O que é SSD (Solid-State Drive)?

Introdução

Memória RAM, GPU, CPU e outros componentes passaram por evoluções espantosas ao longo dos últimos anos. Os HDs também, principalmente no aspecto da quantidade de dados que podem armazenar, no entanto, aplicações atuais exigem dispositivos do tipo ainda mais sofisticados, capazes de unir redução de uso do espaço físico, capacidade razoável de armazenamento, menor consumo de energia e durabilidade. As unidades ou "discos" Solid-State Drive (SSD) são a resposta para essa necessidade.

Neste texto, o InfoWester explica o que é SSD, dá uma noção sobre como esta tecnologia funciona, aborda conceitos relacionados (formatos, Flash, TRIM, entre outros) e mostra quais as suas vantagens e desvantagens.


O que é SSD?

Como você já sabe, SSD é a sigla para Solid-State Drive, algo como "Unidade de Estado Sólido", em português. Trata-se de um tipo de dispositivo para armazenamento de dados que, de certa forma, concorre com os discos rígidos. Aceita-se a ideia de que seu nome faz alusão à inexistência de peças móveis na constituição do dispositivo, o que já não acontece nos HDs, que precisam de motores, discos e cabeçotes de leitura e gravação para funcionar.

O termo "Estado Sólido", na verdade, faz referência ao uso de material sólido para o transporte de sinais elétricos entre transistores em vez de uma passagem baseada em tubos a vácuo, como era feito na época das válvulas.

Em aparelhos SSD, o armazenamento é feito em um ou mais chips de memória, dispensando totalmente o uso de sistemas mecânicos para o seu funcionamento. Como consequência desta característica, unidades do tipo acabam sendo mais econômicas no consumo de energia, afinal, não precisam alimentar motores ou componentes semelhantes (note, no entanto, que há outras condições que podem elevar o consumo de energia, dependendo do produto).

Esta característica também faz com que "discos SSD "(não se trata de um disco, portanto, o uso desta denominação não é correto, mesmo assim, é um termo relativamente comum) utilizem menos espaço físico, já que os dados são armazenados em chips especiais, de tamanho reduzido. Graças a isso, a tecnologia SSD começou a ser empregada de forma ampla em dispositivos portáteis, tais como notebooks ultrafinos (ultrabooks) e tablets.

Visão interna e externa de uma unidade SSD de 64 GB da Sandisk
Visão interna e externa de uma unidade SSD de 64 GB da Sandisk -
Note que o dispositivo é composto, essencialmente, por chips

Outra vantagem da não utilização de peças móveis está no silêncio - você não ouve uma unidade SSD trabalhar, tal como pode acontecer com um HD - e na melhor resistência física quando o dispositivo sofre quedas ou é balançado (o que não quer dizer que sejam indestrutíveis também). Além disso, dispositivos SSD pesam menos e, pelo menos na maioria dos casos, podem trabalhar com temperaturas mais elevadas que as que são suportadas pelos discos rígidos. Há ainda outra característica considerável: o tempo transferência de dados entre a memória RAM e unidades SSD pode ser muito menor.

É claro que também há desvantagens: unidades SSD são muito mais caras que HDs, embora os preços possam diminuir à medida que a sua utilização aumenta. Por causa disso - em muitos casos, também por limitações tecnológicas -, a grande maioria das unidades SSD oferecidas no mercado tem capacidade de armazenamento muito inferior em comparação aos discos rígidos que possuem a mesma faixa de preço.


Memória Flash

A tecnologia SSD é baseada em chips especialmente preparados para armazenar dados, mesmo quando não há recebimento de energia. São, portanto, dispositivos não-voláteis. Isso significa que não é necessário usar baterias ou deixar o dispositivo constantemente ligado na tomada para manter os dados nele.

Para que isso seja possível, convencionou-se entre os fabricantes de SSD o uso de memórias Flash. Trata-se de um tipo de memória EEPROM* (ver explicação abaixo) desenvolvido pela Toshiba nos anos 1980. Os chips de memória Flash são parecidos com a memória RAM usada nos computadores, porém, ao contrário desta última, suas propriedades fazem com que os dados não sejam perdidos quando não há mais fornecimento de energia, como já informado.

* EEPROM é um tipo de memória ROM que permite a regravação de dados, no entanto, ao contrário do que acontece com as memórias EPROM, os processos para apagar e gravar informações são feitos eletricamente, fazendo com que não seja necessário mover o dispositivo de seu lugar para um aparelho especial para que a regravação ocorra.

