Lo tiene tu PC y puede que tu consola, pero, ¿qué es realmente un SSD, qué partes tiene y cómo funciona?

De un tiempo a esta parte, el SSD se ha convertido en el dispositivo de almacenamiento por defecto en muchos ordenadores, especialmente los portátiles. Con ello han reemplazado a los discos duros en muchos PC. Pero, ¿cómo funciona una unidad de estado sólido y qué ventajas y desventajas tiene en comparación con un disco duro? En este artículo os lo vamos a explicar de forma didáctica, al mismo tiempo que puede que rompamos algunos mitos sobre las unidades de estado sólido.

No hay duda que la década de 2020 es la de los SSD, en ella hemos visto la transición definitiva a las unidades de estado sólido, tanto en PC como en consolas de videojuegos. Sin embargo, el software en PC, y por el uso continuo del disco duro, no se ha terminado de adaptar del todo y siguen existiendo aplicaciones que no aprovechan sus ventajas todavía.

¿Qué es un SSD o Unidad de Estado Sólido?

Unidad SSD M.2 estado sólido

SSD o Solid State Drive, unidad de estado sólido en español, es un tipo de dispositivo de almacenamiento informático con un funcionamiento totalmente diferente a un disco duro, por lo que de entrada el concepto disco duro SSD que suele usar mucha gente en su ignorancia es totalmente erróneo, ya que en el caso que nos ocupa, y al contrario que un disco duro no tenemos un disco rotando con un motor y un cabezal, sino una tecnología totalmente distinta.

Una unidad de estado sólido utiliza lo que nosotros llamamos chips de memoria NAND Flash, se le dice así por el hecho de que están formados por puertas lógicas NAND para formar las diferentes celdas de memoria. Su particularidad es que es memoria no volátil y desde el momento en que no pierde los datos al dejar de recibir suministro eléctrico, a dicho tipo de memoria se la llama también NVRAM o RAM no volátil. A la cual también llamamos NVMe, lo cual significa (RAM) no volátil empotrada.

Si bien existen otros tipos de memoria no volátiles, como la NOR RAM, compuesta por puerta lógicas NOR, la que se emplea en los SSD es, como hemos dicho, la NAND Flash. Dicho tipo de memoria se utiliza también en tarjetas de memoria y almacenamientos de bajo coste, pero la particularidad de un SSD es su baja latencia de acceso y su alto ancho de banda.

Acceso más rápido que un disco duro

Piramide jerarquia memoria

Una de las cosas que hemos de tener en cuenta respecto a un SSD es el hecho que su funcionamiento es igual al de la memoria RAM, pero sin perder datos. Claro está que al contrario de esta es mucho más lenta, ya que no existen chips de memoria NAND Flash tan rápidos como tener las mismas velocidades que la RAM convencional en todas sus variantes. Sin embargo, un SSD es mucho más rápido que un disco duro, es por ello que en lo que a tiempos de acceso se sitúa mucho antes de un HDD convencional.

Todo ello se debe al hecho de que no hay partes mecánicas, sino que son puros impulsos eléctricos para la comunicación. Sin embargo, la comunicación entre el SSD y la CPU, o cualquier otro dispositivo accediendo al mismo, se hace a través de la interfaz PCI Express, la cual tiene una latencia mucho más alta que el acceder a los módulos DIMM, pero al contrario que otras interfaces permite volcar la información a la memoria del sistema mucho más fácilmente. Sin embargo, la clave está en la cantidad de chips de memoria en una unidad de estado sólido, ya que, a diferencia de una tarjeta de memoria, lo cual no solo aumenta el ancho de banda interno, sino también el número de canales a memoria, lo que evita las contenciones. Es decir, las colas de acceso a los datos, de ahí a que tengan una latencia tan baja.

Velocidad de transferencia más alta que un disco duro

Velocidades transferencia PCIe 4 SSD SATA HDD

En la actualidad ningún disco duro puede saturar el ancho de banda del puerto SATA III, en cambio, un SSD puede utilizar el ancho de banda del PCI Express, el cual es una orden de magnitud más grande en la actualidad, y creciendo. Sin embargo, hay que aclarar que no se accede a los datos de la unidad a esa velocidad realmente.

Desde el momento en que la NAND Flash funciona igual que la memoria RAM convencional, es necesario un controlador de memoria, es decir, un procesador especializado que se encarga de gestionar los accesos a los diferentes bancos de memoria. Y es que hemos de tener en cuenta que la CPU ve toda la memoria RAM del sistema, tanto volátil como no volátil, como parte de un todo, pero hemos de partir que están físicamente separadas.

