Introducción a los discos de estado sólido

Adrián Nieto PérezSistemas Operativos, Ingeniería Informática

Universidad de Málaga

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Un poco de historia

• Primer S.S.D.(Solid-State Drive) en los años 50

– Basados en memoria DRAM

– Necesitan alimentación constante

• En 1995 aparece el primer SSD basado en memoria Flash

• A partir del año 2000 surge el concepto pendrive

• En 2007 el SSD empieza a ser una alternativa real.

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Radiografía de un SSD actual

OCZ Vertex 2 Pro, vista superior e inferior

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El interior de un SSD: La controladora

• Aspecto clave en el rendimiendo de un SSD

• Casi siempre independiente del fabricante del disco

• Encargadas de tareas clave

– ECC, mapeo de bloques invalidos, “saneo” del disco

– Gestión de la caché, acceso paralelo a celdas

– Encriptación

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El interior de un SSD: Celdas de memoria

• Basadas en DRAM

– Extremadamente rápidas

– Muy poco uso, muy suceptibles a fallo

• Basadas en NAND

– Dos formas de interpretar los datos, SLC y MLC

– Uso en todo tipos de dispositivos

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El Interior de un SSD: Memoria caché

• No todos los modelos poseen memoria caché externa

• Aparece frecuentemente en los discos SLC

• Caché basada en DRAM

• Incrementa enormemente el precio del SSD

• Sacrifica el espacio de una celda NAND

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El interior de un SSD: El súpercondensador

• No es necesario en discos SLC

• No aparece en los discos domésticos o low-cost

• Vital importancia en entornos críticos

• Evita corrupción de datos al perder la alimentación

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El rendimiento de un SSD

• Una NAND se lee a una velocidad entre 5 y 40MB/s

• Las celdas se acceden concurrentemente (striping)

• La latencia de lectura aleatoria de una celda oscila entre

25 y 50 µs

• Los “números” de un SSD dependen de la controladora y

de las celdas NAND

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La capacidad de un SSD

• El problema del borrado de las celdas MLC

• 8 - 25% de espacio no accesible

• La capacidad máxima depende de:

– Distancia de integración

– Número de chips NAND

– Form-Factor del disco

– Porcentaje de espacio reservado

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Longevidad de un SSD, ¿Un desastre?

• ¿Mito o realidad? Hagamos números

– Vida media de una celda MLC: 2·10⁴ ciclos de escritura

– Tasa de escritura secuencial: 175 MB/s

– Capacidad de un SSD media 64 GB

• Diferentes casos

– Peor caso: 42 días.

– Mejor caso: 10 años (duración de una celda NAND)

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Longevidad de un SSD, ¿Hay remedios?

• Garantizar que se escriben todas las celdas (wear-leveling)

• Enviar a la controladora los bloques en desuso (TRIM)

• Reducir las escrituras extra (write-amplification)

• Desactivar los planificadores de escritura (noop)

• Desactivar el archivo de intercambio

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Longevidad de un SSD, estimación real

• Un caso real:

– Escribimos un 12% (10% datos, 2% WA) del disco cada día.

– En 5 días se habrá completado un ciclo completo de escritura

– Necesitamos 136 años para completar la vida de las celdas

OCZ Vertex 2 (firmware 1.29)

Capacidad total de la NAND 64 GB

Reportado al SO 54 GB (15% no mapeable)

Espacio libre tras instalar 35 GB

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¿Por qué necesitas un SSD?

0 5 10 15 20 25 30 35

El día a día de un informático

Tiempo (en segundos) en cargar después de arrancar Photoshop, WoW y Firefox

WD VelociRaptorOCZ Vertex 2

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Pruebas de rendimiento

Prueba OCZ Vertex 2 WD VelociRaptor

PC Mark Vantage – Prueba general (puntos) 17103 11564

IOMeter – 4k Lectura aleatoria (MB/s) 52 0.6

IOMeter – 4k Escritura aleatoria (MB/s) 51.4 1.7

IOMeter – 2MB Lectura secuencial (MB/s) 265.5 145.3

IOMeter - 2MB Escritura secuencial (MB/s) 251.9 143.9

Operaciones E/S aleatorias por segundo 250 111

• Un SSD de gama media es un 49% más veloz que el disco

duro magnético más rapido

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Ventajas de un SSD

• Rendimiento excelente

• Ausencia de partes mecánicas

– Funcionamiento en absoluto silencio

– Mejor tiempo entre fallos

– Más resistente a uso en ambiente hostil

– Rendimiento determinista

• Seguridad

– Encriptación transparente al usuario de los datos

– Borrado irrecuperable de los datos

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Desventajas de un SSD

• Coste por GB elevado

• Imposibilidad de recuperar datos tras un accidente grave

• La duracción de las celdas es inversamente proporcional a

la distancia de integración

• Corrupción de datos por pérdida de energía

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Conclusiones y preguntas

• ¿Merece la pena un SSD?

• ¿Debo esperar para comprar un SSD?

• ¿Qué nos depara el futuro?

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Webgrafía

• www.anandtech.com

– The SSD Anthology

– The SSD Relapse

– Understanding Sandforce, not all drives are equal

– Vertex 2 Pro Review

– Anandtech Bench Library

• www.wikipedia.com

– Solid-State Drive

– Write Amplification

– Trim Command

• www.storagesearch.com

– SSD Power is going down!

– Can you trust flash SSDs specs & benchmarks?

– Endurance in flash SSDs