As unidades de estado sólido (SSDs) evoluíram significativamente no armazenamento de dados, afastando-se do design mecânico das unidades de disco rígido (HDDs) e adotando uma abordagem mais eficiente baseada em semicondutores. Os SSDs usam memória flash, que fornece acesso mais rápido aos dados, maior durabilidade e maior eficiência energética. Este artigo tem como objetivo desmistificar a complexa tecnologia por trás dos SSDs, focando em seus componentes e em como eles gerenciam o armazenamento e recuperação de dados.
Estrutura de um SSD e seus componentes
Flash NAND
No coração de um SSD está seu circuito integrado, um conjunto complexo de circuitos eletrônicos intrinsecamente incorporados em uma célula semicondutora de silício. Essa integração é fundamental para a capacidade do SSD de armazenar grandes dados em um formato compacto.
Os SSDs contam com memória flash para armazenamento de dados, caracterizada por sua natureza não volátil. Isso significa que os dados são retidos mesmo quando o SSD não está ligado. A estrutura dessa memória flash em SSDs é baseada na tecnologia NAND, onde os dados são organizados em uma grade de blocos, cada um composto por um array de páginas ou setores. Estas são as menores unidades para armazenamento e acesso de dados dentro do SSD. A organização eficiente e a acessibilidade desses blocos e páginas permitem que os SSDs ofereçam velocidade e desempenho, superando significativamente as capacidades das unidades de disco rígido tradicionais.
O mecanismo fundamental para armazenamento de dados em SSDs é fornecido por transistores de porta flutuante (FGTs) na memória flash NAND. Esses transistores têm a capacidade única de reter uma carga elétrica, que é usada para representar dados binários. Os transistores e capacitores microscópicos nos SSDs podem ser carregados para representar “1” ou descarregados para representar “0” aplicando diferentes tensões, armazenando ou liberando assim uma pequena quantidade de carga elétrica de maneira controlada. Este processo de manipulação de cargas elétricas em nível microscópico permite que os SSDs alcancem velocidades de acesso a dados excepcionalmente rápidas, superando em muito o desempenho dos HDDs.
Controlador SSD
O controlador SSD, um microprocessador sofisticado que atua como uma CPU, é fundamental para a funcionalidade e o desempenho da unidade. Ele gerencia um conjunto de algoritmos complexos, cada um projetado para otimizar o manuseio de dados e a longevidade do armazenamento. Um algoritmo importante é o nivelamento de desgaste, que distribui de forma inteligente os dados gravados na memória flash NAND. Esta estratégia atenua o desgaste desigual das células de memória para que cada célula tenha a mesma longevidade aproximada. Ao garantir que nenhuma célula seja usada em excesso, o nivelamento de desgaste prolonga significativamente a vida útil geral do SSD. O código de correção de erros (ECC) é outro algoritmo crítico. Como a integridade dos dados deve ser garantida na codificação e decodificação contínua, os algoritmos ECC trabalham incansavelmente para detectar e corrigir bits de dados que possam ter sido alterados ou corrompidos durante o armazenamento ou transmissão.
Este processo envolve a geração de bits de dados adicionais durante a escrita, que são usados para comparação e correção de erros durante a leitura. A sofisticação dos algoritmos ECC influencia diretamente a confiabilidade e a precisão da recuperação de dados em SSDs. Além disso, o controlador executa mapeamento de blocos defeituosos, identificando e isolando células danificadas ou desgastadas (blocos defeituosos). Em seguida, ele remapeia o armazenamento de dados para células saudáveis, garantindo a integridade dos dados e um desempenho consistente. Esse gerenciamento proativo evita a perda de dados e mantém a eficiência da unidade.
Cache DRAM
Muitos SSDs incluem um cache DRAM, que serve como um pool de memória de acesso rápido para armazenar dados temporários e mapear tabelas (o diretório para o local de todos os dados). Isso acelera significativamente os processos de recuperação de dados, reduzindo o tempo que o SSD leva para localizar e acessar os dados. O cache DRAM é um componente chave para melhorar a capacidade de resposta geral e a eficiência de um SSD.
