SSDs

Hoje em dia, os SSDs custam muito caro. E quando a gente encontra um SSD por um preço bom, geralmente suas características decepcionam: um SSD de cem dólares tem capacidade pequena, entre 32 e 64 gigabytes, e desempenho muito baixo. Os fabricantes tentam nos convencer de que o custo de armazenamento de um gigabyte de dados não é o fator mais importante para os SSDs, e que nós deveríamos apreciar outros fatores como a confiabilidade, a resistência a impactos, a maior taxa de entrada e saída por dólar, a baixa temperatura, o silêncio etc. Um usuário corporativo está disposto a pagar por tudo isso, mas o usuário doméstico vai esperar os preços baixarem.

Os dois tipos de usuários precisam de uma abordagem individual, mas a tendência geral é de substituir a flash NAND (com células de 1 bit) por flash NAND MLC (com células de 2 bits ainda maiores). A MLC corporativa também vem para o mercado, com um número maior de ciclos de reescrita (6 mil, em vez de 3 mil). A Intel usa memória eMLC em seus novos SSDs corporativos. A ideia é reduzir o preço do produto final, obviamente. Mas unidades baseadas em SLC continuarão sendo usadas onde o preço não for importante, como em armazenamentos de dados com grandes quantidades de solicitações.

Em 2009, o custo de armazenamento de um gigabyte de dados em um SSD baseado em SLC e de nível corporativo era de 20 dólares. Em 2010, com o lançamento de SSDs de nível corporativo baseados em memória MLC, o custo caiu para cinco dólares. São SSDs voltados para servidores. Os SSDs SLC ainda são preferíveis em grandes matrizes de armazenamento de dados. No entanto, no ano que vem, os SSDs MLC (ou talvez eMLC) devem cobrir todo o mercado corporativo, substituindo suas contrapartes SLC em muitos setores, e diminuindo o custo de armazenamento para cinco dólares por gigabyte. Com isso, espera-se que o preço de um gigabyte em um SSD MLC para o consumidor caia para um dólar em 2012 (os SSDs corporativos vão chegar a um dólar por gigabyte em 2014).

A previsão para os próximos cinco anos, feita em agosto pelo Gartner, mostra a taxa de desenvolvimento dos diferentes setores do mercado de SSDs.

A maioria dos SSDs, por volta de 90% do total, vai se focar em desktops, PCs móveis e netbooks. Os SSDs vão ser uma necessidade em computadores domésticos e estações de trabalho de alto desempenho. Eles também vão ser um componente indispensável dos notebooks de menor espessura. Computadores menos avançados devem usar SSDs opcionalmente ou em parceria com HDs tradicionais, em um sistema de armazenamento híbrido no qual o sistema operacional e os aplicativos serão carregados do SSD, que é mais veloz, e os dados armazenados virão do HD mais lento. Os netbooks trarão SSDs por padrão, mas em pequenas quantidades. Esta é a visão da Samsung do mapa de distribuição de SSDs, de acordo com o custo de cada computador:

Voltando ao diagrama do Gartner, podemos observar que ele diminuiu suas previsões de crescimento para o mercado de SSDs. Em comparação à versão de julho do documento, a diferença é de cinco a dez milhões de unidades por ano. Suspeitamos que os analistas corrigiram a previsão devido ao rápido desenvolvimento dos tablet PCs, que, como vimos acima, comem uma fatia do mercado de PCs. Seja como for, a média de crescimento anual do mercado de SSDs vai passar dos 70%. Isso é mais do que se espera para o mercado de tablet PCs, então as aplicações de memória flash em computadores vão continuar sendo um fator importante para o desenvolvimento da flash NAND.

E o que é especialmente interessante para nós, usuários domésticos, é que embora os SSDs para o consumidor representem 90% do total de vendas de SSDs, eles só irão gerar metade do lucro dos fabricantes. A outra metade ficará por conta de quem comprar SSDs corporativos (segundo o Gartner).

Aqui vão mais dois gráficos para ilustrar quando a quantidade total de memória flash irá ultrapassar a quantidade total de armazenamento em HDs tradicionais, e como será a redução de preços dos SSDs.

