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O mundo do SSD
O foco deste guia é nos SSD que são de uso empresarial em servidores e storages.
Os discos SSD ou Solid State Drive são dispositivos de armazenamento que usam memória flash para guardar dados de forma não volátil, ou seja, que não se perdem quando o dispositivo é desligado. Eles são diferentes dos discos rígidos tradicionais (HDD ou hard disk drive), que usam discos magnéticos e agulhas para ler e escrever dados.
Os discos SSD oferecem diversas vantagens em relação aos HDD, como maior velocidade, menor consumo de energia, menor ruído, menor aquecimento e maior resistência a impactos. Vamos explicar em detalhes o que são discos SSD, sua utilidade, diferenciais, vantagens e desvantagens.
Também vamos diferenciar os tipos SLC, MLC, TLC, QLC, NAND e 3D NAND.
O que é memória flash?
A memória flash é um tipo de memória eletrônica que pode ser apagada e reprogramada eletricamente. Ela é formada por células que armazenam bits de dados, que podem ser 0 ou 1. Cada célula é composta por um transistor e um capacitor, que mantém a carga elétrica.
A leitura e a escrita dos dados são feitas por meio de impulsos elétricos que alteram o estado das células. A memória flash é dividida em dois tipos: NOR e NAND. A diferença entre eles está na forma como as células são organizadas e acessadas.
A memória NOR permite o acesso aleatório aos dados, ou seja, qualquer célula pode ser lida ou escrita diretamente. Ela é usada principalmente para armazenar códigos de inicialização ou firmware.
A memória NAND permite o acesso sequencial aos dados, ou seja, as células são lidas ou escritas em blocos. Ela é usada principalmente para armazenar dados de usuário ou arquivos. A memória NAND tem maior densidade, menor custo e maior capacidade do que a memória NOR.
O que são discos SSD?
Reforçando a introdução, os discos SSD ou solid state drive são dispositivos de armazenamento que usam memória flash NAND para guardar dados de forma não volátil.
Eles são compostos por três partes principais: o controlador, a memória flash e a interface.
O controlador é o cérebro do disco SSD, responsável por gerenciar as operações de leitura e escrita, o algoritmo de nivelamento de desgaste, a correção de erros, a criptografia, o cache e a comunicação com o sistema operacional. A memória flash é o coração do disco SSD, responsável por armazenar os dados em blocos e páginas. A interface é a conexão do disco SSD com o computador, que pode ser SATA, SAS, PCIe, M.2, U.2, entre outras.
Os discos SSD são mais rápidos do que os discos rígidos tradicionais (HDD ou hard disk drive), pois não possuem partes mecânicas que limitam a velocidade de rotação e a latência de acesso. Além disso, os discos SSD consomem menos energia, geram menos ruído, aquecem menos e são mais resistentes a impactos do que os HDD.
Tipos de discos SSD
Os discos Solid State Drive podem ser classificados de acordo com o tipo de memória flash que usam, o número de bits que armazenam por célula, a forma como as células são empilhadas e a interface que usam. Vejamos cada um desses critérios a seguir:
Forma como as células são empilhadas
A forma como as células são empilhadas determina a forma como os discos SSD são construídos. Existem dois tipos principais de discos SSD de acordo com a forma como as células são empilhadas: NAND e 3D NAND. Vejamos as diferenças entre eles:
- NAND: É o modelo tradicional, que organiza as células em uma matriz plana, formando blocos e páginas. Cada bloco contém várias páginas e cada página contém várias células. As células são conectadas por linhas horizontais (wordlines) e verticais (bitlines), que permitem a leitura e a escrita dos dados. A memória NAND tem uma limitação física de quantas células podem ser colocadas em uma matriz plana, o que limita a capacidade, o desempenho e a durabilidade dos discos SSD.
- 3D NAND: É mais recente e avançada, empilha as células em várias camadas verticais, formando cubos e planos. Cada cubo contém vários planos e cada plano contém vários blocos. As células são conectadas por pilares verticais (string), que permitem a leitura e a escrita dos dados. A memória 3D NAND permite aumentar o número de células em uma matriz vertical, o que aumenta a capacidade, o desempenho e a durabilidade dos discos SSD.