Há, basicamente, dois tipos de memória Flash: Flash NOR (Not OR) e Flash NAND (Not AND). O nome é proveniente da tecnologia de mapeamento de dados de cada um. O primeiro tipo permite acesso às células de memória de maneira aleatória, tal como acontece com a RAM, mas com alta velocidade. Em outras palavras, o tipo NOR permite acessar dados em posições diferentes da memória de maneira rápida, sem necessidade de esta atividade de ser sequencial. O tipo NOR é usado em chips de BIOS ou firmwares de smartphones, por exemplo.

O tipo NAND, por sua vez, também trabalha em alta velocidade, porém faz acesso sequencial às células de memória e as trata em conjunto, isto é, em blocos de células, em vez de acessá-las de maneira individual. Em geral, memórias NAND também podem armazenar mais dados que memórias NOR, considerando blocos físicos de tamanhos equivalentes. É, portanto, o tipo mais barato e mais utilizado em SSD.

Chip de memória Flash NAND da Micron
Chip de memória Flash NAND da Micron


Tecnologias Multi-Level Cell, Single-Level Cell, Triple-Level Cell e Die-Stacking

Atualmente, há três tecnologias principais que podem ser empregadas tanto em memórias Flash NOR quando em Flash NAND: Multi-Level Cell (MLC), Single-Level Cell (SLC) e Triple-Level Cell (TLC).

Multi-Level Cell (MLC)

O primeiro tipo, MLC, consiste em um processo que utiliza tensões diferenciadas que fazem com que uma célula de memória armazene dois (mais comum) ou mais bits, em vez de apenas um, como é o padrão. Graças à tecnologia MLC, os custos de dispositivos de armazenamento Flash se tornaram menores, aumentando consideravelmente a oferta de produtos como pendrives e tocadores de MP3 de preços mais acessíveis. Vale frisar que o MLC tem uma tecnologia concorrente e parecida chamada Multi-Bit Cell (MBC).

Single-Level Cell (SLC)

O tipo SLC, por sua vez, nada mais é do que as memórias Flash "normais", isto é, que armazenam um bit em cada célula. Chips do tipo SLC, obviamente, são mais caros, mas isso não quer dizer que são inviáveis: em geral, são mais resistentes, suportando, por padrão, cerca de 100 mil operações de leitura e escrita por célula, contra 10 mil do MLC (esses números podem variar, conforme a evolução da tecnologia), e permitem que estas execuções sejam efetuadas em menor tempo. A tecnologia SLC é normalmente utilizada em dispositivos de armazenamento de alto desempenho.

Triple-Level Cell (TLC)

O tipo TLC é mais comumente encontrado em unidades SSD "econômicas", uma vez que se trata de uma tecnologia mais lenta nos processos de leitura ou gravação de dados e que possui menor tempo de vida útil. Cada uma de suas células de memória podem armazenar até 3 bits simultaneamente.

Die-Stacking

É importante destacar que há também uma técnica chamada Die-Stacking que igualmente tem o objetivo de aumentar a capacidade de armazenamento de memórias Flash. Para isso, os chips são "empilhados". A ideia aqui é relativamente simples: dois ou mais chips de memória Flash são colocados um em cima do outro, interconectados e encapsulados, como se fossem um dispositivo só. A técnica Die-Stacking pode ser encontrada, por exemplo, nos cartões de memória microSD.

* * *

Vale destacar que a tecnologia Flash é a mais aplicada em unidades SSD, no entanto, não é a única. A Gigabyte, por exemplo, lançou um produto chamado iRAM que pode ser entendido como um tipo de SSD. Nele, os dados são armazenados em um dispositivo que permite a conexão de pentes de memória RAM DDR. Os dados são mantidos graças a uma bateria recarregável. A autonomia da bateria é de aproximadamente 15 horas, um desvantagem considerável. Apesar disso, o dispositivo pode ser útil para armazenar temporariamente dados de um servidor que irá passar por manutenção, por exemplo.


Formatos de SSD

Pela abordagem que fizemos até agora, podemos entender qualquer dispositivo que utiliza memória Flash como sendo uma unidade SSD. Mas, na verdade, é mais adequado pensarmos em SSD como um tipo de dispositivo concorrente ao disco rígido - não podemos esquecer da palavra "Drive" no nome.

Nessa linha de pensamento, a indústria começou a fornecer unidades SSD como se fossem HDs, só que com chips de memória em vez de discos. Assim, esses dispositivos podem ser conectados em interfaces SATA ou IDE (PATA), por exemplo. Dessa forma, é possível encontrar então unidades SSD em formatos de 1,8, 2,5 e 3,5 polegadas, tal com em HDs.

