Unidades de estado sólido (SSDs) são dispositivos de armazenamento construídos a partir de um conjunto de chips de armazenamento eletrônico de estado sólido, consistindo em uma unidade de controle e uma unidade de armazenamento (chip FLASH, chip DRAM). Os SSDs compartilham as mesmas especificações de interface, definições, funções e uso dos discos rígidos tradicionais e também correspondem aos discos rígidos comuns em termos de formato e tamanho do produto. Devido à sua robustez e eficiência, os SSDs são amplamente utilizados em vários campos, incluindo militares, automotivos, controle industrial, vigilância por vídeo, monitoramento de rede, terminais de rede, energia elétrica, equipamentos médicos, de aviação e de navegação.

Arquitetura SSD

Os três componentes mais importantes do SSD são o flash NAND, o controlador e o firmware. O flash NAND é responsável por tarefas importantes de armazenamento, enquanto o controlador e o firmware precisam trabalhar juntos para gerenciar tarefas complexas e igualmente importantes, como armazenamento de dados, manutenção do desempenho do SSD e garantia de longevidade.

Responsável pelo Tratamento

Controlador: O controlador é responsável por gerenciar as operações de leitura e gravação de dados, realizar correção de erros, otimizar o desempenho e estender a vida útil da memória flash.

Chips Flash NAND

NAND os chips de memória flash servem como meio de armazenamento primário para SSDs, compreendendo milhões ou até dezenas de bilhões de células de memória. O número dessas células determina a capacidade de dados do chip flash. A estrutura principal de cada célula de memória é um transistor de porta flutuante, que “confina” os elétrons e controla seu movimento para dentro e para fora da célula. A mudança em seus níveis alto e baixo determina os dados armazenados, que podem ser 0 ou 1. O chip flash NAND se conecta ao chip controlador por meio de uma interface periférica serial (SPI) para facilitar a leitura e gravação de dados.

Existem também diferentes tipos de partículas de memória flash. Atualmente, os seguintes tipos de partículas são comuns:

•  SLC (célula de nível único): Cada célula armazena 1 bit de informação e possui apenas duas variações de tensão, 0 e 1. Essa estrutura simples permite um controle rápido de tensão, resultando em longa vida útil e forte desempenho. Sua vida P/E (Programar/Apagar) está entre 10,000 e 100,000 vezes. Entretanto, as desvantagens do SLE incluem baixa capacidade e alto custo porque cada célula pode armazenar apenas 1 bit de informação.

•  MLC (célula multinível): Cada célula armazena 2 bits de informação, exigindo um controle de tensão mais sofisticado com quatro variações: 00, 01, 10 e 11. Essa complexidade resulta em menor desempenho e confiabilidade de gravação. O ciclo de vida P/E do MLC varia de 3,000 a 5,000 ciclos, dependendo do processo de fabricação.

•  TLC (célula de nível triplo): Célula de nível triplo (TLC) NAND, cada célula de armazenamento pode conter 3 bits de informação. Aumentar o número de bits por célula reduz o custo e aumenta a capacidade de armazenamento. No entanto, sua contagem de ciclos de Programa/Apagar (P/E) é de apenas cerca de 3,000, portanto seu desempenho e durabilidade não são muito altos, mas seu custo é inferior ao SLC e MLC. 

•  QLC (célula de nível quádruplo): Cada célula de armazenamento pode conter 4 bits de informação. Isto reduz ainda mais os custos e aumenta a capacidade de armazenamento em comparação com o TLC NAND. No entanto, o QLC NAND tem uma contagem de ciclos de Programa/Apagar (P/E) ainda mais baixa, normalmente em torno de 1,000 ciclos, resultando em menor desempenho e durabilidade. Apesar dessas desvantagens, a tecnologia QLC é popular em produtos de consumo devido ao seu preço acessível e alta densidade de armazenamento.

Esconderijo

Os SSDs geralmente são adotados com um cache de alguma capacidade para aumentar a velocidade de leitura e gravação de dados. O cache pode ser DRAM (Dynamic Random-Access Memory) ou parte da própria memória flash. A presença de cache pode reduzir efetivamente a latência de acesso aos dados.

Interface

Atualmente, existem várias interfaces SSD comuns:

•  SATA: A interface SATA é a interface SSD mais comum no mercado de consumo, com velocidades de transmissão em torno de 500-550 MB/s, oferecendo desempenho significativamente melhor que o HDD.

•  mSATA: mSATA é uma versão compacta da interface SATA; ele segue o padrão SATA, mas em um formato menor, tornando-o ideal para notebooks ultrafinos, tablets e outros dispositivos compactos.

•  NGFF: Ele usa a interface M.2, mas opera através do canal SATA, conectando-se à ponte sul e comunicando-se indiretamente com a CPU, resultando em desempenho mais lento.

•  NVMe: NVMe é uma interface de armazenamento de alta velocidade projetada para SSDs modernos. Ele usa o barramento PCIe para transferência de dados, oferecendo baixa latência, alta simultaneidade, baixo uso de CPU e excelente escalabilidade, aumentando significativamente o desempenho e a eficiência do armazenamento.

