SSD: Factores de forma, tipos de controlador, Tier, y más

Actualizado a: 19 de enero de 2024

Las unidades SSD han llegado para sustituir poco a poco a las HDD. En muchos sentidos ya lo han hecho, pese a eso, siguen siendo unas desconocidas para muchos usuarios. Por eso, en este artículo vamos a diferenciar todas los tipos, factores de forma, tipos de controladores, Tiers, etc., que hay que conocer al respecto. Así ya no te volverás a hacer un lío…

Según el tipo de celda de memoria

Por un lado, podemos catalogar las unidades de SSD según el tipo de celda de memoria que usan para el almacenamiento de bits. En este sentido nos podemos encontrar con:

Según la tecnología

Según la tecnología podemos ver dos tipos de celdas diferentes:

• NOR: Durante los años 90, surgió un tipo de memoria flash conocida como NOR. Se caracteriza por ser económica de producir y está compuesta por celdas FGMOS o FGMOSFET, que son transistores MOSFET de puerta flotante. Estos transistores pueden almacenar datos en forma no volátil, representando los valores 0 o 1. Sin embargo, presenta algunas desventajas, como un tiempo de acceso más lento y una menor durabilidad, ya que solo puede soportar alrededor de 10,000 a 100,000 ciclos antes de sufrir fallas.
• NAND: Apareció después de la tecnología NOR y ofrece importantes ventajas. Se trata de una memoria más rápida que también se basa en la tecnología de transistores de puerta flotante, aunque con ciertas modificaciones. Además, es más resistente, pudiendo soportar entre 100,000 y 1,000,000 de ciclos antes de fallar.

Ya sabes, NOR y NAND, las dos puertas lógicas universales.

Celdas de memoria flash NAND según la estructura

Como sabes, NOR está obsoleta, y se ha impuesto la NAND. Dentro de la memoria flash NAND, tenemos diferentes tipos de celdas según su estructura:

NAND 2D

• SLC (Single Level Cell): Es la primera generación de NAND flash en aparecer, capaz de almacenar solo un bit en cada celda. Aunque tiene esa limitación, su desgaste es menor en comparación con otros tipos de celdas.
• MLC (Multi Level Cell): Es más económica de fabricar que la SLC y puede almacenar hasta 2 bits simultáneamente en cada celda, lo que duplica su densidad. Sin embargo, sufre un mayor desgaste, lo que reduce su confiabilidad.
• TLC (Triple Level Cell): Este tipo tiene un rendimiento inferior a los anteriores y sufre un mayor desgaste. Sin embargo, su principal ventaja es que puede almacenar hasta 3 bits en cada celda, lo que aumenta su densidad.
• QLC (Quad Level Cell): Es una evolución de la TLC y permite almacenar hasta cuatro bits en cada celda. Gracias a las nuevas generaciones y mejoras en los algoritmos, se ha logrado reducir incluso más su desgaste en comparación con la TLC.
• PLC (Penta Level Cell): Actualmente se encuentra en fase de desarrollo y se diferencia de los tipos anteriores en su capacidad para almacenar hasta 5 bits por celda de memoria.

Actualmente se está tratando de mejorar la tecnología QLC para sustituir a la TLC actual y conseguir mayor densidad de bits por celda, pudiendo incrementar las capacidades a varios TB. Sin embargo, hay que mejorar bastante las QLC para conseguir que las unidades SSD nuevas igualen las prestaciones del TLC.

NAND 3D

En los últimos diez años, se ha llevado a cabo una investigación significativa en una de las principales innovaciones en el mercado de la memoria flash: el cambio de las celdas 2D a las celdas 3D, es decir, celdas tridimensionales. Esta transición permite superar ciertas limitaciones de las celdas 2D, como su menor densidad.

En el caso de la memoria flash NAND 2D, las celdas se disponen de forma horizontal, una al lado de la otra, lo que ocupa más espacio en el chip de silicio. Reducir su tamaño resultaría en una disminución de la confiabilidad, lo cual es un problema grave.

Por el contrario, en la memoria flash NAND 3D, las celdas se apilan verticalmente, ocupando menos espacio en el chip de silicio y logrando una densidad mucho mayor. Además, este enfoque no afecta a la confiabilidad y consume menos energía, lo que representa uno de los avances más significativos en este campo.

Factor de forma de los SSD

Por otro lado, también se puede catalogar las unidades SSD según su factor de forma, esto es algo de lo que más confusión suele generar. Pero básicamente tenemos:

2.5″

El formato de este SSD, tal como sugiere su nombre, es similar a una unidad HDD tradicional, pero con un tamaño de 2.5 pulgadas, es decir, comparable a los discos duros de los portátiles, que son más pequeños que sus contrapartes de 3.5 pulgadas utilizadas en las computadoras de escritorio. Estas unidades han sido ampliamente utilizadas y siempre se conectan mediante cables SATA, aunque gradualmente están siendo reemplazadas por nuevos formatos.