Unidade SSD de 2,5 polegadas e interface SATA da Micron
Unidade SSD de 2,5 polegadas e interface SATA da Micron

Esses drives SSD também podem contar com uma pequena quantidade de memória RAM que atua como cache (ou buffer), não só para acelerar o acesso aos dados mais utilizados, mas também para aumentar a vida útil do dispositivo. E é claro: também podem ter um chip controlador (muitas vezes chamado de SoC, de System on a Chip) responsável por gerenciar o acesso aos chips de armazenamento.

A tecnologia aplicada nos chips de memória Flash das unidades SSD pode variar de modelo para modelo. Como você já sabe, unidades baseadas em MLC são mais baratas, sendo indicadas para uso doméstico ou em escritórios. Unidades com chips SLC, por sua vez, são mais adequados para aplicações mais críticas, como um servidor de ERP, por exemplo.

A capacidade de cada chip também pode variar, obviamente. Um dos principais fatores para isso é uma característica chamada miniaturalização. Aqui, a ideia é a de deixar os transistores que compõem o chip com o menor tamanho possível. Assim, pode-se armazenar mais dados sem, no entanto, ser necessário aumentar o tamanho físico do chip como um todo. Na época da publicação desta matéria, a Intel havia anunciado unidades SSD com chips com processo de fabricação de apenas 25 nanômetros (nm), medida que equivale a um milionésimo de milímetro, isto é, um milímetro dividido por um milhão. Em abril de 2011, a própria Intel havia anunciado uma tecnologia de fabricação de chips NAND com 20 nm:

comparação entre 34, 25 e 20 nanômetros
A imagem, fornecida pela Intel, mostra uma comparação entre 34, 25 e 20 nanômetros

É interessante notar também que existem dispositivos "híbridos", que misturam as funções de HD e SSD. Um exemplo é a linha Momentus XT, anunciada pela Seagate em maio de 2010. Nela, são oferecidos HDs com 250 GB, 320 GB e 500 GB, no entanto, todos os modelos também contam com uma memória Flash de 4 GB. A função dessa memória extra, no entanto, não é a de aumentar ligeiramente a capacidade dos dispositivos, mas sim a de oferecer um cache (buffer) generoso, capaz de otimizar o desempenho da máquina, uma vez que os dados mais acessados são direcionados a esse buffer, dado o seu tempo de acesso reduzido.

Ilustração que a Seagate utilizou para promover a unidade híbrida Momentus XT
Ilustração que a Seagate utilizou para promover a unidade híbrida Momentus XT

Por fim, vale ressaltar que há unidades SSD adaptadas para determinadas aplicações e, que, portanto, podem ter formatos não usuais, assim como há unidades SSD que utilizam interface USB ou FireWire, por exemplo, fazendo frente aos famosos HDs externos.


TRIM

Quando o assunto é SSD, especialmente quando nos referimos às unidades mais recentes, uma característica relacionada vem ganhando cada mais atenção: o recurso TRIM. Ele é extremamente importante. Vamos entender o porquê.

Em geral, quando você apaga um arquivo em seu sistema operacional, ele não é completamente eliminado. Na verdade, a área ocupada por ele é marcada como “livre para uso” e os dados ficam ali de maneira oculta ao sistema até que uma nova gravação ocorra. É por isso que muitos programas de recuperação de arquivos apagados acidentalmente conseguem ter sucesso nessa tarefa.

Nos HDs, o espaço disponível para dados pode ser gravado e regravado sem maiores dificuldades. Isso é possível porque, nos discos rígidos, os dados são agrupados em setores de 512 bytes (saiba mais sobre isso nesta matéria sobre HDs), onde cada setor pode ser gravado e regravado de maneira independente.

No SSD, esse processo é um pouco diferente, já que na memória Flash os dados são agrupados em blocos, geralmente de 512 KB, sendo que cada grupo é composto por várias divisões chamadas páginas, onde cada uma tem, usualmente, 4 KB. O problema é que esse blocos de dados não podem simplesmente ser gravados e, posteriormente, regravados com a mesma facilidade existente nos HDs. Para isso, é necessário primeiro apagar os dados de uma área gravada, fazendo-a retornar ao seu estado original, para somente depois inserir os dados novos. A questão se agrava pelo fato de que, geralmente, esse processo precisar abranger o bloco inteiro e não apenas determinadas páginas deste. Você já deve ter percebido que essa situação pode causar uma significativa perda de desempenho.

Uma das maneiras de lidar com isso é fazer com que o sistema operacional sempre utilize uma área livre do SSD. Mas essa é uma solução paliativa, umas vez que, mais ou cedo ou mais tarde, os blocos não utilizados serão todos preenchidos. O TRIM surge justamente para evitar que o usuário "entre em pânico" ao perceber que sua unidade SSD está "sobrescrevendo" dados e, consequentemente, ficando mais lenta.

