Almacenamiento QLC para grandes volúmenes de datos

En los últimos años, los fabricantes de chips y unidades SSD han evolucionado la tecnología para lograr un equilibrio adecuado entre la capacidad y la velocidad de lectura y escritura que se requieren en los sistemas de máximo rendimiento. Actualmente, las matrices basadas sólo en flash están conquistando poco a poco los segmentos superiores del almacenamiento de máximo nivel y ya son las soluciones preferidas por los operadores de centros de datos y los especialistas en sistemas empresariales para las aplicaciones de misión crítica. Para otro tipo de necesidades se emplean soluciones híbridas que emplean los discos SSD para proporcionar alta disponibilidad y los HDD para el almacenamiento “de fondo”.

Las unidades flash también han encontrado su lugar en las nuevas plataformas convergentes e hiperconvergentes, permitiendo la creación de máquinas competitivas en tamaños contenidos, que después pueden escalarse empleando soluciones híbridas o puramente de estado sólido. Y también sirven para la aceleración de sistemas basados en HDD, actuando como caché intermedia que incrementa la velocidad de acceso a los datos almacenados en medios magnéticos.

 

Capacidad vs rendimiento

Tanto en las tradicionales unidades HDD como en las más modernos SSD estos son los factores que se encuentran enfrentados a la hora de fabricar un medio de almacenamiento. Generalmente, cuanta más capacidad se quiere obtener en un disco duro, más rendimiento se debe sacrificar, y viceversa. En los discos duros magnéticos los factores que determinan la capacidad que se puede lograr son la precisión del sistema de grabación, las características físicas de la superficie magnética y el número de discos que tiene la unidad. En el rendimiento intervienen factores como la velocidad de los propios discos, la cantidad de cabezales y las capacidades de la memoria caché y de la controladora.

En los discos duros SSD las variables que entran en juego son completamente diferentes. El rendimiento, en términos generales, depende de la tecnología de los chips de memoria flash, de las capacidades de la controladora y de la memoria intermedia que sirve para cachear los datos que suministrará la unidad. Este factor incide en el precio final de los módulos SSD, ya que las nuevas DRAM de alto rendimiento que se instalan en los discos de estado sólido de primer nivel son caras, y para lograr soluciones de almacenamiento con precios contenidos es necesario recurrir a soluciones más asequibles. Por su parte, la capacidad viene determinada por la cantidad de chips, la densidad de celdas de almacenamiento y la capacidad de estas para almacenar uno o más bits. Pero este factor también está íntimamente ligado al rendimiento y la durabilidad de los propios chips. En general, cuantos más bits se puedan registrar en una celda, más lento es el acceso a la información, ya que se emplea el mismo “canal”. Además, la vida útil de los chips, medida en ciclos de programación y borrado, es hasta 10 veces menor por cada nuevo nivel. Por este motivo, se tiende a que los SSD que van a soportar mayor carga de trabajo constante sean de tipo SLC (Single-Level Cell), que pueden aguantar hasta 100.000 ciclos. Por su parte los de tipo MLC (Multi-Level Cell), con dos bitls por celda, y los TLC (Triple-Level Cell), con tres bits, soportan como máximo 10.000 y 3.000 ciclos, respectivamente.

Este factor condiciona mucho la capacidad máxima que pueden ofrecer los discos SSD en función de su futuro uso. Porque sustituir constantemente las unidades dedicadas a tareas que requieren muchos ciclos de escritura y borrado supondría un coste inasumible. En las instalaciones que gestionan mayores volúmenes de almacenamiento con cargas de trabajo menos intensivas, es preciso encontrar soluciones que equilibren la vida útil con el rendimiento que necesitan los usuarios de esos equipos. Actualmente ya existen unidades SSD óptimas para estos escenarios, aunque la capacidad de los discos debe ir incrementándose para hacer frente a la creciente necesidad de espacio por unidad, ya que los HDD siguen evolucionando y son los discos más empleados para estos usos en los centros de datos.