Número de bits por célula
O número de bits por célula determina a quantidade de dados que cada célula pode armazenar. Quanto mais bits por célula, maior a capacidade, mas menor a velocidade e a durabilidade dos discos SSD. Existem quatro tipos principais de discos SSD de acordo com o número de bits por célula: SLC, MLC, TLC e QLC. Vejamos as características de cada um deles:
- SLC (Single-Level Cell): armazena 1 bit por célula, ou seja, dois estados possíveis (0 ou 1). É o tipo mais rápido, confiável e durável, mas também o mais caro e com menor capacidade. É usado principalmente para aplicações críticas que exigem alto desempenho e baixa latência, como servidores, storages e sistemas militares.
- MLC (Multi-Level Cell): armazena 2 bits por célula, ou seja, quatro estados possíveis (00, 01, 10 ou 11). É o tipo mais equilibrado, com bom desempenho, confiabilidade e capacidade, mas também com custo moderado. É usado principalmente para aplicações gerais que exigem bom desempenho e capacidade, como servidores, storages e ainda notebooks, desktops e dispositivos móveis.
- TLC (Triple-Level Cell): armazena 3 bits por célula, ou seja, oito estados possíveis (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 ou 111). É o tipo mais popular, com alta capacidade, baixo custo e desempenho razoável, mas também com menor confiabilidade e durabilidade. É usado principalmente para aplicações que exigem alta capacidade e baixo custo, como computadores e notebooks, além de alguns tipos de armazenamento em nuvem.
- QLC (Quad-Level Cell): armazena 4 bits por célula, ou seja, 16 estados possíveis (0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110 ou 1111). É o tipo mais recente, com maior capacidade, menor custo e desempenho aceitável, mas também com menor confiabilidade e durabilidade. É usado principalmente para aplicações que exigem maior capacidade e menor custo, como armazenamento em massa, arquivamento, streaming e alguns jogos. Seu uso é majoritariamente doméstico.
Interface
A interface determina a forma como os discos SSD se conectam com o computador, servidor ou storage e a velocidade de transferência de dados que eles podem alcançar. Existem várias interfaces disponíveis para os discos SSD, cada uma com suas características, vantagens e desvantagens. Vejamos as principais:
- SATA (Serial ATA): é a interface mais comum e antiga, que usa um cabo de dados e um cabo de energia para conectar os discos SSD ao computador. Ela tem três versões: SATA I, SATA II e SATA III, que oferecem velocidades de 1,5 Gbps, 3 Gbps e 6 Gbps, respectivamente. A interface SATA é compatível com os discos rígidos tradicionais (HDD ou hard disk drive), o que facilita a substituição e a instalação dos discos SSD. No entanto, ela também limita o desempenho dos discos SSD, pois não consegue acompanhar a velocidade de leitura e escrita da memória flash.
- SAS (Serial Attached SCSI): é a interface mais usada para aplicações empresariais, que usa um cabo de dados e de energia juntos ou um backplane para conectar os discos SSD ao servidor ou storage. Ela tem algumas versões e duas são mais usadas: SAS 2 e SAS 3, que oferecem velocidades de 6 Gbps e 12 Gbps, respectivamente. A interface SAS é compatível com os discos rígidos tradicionais (HDD ou hard disk drive), mas também oferece recursos avançados, como maior confiabilidade, segurança, escalabilidade e gerenciamento. Ela também permite o uso de múltiplos caminhos de dados, o que aumenta a disponibilidade e o desempenho dos discos SSD.
- PCIe (Peripheral Component Interconnect Express): é a interface mais rápida e moderna, que usa um slot na placa-mãe para conectar os discos SSD ao computador. Ela tem quatro versões: PCIe 1.0, PCIe 2.0, PCIe 3.0 e PCIe 4.0, que oferecem velocidades de 2,5 Gbps, 5 Gbps, 8 Gbps e 16 Gbps por pista, respectivamente. A interface PCIe é capaz de explorar todo o potencial dos discos SSD, pois elimina o gargalo da interface SATA e SAS. Ela também permite o uso de protocolos como NVMe (Non-Volatile Memory Express) e AHCI (Advanced Host Controller Interface), que otimizam o acesso à memória flash.
