Qué es SSD, cómo funciona y para que sirve

Los discos duros, o, mejor dicho, las unidades de almacenamiento en estado sólido o SSD han llegado para quedarse. Ya casi todos los usuarios que compran nuevos equipos podrán encontrar en su interior una unidad de almacenamiento de este tipo. Pero, ¿Qué es realmente una unidad SSD y cómo funciona? En este artículo hablaremos detalladamente de este elemento electrónico y de qué es lo que lo diferencia de los ya conocidísimos discos duros HDD.

Desde hace unos años en adelante hemos tenido la suerte de experimentar grandes cambios en nuestros ordenadores. Primero fueron los procesadores de varios núcleos y su arquitectura. Esto propició que los equipo cada vez fueran más y más rápidos, mejoraron las tarjetas gráficas, memoria RAM. Pero aún existía un cuello de botella enorme en nuestro equipo y no era otro que el disco duro. Con todo el ordenador lleno de circuitos integrados, aún teníamos un elemento mecánico dentro.

De nada serviría entonces tener un procesador extremadamente rápido si el acceso al contenido de los datos era realmente lento. Por este y otros motivos la industria del almacenamiento digital se puso manos a la obra y consiguiente bajar cada vez más los costes de la creación de este nuevo tipo de unidades. A la vez que su coste descendía, también aumentaba la capacidad para almacenar datos y además su fiabilidad.

En estos días, ya contamos con este elemento prácticamente estandarizado y habitual en todos los nuevos equipos. Y a un precio relativamente asequible. Si quiere un ordenador rápido, entonces deberás tener uno de estos para su sistema operativo. veamos entonces de que se tratan estas unidades SSD.

Qué es una unidad SSD

La unidad en estado sólido o unidad SSD (solid state drive) es un dispositivo de almacenamiento para datos que se basa en la utilización de memoria no volátil o comúnmente llamada memoria flash. Sustituyendo así a los discos magnéticos de los discos duros tradicionales.

Estas memorias flash, sucesoras de las antiguas EEPROM, permiten las operaciones de lectura y escritura de múltiples posiciones de memoria en una misma operación, aumentando así la velocidad respecto a las memorias EEPROM, que solo podían leer una celda de memoria en cada operación.

La utilización de memorias flash implica el uso de chips para almacenar memoria. Eliminando entonces las partes móviles de un disco duro normal, aumentaremos considerablemente la velocidad de acceso y escritura del mismo.

En 2010 estas memorias dieron otro salto más que es el que realmente propició el abaratamiento de los costes de fabricación y por tanto la accesibilidad a estos por parte de los usuarios. Y es la utilización de puertas NAND para fabricar estas memorias flash.

Una de las características más llamativas de una puerta lógica NAND (AND o Y invertida), es que puede retener los datos en su interior aun cuando la alimentación eléctrica ha sido cortada.

Estas puertas NAND están fabricadas mediante transistores de puerta flotante, que es un elemento en donde se almacenan los bits. Para el caso de las memorias RAM estos transistores necesitan de una alimentación continua para mantener su estado y en las memorias flash no. Cuando un transistor de puerta flotante está cargado tiene en su interior un 0, y cuando está descargado tiene un 1.

Estas memorias están organizadas en forma de matriz, a su vez formada por una serie de puertas NAND consecutivas. A la matriz completa le llamamos bloque y a las filas que componen la matriz se les llama páginas. Cada una de estas filas tiene una capacidad de almacenamiento de entre 2 KB y 16 KB. Si cada bloque cuenta con 256 páginas tendremos un tamaño de entre 256 KB y 4 MB.

Diferencia entre SSD y memoria RAM

Con esto, lo primero que se nos viene a la mente es las memorias RAM. Como sabemos, este tipo de memoria se utiliza para suministrar los datos y programas al procesador. Cuando apagamos un ordenador la memoria RAM se queda completamente vacía a diferencia de las unidades SSD.

La diferencia radica en la utilización de las puertas NAND. Estos elementos lógicos almacenan el último estado eléctrico en su interior, y además se mantienen aún sin suministro de energía.

Tecnologías de fabricación

Básicamente han existido dos tecnologías de almacenamiento para la fabricación de estos dispositivos. Se comenzó experimentado con unidades basadas en RAM. Esto necesitaban un elemento que les suministrara energía constantemente para no perder los datos.

