O que é uma matriz all-flash (AFA)?

Uma matriz all-flash (AFA) é um tipo de sistema de armazenamento de dados externo que utiliza exclusivamente mídia de hardware de memória flash (ou seja, unidades de estado sólido (SSDs)) para armazenamento de dados persistente. A AFA também é chamada de sistema de disco de armazenamento de estado sólido ou matriz de estado sólido (SSA).

Ao contrário das unidades de disco rígido (HDDs) de disco giratório, as SSDs não contêm peças móveis e oferecem maior velocidade e durabilidade. Em comparação com as HDDs isolados, os sistemas de armazenamento all-flash (compostos por SSDs ou sistemas híbridos compostos por SSDs e HDDs) permitem um acesso mais rápido aos dados, ao mesmo tempo que melhoram as velocidades de processamento e reduzem o esforço da CPU. 

O armazenamento flash varia em capacidade de armazenamento e formato. Algumas SSDs, como o tipo encontrado em unidades flash USB, são menores do que moedas pequenas. E, embora as primeiras SSDs pudessem conter apenas uma pequena quantidade de dados, à medida que a tecnologia progredia de acordo com a Lei de Moore, essa capacidade de armazenamento se multiplicou.

Atualmente, devido à tecnologia SSD, é possível equilibrar um terabyte de dados (ou mais) na ponta do dedo. Devido ao seu tamanho compacto e construção robusta em estado sólido, as SSDs estão onipresentes em produtos eletrônicos como notebooks, tablets, telefones móveis e consoles de jogos. 

Além das aplicações de nível de consumidor, as SSDs e AFAs também tiveram um impacto revolucionário no armazenamento empresarial. Tradicionalmente, os data centers organizacionais contavam com HDDs configuradas como armazenamento conectado à rede (NAS) ou redes de área de armazenamento (SANs), ou ambos, para armazenamento e recuperação de dados. Isso foi até que os avanços no armazenamento de estado sólido tornaram as matrizes all-flash uma alternativa econômica e promoveram várias melhorias de desempenho adequadas para aplicações de alto desempenho.

Normalmente, as unidades de estado sólido são preferíveis às unidades de disco rígido. No entanto, matrizes híbridas que configuram SSDs e HDDs dentro do mesmo chassi permitem que os fornecedores adaptem os sistemas existentes substituindo apenas uma parte da mídia fixa por flash. Atualmente, as AFAs, ou matrizes híbridas, são a principal escolha para soluções NAS e SAN em escala.

A memória flash é um tipo de armazenamento de memória não volátil que usa transistores semicondutores para armazenar e recuperar dados. Os dados armazenados na memória flash são persistentes e não voláteis, o que significa que, depois que os dados são gravados em uma unidade de memória flash, a unidade pode e vai reter esses dados mesmo que esteja desligada.

A tecnologia de memória flash vem em duas variedades diferenciadas pelo tipo de arquitetura lógica usada para gerenciar as operações do chip de memória:

• Flash NOR: esse tipo de memória flash usa portas lógicas booleanas “NOT OR” para ler e escrever dados. A flash NOR é rápida para acessar bits aleatórios de dados dentro de um conjunto armazenado, mas tem tempos de gravação mais lentos e pode ser comparativamente mais cara. A flash NOR é melhor para armazenar dados como firmware e código de inicialização.

• Flash NAND: a flash NAND usa portas lógicas booleanas "NOT AND", sendo mais econômica para armazenar arquivos maiores. A flash NAND é excelente no acesso a dados sequenciais, mas é mais lenta do que o flash NOR para leituras aleatórias. Por essas razões, a flash NAND não é adequada para execução direta de código, mas é uma excelente opção para armazenamento de dados de longo prazo e em grande escala.

Em um nível técnico, a memória flash NAND armazena dados usando um arranjo de transistores de porta flutuante que funcionam de forma semelhante às portas lógicas NOT AND. Cada célula de memória NAND contém uma porta lógica de controle e uma porta lógica flutuante, separadas por uma fina camada de óxido.

Por meio do processo de tunelamento de Fowler-Nordheim, dados binários podem ser armazenados de forma persistente na memória flash, enviando uma carga elétrica para a célula, a uma tensão que aprisiona elétrons na porta flutuante. Por sua vez, os dados podem ser apagados com a remoção da carga. 

Embora a memória flash venha em variedades NOR e NAND, a frase “armazenamento flash” quase sempre significa flash NAND. Embora a mídia de armazenamento flash NAND se degrade com o tempo, precisando de substituição regular de hardware após alguns anos, a memória NAND atende a muitos critérios para armazenamento operacional ideal na maioria das situações.

A seguir estão algumas características importantes:

• Não volátil: a flash NAND pode reter dados sem a necessidade de energia contínua. 

• Baseada em blocos: a flash NAND grava e apaga dados em grandes blocos de informações, em vez de uma abordagem byte a byte. 