- M.2: é um formato de disco SSD que usa a interface PCIe para se conectar ao computador. Ele tem um formato compacto e fino, que se encaixa em um slot na placa-mãe ou em um adaptador. Ele pode ter diferentes tamanhos, como 2242, 2260, 2280 e 22110, que indicam a largura e o comprimento em milímetros. Ele também pode ter diferentes chaves, como B, M ou B+M, que indicam a posição dos pinos de conexão. O formato M.2 é ideal para dispositivos portáteis, como notebooks, ultrabooks e tablets, pois ocupa menos espaço e consome menos energia do que os discos SSD tradicionais. Seu uso é predominantemente doméstico
- U.2: é um formato de disco SSD que usa a interface PCIe para se conectar ao computador. Ele tem um formato semelhante ao dos discos rígidos tradicionais (HDD ou hard disk drive), que se encaixa em um compartimento ou em um adaptador. Ele usa um cabo de dados e um cabo de energia para a conexão. Ele tem um tamanho padrão de 2,5 polegadas, mas pode ter diferentes espessuras, como 7 mm, 9,5 mm ou 15 mm. O formato U.2 é ideal para aplicações empresariais, como servidores e storages, pois oferece alta capacidade, desempenho e durabilidade.
Vantagens e desvantagens
Os discos SSD possuem características que lhe conferem vantagens e desvantagens em relação aos discos rígidos tradicionais, que usam discos magnéticos e agulhas para ler e escrever dados. Essas vantagens e desvantagens podem ser consideradas de acordo com diversos critérios, como desempenho, capacidade, custo, compatibilidade e recuperação de dados. Vejamos cada um desses critérios a seguir:
Desempenho
O desempenho é uma das principais vantagens dos discos SSD, que usam memória flash para guardar dados de forma não volátil. Os discos Solid State Drive são mais rápidos do que os discos rígidos tradicionais, pois não possuem partes mecânicas que limitam a velocidade de rotação e a latência de acesso.
Os discos SSD podem alcançar velocidades teóricas de leitura e escrita de até 6 Gbps com a interface SATA, de até 22,5 Gbps com a interface SAS, e de até 32 Gbps com a interface PCIe.
Na prática, os discos SSD podem alcançar velocidades de transferência de dados (throughput) de até 3.500 MB/s, enquanto os HDD podem alcançar velocidades de até 120 MB/s. Isso significa que os discos SSD podem iniciar o sistema operacional, abrir programas, carregar arquivos e executar tarefas em muito menos tempo.
A desvantagem dos discos SSD em relação ao desempenho é que eles podem sofrer uma queda de velocidade com o tempo e o uso, devido ao acúmulo de dados inválidos e ao aumento da fragmentação.
Para evitar essa queda de velocidade, é recomendável usar ferramentas de otimização, como o TRIM, que é um comando que informa ao sistema operacional quais blocos de dados podem ser apagados, e o GC, que é um processo que reorganiza os dados válidos e apaga os dados inválidos.
Compatibilidade
A compatibilidade é outra vantagem dos discos SSD. Esses discos são mais compatíveis do que os discos rígidos tradicionais, pois podem usar várias interfaces para se conectar com o computador, servidor ou storage, como SATA, SAS, PCIe, M.2 e U.2.
Essas interfaces permitem que os discos SSD se adaptem a diferentes tipos de computadores, como notebooks, desktops, servidores e storages. Além disso, os diferentes formatos dos discos SSD podem se encaixar em diferentes espaços físicos.
A desvantagem destes discos em relação à compatibilidade é que eles podem exigir adaptadores, cabos ou drivers para funcionar corretamente, dependendo do modelo e do fabricante.