O diagrama à esquerda é do IDC. A promessa é de que os SSDs ultrapassem os HDs tradicionais em quantidade total de armazenamento em 2018. O gráfico da direita, baseado nos dados da Samsung, mostra como os preços de SSDs para o consumidor vão cair. Os SSDs de 64 GB já custam menos do que a média de um HD comum + 100 dólares. Os SSDs de 256 GB vão atravessar essa marca daqui a três anos. Já os SSDs de 1 TB chegam lá só em 2016.

Além de ficarem cada vez mais baratos, os SSDs também vão melhorar suas especificações para os consumidores, o que também é muito bom. A tecnologia de fabricação, as interfaces, os controladores e o próprio princípio de operação dos SSDs vão ser aprimorados.

No momento, a troca de sinalização SDR por DDR deve dobrar a banda, como aconteceu na transição de SDR para SDRAM DDR. Com isso, a velocidade de transferência de dados vai subir de 66 Mbps para 133 Mbps, e daí para 200 Mbps.

Assim como no caso da memória, a flash DDR vai ser sincronizada com um sinal DQS externo. Há dois modos de operação possíveis: assíncrono e síncrono. Sem abusar dos detalhes técnicos, podemos observar que o primeiro modo é usado pela Samsung em seus novos chips de memória flash. O modo síncrono descrito no padrão ONFi é promovido pela Intel com seus parceiros. A memória flash DDR com frequência de até 200 Mbps vai ser ratificada pelo JEDEC no início de 2011. A próxima etapa é o aumento da velocidade da interface da memória flash para 400 Mbps.

A Samsung ilustra os benefícios trazidos para os SSDs com a transição para chips DDR com frequências de 133 Mbps e 400 Mbps.

A quantidade de operações de entrada e saída por segundo em modo de leitura aleatória vai crescer 10%, e depois 20%; já em modo de escrita aleatória, subirá 40%, e depois 60%. A geração atual de flash NAND só pode proporcionar a primeira etapa da aceleração. A transição para a interface de alta velocidade (400 Mbps) vai exigir uma estrutura de sinal maior, e também a introdução de sinais de arbitragem de tensão, oferecendo a opção de um fornecimento de energia externo para células de memória durante operações de leitura e escrita.

A eficiência da fonte de alimentação integrada da flash NAND, que converte 3,3 V em 11,5-12,5 V, é de menos de 30%, o que é especialmente importante para SSDs para servidores. A chamada “On-die termination” (terminação resistiva dentro do chip) também terá que ser introduzida. Isso será gerenciável, assim como a latência CAS. Os novos sinais serão complementares aos que já existem, fazendo com que os chips de memória de alta velocidade tenham retrocompatibilidade com controladores antigos.

Outra melhoria importante na flash NAND é a tensão de fornecimento, que vai cair de 3,3 para 1,8 V. Isso vai coincidir com a introdução da primeira geração de flash DDR (133 Mbps). E a próxima etapa vai ser o aumento da quantidade de ciclos de escrita/leitura permitidos em memória MLC corporativa. Hoje, a memória flash MLC tem suporte a 3 mil ciclos de reescrita, enquanto as primeiras versões comerciais da eMLC têm suporte a 6 mil (nos novos SSDs corporativos da Intel). Os desenvolvedores até prometem aumentar os ciclos de reescrita da eMLC para 30 mil no futuro.

Para entender as possibilidades de aprimoramento dos SSDs, vamos dar uma olhada nos dados da Qualcomm, que mostram as mudanças nas especificações básicas da memória flash.

No momento, os principais fabricantes, incluindo Intel, Micron, Samsung, Elpida, Hynix e Toshiba, estão se preparando para mudar o processo tecnológico da flash NAND de 30 nm para 20 nm. Só que o processo técnico menor vai piorar as propriedades de interesse do consumidor das células de memória flash. O ciclo de vida vai cair de 3 mil para 2 mil reescritas, ou até menos (estamos falando de memória MLC, os outros tipos não vão migrar para o processo de 20 nm). O tempo de retenção de carga também vai cair, mas não muito abaixo dos cinco anos, então isso não é importante para SSDs usados regularmente.