M.2

El formato M.2 se ha vuelto muy popular en la actualidad. Este factor de forma admite tanto una interfaz SATA como una interfaz PCIe. Además, viene en diferentes tamaños, como 22110, 2280, 2260, 2242 y 2230, lo que se refiere a un ancho de 22 mm y una longitud variable según el modelo.

M.3

Además, es importante mencionar que ya se está hablando del nuevo formato M.3, una versión más moderna que presenta dimensiones ligeramente más grandes con el objetivo de permitir la integración de más chips de memoria flash para lograr una capacidad aún mayor.

mSATA

El formato mSATA es otro tipo de factor de forma que guarda similitudes con el mencionado anteriormente, y a menudo se confunde con el M.2. Aunque ha sido reemplazado por los nuevos M.2, no está de más tener conocimiento sobre él. Este formato utiliza una tarjeta mini-SATA, que se basa en la interfaz SATA, pero con un PCB más pequeño donde se encuentran los chips de memoria flash y el controlador.

U.2 y U.3

En el ámbito de los servidores y equipos de alto rendimiento, también se encuentran especificaciones de factor de forma especiales, como los U.2 y los nuevos U.3. Estos formatos se asemejan bastante a las unidades SSD de 2.5 pulgadas, pero son un poco más gruesos, ofrecen mayores capacidades de almacenamiento y son capaces de tolerar temperaturas de funcionamiento más altas. Además, cuentan con una carcasa que actúa como disipador térmico para garantizar un rendimiento óptimo.

Tarjetas de expansión (Add-In Card)

Por último, también podemos encontrar tarjetas de expansión que funcionan como unidades de almacenamiento, como por ejemplo, Intel Optane y otros modelos similares. Estas tarjetas de expansión no tienen la apariencia de un SSD convencional, sino que se insertan en una ranura PCIe de la placa base.

El factor de forma adicional de tarjeta (AIC o Add-In Card), debido a su tamaño físico más grande en comparación con los formatos discutidos anteriormente, el AIC tiene la capacidad de ofrecer una mayor capacidad de almacenamiento y un potencial rendimiento mejorado, ya que también puede aprovechar cualquier ancho de banda PCIe disponible, incluido x16. Además, su tamaño más grande permite la posibilidad de agregar funcionalidades computacionales adicionales a un dispositivo de almacenamiento. El factor de forma AIC es muy versátil y es probable que continúe evolucionando para adaptarse a las aplicaciones de almacenamiento en estado sólido.

Factores de forma según estándar

Por otro lado, lo anterior, también podemos clasificarlo en función de los estándares de unidad de control. En este caso tenemos:

• NVMe: de NVMe hablaremos más adelante, pero hay que tener en cuenta que a este grupo pertenecen los M.2, M.3, U.2, U.3.
• EDSFF: son las siglas de Enterprise and Data Center Standard Form Factor, es un conjunto de especificaciones mantenidas por SNIA en colaboración con SFF Technology Affiliate. EDSFF abarca una variedad de factores de forma que comparten el protocolo PCIe + NVMe y utilizan el mismo conector de borde SFF-TA-1002. Esta familia de factores de forma presenta varias ventajas en comparación con otros formatos de SSD, incluyendo una mayor capacidad de almacenamiento, escalabilidad, rendimiento y una mejor gestión térmica y de energía. Algunos de los formatos EDSFF admiten conexiones PCIe x8 e incluso x16, lo cual brinda la máxima capacidad de ancho de banda posible para futuros SSD basados en PCIe 6.0. Dentro de este estándar tenemos:
  • E1.S: significa EDSFF 1U Short, es un formato versátil y eficiente en consumo energético para aplicaciones de almacenamiento empresarial y de hiperescala, como servidores en la nube y servidores OEM de rendimiento en 1U. El factor de forma E1.S es ligeramente más largo que M.2 pero más ancho, lo que permite una mayor capacidad por unidad al acomodar más NAND. E1.S ofrece ventajas sobre el popular formato M.2 de 110 mm utilizado en centros de datos de hiperescala, como capacidad de conexión en caliente, mejor rendimiento térmico y capacidad de escalabilidad a mayores capacidades gracias a su compatibilidad con enlaces PCIe x8, superando el máximo de x4 visto en M.2.
  • E1.L: el EDSFF 1U Long, es un factor de forma diseñado para maximizar la capacidad por unidad y por rack en servidores o matrices de almacenamiento de 1U. E1.L se ajusta verticalmente en un chasis de 1U y ofrece opciones de compatibilidad con x4 o x8 carriles de PCIe, lo que permite un ancho de banda escalable por unidad. Es una unidad en caliente con acceso frontal y cuenta con LED incorporados en un gabinete integrado, lo que mejora la capacidad de mantenimiento en el centro de datos y permite un almacenamiento más eficiente en consumo de energía (TB/W). Al igual que E1.S, E1.L se ajusta verticalmente en un chasis 1U estándar.
  • E3: es una familia de factores de forma que incluye E3.S y E3.L, diseñados para reemplazar el tradicional formato U.2 de 2.5 pulgadas en servidores y sistemas de almacenamiento. Las diferentes versiones comparten la misma altura (76 mm) y son unidades conectables en caliente. Están optimizadas para la densidad de memoria flash de los SSD y el chasis del sistema. El conector de la familia E3 está diseñado para soportar carriles PCIe de x4 a x16 y disipadores de potencia de hasta 70 W, lo que lo convierte en uno de los formatos de SSD con mayor ancho de banda junto con AIC. Todas las versiones son compatibles con ranuras y conectores accesibles desde el frente. EDSFF E3 está diseñado para futuros servidores y sistemas de almacenamiento, y se adaptará a las generaciones futuras de PCI Express, incluyendo PCIe 6.0.