•  U.2: Uma interface proprietária que se comunica diretamente com a CPU através do canal PCIe. Este tipo de disco rígido requer um PCIe especial para a placa adaptadora de interface U.2.

Como funcionam os SSDs

A operação das unidades de estado sólido (SSDs) gira principalmente em torno do mecanismo de armazenamento da memória flash. A memória flash é um meio de armazenamento não volátil capaz de reter dados mesmo sem energia. Sua unidade básica de armazenamento é um transistor de porta flutuante, que representa informação binária (0 ou 1) armazenando uma carga na porta flutuante sob tensão controlada.

Nos SSDs, as operações de leitura e gravação de dados são gerenciadas pelo controlador. A leitura de dados é simples; o controlador lê dados de um endereço especificado e os transfere para o sistema host. A gravação de dados é mais complicada devido à velocidade de gravação mais lenta da memória flash, que requer uma operação de apagamento antes que novos dados possam ser gravados.

As operações de apagamento de memória flash normalmente ocorrem no nível de “bloco”, enquanto as gravações são realizadas em uma base de “página”. Isso complica o desempenho de gravação do SSD em comparação com os HDDs tradicionais, pois cada operação de gravação exige o apagamento prévio do bloco. Técnicas de coleta de lixo e nivelamento de desgaste para otimizar o desempenho e prolongar a vida útil da memória flash.

•  Coleta de lixo: Quando os dados em algumas páginas de um SSD se tornam inválidos (por exemplo, devido à exclusão ou modificação de arquivos), o Garbage Collection reorganiza os dados válidos, grava-os em novos blocos e apaga os blocos antigos para recuperar espaço.

•  Nivelamento de desgaste: Como a memória flash tem uma vida útil de gravação limitada, o controlador usa o nivelamento de desgaste para garantir que todos os blocos sejam gravados aproximadamente o mesmo número de vezes, evitando que determinados blocos sejam danificados prematuramente.

Cenários de aplicação de SSDs

Os SSDs encontram amplas aplicações em diversos campos, aproveitando seu desempenho e recursos superiores:

I. Computadores pessoais e laptops

•  Inicialização do sistema e carregamento de aplicativos: Os SSDs têm velocidades de leitura e gravação mais rápidas, o que pode reduzir significativamente o tempo de inicialização do sistema e o tempo de carregamento de aplicativos, melhorando a experiência do usuário.

•  Armazenamento de dados: Ideais para usuários que necessitam de acesso rápido e processamento de grandes volumes de dados, como designers e jogadores, os SSDs fornecem uma solução eficiente de armazenamento de dados.

II. Centros de dados e servidores:

•  Necessidades de armazenamento de alto desempenho: Os SSDs atendem às intensas demandas de leitura/gravação de data centers e servidores, suportando operações de dados em alta velocidade.

•  Backup e recuperação de dados: As rápidas velocidades de leitura/gravação facilitam o backup e a recuperação de dados mais rápidos, melhorando a confiabilidade e a disponibilidade do data center.

III. Aplicativos de nível empresarial

•  Processamento de Big Data: SSDs com altas velocidades de leitura/gravação e grandes capacidades atendem às necessidades de processamento de big data, incluindo análise e mineração de dados.

•  Processamento de dados em tempo real: Para cenários que exigem processamento de dados em tempo real, como transações financeiras, jogos online, etc., os SSDs são capazes de fornecer recursos de acesso a dados de baixa latência para garantir dados em tempo real.

4. Sistema Embarcado e Controle Industrial

•  Alta confiabilidade e estabilidade: Sistemas embarcados e áreas de controle industrial exigem alta confiabilidade e estabilidade dos equipamentos, os SSDs são adequados para esses ambientes devido ao seu design sem peças mecânicas e alta resistência a choques e vibrações.

•  Longevidade e durabilidade: Os SSDs geralmente têm uma vida útil mais longa do que os discos rígidos mecânicos e podem suportar mais operações de leitura e gravação, tornando-os adequados para sistemas embarcados e dispositivos de controle industrial que exigem longas horas de operação e leituras e gravações frequentes.

V. Outros campos

•  Militar e Aeroespacial: Nessas áreas, existem requisitos extremamente elevados de segurança e estabilidade de dados, e os SSDs são amplamente utilizados nesses cenários devido à sua leitura/gravação de alta velocidade e características duráveis.

•  Vigilância por Vídeo e Monitoramento de Rede: Com a popularização da tecnologia de vigilância por vídeo, uma grande quantidade de dados de vídeo precisa ser armazenada e processada. A capacidade de leitura/gravação de alta velocidade dos SSDs é capaz de atender a essas necessidades e fornecer uma solução estável de reprodução e armazenamento de vídeo.

•  Carro Conectado: Os SSDs estão sendo usados ​​para atender aos requisitos de gráficos de alto desempenho, armazenamento de dados e comunicações, fornecendo soluções flash que ajudam a fornecer armazenamento de alto desempenho e confiabilidade em uma ampla gama de aplicações em veículos, incluindo tecnologias de assistência ao motorista, sistemas de entretenimento, navegação sistemas e mapeamento 3D.