Com o TRIM, o sistema operacional é instruído a fazer uma verificação para “zerar” as páginas de arquivos apagados, em vez de simplesmente marcá-las como “disponível para uso”, como acontece nos HDs. Assim, quando os blocos que passarem por esse processo tiverem que receber novos dados, já estarão preparados para recebê-los, como se nunca nada tivesse sido gravado ali.

É por isso que o TRIM é tão importante. A sua função é capaz de evitar sérios problemas de desempenho. O único porém é que esse recurso precisa ser suportado tanto pelo sistema operacional quanto pela unidade SSD, portanto, confira sua existência ao adquirir um produto do tipo. O Windows 7 e versões mais recentes do kernel Linux, por exemplo, têm suporte ao TRIM.


Características a se observar na escolha de uma unidade SSD

Ao escolher uma unidade SSD, é sempre importante verificar as especificações do dispositivo. Uma delas está ligada ao aspecto do desempenho. Quantos kilobytes podem ser lidos por segundo? Quantos podem ser gravados nesse mesmo tempo? Tais parâmetros podem variar bastante de um produto para outro. É comum, por exemplo, encontrar unidades SSD formada por um conjunto de 10 chips de memória Flash. O controlador do dispositivo pode dividir um determinado arquivo em 10 partes para que estes sejam gravados simultaneamente na unidade, tornando o processo de gravação como um todo mais rápido, por exemplo. Porém, recursos a mais ou menos podem melhorar ou piorar esse processo. Daí a importância de verificar esses detalhes. Felizmente, é praticamente regra entre os fabricantes informar a quantidade de dados que podem ser gravados e também lidos por segundo.

Outro parâmetro que também pode ser observado é o IOPS (Input/Output Operations Per Second), que indica a quantidade estimada de operações de entrada e saída por segundo, tanto para leitura quanto para escrita de dados. Quanto maiores esses números, melhor.

Quanto à capacidade, como já informado no texto, esta costuma ser muito menor quanto comparado aos HDs porque ainda se trata de um tecnologia cara. Por isso, não será raro encontrar situações onde um mesmo computador oferece, por exemplo, HD de 500 GB ou, como opção, SSD de apenas 128 GB. Dependendo do caso, você pode utilizar ambas as tecnologias: instalar o sistema operacional em um SSD para agilizar o desempenho e armazenar seus arquivos pessoais em um disco rígido convencional.

Por fim, vale a pena checar também qual o tempo médio de durabilidade previsto pelo fabricante e se a unidade conta com recursos adicionais, como buffer, o já mencionado TRIM, a tecnologia de monitoramento S.M.A.R.T. (amplamente utilizada com HDs), ou até mesmo RoHS (Restriction of Certain Hazardous Substances), que indica que o fabricante não utilizou determinadas substâncias prejudiciais à saúde e ao meio ambiente na fabricação do produto.


História: o primeiro SSD do mercado

Os dispositivos SSD começaram a aparecer de maneira massiva no mercado a partir de 2006, mas pode-se dizer que a tecnologia em si surgiu muito antes, embora não com o mesmo nome.

Em 1976, uma companhia de nome Dataram colocou no mercado um dispositivo de armazenamento de dados de nome BULK CORE que era composto por oito módulos de um tipo de memória não-volátil com a incrível (para a época) capacidade de 256 KB cada um.

Um HD da época à esquerda e o BULK CORE à direita
Um HD da época à esquerda e o BULK CORE à direita - Imagem por StorageSearch.com

O BULK CORE "emulava" as unidades de disco utilizadas na época, com o diferencial de ser mais rápido que estas. Custava cerca de 10 mil dólares e era utilizado em centros de processamento de dados, uma vez que a ideia de computação pessoal ainda não era difundida.

Em vista de suas características (uso de memória não volátil e maior velocidade de transferência de dados), este pode ser considerado primeiro SSD do mercado.


Finalizando

Muita gente se pergunta se a tecnologia SSD sinaliza o fim da era dos discos rígidos. É difícil dizer. Em relação à capacidade de armazenamento, os HDs ainda representam uma excelente relação custo-benefício, sem contar que esses dispositivos contam com uma média de durabilidade bastante satisfatória.

Uma vez que as unidades SSD têm um custo de armazenamento muito mais elevado e, em muitos casos, são vistas com a desconfiança que é natural em tudo o que é novo, vai levar algum tempo para que os HDs percam o seu reinado, se é que isso vai acontecer. Mas o fato é que, inegavelmente, a tecnologia SSD veio para ficar.

Escrito por - Publicado em 29_09_2010 - Atualizado em 24_06_2013