Aunque las EDSFF no se usan en los PCs, es interesante conocerlas también.

Según la interfaz del SSD

Si atendemos a la interfaz de conexión, es decir, la tecnología de bus que se emplea para la transferencia de datos en la unidad SSD, también podemos diferenciar entre:

SATA

Esta interfaz SATA (Serial Advanced Technology Attachment) surgió como una alternativa a las antiguas PATA (Parallel ATA) o IDE (Integrated Drive Electronics). SATA ofrece una mayor velocidad de transferencia en comparación con IDE, y sus cables son más compactos y eficientes. En el caso de los SSD, la interfaz SATA se utiliza para la transferencia de datos en unidades de 2.5″, M.2 SATA y también en mSATA.

PCIe o PCI Express

Adicionalmente, contamos con la interfaz PCIe o PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express). Esta interfaz de alto rendimiento se encuentra disponible en varios formatos y ha sido ampliamente adoptada por las unidades de almacenamiento. Las versiones utilizadas van desde la PCIe 3.0 hasta las más recientes PCIe 5.0. En el caso de los M.2 y algunas tarjetas de expansión, se utilizan 4x carriles para aprovechar al máximo la velocidad y capacidad de transferencia ofrecida por esta interfaz:

Según el controlador de memoria integrado

Por otro lado, también hay que diferenciar algo que muchos usuarios también confunden con las interfaces o con los factores de forma, y no tiene nada que ver. Me estoy refiriendo al tipo de chip controlador integrado en el SSD:

NVMe

NVMe, también conocido como Non-Volatile Memory Express, es un estándar de controlador de host utilizado en las unidades de estado sólido (SSD) más recientes. Este tipo de controlador se integra como un chip en las SSD y se basa en la interfaz PCIe. En otras palabras, todas las SSD NVMe utilizan la interfaz PCIe para su conexión y comunicación.

AHCI

Por otro lado, AHCI, o Advanced Host Controller Interface, es un protocolo de almacenamiento diseñado para controlar unidades de almacenamiento basadas en la interfaz SATA. Este protocolo permite una mayor compatibilidad con una amplia variedad de unidades, ya que fue desarrollado para los controladores de chips utilizados en dispositivos de almacenamiento SATA.

RAID

Un controlador RAID es un dispositivo hardware o software que administra y coordina los discos duros en un arreglo de discos redundante (RAID o Redundant Array Independent Disk). Su objetivo principal es mejorar el rendimiento, la disponibilidad y la protección de los datos almacenados en los discos. El controlador RAID se encarga de distribuir los datos entre los discos, realizar operaciones de lectura y escritura de manera eficiente y garantizar la integridad de los datos mediante la redundancia. Además, puede ofrecer características adicionales como la recuperación ante fallos, la expansión del almacenamiento y la configuración de niveles RAID específicos.

Tiers del SSD

Para terminar, en el ámbito del HPC o servidores para centros de datos, también se usan los niveles de rendimiento para catalogar a los SSD. En este sentido tenemos los denominados Tiers:

Nivel 1 o Tier 1

El Nivel 1, también conocido como Tier 1, se refiere a las unidades de estado sólido (SSD) SATA que ofrecen un rendimiento limitado en términos de velocidad de lectura y escritura secuencial, alcanzando hasta 550 MB/s.

Nivel 2 o Tier 2

El Nivel 2, o Tier 2, se refiere a las unidades SSD basadas en la tecnología NVMe (Non-Volatile Memory Express), utilizando la interfaz PCIe 3.0. Estas unidades ofrecen velocidades de lectura y escritura más altas, con un límite de hasta 3.5 GB/s.

Nivel 3 o Tier 3

En cuanto al Nivel 3, o Tier 3, representa el siguiente escalón en términos de rendimiento, haciendo referencia a las unidades SSD NVMe Gen 4. Estas unidades ofrecen velocidades de lectura y escritura secuencial aún más rápidas, llegando aproximadamente a los 7 GB/s.