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SSD (unidades de estado sólido)

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A Toshiba é uma empresa líder em HDDs de fator de forma pequeno e em tecnologia Flash NAND (um tipo de tecnologia de armazenamento não volátil que não requer energia para manter os dados), que oferece uma ampla gama de produtos de mídia digital com base em tecnologias de armazenamento inovadoras. Os produtos de armazenamento da Toshiba são usados por grandes marcas de aplicações, como notebooks, sistemas de navegação, data centers e soluções de armazenamento externo.

Uma unidade de estado sólido (SSD) é um dispositivo de armazenamento de dados baseado em memória de semicondutor chamado de memória Flash NAND, que foi desenvolvido inicialmente pela Toshiba em 1987. As SSDs estão se tornando cada vez mais populares em computadores e outros mercados, que variam desde produtos eletrônicos de consumo a equipamentos corporativos e industriais.

Ao contrário das unidades de disco rígido, que são a solução de armazenamento mais comum usada hoje, as SSDs não têm partes móveis e, por isso, têm muitas vantagens: são excepcionalmente silenciosas, resistentes, duráveis e confiáveis, e também oferecem uma experiência menor, mais rápida e de menor consumo de energia.

As unidades de estado sólido (SSD) e as unidades de disco rígido (HDD) têm características individuais e pontos fortes em termos de capacidade de entrada/saída por segundo (IOPS), taxa de transferência sequencial, uso de energia e economia. Como as SSDs e as HDDs atendem a necessidades diferentes no mercado, elas se complementam e coexistirão a longo prazo. A Toshiba está liderando o setor como a única fornecedora global de soluções de armazenamento na tecnologia SSD baseada em HDD e em Flash NAND*1 e continuará a fornecer as duas soluções de armazenamento a serem adotadas na aplicação mais adequada para cada.

*1: Pesquisa da Toshiba de novembro de 2014.

Aplicações

A robustez, a confiabilidade e o desempenho de alto nível da tecnologia Flash NAND da Toshiba ajudam a aumentar a mobilidade, a funcionalidade e a confiança em uma ampla gama de produtos cliente e corporativos: computação móvel, jogos, entretenimento em casa, sistemas industriais e servidor de data center. A lista de aplicações continua a aumentar à medida que as tecnologias MLC e TLC permitem capacidades maiores com competitividade de custos.

A Toshiba introduziu as avançadas SSD, cSSD e eSSD no mercado em 2007 e elas estão disponíveis atualmente em uma ampla variedade de fatores de forma, interfaces e capacidades.

Unidades de estado sólido cliente (cSSD)

Os notebooks exigem não apenas um corpo mais fino, mas também menor peso, maior duração da bateria e maior desempenho de processamento. A fim de atender à demanda de vários tipos de notebooks, de dobráveis a destacáveis, os dispositivos de armazenamento exigem maior velocidade de transmissão de dados, menor latência, fatores de forma pequenos e menor consumo de energia.

As SSDs, mídias de armazenamento baseadas em Flash NAND, receberam recentemente a atenção como um dispositivo de armazenamento para aplicativos de notebook cliente. As cSSDs são adequadas para aplicativos cliente devido à rápida velocidade de leitura/gravação, ao pequeno espaço, ao menor consumo de energia e à resistência a choques e vibrações.

Unidades de estado sólido corporativas (eSSD)

Com um crescimento exponencial e contínuo de dados, e com o gerenciamento dos dados e das exigências impostas pelos ambientes e aplicações de computação corporativa atuais, é cada vez mais vital garantir que os critérios de acessibilidade, disponibilidade, desempenho e confiabilidade sejam atendidos continuamente. Em paralelo a essas expectativas, os avanços na tecnologia de armazenamento e nas técnicas usadas em unidades de estado sólido (SSD) resultaram na consolidação da posição da qualidade de memória Flash NAND, onde ela pode proporcionar a confiabilidade dos dados de missão crítica, juntamente com taxas de dados que oferecem melhorias consideráveis em relação à HDD de rotação tradicional. A SSD coloca efetivamente a memória de semicondutor atrás de eletrônicos de controlador de memória e de interface, permitindo que o dispositivo de armazenamento Flash emule os comandos e as operações de uma HDD.