Debido a estas limitaciones la tecnología DRAM en estas unidades se desechó con la aparición de las puertas NAND con almacenamiento no volátil. Esta es la que se utiliza actualmente y existen tres tecnologías de fabricación distintas:

SLC o celda de nivel individual

Mediante este método es posible almacenar un bit de datos por cada celda de memoria. Su construcción se realiza en obleas de silicio individuales con las que se obtiene un chip de memoria delgado y de un solo nivel de almacenamiento. Estos chips tienen como ventajas una mayor velocidad de acceso a los datos, mayor longevidad y menor consumo de energía. Por contra tienen una menor capacidad de memoria, por lo que será necesario construir mayor cantidad de cerdas disparándose por tanto su coste de construcción.

Su fabricación por ahora está limitada a entornos industriales y de clústeres de servidores en donde la calidad de almacenamiento debe ser superior.

MLC o celda de nivel múltiple

Este método de fabricación es justo lo contrario que el anterior. Cada chip de memoria es fabricado mediante el apilamiento de obleas de silicio para forma un solo chip de varios niveles. En cuanto a sus ventajas están las de mayor capacidad de almacenamiento por chip, es posible almacenar dos bits para cada celda, lo que hace un total de 4 estados distintos. Y también un coste de fabricación más barato.

Como desventajas citamos justo las contrarias que en el caso anterior: acceso más lento y chips de menor durabilidad.

TLC o celda de nivel triple

En este caso el proceso de fabricación consigue implementar 3 bits por cada celda, lo que permite almacenar hasta 8 estados. El precio de fabricación es más barato y el acceso al contenido menos eficiente. Son, por tanto, las unidades más baratas de adquirir, pero con una vida de celdas limitada a unas 1000 escrituras.

La tecnología TRIM

Una asignatura pendiente de superar en las unidades de almacenamiento SSD es precisamente la durabilidad de estas. Las celdas de memoria se degradan por cada escritura y borrado que se realiza en ellas, esto provoca que unidades con mucho uso se degraden de forma rápida desencadenando en fallos de integridad de archivos y la pérdida de estos.

El proceso de borrado de archivos de una unidad SSD es bastante complejo. Podremos escribir contenido a nivel de filas, pero solamente podremos borrar a nivel de bloques. Esto implica que, si en ese bloque hay archivos útiles además de los que debe ser borrados, esto también se van a eliminar.

Para evitar que los archivos válidos se borren, se deben coger estos archivos y grabarlo en una nueva fila, luego borrar el bloque y a continuación reescribir los datos válidos en donde estaba anteriormente. La consecuencia de todo este proceso es una mayor degradación de las celdas de memoria al tener que hacer escrituras y borrados extras.

En respuesta a esto, surgen tecnologías como la denominada TRIM. TRIM permite establecer una comunicación entre el sistema operativo y la unidad de almacenamiento para que sea el propio sistema el que le diga al SSD los datos que tiene que borrar. Cuando borramos datos en Windows, lo datos no se borran físicamente, sino que adquieren la propiedad de no usados. Esto permite disminuir los procesos de escritura y borrado físico de las celdas de memoria. Por parte de Microsoft, esta tecnología lleva implementada desde Windows 7.

Componentes físicos de una unidad SSD

En cuanto a los componentes de una unidad SSD podremos citar tres elementos críticos:

Controlador: es el procesador encargado de administrar y gestionar las operaciones que se realizan en los módulos de memoria NAND.

Caché: también en este tipo de unidades existe un dispositivo de memoria DRAM para acelerar el proceso de transmisión de datos desde la unidad hasta la memoria RAM y el procesador.

Condensador: los condensadores tienen la funciona de mantener la integridad de los datos cuando existen cortes de electricidad repentinos. Si debido a un corte, hay datos en movimiento, gracias a los condensadores será posible almacenar estos datos para evitar su perdida.

Tecnologías de conexión

SATA

Las unidades SSD comunes cuentan con la misma tecnología de conexión que los discos duros normales, es decir, utilizan un puerto SATA 3 para conectar estos a la placa base. De esta forma tendremos una transferencia de 600 MB/s.

PCI-Express

Pero existe otra tecnología de conexión y comunicación aún más rápida llamada NVMe. Mediante este método las unidades irán conectadas directamente a las ranuras de expansión PCI-Express de nuestra placa base. De esta forma es posible alcanzar velocidades de transferencia de hasta 2 GB/s en lectura y 1,5 GB/s en escritura.

