. Las memorias flash con celdas multinivel, más económicas, duplican la capacidad de almacenamiento (dos o más bits por celda, y múltiples niveles de carga), pero su funcionamiento es de menor calidad, y resultan menos fiables que las memorias con celdas mononivel.

En consecuencia, la tecnología de celdas mononivel representa el tipo de unidad de estado sólido de memoria flash predominante en el panorama actual de los sistemas de almacenamiento de datos corporativos. Unsworth, de Gartner, calcula que las soluciones de celdas mononivel representan más del 80% de las SSD de memoria flash instaladas en las grandes empresas. No obstante, también prevé que los porcentajes de uso podrían pasar a situarse en un 60% de flash con celdas mononivel y en un 40% de flash con celdas multinivel en el 2011, si los proveedores consiguen mejorar lo suficiente la tecnología de los controladores y el software de gestión de almacenamiento. Unsworth añade que la tecnología de celdas multinivel es más adecuada para las aplicaciones de procesamiento intensivo de datos de lectura, en detrimento de las que requieren un procesamiento intensivo de datos de escritura.

Uno de los rasgos más característicos de las memorias flash de tipo NAND es el proceso mediante el que codifica los datos en el chip. Todos los bits de los bloques de la memoria flash deben borrarse previamente para que pueda introducirse cualquier dato de escritura. El término flash alude a la violenta carga que se aplica para borrar los datos. El tamaño de cada bloque oscila, normalmente, entre los 128 KB y los 256 KB, y se espera que aumente en el futuro.

El desgaste de las memorias flash de tipo NAND

Por desgracia, el proceso de borrado/programación acaba generando daños colaterales, ya que decompone la capa de óxido que permite capturar los electrones. Este deterioro gradual puede provocar que el valor umbral fijado por el fabricante (aquel que determina cuándo la carga pasa de 1 a 0) se desvirtúe.

Este desgaste es menos pronunciado en las tecnologías flash de celdas mononivel que en las que presentan celdas multinivel. En las memorias flash con celdas mononivel, el fabricante determina un único valor umbral, por lo que la probabilidad de que se desencadene un problema de este tipo es menor. El número de electrones controla el voltaje de arranque del transistor floating gate, que puede situarse por encima o por debajo del punto de umbral.

En el caso de las memorias flash con celdas multinivel, el fabricante puede establecer múltiples valores umbral. A medida que la capa de óxido se deteriora, estos valores pueden variar a través de los distintos puntos de umbral preestablecidos, con lo que su determinación se vuelve difícil, y puede inducir a error.

La tecnología flash, tanto la de celdas mononivel como la de celdas multinivel, incorpora algoritmos de corrección de errores para garantizar la integridad de los datos, pero, a pesar de todo, las SSD de memoria flash de tipo NAND acaban sufriendo desgastes. Las cifras de desgaste que maneja la industria se sitúan en 100,000 operaciones de programación/borrado o ciclos de resistencia en el caso de las flash con celdas mononivel, y en 10,000 en el de las flash con celdas multinivel, pero estos datos varían mucho en función del fabricante.

Michael Cornwell, responsable de tecnologías de memoria flash en Sun Microsystems Inc., sostiene que las cifras del ciclo de resistencia han empeorado, y que ahora revelan ciclos de unas 3,000 operaciones de programación/borrador. En su opinión, a medida que disminuyen las carcasas de las memorias flash, menos electrones pueden albergar los floating gate. Este hecho, unido a la tendencia natural de los electrones a disiparse, forzará el desarrollo de sistemas de corrección de datos más sofisticados.

En palabras de Cornwell: “Las memorias flash van a perder mucha fiabilidad, pero la buena noticia es que empezarán aplicarse a las SSD las técnicas de corrección de errores de las unidades de disco, y ello repercutirá positivamente en el grado de seguridad que ofrezcan en el almacenamiento de datos.” Cornwell nos informa, además, de que la mayor parte de las unidades de estado sólido utilizan actualmente entre 8 y 16 bits de corrección por sector. En comparación, observamos que los discos duros emplean 500 bits de corrección para el mismo volumen de datos.

Los proveedores, que pretenden reducir los costos de las unidades de estado sólido, están trabajando para mejorar la tecnología de celdas multinivel de forma que se adecue a ciertos tipos de aplicaciones corporativas. Las soluciones flash con celdas multinivel, más económicas, representan más del 90% de la producción total de tecnología de tipo NAND a escala mundial, pero sólo cubren una pequeña fracción del espectro empresarial.

Jim Handy, analista especializado en chips de memorias y de tecnologías SSD de la empresa de estudios de mercado Objective Analysis, que reside en Los Gatos (California, E.U.), asegura que “los fabricantes de SSD trabajan a contrarreloj para encontrar una forma de aumentar el nivel de fiabilidad de las unidades de estado sólido corporativas.”