A SSD de nível corporativo (eSSD) da Toshiba tem um projeto avançado de armazenamento de nível corporativo. Ela foi projetada para complementar e oferecer maior funcionalidade em qualquer ambiente de aplicativo (servidor, armazenamento (DAS, SAN e NAS)), que era tradicionalmente o reduto da HDD de nível corporativo baseada em mecânica com uma interface SAS2. Com as vantagens da redução do consumo de energia (menos refrigeração e portanto uma redução das despesas gerais de suporte de data center), da tolerância máxima a choques e vibrações, do acesso muito mais rápido, e das taxas de dados mais rápidas em HDD, a eSSD está se tornando rapidamente a principal escolha para aplicações de camada 0, onde IOPS e confiabilidade são fatores importantes.

Prevê-se que a eSSD substituirá a tecnologia tradicional baseada em rotação mecânica na maioria das aplicações conduzidas por desempenho high-end. É uma excelente opção para aplicações de missão crítica, onde se espera confiabilidade, desempenho e expectativas de longo prazo.

* DAS: armazenamento de conexão direta, SAN: rede de área de armazenamento, NAS: armazenamento conectado à rede

* SAS: SCSI conectado em série

 

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Studio Recording

Surveillance Cameras

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Televisions

Video Editing Systems

Business Processing Servers

Financial Transactions Servers

Data Analysis Servers

Como as SSDs funcionam

Uma SSD é geralmente composta por uma placa de circuito impresso, um conjunto de chips de memória Flash NAND, um cache DRAM, um controlador de memória, um controlador de interface e um conector de interface, como SATA, SAS, etc.

A memória usada em SSDs é a memória Flash NAND não volátil e é produzida com diversas características. A NAND é projetada com base no uso da tecnologia de célula de nível único (SLC), de célula de múltiplos níveis (MLC) ou de célula de nível triplo (TLC). A SLC armazena um bit-por célula, tem mais resistência, mas custa significativamente mais para produzir com maiores capacidades. A MLC usa dois bits por célula e a TLC usa três bits por célula. Essas tecnologias Flash têm menor resistência, mas resistem a capacidades maiores e podem ser produzidas a custos mais baixos.

Configuração de SSDs

cSSD
SSD cliente (série HG6)

eSSD
SSD corporativa (HK3R e PX02SMB160)

(1) Conector

Como as HDDs, a interface SATA é usada com SSDs. O conector SATA tem uma configuração mecânica compatível com os soquetes de HDDs.

(2) Controlador

O controlador é um dispositivo central de SSDs, que permite o desempenho rápido de leitura/gravação, a alta resistência à gravação e maior confiabilidade.

(3) Memória Flash NAND

Os dados são armazenados em uma memória Flash NAND, que usa as tecnologias MLC e TLC da Toshiba para operar em altas capacidades de armazenamento e baixo custo.

Recursos da SSD

As SSDs oferecem várias vantagens para o mercado de dispositivos móveis porque elas não têm partes móveis e podem resistir a choques e vibrações consideráveis. A alta taxa de transferência de dados e o baixo consumo de energia oferecido permite que a SSD seja capaz de melhorar o desempenho dos dispositivos nos quais elas são usadas. Além disso, as SSDs não produzem absolutamente nenhum ruído mecânico, tornando-as ideais para uso em dispositivos sensíveis a ruído.

Desempenho rápido de leitura/gravação

As SSDs não exigem a operação mecânica, que é um método das HDDs acessarem dados, e precisam apenas de uma operação de leitura/gravação para acessar os dados por meio da memória Flash NAND. Esta operação elétrica permite o tempo de acesso em alta velocidade, que é a maior vantagem da SSDs. Além disso, as SSDs também permitem o acesso paralelo a várias memórias Flash NAND que melhoram o desempenho de leitura/gravação. A velocidade de transmissão de dados da memória Flash NAND de 19 nm incorporada à SSD é mais rápida que 500 MB/s e o acesso aleatório atinge 80.000 IOPS.

Em relação ao desempenho de leitura/gravação da memória Flash NAND, a SLC é mais rápida que a MLC; no entanto, um custo por bit da MLC é menor já que ela pode reter dois bits por célula. Assim, a MLC é amplamente usada para aplicativos de PC cliente. Recentemente, a TLC começou a ser inserida para melhorar a economia.

* A velocidade de leitura e gravação poderá variar dependendo do dispositivo host, das condições de leitura e gravação e do tamanho do arquivo.