Como es normal, estos discos duros no tienen el formato típico de encapsulamiento rectangular de 2,5 pulgadas, sino que tienen el aspecto de tarjetas de expansión como capturadoras o tarjetas gráficas sin disipador.

M.2

Este es el nuevo estándar de comunicación destinado a sustituir a medio y corto plazo el tipo SATA. Utiliza protocolos de comunicación tanto de SATA como de NVMe. Estas unidades van conectadas directamente a un puerto específico localizado en la placa base. De esta forma evitamos ocupar ranuras PCI-E y dispondremos de puertos específicos. Este estándar no cuenta con la velocidad de PCI-E pero es muy superior al SATA y ya existen unidades de todos los fabricantes a precios moderados.

Aspectos a tener en cuenta de un SSD

A la hora de comprar una unidad SSD debemos conocer tanto sus ventajas como inconvenientes, y si nuestro y sistema es el adecuado.

Sistemas de archivos

Como hemos visto la gestión de una unidad SSD es bastante diferente a lo que vimos para los discos duros normales. Es por esto que los sistemas de archivos tradicionales tuvieron la necesidad de actualizar su estructura interna de funcionamiento para adecuarse a las necesidades de estas unidades. Si no fuera así, provocaría una rápida degradación de las unidades acortando drásticamente su vida.

NTFS

Un ejemplo claro es el sistema de archivos de Windows. Una de las primeras optimizaciones que se implementaron, ya desde Windows Vista era la de alinear correctamente la partición al sistema. Esto permitía tener que realizar operaciones de lectura y escritura extras, debido a que la organización de sectores es distinta en unidades mecánicas y en SSD.

En versiones posteriores desde Windows 7, los sistemas implementan mejoras para los SSD como son, la desactivación del desfragmentador de archivos, el servicio Superfetch, ReadyBoost y la introducción del comando TRIM para alargar la vida del SSD.

Ventajas de un SSD frente a un disco mecánico

• Lectura / Escritura: significativo aumento de las operaciones básicas al eliminarse los componentes mecánicos. Su característica más apreciable y significativa.
• Apertura de aplicaciones y archivos: directamente de lo anterior se desprende que las aplicaciones y archivos se abran mucho más rápido y el tiempo de arranque del equipo bajará drásticamente.
• Fallos y seguridad: el tiempo entre fallos aumenta considerablemente y la seguridad de las transacciones aumenta al mejorar la limpieza de datos y no existir variación en rendimiento cuando la unidad está llena o vacía. El borrado de archivos también es más seguro, ya que, una vez eliminados físicamente, los archivos son totalmente irrecuperables.
• Energía: exigirá un menor consumo de energía y de producción de calor.
• Ruido: al no existir elementos mecánicos la producción de ruido será nula.
• Peso y resistencia: al reducirse los componentes mecánicos y el tamaño, su peso es menor y la resistencia a golpes es mucho mejor.

Desventajas de un SSD

• Vida útil: estas unidades presentan en general menos vida útil que los discos tradicionales. Esto es relativo a la intensidad de uso que se les dé a estos y a la tecnología de fabricación.
• Precio: el coste por GB es considerablemente mayor que los discos tradicionales. Por lo que encontramos discos de mucha menor capacidad a mayores precios.
• Capacidad de almacenamiento: todavía existen discos duros en el mercado de menor capacidad de almacenamiento que los discos mecánicos. No por limitaciones de hardware (ya que hace un tiempo se publicó que Nimbus Data planeaba construir un SSD de 100 TB) sino por el coste de estos.
• Recuperación de datos: tal y como se comentó en las ventajas, los SSD eliminan los archivos de forma permanente, y esto también es una desventaja si lo que queremos es recuperar archivos borrados. A pesar de ello la tecnología TRIM nos da una oportunidad en este aspecto.
• Fallos catastróficos: mientras que los discos mecánicos se van degradando poco a poco y podemos notarlo, los SSD fallan sin previo aviso y este erro es total y definitivo. Por lo que los archivos los perderemos casi con total seguridad.
• Tareas de mantenimiento: en este caso, estas tareas son muy perjudiciales para un disco duro. Desfragmentar un SSD no tiene sentido, pero es que configurarle parte del especio a memoria virtual tampoco es recomendable. Este proceso hace que se desgaste aún más.

Con esto terminamos nuestra explicación sobre que es una unidad SSD y como funciona. ¿Os ha resultado útil? ¿Tenéis alguna duda? 🙂