Queira o Sr. Perito fazer breves considerações sobre os discos de estado sólido – Parte 01

Os dispositivos de armazenamento persistente têm ganhado cada vez mais espaço entre usuários e empresas. Um dos seus principais representantes são os discos de estado sólido – ou SSDs (solid state drive). Apesar de ser uma tecnologia disponível há diversos anos, devido aos altos custos, somente agora esses modelos vêm sendo utilizado em maior escala.

Muitos examinadores e peritos tem se deparado pela primeira vez com os discos SSD e a forense computacional necessita sempre “andar em paralelo” com o surgimento de novas tecnologias, buscando entender e desenvolver métodos que permitam manipular novas formas de evidências eletrônicas.

Ainda há muitas dúvidas sobre as reais vantagens dos SSDs e o futuro da armazenagem de dados. Características como maior capacidade de armazenamento, confiabilidade, velocidade e o baixo consumo de energia ajudam a popularizar o produto. Por outro lado, limitações como atualizações aleatórias, número reduzido de gravações, e operações de “delete” automáticas trazem muitas dúvidas sobre sua eficácia em ambientes acadêmicos, domésticos e corporativos. É o momento de trocar os tradicionais HDDs pelos SSDS? Quais os impactos dessa tecnologia para a forense computacional? Há realmente um ganho em performance? A adoção de novas tecnologias sempre traz benefícios e desvantagens para o usuário final e desafios para os fabricantes em termos de padronização e melhorias. Nessa série apresentaremos uma análise sobre as principais características dos discos SSD, um comparativo com os HDD (hard disk drive) e algumas conclusões para subsidiar essas difíceis decisões.

Histórico

Os discos rígidos tiveram início da década de 1960 e com características de entrada e saída (I/O) de baixa velocidade devido ao tempo de atraso das pesquisas de bloco de dados que ocorrem devido aos movimentos mecânicos. Para superar esses problemas, surgiram tecnologias baseadas em flash ou memória DRAM (Dynamic Random Access Memory). Estes são chamados de dispositivos de armazenamento de memórias de estado sólido ou Solid State Drive (SSD).

Os Discos de Estado Sólido são discos que utilizam um princípio de armazenamento diferente dos discos magnéticos, pois não possuem partes móveis e dão lugar aos chips de memória Flash. A ausência de partes móveis e o uso do silício como componente principal deu ao disco SSD o nome de “estado sólido”. A sua principal vantagem é oferecer tempo de acesso muito baixo, combinado com excelentes taxas de leitura e gravação em setores aleatórios se comparados com os atuais discos rígidos, melhorando o desempenho de uma grande gama de aplicativos e reduzindo o tempo de inicialização dos sistemas.

Principais Conceitos

A figura a seguir mostra a arquitetura típica dos modernos SSDs baseados em flash, com o controlador de SSD, DRAM e a matriz de memória flash:

Figura 1: Arquitetura típica dos SSDs. Fonte: Kang et al (2013).

Tanto os discos rígidos (HDD) quanto os SSD fazem parte de uma classe de armazenamento chamada “dispositivos em bloco”. Esses dispositivos utilizam endereçamento lógico para acessar os dados e abstrair a mídia física usando pequenos segmentos de bytes como unidade de endereço. Cada bloco consiste de três partes principais: dispositivo de armazenamento, controladora e a interface para acessar a mídia.

A controladora é o componente crítico da arquitetura. É um complexo sistema embarcado com capacidade de processamento e firmware para gerenciar todos os aspectos do SSD e proteger e controlar todas as operações. A controladora é tipicamente desenvolvida como um System-on-a chip (SoC) ou microcontrolador.

A interface de acesso (Host interface) é a interface física do host para o SSD. Essas utilizam protocolos de blocos de acesso implementados pelo firmware “rodando” em processadores embarcados.

Além da controladora e da interface de acesso, a arquitetura típica inclui um “Flash Channel”, que são os circuitos integrados dedicados a comunicação entre as partes físicas no SSD (Os SSd mais comuns possuem 8 canais, mas a controladora pode ter de 4-32 canais); e o corretor de erros – error-correcting code (ECC), que é necessário, pois apesar da maior performance, os discos SSD possuem taxas superiores de erro. Existe também o comando SMART que possibilita o auto monitoramento e criação de relatórios. Usando esse comando os desenvolvedores do sistema operacional podem gerenciar mais efetivamente os SSDs.