Resistência a choques e vibrações

Outra grande vantagem das SSDs é a ausência de peças móveis. Elas são imunes ao impacto, proporcionam um funcionamento estável e podem resistir a choques e vibrações consideráveis. Isso significa que elas trabalham de forma confiável, mesmo em locais expostos a altos níveis de vibração, e são ideais para uso em notebooks e outros dispositivos portáteis menores que exigem resistência a choques e vibrações.

Baixo consumo de energia

Como as SSDs não são equipadas com um motor, elas consomem menos energia do que as HDDs, ajudando a prolongar a vida útil da bateria de um computador. Isso não é uma grande vantagem apenas para notebooks, mas também especialmente para aplicativos corporativos de alto desempenho, como grandes servidores, onde as SSDs substituem várias HDDs devido às vantagens significativas de desempenho da tecnologia de estado sólido, onde o baixo consumo de energia é de grande importância. Com o aumento na regulamentação governamental em todo o mundo, as empresas de TI atuais estão buscando cada vez mais formas de reduzir o consumo de energia sem comprometer o desempenho. A geração de calor por desempenho do procedimento de dados das SSDs é significativamente baixa, reduzindo os requisitos de arrefecimento de data center, o que não é apenas melhor para o ambiente, mas também pode resultar em economias significativas.

Leve e compacta

SSD cliente
Série HG6

As SSDs cliente (cSSDs) da Toshiba são dispositivos leves que pesam cerca de 9 g (módulo Half Slim, módulo mSATA). Elas são ideais para uso com os dispositivos móveis cada vez mais leves exigidos. Atualmente, muitas das SSDs estão disponíveis em fatores de forma de unidade de 1,8 polegadas e 2,5 polegadas para assegurar que a forma permita que elas sejam usadas como substitutos para HDDs. No entanto, como as SSDs consistem principalmente em dispositivos semicondutores, elas oferecem uma maior flexibilidade de projeto e podem ser projetadas para serem conectadas diretamente a uma placa-mãe. O tipo M.2 é um dos fatores de forma colocados em uso prático e as SSDs dão suporte aos tipos 22110, 2280, 2260, 2242 e 2230. Além disso, as SSDs ajudam a reduzir o tamanho do produto e oferecem maior flexibilidade no projeto do produto.

PCI Express M.2 padrão
Figura: PCI Express M.2 padrão (especificação PCI Express M.2)

Silenciosa

As HDDs contêm partes móveis, que causam sons operacionais. O benefício de não ter peças móveis é o silêncio, como nas SSDs. As SSDs não produzem ruídos audíveis, tornando-as ideais para uso com dispositivos sensíveis ao ruído, como televisores, sistemas de home theater, sistemas e filmadoras de áudio digital.

Tecnologia para expansão do tempo de vida

Como resultado da repetição de leitura/escrita, ou seja, injeção de elétrons em uma porta flutuante de célula de memória NAND, a camada de óxido é degradada e essa degradação provoca a limitação da resistência à leitura/escrita, o que encurta o tempo de vida da SSD. Diversas tecnologias foram aplicadas para superar essa limitação, e para prolongar o tempo de vida da SSD existem três técnicas principais empregadas amplamente com as SSDs atuais: "nivelamento de uso", "provisionamento em excesso" e "ECC e atualizar".

O nivelamento de uso é gerenciado pelos algoritmos de controlador de Flash que monitoram e reajustam os blocos de dados acessados com frequência e que tenham cumprido um limite de acesso predefinido para manter o desempenho. O método de provisionamento em excesso, pelo qual o número de blocos lógicos é atribuído ao dispositivo, excede a capacidade comercializada para fornecer a expectativa de vida necessária por meio da reatribuição usando a técnica de nivelamento de uso. A terceira é a adoção dos códigos de correção de erro (ECC) e da ação de atualizar. Os ECC são códigos redundantes adicionados aos dados do usuário para corrigir erros e a ação de atualizar é um mecanismo que transfere dados para evitar um erro antes de o limite de correção de erros por ECC ser ultrapassado. As taxas de erro de memória NAND aumentam quando o ciclo de apagamento/gravação aumenta. As técnicas de ECC e de ação de atualização evitam a piora das taxas de erro e ajudam as SSDs a expandir o tempo de vida.