Para evitar problemas de compatibilidade, é recomendável verificar as especificações e as recomendações dos discos SSD antes de comprar ou instalar, principalmente em modelos de maior valor, como os SSD para servidores e storages.
Capacidade
A capacidade é uma das suas principais desvantagens. Os discos SSD têm uma capacidade menor do que os discos rígidos tradicionais, pois têm uma limitação física de quantas células podem ser colocadas em uma matriz plana ou vertical.
Os discos SSD podem ter uma capacidade de até 16 TB, enquanto os discos rígidos podem ter uma capacidade de até 20 TB. Essa diferença de capacidade pode limitar a quantidade de dados que podem ser armazenados nos discos SSD, especialmente para aplicações que exigem armazenamento em massa, como backup, arquivamento e armazenamento em nuvem.
A vantagem dos discos SSD em relação à capacidade é que eles podem aumentar a capacidade com o uso da memória 3D NAND, que empilha as células em várias camadas verticais, formando cubos e planos. A memória 3D NAND permite aumentar a capacidade, reduzir o tamanho, melhorar o desempenho e diminuir o consumo de energia dos discos SSD em relação à memória Flash NAND tradicional.
Custo
O custo é outra desvantagem. Os discos SSD são habitualmente mais caros do que os discos rígidos tradicionais, pois têm um custo de produção mais alto, devido à complexidade e à escassez dos materiais e dos componentes.
Atualmente essa diferença de custos/GB entre HDD e SSD está cada vez menor, e em um horizonte próximo, discos de estado sólido vão superar os discos rígidos tradicionais.
Os discos SSD podem custar entre R$ 500 e R$ 40.000 cada, dependendo do modelo e da capacidade, enquanto os discos rígidos podem custar entre R$ 400 e R$ 6.000.
Essa diferença de custo pode tornar os discos SSD menos acessíveis e menos competitivos do que os discos rígidos, especialmente para usuários que buscam economia e capacidade.
Oos discos SSD começam a ter uma vantagem recente em relação ao custo devido a eles poderem reduzi-lo com o uso do tipo de memória flash QLC, que armazena 4 bits por célula, ou seja, 16 estados possíveis.
O tipo de memória flash QLC permite aumentar a capacidade, diminuir o custo e manter o desempenho aceitável dos discos SSD em relação aos outros tipos de memória flash.
Consumo de energia
No SSD é menor! Os discos SSD consomem menos energia do que os HDD, porque não possuem partes mecânicas que exigem energia para girar e mover.
Os discos SSD podem consumir entre 2W e 6W de energia, dependendo do modelo e os HDD em torno de 10 a 20W.
Aquecimento
O aquecimento é outro diferencial dos discos SSD. Os discos SSD aquecem muito menos, devido a não possuírem partes mecânicas que geram calor ao girar e se mover.
Os discos SSD mantêm uma temperatura estável, enquanto os discos rígidos podem aquecer até 60 °C, dependendo da velocidade de rotação e da intensidade de uso.
O menor aquecimento dos discos SSD permite que eles sejam mais seguros, duráveis e adequados tanto para dispositivos portáteis, quanto para equipamentos de datacenter.
Ruído
O ruído é mais um enorme diferencial dos discos SSD. Eles não emitem nenhum ruído, pois não possuem partes mecânicas girando e se movendo.
Os discos SSD são silenciosos, independentemente da atividade que realizam, enquanto os discos rígidos podem emitir ruídos de até 30 dB, dependendo da velocidade de rotação e da intensidade de uso.
A ausência de ruído dos discos SSD permite que eles sejam mais confortáveis, discretos e adequados tanto para ambientes que exigem silêncio, como escritórios e bibliotecas, que são frequentados por pessoas, quanto para operações de datacenter, onde geralmente o barulho é consideravelmente alto devido à quantidade de servidores e storages com muitos discos e ventiladores potentes para retirar o calor de dentro do gabinete.
Resistência a impactos
A resistência a impactos é mais um diferencial dos discos SSD. Novamente, eles não possuem partes mecânicas que podem ser danificadas por quedas, choques ou vibrações.
