Dispositivos de Almacenamiento Secundario

Los dispositivos de almacenamiento secundario —discos duros magnéticos y unidades de estado sólido basadas en flash— retienen datos de forma persistente fuera de la memoria principal, con características de rendimiento muy diferentes que configuran cómo los sistemas almacenan y acceden a la información.

Definition

Los dispositivos de almacenamiento secundario son medios de almacenamiento no volátiles —principalmente unidades de disco duro magnéticas y unidades de estado sólido flash— utilizados para retener datos de forma persistente a través de ciclos de energía, proporcionando una gran capacidad a un costo y velocidad menores que la memoria principal.

Scope

Este tema cubre las tecnologías y el rendimiento del almacenamiento persistente: geometría del disco magnético, tiempo de búsqueda y latencia rotacional, y planificación de disco; flash NAND y unidades de estado sólido, incluyendo su comportamiento de acceso, desgaste y la capa de traducción de flash; y cómo estas características afectan el diseño del sistema. Trata los dispositivos en sí mismos. Excluye la redundancia y las matrices de fiabilidad (RAID y fiabilidad del almacenamiento) y el software del sistema de archivos por encima de ellos (sistemas de archivos).

Core questions

• ¿Qué determina la latencia y el rendimiento de un disco duro magnético?
• ¿Cómo difiere el almacenamiento de estado sólido basado en flash del disco magnético en comportamiento y rendimiento?
• ¿Por qué las unidades de estado sólido necesitan una capa de traducción de flash y nivelación de desgaste?
• ¿Cómo influyen las características de los dispositivos de almacenamiento en el diseño del sistema y del software?

Key concepts

• geometría del disco magnético (pistas, sectores, cilindros)
• tiempo de búsqueda y latencia rotacional
• planificación de disco
• flash NAND y unidades de estado sólido
• capa de traducción de flash
• nivelación de desgaste
• rendimiento y latencia
• persistencia y no volatilidad

Mechanisms

Un disco magnético almacena datos en platos giratorios; el acceso requiere mover el cabezal a la pista correcta (búsqueda) y esperar a que el sector gire por debajo (latencia rotacional), por lo que la planificación del disco reordena las solicitudes para reducir el movimiento del cabezal. Una unidad de estado sólido almacena datos en flash NAND, que se lee y escribe en páginas pero se borra en bloques más grandes y se desgasta con el uso; una capa de traducción de flash mapea direcciones lógicas a páginas físicas y realiza la nivelación de desgaste y la recolección de basura.

Clinical relevance

Las características de los dispositivos de almacenamiento a menudo dominan el rendimiento de los sistemas intensivos en datos. La transición de discos mecánicos a unidades de estado sólido redujo drásticamente la latencia de acceso y reformó el diseño de bases de datos, sistemas de archivos y sistemas operativos, mientras que el comportamiento distintivo del flash —borrar antes de escribir, desgaste y recolección de basura— continúa influyendo en cómo se construye el software de almacenamiento.

History

El disco duro magnético, introducido por IBM en 1956, dominó el almacenamiento secundario durante medio siglo, mejorando constantemente en densidad y costo. La memoria flash NAND, comercializada a partir de finales de la década de 1980, permitió las unidades de estado sólido que desplazaron a los discos en muchos roles desde la década de 2000 en adelante, a cambio de un mayor costo por bit por una latencia mucho menor y sin partes móviles.

Key figures

• John L. Hennessy
• David A. Patterson
• Bruce Jacob

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

¿Por qué las unidades de estado sólido son más rápidas que los discos duros?

Los discos duros deben mover mecánicamente un cabezal y esperar a que los platos giren, incurriendo en milisegundos de latencia. Las unidades de estado sólido acceden al flash electrónicamente sin partes móviles, por lo que su latencia es mucho menor y manejan el acceso aleatorio mucho mejor, aunque son más caras por byte.

¿Qué es la nivelación de desgaste?

Las celdas de memoria flash solo pueden soportar un número limitado de ciclos de borrado-escritura. La nivelación de desgaste distribuye las escrituras de manera uniforme entre todas las celdas, a través de la capa de traducción de flash, para que ninguna región se desgaste prematuramente, extendiendo la vida útil de una unidad de estado sólido.