Como funciona o armazenamento de dados em SSDs?
Gravando dados
Gravar dados em um SSD é um processo preciso e complexo. Começa com a codificação dos dados, que converte as informações em um formato adequado para armazenamento usando o Código de Correção de Erros (ECC). Os dados são então escritos em ‘páginas’, que é a menor unidade de dados para gravação. No entanto, apagar dados requer a limpeza de “blocos” inteiros, que são grupos de páginas. Esta característica necessita do ciclo Programar/Apagar, onde um bloco completo é apagado e reescrito, mesmo para pequenas alterações de dados. O nivelamento de desgaste (controlado pelo controlador) entra em ação aqui, à medida que o controlador distribui esses ciclos pelas células de memória para evitar que qualquer célula seja usada em excesso e se desgaste prematuramente.
Lendo dados
A leitura de dados de um SSD envolve a localização do bloco e da página corretos pelo controlador. Em seguida, ele lê a carga armazenada nas células de memória, interpretando-a como dados binários. Durante este processo, os algoritmos ECC detectam e corrigem erros, garantindo a precisão e integridade dos dados recuperados.
Tipos de flash NAND e seus impactos
1. SLC (célula de nível único) NAND:
O SLC NAND armazena um bit por célula, proporcionando a maior velocidade e resistência entre os tipos NAND. Isso o torna ideal para aplicações de alto desempenho, mas tem um custo mais elevado devido à menor densidade de armazenamento e ao processo de fabricação mais complexo.
2. NAND MLC (célula multinível):
O MLC NAND armazena dois bits por célula, alcançando um equilíbrio entre custo e desempenho. É mais econômico que o SLC devido à maior densidade de dados, mas tem velocidade e resistência moderadamente menores. O MLC é comumente usado em SSDs de consumo e aplicativos empresariais onde é necessário um equilíbrio entre desempenho e custo. O termo MLC pode ser aplicado a qualquer célula que armazene mais de um bit por célula, mas é mais comumente usado para células de dois bits.
3. TLC (célula de nível triplo) NAND:
O TLC NAND, que armazena três bits por célula, oferece ainda maior eficiência de custos ao aumentar a densidade de armazenamento. No entanto, isso ocorre às custas da velocidade e da vida útil reduzidas em comparação com o MLC. O TLC NAND é frequentemente usado em SSDs econômicos, onde a grande capacidade de armazenamento é priorizada em relação ao desempenho de nível superior.
4. QLC (célula de nível quádruplo) NAND:
QLC NAND, com quatro bits armazenados por célula, fornece a maior densidade de armazenamento, traduzindo-se na maior capacidade com o menor custo. No entanto, esta vantagem é compensada pela menor resistência e desempenho mais lento em relação aos outros tipos. O QLC é adequado para aplicações onde a capacidade de armazenamento é mais crítica do que a velocidade ou a longevidade, como em alguns dispositivos de armazenamento de consumo.
Complicações com SSDs
A amplificação de gravação é um fenômeno em SSDs onde a quantidade real de dados gravados excede os dados pretendidos. Isso ocorre durante o ciclo Programar/Apagar e pode afetar negativamente a vida útil do SSD. Além disso, os SSDs empregam um processo chamado coleta de lixo, que envolve reorganizar e consolidar dados para uso eficiente de blocos de memória. Embora seja essencial para manter a eficiência ideal do armazenamento, a coleta de lixo pode prejudicar temporariamente o desempenho do SSD, especialmente durante operações pesadas de gravação de dados.
Com o tempo, o uso repetido de células NAND em SSDs leva à degradação dos dados, impactando o desempenho e a longevidade. Para contrariar esta situação, são utilizadas técnicas como o sobreprovisionamento, em que é reservada capacidade de armazenamento extra para substituir células desgastadas. Além disso, o comando TRIM desempenha um papel vital ao permitir que o sistema operacional notifique o SSD sobre quais blocos de dados não estão mais em uso, permitindo um gerenciamento de dados mais eficiente e ajudando a preservar a integridade e a eficiência do SSD durante sua vida útil.