Es por ello que el primer trabajo del controlador flash es el de convertir dichas direcciones a memoria virtual a direcciones físicas y luego buscar la información. Dicho proceso se hace para cada una de las peticiones al SSD. Por lo que, dependiendo del tamaño medio de los bloques de datos, el controlador flash se puede saturar más o menos, ya que la cantidad de envíos será mayor o menor. De ahí a que el controlador del SSD o controlador flash no llegue a aprovechar del todo el bus PCI Express.

Un SSD nunca será tan rápido como su interfaz de comunicación

SSD unidad estádo solido conexión M.2 PCI Express

Por ejemplo, una interfaz PCI Express 4.0 de 4 líneas, la utilizada por las unidades M.2 más avanzadas del mercado actualmente, tiene un ancho de banda de 8 GB/s, sin embargo, la mayoría de unidades de estado sólido de ese tipo operan a 7 GB/s o menos. ¿A qué se debe eso? Pues al hecho que, en el acceso a los datos, el controlador flash del SSD ha de realizar una serie de operaciones obligatorias de acceso a la memoria NAND Flash incluida en el dispositivo.

Hemos de partir del hecho que la CPU no opera desde la memoria del SSD, sino que los datos son volcados, es una parte de la RAM principal reservado para ello usando una unidad DMA. Sí, además en el microprocesador central del sistema hay una unidad adicional que requiere hacer operaciones con la información, como compresiones y descompresiones de datos al vuelo, entonces ocurrirá que el ancho de banda total disminuirá aún más.

Dicho fenómeno es el que hace que la velocidad de transferencia en PS5 sea de 5.5 GB/s y no los 7 GB/s, pero la ventaja aquí es que se permiten almacenar muchos más datos en el mismo espacio.

SSD DRAM-Less

SSD DRAM-Less diagrama

Todo controlador flash en una unidad de estado sólido requiere una memoria RAM a su lado, la cual usa para realizar sus cálculos. Si bien sería posible hacer uno con memoria embebida, lo cual sería mejor, en la actualidad muchos tienen un pequeño módulo de memoria que les permite hacer sus cálculos mucho más rápido, a excepción de los SSD DRAM Less.

¿La ventaja de estos? Son mucho más baratos, pero su desventaja es que el controlador flash emplea la RAM del sistema a través del PCI Express para calcular las direcciones de memoria, por lo que el ancho de banda efectivo se reduce. Tened en cuenta que lo que normalmente se dan como anchos de banda máximos en cualquier sistema de almacenamiento se refiere siempre a una misma transferencia efectuada de forma continua y en el mundo real no se hace una sino varios miles en un solo segundo.

SSD, almacenamiento y duración (SLC, TLC, MLC y QLC)

SLC TLC MLC QLC celdas NAND Flash SSD

No todas las celdas de memoria NAND Flash utilizadas en las unidades SSD son iguales y podríamos decir que estas tienen una vida útil que se acorta cuanta más información se almacena en una celda, sin embargo, esto no es el único efecto que existe a la hora de escoger un tipo de celda de memoria u otro. Hemos de partir, que el tiempo de lectura y escritura en una celda NAND Flash se multiplica por la cantidad de bits que tiene. Por lo que el hecho de comprar una unidad de estado sólido de mayor capacidad por el mismo precio supone ganar capacidad para guardar datos a cambio de perder velocidad de acceso a los mismos.

3D NAND o V-NAND en una unidad de estado sólido

Memoria 3D NAND Flash SSD unidad estado sólido

Para su evolución en la búsqueda de mayor capacidad de almacenamiento, la NAND Flash de los SSD depende de las nuevas litografías para conseguir mayores capacidades de almacenamiento. Sin embargo, una estrategia ha sido la de apilar varios chips de memoria uno encima de otro y usar vías a través de silicio que atraviesan los diferentes chips para acceder a los niveles superiores.

A día de hoy la evolución ya no se da solo con el avance en los nodos de fabricación, sino también añadiendo una mayor cantidad de capas. A día de hoy la 3D NAND o V-NAND es la más utilizada en las unidades de estado sólido e irá creciendo a medida que las intercomunicaciones o microbumps en el chip base se vayan haciendo más pequeños, permitiendo un mayor número de interconexiones con los diferentes chips de la pila.