Os discos SSD podem suportar impactos de até 1500 G, dependendo do tipo e da capacidade, enquanto os discos rígidos podem suportar impactos de até 70 G, dependendo dos mesmos fatores.
A maior resistência a impactos dos discos SSD permite que eles sejam mais confiáveis, robustos e adequados para dispositivos portáteis, como notebooks, tablets e smartphones.
No ambiente empresarial, a maior resistência a impactos também influencia na segurança, na integridade e na recuperação dos dados, pois evita a perda, a corrupção e a dificuldade de acesso aos dados causados por microimpactos das vibrações presentes em um rack de datacenter geradas pelos próprios discos rígidos tradicionais e ventiladores.
Durabilidade
A durabilidade é mais um diferencial dos discos SSD. Eles são mais duráveis do que os discos rígidos tradicionais, pois possuem um algoritmo de nivelamento de desgaste e uma maior tolerância a falhas.
O algoritmo de nivelamento de desgaste é um recurso que distribui as operações de escrita pelos blocos de memória flash, evitando que alguns blocos sejam usados mais do que outros. A maior tolerância a falhas é um recurso que permite que os discos SSD continuem funcionando mesmo que algumas células sejam perdidas
Recuperação de dados
A recuperação de dados é uma desvantagem dos discos SSD, que usam memória flash para guardar dados de forma não volátil. Este sistema torna mais difícil de recuperar os dados do que nos discos rígidos tradicionais, pois eles possuem uma estrutura mais complexa e menos padronizada.
Os discos SSD podem ter diferentes tipos de memória flash, interfaces, formatos, controladores, algoritmos e criptografia, que dificultam a leitura e a extração dos dados. Além disso, os discos SSD podem ter um processo de apagamento mais eficiente e irreversível do que os discos rígidos, que impede a recuperação dos dados.
A vantagem dos discos SSD em relação à recuperação de dados é que eles podem ter recursos de backup e restauração integrados, que permitem a cópia e a recuperação dos dados em caso de falha ou perda. Esses recursos de backup e restauração dependem do modelo e do fabricante, sendo que alguns discos possuem software ou hardware específicos para realizar essa função.
Utilidades dos discos SSD
Os discos SSD podem ser usados para diversas finalidades, dependendo da necessidade e do perfil de cada usuário e demanda empresarial.
Eles podem ser usados para substituir ou complementar os discos rígidos tradicionais, para melhorar o desempenho, a capacidade e a confiabilidade do armazenamento de dados.
Substituir os discos rígidos
Uma das utilidades mais comuns dos discos SSD é substituir os discos rígidos tradicionais.
Eles oferecem diversas vantagens em relação aos discos rígidos, como maior velocidade, menor consumo de energia, menor ruído, menor aquecimento e maior resistência a impactos.
Ao substituir os discos rígidos pelos discos SSD, é possível obter um aumento significativo no desempenho do computador, servidor ou storage, especialmente na inicialização, na abertura de programas e na transferência de arquivos.
Além disso, os discos SSD podem prolongar a vida útil do computador, pois reduzem o desgaste e a falha dos componentes.
Complementar os discos rígidos
Outra utilidade dos discos SSD é complementar os discos rígidos tradicionais.
Os discos SSD podem ser usados para armazenar os dados mais importantes e frequentes, como o sistema operacional, os programas e os arquivos pessoais, enquanto os discos rígidos podem ser usados para armazenar os dados menos importantes e frequentes, como o backup, o arquivamento e o armazenamento em massa.
Ao complementar os discos rígidos com os discos SSD através do conceito de tiering, é possível obter um equilíbrio entre o desempenho, a capacidade e o custo do armazenamento de dados. A complementação dos discos rígidos com os discos SSD é recomendada para usuários que buscam otimizar o custo-benefício e a eficiência do armazenamento de dados, sem abrir mão da capacidade.
Usos empresariais
Os SSD para uso empresarial são aqueles que são projetados para atender às necessidades e aos desafios das aplicações corporativas, que exigem alto desempenho, confiabilidade, segurança e capacidade.