Características

Apesar das semelhanças, se olharmos mais atentamente, existe diversas diferenças entre os dois tipos de discos. A diferença essencial entre os SSDs e os HDD não é apenas o desempenho, mas os diferentes mecanismos internos para gerenciar os blocos de dados.

Nos HDDs, cada bloco de lógica é estaticamente mapeado sobre o meio físico, que leva a um desempenho relativamente repetível e a um gerenciamento simplificado. Nos SSDs, a localização física dos blocos lógicos dependem muito da ordem de gravação e podem mudar ao longo do tempo.

Uma forma fundamental, na qual um disco de estado sólido feito de memória Flash difere de um disco rígido é que não existe cabeça e não há nenhuma rotação. Portanto, ao contrário de discos rígidos onde as requisições possuem uma distância entre as faixas/setores que contribui para o aumento do tempo de I/O (devido à procura e atrasos rotacionais); o tempo de transferência de um pedido ganha muito mais destaque em dispositivos Flash.

Os discos de estado sólido possuem a mesma estrutura e interface física e lógica que os discos magnéticos, não sendo necessárias grandes mudanças para sua adoção. A seguir apresentamos as principais características positivas desse tipo de dispositivo:

Pontos Positivos

Velocidade

Um ponto importante a favor dos SSD é o uso de controladores mais inteligentes, que utilizam buffers de dados relativamente grandes. Isso permite que as operações sejam organizadas e agrupadas de maneiras mais eficientes e muitas operações sejam “cacheadas”. Em situações em que a controladora dispõe de um volume suficiente de blocos limpos um SSD pode atingir facilmente 250 megabytes por segundo(MB/s) de taxa de leitura sequencial e 80 MB/s de escrita sequencial se aproximando dos 300 MB/s teóricos do Serial ATA 300 (SATA-300) por exemplo.

Enquanto um disco rígido (HDD) magnético de 7200 rotações por minuto (RPM) não é capaz de manter mais do que 800 ou 1000 kilobytes por segundo de escrita ao gravar arquivos de 4 KB em setores aleatórios, um SSD de mercado é capaz de ultrapassar facilmente os 20 MB/s, o que acaba representando uma grande diferença em situações reais de uso.

Latência

A latência é a diferença de tempo entre o início de um evento e o momento em que seus efeitos tornam-se perceptíveis. A latência é uma das grandes vantagens dos discos SSD. Tipicamente a latência é de 20-200 microssegundos para instruções de leitura e de 1-10 milissegundos para escrita. Essa performance é muito superior aos HDDs que possuem em média dezenas de milissegundos para as instruções de leitura e escrita.

Eficiência do Cache

Um cache de disco pode melhorar significativamente o desempenho para leituras e gravações em um SSD. Com um cache grande, gravações de alta latência podem ser efetivamente “escondidas” em um disco SSD. Com um cache de disco, componentes de nível mais alto, como kernels de sistema operacional, podem ser “aliviadas” de realizar a otimização de escrita especificamente para os SSDs e a complexidade dos sistemas podem ser reduzidas e a ineficiência combatida.

Nos próximos posts trataremos dos pontos negativos dos discos SSD e o futuro do armazenamento de dados. Até lá!

Referências

1)      KANG, Michael; Kee, Yang,; MILLER, Ethan; PARK, Chanik. Enabling Cost-effective Data Processing with Smart SSD. Storage Conference, 2013, Paper 25.

2)      10.  WU, G., HE, X., and ECKART, B. 2012. An adaptive write buffer management scheme for flash-based SSDs.ACM Trans. Storage 8, 1, Article 1 (February 2012), 24 pages

3)      SSD. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/SSD#MLC_.28Multi_Level_Cell.29. Acesso em: 09 mar 2014.

4)      ADAMI, A. Evolução dos dispositivos de armazenamento de dados. Disponível em: http://www.infoescola.com/informatica/evolucao-dos-dispositivos-de-armazenamento-de-dados/. Acesso em: 09 mar 2014.

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