O que são controladores de armazenamento?

A quantidade de dados que os seres humanos produzem é impressionante. Em 2024, a estimativa global da Datasphere impressionantes 149 zettabytes, com projeções atingindo 181 zettabytes de dados até o final de 2025.

Para colocar isso em perspectiva, um único zettabyte é equivalente a 1.000 exabytes, 1 bilhão de terabytes ou 1 trilhão de gigabytes. Em outras palavras, um zettabyte é o equivalente a 250 bilhões de DVDs.  

Tudo isso para dizer que o gerenciamento de dados é um componente importante de todos os sistemas de computação, incluindo data centers empresariais, plataformas de nuvem, dispositivos de IoT e plataformas digitais. Mas nem todos os dados são criados da mesma forma.

Grande parte dos dados que criamos é transitória, destinada a ser usada e descartada em um momento, enquanto outros tipos são mais duradouros. Alguns dados são mantidos para armazenamento e recuperação a médio prazo, enquanto outros tipos são mantidos para fins de arquivamento ou backup a longo prazo. 

Dependendo da finalidade dos dados criados e armazenados, diferentes tipos de mídias de armazenamento são mais adequadas do que outros. De opções simples, como disquetes e pen drives USB, a opções robustas e complicadas, como sistemas de rede de área de armazenamento (SAN) e armazenamento conectado à rede (NAS), os computadores dependem de controladores de armazenamento (também conhecidos como controladores de disco ou processadores de armazenamento) para gravar e recuperar dados entre os dispositivos de armazenamento e a CPU principal do computador. 

Na maioria dos casos, as placas controladores de armazenamento são unidades de hardware físico, às vezes integradas diretamente na placa de sistema de um computador. No entanto, ao lidar com máquinas virtuais (VMs) ou outros ambientes virtualizados, um controlador de armazenamento virtual baseado em software pode ser empregado para simular a função de um controlador físico. Nesses tipos de sistemas de computador, os controladores de armazenamento virtualizados são componentes do software hipervisor abrangente usado para gerenciar recursos de armazenamento agrupados a partir de vários dispositivos físicos.   

Estes são os principais componentes de um controlador de armazenamento:

• Interface do host: a conexão física que permite que um controlador de armazenamento se comunique com o sistema host. Os dispositivos de armazenamento interno usam padrões como PCI Express (PCIe) para conexões de alta velocidade, enquanto as SANs usam protocolos como FibreChannel (FC) ou NVMe over Fabrics para conectividade externa.
• Processador: os controladores de armazenamento contêm seu próprio processador dedicado para gerenciar operações de entrada/saída (E/S). 
• Memória cache: a memória cache do controlador de armazenamento geralmente é composta por DRAM volátil. Esse armazenamento temporário de alta velocidade encontra-se no próprio controlador e armazena dados acessados com frequência que podem ser acessados mais rapidamente do que os dados armazenados no(s) dispositivo(s) de armazenamento conectado(s). 
• Interface de disco: a interface de disco é a conexão física entre o controlador de armazenamento e os dispositivos de armazenamento. 
• Unidade de backup de bateria ou capacitor: para controladores de armazenamento com a capacidade de gravar na memória cache integrada, uma unidade de backup de bateria (BBU) ou um módulo capacitor mais flash é um componente crítico. Isso permite que o controlador preserve todos os dados gravados na memória flash volátil no caso de uma queda de energia repentina. Elas são efetivamente fontes de alimentação na unidade.

Ao facilitar a transferência de dados, os controladores de armazenamento realizam várias tarefas para aproveitar os benefícios de uma determinada mídia de armazenamento. Elas também mitigam vários desafios e obstáculos potenciais que podem impedir que um sistema de computador otimize totalmente seus recursos de armazenamento. 

Para obter acesso ao armazenamento tranquilo e eficiente, as principais funcionalidades de um controlador de armazenamento incluem o seguinte:

• Transferência e gerenciamento de dados: a função mais básica de um controlador de armazenamento é atuar como uma ponte entre um dispositivo de armazenamento e a memória operacional do computador. Dependendo do tipo específico de mídia de armazenamento e interfaces e protocolos associados, os controladores de armazenamento otimizarão a transferência de dados para obter velocidade e eficiência, promovendo e mantendo o desempenho geral do sistema ao mesmo tempo em que combatem a latência.
• Validação de dados e processamento tolerante a falhas: os controladores de armazenamento podem verificar a precisão dos dados transferidos e realizar o processamento tolerante a falhas de dados errôneos para garantir a precisão dos dados e reduzir as interrupções causadas por erros.
• Compactação e descompactação: quando necessário, os controladores de armazenamento podem compactar e descompactar dados para melhorar as velocidades de transmissão e reduzir a pressão de dados causada por arquivos grandes.
• Serviços de proteção e backup de dados: muitos controladores de armazenamento incluem funcionalidades projetadas para proteção e redundância de dados, como configurações de matriz redundante de discos independentes (RAID) e programação de apagamento. Essas funcionalidades ajudam a proteger e fazer backup dos dados e podem ser extremamente valiosas para melhorar a tolerância a falhas e os tempos de recuperação. 
• Compatibilidade de interface: ao combinar a grande variedade de soluções de armazenamento com as inúmeras configurações de sistemas operacionais e hardware de computador, a compatibilidade se torna uma grande preocupação. Os controladores de armazenamento ajudam a resolver problemas de compatibilidade ao gerenciar os diferentes protocolos entre diferentes interfaces de dispositivos de armazenamento (por exemplo, Serial ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS), Interconnect Express (PCIe)) e diferentes hardwares e sistemas operacionais (por exemplo, Microsoft Windows, Linux). 
• Gerenciamento de cache: embora não seja padrão em todas as opções, a memória cache integrada é uma funcionalidade comum entre os controladores de armazenamento. O cache integrado com gerenciamento automático dinâmico armazena dados acessados com frequência para acesso rápido e ajuda os sistemas a otimizar para desempenho responsivo rápido.
• Compatibilidade com gerenciamento de volumes lógicos: o gerenciamento de volumes lógicos (LVM) é uma tecnologia essencial para particionar, organizar e utilizar de forma eficiente o armazenamento disponível do sistema. O LVM é usado para criar pools de armazenamento virtual flexíveis e dinâmicos, conhecidos como volumes lógicos, reunindo discos físicos em grupos de volumes (VGs) a partir do espaço de armazenamento compartilhado. Os controladores de armazenamento permitem que os administradores do sistema gerenciem e redimensionem os volumes de armazenamento em tempo real, criem instantâneos do backup e consolidem vários discos físicos. Essa consolidação pode se tornar um pool compartilhável para capacidade de armazenamento ideal com downtime mínimo.
• Monitoramento e geração de relatórios: supervisionando a disponibilidade e o desempenho do armazenamento, os controladores de armazenamento são extremamente úteis para fornecer monitoramento e instantâneos em tempo real, oferecendo insights valiosos sobre a integridade, o desempenho, a capacidade e o status operacional do armazenamento dos dispositivos de armazenamento conectados. Munidos dessas informações, os administradores de sistemas estão mais bem preparados para realizar a manutenção, identificar e remediar quaisquer problemas em potencial, a fim de evitar qualquer downtime ou perda de dados críticos. 

Os controladores de armazenamento podem ser divididos em dois grupos principais, com base em sua interface ou função.

Embora todos os controladores de armazenamento sejam responsáveis por gerenciar a comunicação entre a CPU e os dispositivos de armazenamento, cada tipo é especializado em finalidades e ambientes exclusivos. 

Projetados especificamente para compatibilidade de interface, alguns controladores de armazenamento baseados em interface incluem o seguinte:

• Controladores SATA (ahci): os controladores SATA (AHCI) são usados para gerenciar dispositivos de armazenamento baseados em SATA, incluindo HDDs e SSDs SATA. Com custo reduzido e adequado para computação de uso geral, o SATA é uma interface comum usada em sistemas de nível de consumidor, incluindo desktops, notebooks, dispositivos de jogos e servidores pessoais. Ambientes domésticos e de pequenas empresas com baixas demandas de armazenamento e menos necessidade de transferência de dados em alta velocidade geralmente usam armazenamento SATA e controladores de armazenamento SATA.
• Controladores SAS: os controladores SAS são usados com HDDs e SSDs SCSI (SAS) conectados em série. Usado para tarefas de computação de alto desempenho, o SAS é compatível com taxas de transferência mais altas do que o SATA. Os controladores SAS também são frequentemente compatíveis com dispositivos SATA, oferecendo uma configuração de armazenamento com maior flexibilidade e opções. Esses tipos de controladores e dispositivos são comumente encontrados em ambientes de nível corporativo. Eles são usados para bancos de dados de grande escala e tarefas complexas de virtualização quando a transferência de dados confiável e de alta velocidade é de missão crítica.

Os controladores SAS também são adequados para encadear vários dispositivos de armazenamento, tornando-os uma boa opção para operações que valorizam soluções escaláveis. Nessas situações, um componente de hardware chamado expansor SAS pode ser empregado para aumentar o número de unidades de disco SAS ou SATA que o adaptador de barramento do host (HBA) de um sistema pode aceitar.

Controladores baseados em funções são projetados para acomodar dispositivos de armazenamento com base em protocolos de interface e na funcionalidade pretendida. Estes são alguns exemplos:

• Controladores RAID: a tecnologia de armazenamento RAID combina várias unidades de armazenamento em um único pool de armazenamento para melhorar o desempenho e a redundância. Por meio de técnicas como distribuição (que divide os dados em partes menores para agilizar a gravação simultânea em várias unidades) e espelhamento (que duplica os dados para redundância), o RAID oferece proteção contra falhas na unidade e aumenta a taxa de transferência de dados. Os controladores RAID são projetados para serem compatíveis com vários níveis de RAID, como RAID 0, RAID 1, RAID 5 até RAID 60, cada um oferecendo vários níveis e combinações de desempenho e redundância.
• Controladores de matriz de armazenamento: os controladores de matriz de armazenamento são usados para gerenciar grandes matrizes de dispositivos de armazenamento projetados para sistemas de ponta, que exigem transferência de dados rápida e altamente disponível com redundância confiável. Os sistemas de matriz de armazenamento que usam esse tipo de controlador podem, na verdade, ter vários controladores para melhorar a funcionalidade e a confiabilidade.