O tamanho da página de dados pode se manter nos 8 kilobytes, mas os fabricantes dificilmente conseguirão manter a taxa de bits errados no mesmo nível. Conforme o processo tecnológico vai atingindo tamanhos menores, a interferência das células adjacentes vai crescendo, a quantidade de elétrons na porta flutuante vai caindo e as correntes de fuga nos isoladores mais finos vão aumentando. Tudo isso exige mais bits de ECC e processadores de ECC mais velozes. Os atuais 24 bits de ECC por kilobyte de dados não vão ser dar conta por muito tempo. A geração de chips de 20 nm vai ter 80 ou até mais bits de ECC por kilobyte de dados. Além disso, os desenvolvedores de controladores sugerem o ECC adaptável, que ocuparia páginas de memória feitas para abrigar dados.

Os problemas causados pelo aumento da taxa de erros, pelo tempo de vida menor, pelo tamanho de página de memória maior e pelas células maiores de MLC (de 3 ou 4 bits) exigem unidades de ECC mais eficazes, e tornam o design e a operação do controlador de memória flash muito mais sofisticados. Talvez por isso a retrocompatibilidade dos futuros chips NAND com os controladores atuais seja tão importante.

O controlador vai ter que ficar mais inteligente. Alguma seção de um chip de memória pode estar com defeito, por exemplo. Pode ser uma linha, uma coluna ou qualquer outra coisa. Os testes de fábrica nem sempre revelam esses problemas, e testes mais profundos sairiam mais caros. A SandForce, fabricante de controladores de memória flash, sugere que os futuros controladores de memória sejam equipados com um sistema de tolerância a falhas. As matrizes RAID são o melhor mecanismo de tolerância a falhas disponível hoje, portanto os consoladores SSD do futuro terão que incorporar elementos on-die da arquitetura RAID.

Outra melhoria notável nos controladores vai ser a substituição da SRAM interna e do buffer DRAM externo por memórias internas não voláteis (a SandForce já desistiu de usar um buffer DRAM externo em seus controladores). O buffer não volátil deve se basear em tipos de memória flash como ReRAM (ou memristor), MRAM (magnetoresistive memory) ou PRAM (phase-change RAM). Ao contrário da flash NAND, essas memórias são consideradas “eternas”. Elas também são suficientemente rápidas para atuar como memória buffer. É claro que um buffer como esse não seria afetado por quedas de energia. A longo prazo, não só o buffer como o SSD inteiro poderão ser transferidos para novos tipos de memória, como os três mencionados acima.

Há também o conceito de queimar células flash NAND com velocidades variáveis, proporcionando mais flexibilidade na operação de SSDs. O conceito de desempenho estático e desempenho dinâmico ajustável possibilita a produção de SSDs voltados especificamente para aplicações diferentes. Se você precisar da velocidade máxima, mesmo que o ciclo de vida seja curto, pode usar o desempenho estático. Se precisar de um ciclo de vida máximo e só quiser a velocidade máxima em algumas situações, pode usar o desempenho dinâmico ajustável.

Logo, as células de memória flash irão reduzir a velocidade em tarefas não críticas, mas irão oferecer o melhor desempenho quando você precisar dele.

É claro que a implementação prática de todas essas inovações depende de algumas melhorias no software dos controladores, dos sistemas operacionais e dos controladores do host. Os computadores de hoje são focados em HDs tradicionais, e conforme sugerem os nossos testes, os desenvolvedores de controladores RAID e chipsets ainda têm muito trabalho pela frente até que os SSDs comecem a se comportar de maneira previsível. Eis uma ilustração da Samsung:

O mesmo SSD tem comportamento totalmente diferente em controladores diferentes, e a variação aumenta conforme a profundidade da fila de solicitações cresce.

Já mencionamos os novos tipos de memória volátil. É bom destacar que a flash NAND e seu ecossistema também vão melhorar constantemente em termos de interfaces e processos técnicos, assim como em profundidade de células, invólucro e microarquitetura.

A memória flash com células de 3 bits ocupou 25% do mercado flash NAND nos últimos dois anos. Ela foi produzida primeiro pela Toshiba, mas agora a empresa japonesa tem a companhia da Samsung e da Intel com a Micron. Até o fim do ano que vem, as memórias com células de 3 bits vão ser responsáveis por 35% do mercado, deixando as memórias com células de 4 bits com apenas 5%.