Os discos SSD para essa finalidade são diferentes dos discos para uso doméstico, que são projetados para atender às necessidades e aos desafios das aplicações pessoais, que exigem bom desempenho, capacidade e, principalmente, custo.
SSD empresariais quanto ao seu uso, podem ser classificados da forma a seguir:
Tipo de aplicação
O tipo de aplicação determina o nível de exigência e de complexidade dos discos SSD para uso empresarial.
Existem três tipos principais de aplicação: missão crítica, negócio crítico e valor crítico. Vejamos as características de cada um deles:
- Missão crítica: são as aplicações que exigem o máximo de desempenho, confiabilidade e segurança do servidor ou storage, pois envolvem operações vitais e sensíveis, como bancos de dados, transações financeiras, análises em tempo real e inteligência artificial. Essas aplicações requerem discos SSD com alta velocidade, baixa latência, alta disponibilidade, alta durabilidade e alta criptografia. Os discos para aplicações de missão crítica geralmente usam a interface SAS ou PCIe, o formato 2,5″ ou U.2, e o tipo de memória flash SLC ou MLC.
- Negócio crítico: são as aplicações que exigem um alto desempenho, confiabilidade e segurança, mas não tanto quanto as aplicações de missão crítica, pois envolvem operações importantes e estratégicas, como servidores, storages, virtualização e nuvem, mas com outros níveis de resiliência que são aceitáveis. Essas aplicações requerem discos com boa velocidade, baixa latência, boa disponibilidade, boa durabilidade e boa criptografia. Os discos SSD para aplicações de negócio crítico geralmente usam a interface SAS ou PCIe, o formato 2,5″ ou U.2, e o tipo de memória flash MLC.
- Valor crítico: são as aplicações que exigem o bom desempenho, confiabilidade e segurança dos discos SSD, mas não tanto quanto as aplicações de negócio crítico ou missão crítica, pois envolvem operações menos essenciais, mais econômicas e com maior volume, como backup, arquivamento, streaming e jogos. Essas aplicações requerem discos SSD com razoável velocidade, baixa latência, razoável disponibilidade e razoável durabilidade. Os discos SSD para aplicações de valor crítico geralmente usam a interface SATA, o formato 2,5″, e o tipo de memória flash MLC, TLC ou QLC. Pode parecer um ganho pequeno, mas se considerarmos apenas UM rack de datacenter com 20 servidores, que tenham 24 discos cada, estamos falando de 480 discos. Só em energia dos discos (desconsiderando o ganho em ar-condicionado), a economia é de quase 2 mil reais por mês (2.070kWh a menos), dependendo da concessionária de energia. Agora pense em um grande datacenter.
Capacidades usuais de discos SSD empresariais
Os discos SSD podem ter diferentes capacidades de armazenamento, dependendo do tipo de memória flash, da interface, do formato e do fabricante.
As capacidades usuais de discos SSD variam de 120 GB a 16 TB, sendo que cada capacidade tem suas vantagens e desvantagens em termos de custo, desempenho e espaço. Vejamos alguns exemplos de capacidades usuais de discos SSD expressadas em GB e TB:
- SSD SATA de 240GB, 480GB, 960GB e 1920GB de diversos fabricantes.
- SSD SAS de 200GB, 400GB, 800GB e 1600GB de diversos fabricantes.
- Samsung PM1633a: SSD empresarial de 2,5″ que usa a interface SAS e o tipo de memória flash TLC. Ele tem uma capacidade de até 16 TB e uma velocidade de até 12 Gbps. É um bom exemplo de marca e modelo de SSD indicado para aplicações de missão crítica e negócio crítico, que exigem alto desempenho e baixa latência.
Nossa opinião
Consideramos que ainda existe muito mercado para discos rígidos tradicionais (HDD), principalmente na reposição ou upgrade de sistemas existentes.
Por outro lado, devido à imensa quantidade de benefícios dos SSD que você viu neste guia, é desejável, sempre que for possível, trocar os discos por SSD ou adquirir servidores e storages com armazenamento de estado sólido. Sua empresa só tem a ganhar.