Según Handy, los problemas derivados del desgaste y la corrección de errores no inciden en el cómputo de comparación de esta tecnología con las unidades de estado sólido DRAM, que resultan más caras. El analista de Objective Analysis apunta que las SSD DRAM pueden sobrescribirse un número infinito de veces, y que están dotadas de una memoria con altos niveles de integridad.

Los fabricantes están investigando, asimismo, una amplia gama de mecanismos para incrementar las prestaciones de las unidades de estado sólido, tales como el cambio de fase y la memoria resistente, además de contemplar los enfoques clásicos, que buscan reducir las dimensiones de los productos e incorporar más bits en las celdas.

Patrick Wilkison, vicepresidente de marketing y desarrollo empresarial de STEC Inc., que proporciona SSD a los grandes proveedores, como Dell Inc., EMC Corp., Hewlett-Packard (HP) Co., Hitachi Data Systems (HDS) Corp., IBM, NetApp Inc. y Sun Microsystems Inc., afirma que “existen una docena de soluciones diferentes que podrían prolongar la vida útil de la tecnología flash tal y como la conocemos.”

Entretanto, los usuario que necesiten sistemas de almacenamiento de alto rendimiento tienen que ponderar los pros y los contras de esta tecnología. Dufek, de Munder Capital, declara que no le preocupa el desgaste de las unidades de estado sólido, porque para los sistemas de backup, el sistema de almacenamiento Compellent controla los errores para que, en caso de que se produzca un fallo en una SSD, el sistema se transfiera automáticamente de la capa SSD a un disco duro auxiliar. Dufek añade que, de conformidad con lo establecido en el contrato que han suscrito con Compellent, su empresa recibiría una SSD de recambio en no más de cuatro horas.

Robert Ober, socio de LSI Corp. encargado del área de desarrollo y estrategias, que dirige el trabajo de la empresa sobre la tecnologías de estado sólido, sostiene que: “Con las memorias flash, las posibilidades de que se destruya el chip son muy reducidas.” “Además, antes de que se genere un fallo en una SSD, siempre emite señales de aviso,  similares a las que produce un sensor de llantas para advertir al conductor de que el dibujo del neumático se está desgastando” —añade.

Tendencias en la tecnología de unidades de estado sólido y perspectivas de futuro

Actualmente, a medida que aumenta el interés por esta tecnología, está empezando a difundirse el término ""nivel 0"", en referencia a los sistemas de almacenamiento basados en unidades de estado sólido. En la empresa IDC, con sede en Framingham (Massachussets, E.U.), calculan que, entre 2009 y 2012, los ingresos mundiales derivados de los sistemas de almacenamiento basados en unidades de estado sólido aumentarán conforme a una tasa de crecimiento anual compuesto del 78%. Según sus estimaciones, el volumen de ventas de SSD alcanzará en 2010 los $382 millones de dólares, lo que supone un incremento superior al 132%  respecto a las cifras de 2009.

Sin embargo, deben realizarse algunos cambios para que se produzca un verdadero despegue de la tecnología SSD en el ámbito de los sistemas de almacenamiento corporativos. En primer lugar, los precios deben reducirse. En segundo lugar, los proveedores de sistemas de almacenamiento deben optimizar sus matrices y su software de almacenamiento para que funcionen mejor en combinación con las unidades de estado sólido.

Jeff Boles, analista y director senior de los servicios de validación del grupo Taneja Group, con sede en Hopkinton (Massachussets, E.U.), sostiene que “la mayor parte de las matrices que actualmente están disponibles en el mercado sólo son compatibles con un número limitado de dispositivos de estado sólido, dado que los controladores pueden generar atascos rápidamente.

“Si conectas unos cuantos dispositivos SSD a un controlador de matrices, puedes provocar atascos, ya que el controlador no puede adaptarse al rendimiento de los dispositivos SSD" —afirma. “Para evitar los problemas asociados al equipo y al rendimiento del controlador de matrices, los proveedores de matrices mantienen una postura muy sensata al apostar por el desarrollo de equipos específicos.”

Asimismo, es necesario, a juicio de Unsworth, de Gartner, que se rediseñe el software de almacenamiento de forma más inteligente, de modo que puedan explotarse los beneficios de las unidades de estado sólido y que los usuarios puedan cosechar los frutos reales de su inversión.

“Se trata de un mercado en estado incipiente, que está empezando a sentar sus cimientos” —continúa. “Juega un papel potente, impactante, desconcertante, incluso, en el panorama de los sistemas de almacenamiento corporativos, pero las empresas tienen que ir con cuidado.”

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