• Eficiente em escala: como resultado de sua estrutura baseada em blocos, a flash NAND é adequada para tarefas de computação sequencial, que exigem grandes quantidades de armazenamento de dados e acesso em escala. A flash NAND é uma opção mais eficiente e de maior densidade em comparação com a flash NOR.  

• Durável: as unidades de memória flash NAND e NOR são muito mais duráveis do que as HDDs. As unidades de memória flash não contêm partes móveis, o que pode ser um ponto de falha para as HDDs. Dessa forma, a flash NAND é uma escolha muito superior quando a durabilidade é um fator importante. A flash NAND tornou-se a opção ideal para o armazenamento de dados que pode precisar ser transportado fisicamente, e é consistentemente usada para dispositivos como notebooks ou laptops. No entanto, embora a mídia de memória de estado sólido seja definitivamente mais durável do que unidades de memória com partes móveis, há um limite finito de quantas vezes uma unidade de memória flash pode ser reescrita. Embora a memória flash não volátil seja comumente considerada como segura por tempo indefinido, esses tipos de unidades se degradam com o tempo, seja por meio do uso excessivo ou da decadência geral. As melhores práticas determinam que dados armazenados em longo prazo em unidades de memória flash devem ser validados regularmente e duplicados periodicamente em um hardware de memória novo. 

Valiosa por seu tamanho compacto, velocidades rápidas, durabilidade robusta e alta capacidade de armazenamento, a memória flash tornou-se a solução preferida para muitos dispositivos. Esses dispositivos incluem cartões de memória, unidades flash USB, smartphones, notebooks, câmeras digitais e dispositivos portáteis semelhantes. Mas a memória flash também é preferida para computação maior e mais fisicamente permanente. 

Usadas como o principal componente de armazenamento de qualquer matriz all-flash (AFA), as unidades de estado sólido (SSDs) são normalmente dispositivos de armazenamento baseados em semicondutores que usam memória flash NAND. Cada chip de memória flash NAND consiste em uma matriz de blocos, conhecida como grade. Cada bloco na grade é composto por uma matriz de células de memória, chamadas de páginas ou setores.

Os engenheiros categorizam células de memória individuais com base no número de bits que podem armazenar. As Células de Nível Único (SLCs) armazenam 1 bit de informação, enquanto as Células Multiníveis (MLC), as Células de Nível Triplo (TLCs) e as Células de Nível Quádruplo (QLC) contêm 2, 3 e 4 bits.

Cada tipo de célula vem com seus próprios benefícios e desafios. Por exemplo, as SLCs são conhecidas pela alta velocidade, mas também pelos preços elevados, enquanto as QLCs mais acessíveis podem ser menos confiáveis do que suas alternativas mais caras. Dependendo do tipo de célula, cada grade dentro da SSD pode armazenar entre 256 kB e 4 MB de dados.

Em um sistema de computação pessoal típico, a principal unidade de processamento central (CPU) do computador atua como uma controladora, ditando quaisquer trabalhos de leitura e gravação na memória. Uma AFA pode ter outros hardwares ou softwares para ajudar a gerenciar essas tarefas em toda a gama de SSDs em rede. 

Originalmente, as unidades SSD eram compatíveis com a interface de armazenamento de memória SATA (ATA serial) desenvolvida inicialmente para HDDs mais antigas. Capazes de atingir velocidades máximas de cerca de 550 a 600 MB/s, as SSDs SATA são mais rápidas que as HDDs tradicionais.

No entanto, as SDDs projetadas para os protocolos mais recentes de memória não volátil expressa (NVMe) podem aproveitar a interface PCI expressa (PCIe) de alta velocidade. Esse design permite que alcancem um desempenho ainda melhor, com taxas de transferência de dados de 3.500 MB/s até 14.000 MB/s. Em outras palavras, as SSDs NVMe são cerca de 20 vezes mais rápidas do que a tecnologia SSD SATA mais antiga.

Oferecendo mais do que aumento de taxa de transferência, as unidades NVMe também superam as unidades SATA em testes de latência e são compatíveis com milhares de filas de comandos simultâneas. Por esses motivos, as SSDs NVMe (e AFAs com esses tipos de unidades) são ideais para tarefas exigentes, como jogos de alto desempenho, criação de conteúdo e armazenamento empresarial. 

De acordo com o Gartner, as SSDs estão se destacando como a plataforma de armazenamento ideal para compatibilidade com cargas de trabalho de dados estruturadas, que são impulsionadas pela inovação em torno da tecnologia de memória de classe de armazenamento (SCM) flash NAND .

As matrizes de armazenamento all-flash modernas integram software avançado (e, ocasionalmente, hardware dedicado) com unidades NVMe de alto desempenho para agrupar recursos de várias unidades de forma eficiente.