As células de 3 ou 4 bits supostamente terão aplicações diferentes: cartões de memória e pendrives, respectivamente. Quanto maior for a profundidade de bits de uma célula de memória, muito maior será a complexidade do controlador e do ECC. Embora essas memórias possam diminuir o preço do armazenamento, elas têm desempenho menor e um número inferior de ciclos de reescrita. Ainda assim, não temos dúvida de que os fabricantes irão tentar achar um meio termo entre o baixo preço e a confiabilidade aceitável, e que vão acabar produzindo SSDs com células de 3 e 4 bits.

Outro problema é o crescente número de contatos de chips de flash NAND, que pode chegar a 600 pinos nos chips de capacidade mais alta. Isso é um problema para os fabricantes que querem diminuir o tamanho dos chips. A solução é aprimorar as tecnologias de system-in-package e package-on-package, e introduzir a tecnologia through silicon via, na qual um laser faz buracos no die, que serão preenchidos com cobre.

A transição para interfaces seriais também pode ser uma boa solução para o problema da grande quantidade de pinos. Para substituir a memória flash embarcada, a primeira geração de flash com interface serial vai ser lançada no ano que vem. Seu nome é UFS (abreviação de “armazenamento flash universal” em inglês):

A memória UFS não só vai aumentar a taxa de transferência de dados, como também vai mudar a lógica operacional de unidades flash em gadgets de internet, smartphones etc. O padrão UFS tem suporte a multitarefas, cria uma fila de solicitações flexível (usando o conceito do SCSI), expande de 300 MBps para cima e permite a criação de uma topologia de encadeamento para a redução da quantidade mínima exigida de canais do controlador ou até do controlador do host. Na verdade, o padrão UFS pode acabar se tornando uma interface de computador completa em vez de uma interface apenas para flash NAND embarcada. É como um SSD de die único.

Apesar das especificações ratificadas pelo JEDEC (JC-64.8), ainda não há métodos aceitos de forma geral para a medição de confiabilidade e outras propriedades dos SSDs. É impossível comparar produtos de marcas diferentes, o que confunde o consumidor.

Até o momento, o que se tem como certo é o seguinte: todos os SSDs se dividem em duas classes, uma para os consumidores e outra para as corporações. Cada classe tem suas próprias necessidades. As características de SSDs para consumidores, por exemplo, estarão corretas para temperaturas operacionais de 40ºC, e para operação diária de oito horas ou menos. Os SSDs corporativos precisam manter suas propriedades especificadas quando em operação o dia inteiro, a até 55ºC. A retenção de dados aceita (em estado desligado) é de um ano para SSDs de consumidores (a 30ºC) e de três meses para SSDs corporativos (a 40ºC).

Isso significa que o controlador tem que reescrever, de tempos em tempos, até as células que não são gravadas. Por exemplo, é preciso renovar os dados em arquivos apenas para leitura, e nos sistemas corporativos isso é feito com uma frequência quatro vezes maior do que em computadores para o consumidor. A taxa funcional de falhas para os dois tipos de SSDs não é maior do que 3%, e o parâmetro UBER é de 10¹⁵ e 10¹⁶ para ambos os tipos de SSDs.

Haverá um sistema diferente para avaliação de cada classe de produtos, mas ele será baseado no valor de TBW (terabytes escritos), um valor decimal que se aproxima do desgaste de 100% do SSD específico em condições especificadas e no nível permitido de erros.

O ciclo de vida de um SSD é medido diretamente, escrevendo até que o SSD falhe por exceder o limite de ciclos de reescritas, ou é calculado por extrapolação. Neste último caso, temos que confiar na honestidade do fabricante ao realizar seus cálculos matemáticos.

Hoje, o padrão JEDEC só define a carga operacional para medição de ciclo de vida de SSDs corporativos. Ele se baseia em medições sintéticas, e não na emulação de aplicativos em situações reais. A própria capacidade acessível ao usuário de um SSD é avaliada dessa forma. A carga para SSDs voltados para os clientes ainda está em desenvolvimento. Todas as especificações são fornecidas para setores de 512 bytes. O sistema de carga e avaliação para setores de 4 KB está em desenvolvimento.