 

Más capas para incrementar el espacio

La otra estrategia de los fabricantes de memorias flash para incrementar la capacidad por cada chip ha sido la de crear nuevas estructuras tridimensionales, superponiendo múltiples capas de celdas en cada unidad. Las tecnologías que más se utilizan actualmente son 3D NAND y V NAND, y actualmente se fabrican con hasta 64 capas, aunque los fabricantes afirman que podrían proporcionar chips de 96 capas para finales de este año o principios de 2019. Paralelamente, ya ha llegado al mercado la siguiente generación de discos duros SSD con arquitecturas superiores. Estas innovaciones vienen de la mano de los principales fabricantes de semiconductores, como Samsung y el tándem Intel-Micron, que tienen sus propias tecnologías: Z NAND y 3D XPoint, respectivamente. Pero estas nuevas memorias están destinadas a los segmentos superiores del almacenamiento de datos de categoría empresarial, y todavía no son soluciones económicamente viables para dar soporte a grandes volúmenes de datos o aplicaciones como el almacenamiento en frío.

Este último entorno, concretamente, requiere medios de almacenamiento más centrados en guardar la información de forma semipermanente, soportando cargas de trabajo basadas en la lectura de datos, en diferentes categorías de rendimiento. En este segmento los discos duros HDD de categoría empresarial son los reyes del sector, ya que las unidades de 7.200 rpm de bajo coste ofrecen soluciones económicas con una vida útil razonable. Para los entornos que requieren más velocidad de acceso se emplean ciertos discos de 10.000 rpm. Aunque su rendimiento está lejos del que ofrecen la mayoría de SSD, y la industria de los semiconductores acaba de ofrecer una alternativa que pronto podría convertirse en una competencia sólida para ellos.

 

Nuevas soluciones para el almacenamiento en frío

La respuesta de los fabricantes de unidades SSD a las necesidades de almacenamiento con altas cargas de trabajo de lectura son los nuevos discos duros basados en chips flash QLC (Quad-Level Cell). Esta evolución de la arquitectura de celdas supone que en cada una se pueden almacenar hasta cuatro bits (un 33,3% más), reduciendo el coste por Gb de almacenamiento de forma sustancial. Las primeras unidades son de formato 2,5” con interfaz SATA y ofrecen una capacidad de entre 1,92 y 7,68 Tb, gracias a chips QLC de 64 capas y capacidad de 1 Terabit. Pero esta nueva tecnología tiene sus contrapartidas, que son una mayor latencia y una vida útil que se reduce a 1.000 ciclos de programación y borrado, por lo que su uso está indicado exclusivamente a tareas de almacenamiento en frío, donde el contenido de los discos es semipermanente, soportando pocos ciclos de borrado y sobreescritura. Los creadores de esta tecnología recomiendan su uso para repositorios de almacenamiento dedicados al análisis a tiempo real de Big Data, lectura intensiva dedicada a las aplicaciones de Deep learning e inteligencia artificial, sistemas de vídeo bajo demanda, bases de datos NoSQL, sistemas de minería de datos, autenticación de usuarios y grandes volúmenes de almacenamiento permanente o semipermanente.

El primer fabricante en lanzar esta tecnología al mercado ha sido Micron, quien ha desarrollado esta tecnología conjuntamente con Intel, pero otros fabricantes destacados de discos SSD están cerca de lanzar sus propias unidades basadas en esta nueva tecnología. Aún es pronto para predecir la velocidad de penetración que tendrán estos nuevos discos en el mercado de los centros de datos, pero los fabricantes implicados han decidido apostar con fuerza por su implantación y por el desarrollo de la tecnología. Por ahora esta se encuentra en las primeras fases, pero se espera que evolucione hasta ofrecer unidades de hasta 100 Tb, contribuyendo al mejor aprovechamiento del espacio físico dentro de los centros de datos.

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