Indo um passo além, as melhores matrizes all-flash aproveitam um protocolo ainda mais novo, NVMe sobre malhas (NVMe-oF), para maximizar as velocidades e latências de transferência de dados em toda uma SAN. Esses sistemas permitem que os hosts se conectem e se comuniquem diretamente com o armazenamento, integrando módulos NVMe-oF personalizados no lugar de uma matriz de SSDs NVMe separadas. 

Ao agrupar recursos, as AFAs criam ampla capacidade de armazenamento com as redundâncias necessárias, ao mesmo tempo em que oferecem acelerações de desempenho e gerenciamento de armazenamento. as AFAs também usam técnicas avançadas de redução de dados, incluindo deduplicação de dados, compactação, instantâneos, replicação e provisionamento thin, para melhorar drasticamente a eficiência do armazenamento. 

A maioria dos fornecedores de matrizes all-flash também oferece software sofisticado de monitoramento, gerenciamento de dados e proteção de dados para conferir poderes aos administradores de sistemas responsáveis pelo rastreamento do uso de recursos, integridade do sistema e outras métricas relevantes. Essas ferramentas ajudam as organizações a evitar gargalos e responder rapidamente a quaisquer possíveis problemas técnicos ou incidentes.

Além do software de gerenciamento, produtos da AFA como Pure Storage FlashBlade, Dell Unity XT ou HPE Alletra também oferecem plug-ins e extensões para permitir que sistemas de armazenamento all-flash se adaptem rapidamente às mudanças nas cargas de trabalho e se integrem perfeitamente aos ambientes de nuvem híbrida ou VMware. 

Veja a seguir os dois principais tipos de arquiteturas utilizadas para a tecnologia de armazenamento all-flash.

As AFAs escaláveis verticalmente seguem uma arquitetura mais antiga que permite a adição de armazenamento extra a uma matriz existente.

Embora a arquitetura escalável verticalmente permita uma maneira simples e econômica de aumentar a capacidade, esse método pode levar a gargalos, porque o controlador de gerenciamento de armazenamento central pode se tornar um ponto único de falha. 

As AFAs que usam uma arquitetura escalável horizontalmente permitem uma adição simultânea de mais capacidade de armazenamento e poder de computação, adicionando mais nós ao sistema.

As AFAs escalável horizontalmente são a opção preferencial para armazenamento corporativo com potencial para expandir rapidamente as necessidades de armazenamento, pois esse tipo de arquitetura garante desempenho consistente mesmo quando o sistema cresce.  

As matrizes all-flash (AFAs) oferecem uma ampla gama de benefícios de missão crítica, da escalabilidade à segurança. Esses benefícios são algumas das vantagens mais impactantes de uma AFA.

À medida que a tecnologia de memória flash melhorou em desempenho, disponibilidade e acessibilidade, as matrizes all-flash (AFAs) cresceram em popularidade em muitos casos de uso e setores:

• Virtualização: as AFAs têm sido essenciais para fornecer o desempenho crítico e a compatibilidade com funcionalidades para o software hipervisor que executa máquinas virtuais e infraestrutura de desktop virtual (VDI). Para a virtualização, as AFAs são usadas para sustentar a alta taxa de transferência de dados com latência de acesso mínima necessária para cargas de trabalho virtualizadas ininterruptas. 

• Big data e inteligência artificial (IA): os modelos deIA também são conhecidos por exigir grandes conjuntos de dados para treinamento e operação. As AFAs são adequadas para aplicações de big data, como a execução de algoritmos complexos de IA que exigem um desempenho significativo de armazenamento. 

• Recuperação de desastres (DR) e backup: embora historicamente tenha um custo proibitivo, a melhoria dos preços e do desempenho da memória flash tornaram as soluções de AFA uma opção viável para backup e recuperação de desastres. As rápidas velocidades de leitura/gravação de uma AFA são adequadas para backups em vários estágios. 

• Serviços financeiros: os avanços na tecnologia financeira (fintech) inauguraram uma era de negociações de alta frequência que exigem velocidades de processamento de dados quase instantâneas. As AFAs são um tremendo ativo para provedores de serviços financeiros, facilitando transações instantâneas e análises de dados. 

• Mídia e entretenimento: desde serviços de streaming até mercados de mídia online, as AFAs são valiosas para empresas de mídia e entretenimento que buscam armazenar vastas quantidades de grandes arquivos de dados e entregar transferências de dados de alta velocidade sob demanda. 

• Saúde: no setor de saúde, o acesso a dados pode literalmente salvar vidas. As AFAs oferecem aos hospitais e prestadores de serviços de saúde acesso rápido a dados que podem facilitar a prestação de cuidados oportunos e eficazes. 

• Data centers: à medida que a vida moderna e os setores dependem cada vez mais de grandes quantidades de dados, os data centers estão constantemente se esforçando para atender à demanda. As AFAs facilitam o acesso a dados rápido e confiável, minimizando o downtime.