Palavras-chave

  • SLC (célula de nível único)

    A SLC é um elemento de memória capaz de armazenar dados em células de memória individuais. Ela é acessada em alta velocidade e grava nas SSDs usando uma lógica de controle "mais simples" com 1 bit, em comparação aos 2 bits usados pela célula de múltiplos níveis (MLC). Assim, a SLC tem a vantagem do menor consumo de energia. Além disso, as operações de gravação em chips da SLC duram 100.000 ciclos, aproximadamente dez vezes mais que a resistência da MLC. Devido à taxa de transferência rápida e a uma confiabilidade elevada, a memória SLC é usada nas SSDs de alto desempenho.

    * A velocidade de leitura e gravação poderá variar dependendo do dispositivo host, das condições de leitura e gravação e do tamanho do arquivo.

  • MLC (célula de múltiplos níveis)

    Os dispositivos NAND podem armazenar mais de 1 bit de informação por célula de memória escolhendo entre vários níveis de carga elétrica a serem aplicados às portas flutuantes das células. A MLC retém 2 bits de informações por célula. Essa tecnologia permite o armazenamento de maior densidade em um fator de forma pequeno e um armazenamento mais econômico por gigabyte.

    * A velocidade de leitura e gravação poderá variar dependendo do dispositivo host, das condições de leitura e gravação e do tamanho do arquivo.

  • TLC (célula de nível triplo)

    A TLC armazena 3 bits por célula e é mais econômica que as SSDs. A TLC começou a ser usada em cSSD e prevê-se que a demanda para introdução da TLC se tornará forte à medida que os aplicativos cliente de baixo custo, como notebooks e tablets de menor custo, estão ficando populares.

    * A velocidade de leitura e gravação poderá variar dependendo do dispositivo host, das condições de leitura e gravação e do tamanho do arquivo.

  • Resistência

    O número máximo de ciclos de apagamento/gravação que atinge o fim do tempo de vida do produto quando ocorre a degradação das células NAND, o que provoca perda de confiabilidade e de retenção de dados.

  • Retenção de dados

    Este é um período de tempo no qual uma célula de memória de dados armazenados deve permanecer recuperável e não corrompida durante a vida útil de um dispositivo de armazenamento. Uma célula é degradada à medida que se aproxima da resistência máxima e a contagem de apagamentos/gravações de célula chega a um valor que representa a expectativa de vida total.

  • Provisionamento em excesso

    Este é essencialmente um excesso de capacidade atribuído a um dispositivo de armazenamento para permitir que as células atinjam 100% de resistência (a expectativa de vida alcançada) no período de uso garantido de um dispositivo de armazenamento. Um excesso de capacidade é colocado on-line e alocados para compensar a perda de células de armazenamento utilizáveis. Geralmente, uma figura aceitável é dependente de cada produto.

  • Nivelamento de uso

    Cada célula de memória tem uma vida finita, sua estrutura se rompe e as células são desgastadas. Para assegurar que cada célula seja submetida a desgaste igual, a contagem de apagamentos/gravações é mantida. Depois que a contagem atinge um limite pré-determinado, o conteúdo de dados da célula coletiva é reatribuído a um coletivo/setor de célula mais jovem.

  • Códigos de correção de erros (ECC)

    Os ECC são códigos redundantes que são adicionados aos dados do usuário, são lidos com os dados do usuário e que corrigem um erro incluído nos dados.

  • Atualizar

    Como as SSDs são usadas por um longo período de tempo, elas se desgastam. A atualização é um mecanismo para realocar os dados a fim de impedir um aumento de erros e para reatribuir os dados a fim de expandir o tempo de vida de uso das SSDs.

  • Redução da tecnologia de processos da memória Flash NAND

    A redução da tecnologia de processos permite o aumento nas capacidades de memórias de semicondutores e um aumento no número de chips de um wafer melhora o desempenho de custos. Com isso, a redução da tecnologia de processos é um dos fatores usados na avaliação de competitividade da tecnologia de processo de memória Flash NAND. O pitch de linha mínimo de circuitos (meio pitch) é usado como um índice de redução da tecnologia de processos.

    O avanço das tecnologias de processo de memória Flash NAND da Toshiba incorporadas em SSDs cliente é apresentado a seguir:

    43 nm – 2008

    32 nm – 2009

    19 nm – 2012

    segundo processo de 19 nm – 2014

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