O que é armazenamento flash?

As soluções de armazenamento flash variam de unidades USB a arrays de nível empresarial e não devem ser confundidas com memória de acesso aleatório (RAM) ou memória de curto prazo. Em comparação com as unidades de disco rígido com componentes móveis, as unidades flash USB podem atingir tempos de resposta de alta velocidade (por exemplo, latência de microssegundos). Eles usam memória não volátil (NVM), o que significa que os dados não são perdidos quando a energia é desligada.

O armazenamento flash também utiliza unidades de estado sólido (SSDs) altamente disponíveis e exige menos energia e espaço físico do que o armazenamento em discos mecânicos.

Atualmente, a memória flash é um componente essencial encontrado em dispositivos de armazenamento (unidades flash USB, cartões SD), smartphones, dispositivos móveis e câmeras digitais.

O armazenamento flash foi desenvolvido para lidar com a crescente necessidade de armazenamento não volátil, compacto e eficiente em termos de energia, à medida que os dispositivos eletrônicos se tornaram menores e mais portáteis.

Em 1986, a Toshiba lançou o primeiro chip de memória flash NAND, otimizado para armazenamento compacto e rápida velocidade de gravação para oferecer suporte a aplicações de armazenamento (SSDs, cartões de memória). Em 1993, a Intel lançou o flash NOR, mais adequado para aplicações que demandam leitura rápida de dados, como sistemas incorporados (código de inicialização, firmware).

A memória flash inovou o desempenho e rapidamente revolucionou o mundo do armazenamento de dados, melhorando o giro de discos e cartões de memória. Como o uso dos dados aumentou e os dispositivos ficaram mais leves e menores, os sistemas flash se estabeleceram como a forma mais rápida de armazenar, gravar, reprogramar e transferir informações digitais.

Em 2000, a unidade flash USB (também conhecida como pen drive) foi desenvolvida para armazenar e transferir arquivos. Esse dispositivo portátil era compacto, com muito mais capacidade do que os sistemas de armazenamento anteriores. Em 2005, a Apple lançou seus primeiros iPods baseados em flash, acelerando a adoção da tecnologia de armazenamento flash pelos consumidores.

No final dos anos 2000, as unidades de estado sólido (SSDs) baseadas em flash começaram a substituir as unidades de disco rígido (HDDs) em notebooks e ambientes de data center, oferecendo tempos de inicialização mais rápidos, menor consumo de energia e maior durabilidade.

A evolução da tecnologia celular marcou avanços significativos na capacidade de armazenamento flash. Começando com a tecnologia celular de nível único (SLC) armazenando 1 bit por célula, o setor progrediu para a tecnologia celular multinível (MLC) armazenando 2 bits por célula em meados dos anos 2000. A Toshiba introduziu a tecnologia celular de nível triplo (TLC) em 2009 e a Samsung a adotou em 2010, permitindo o armazenamento de 3 bits de informação por célula. Cada geração aumentava a densidade de armazenamento enquanto equilibrava as considerações de desempenho.

Essa mudança foi acelerada na década de 2010 com a introdução da tecnologia 3D NAND, que empilha as células de memória verticalmente para aumentar a densidade de armazenamento e reduzir o custo por gigabyte.

No início de 2011, o lançamento da NVMe (memória expressa não volátil) como uma interface nativa do flash desbloqueou ainda mais o potencial do flash, permitindo uma latência ultrabaixa e um desempenho de alta taxa de transferência em conexões de interconexão expressa de componentes periféricos (PCIe).

Em 2018, a Micron lançou unidades flash celuar de quatro níveis (QLC) que usam 4 bits de dados por célula, aumentando a densidade em 33% em relação à TLC. Em comparação com a TLC, as QLCs oferecem melhor capacidade e acessibilidade, mas têm desempenho mais lento e menor resistência. Elas são mais adequadas para cargas de trabalho de leitura intensa, como armazenamento de arquivamento, entrega de conteúdo e inferência de IA, em vez de aplicações com muita gravação, como plataformas de mídia social.

A velocidade e a densidade do flash fizeram dele a tecnologia de armazenamento preferida das grandes empresas e, em grande parte, substituiu os discos rígidos como o principal meio de armazenamento em data centers. O flash também se tornou fundamental para a infraestrutura de TI moderna, potencializando tudo, desde edge computing até o treinamento de modelos de IA.

As unidades de disco rígido usam hardware eletromecânico para armazenar informações digitais. Elas têm bom custo-benefício e são ideais para armazenamento de longo prazo e arquivos grandes. No entanto, as unidades de disco rígido são vulneráveis a danos físicos ao longo do tempo e têm problemas de latência devido à movimentação dos componentes.

A memória flash agora assume funções antes reservadas aos discos rígidos dos computadores. Por exemplo, quando um computador é inicializado, ele executa uma sequência básica do sistema de entrada/saída (BIOS). O firmware que originalmente armazenava o BIOS dependia de chips de memória somente leitura (ROM). Hoje, os sistemas utilizam memória flash, o que permite atualizar o conteúdo do BIOS sem precisar remover os chips da placa-mãe.

Pode-se usar mídia flash para ampliar esse tipo de armazenamento, possibilitando mais rapidez para as aplicações e posterior escalamento. Embora os HDDs continuem servindo como armazenamento de arquivos econômicos, as cargas de trabalho corporativas exigem cada vez mais a velocidade e a confiabilidade que as tecnologias flash podem oferecer.

Atualmente, os ambientes de armazenamento primário costumam usar a latência de microssegundos e os recursos de alto IOPS do flash, enquanto o armazenamento definido por software (SDS) cria pools virtualizados que gerenciam de forma inteligente os dados em ambos os tipos de mídia. Essa convergência tecnológica permite que as organizações implementem abordagens híbridas, usando flash para cargas de trabalho de desempenho crítico enquanto direcionam os dados acessados com menos frequência, incluindo backups de SaaS, para sistemas de armazenamento tradicionais mais econômicos.

O armazenamento flash se baseia na memória flash, um semicondutor que consiste em milhões de minúsculos transistores MOSFET de porta flutuante. Esses transistores são dispostos em um padrão de grade semelhante aos quarteirões de uma cidade, sendo que cada interseção contém um transistor especializado capaz de armazenar informações.

A unidade de armazenamento fundamental na memória flash é uma célula de memória flash. Cada célula contém um transistor de porta flutuante que pode manter uma carga elétrica mesmo quando a energia é removida.

O que torna esses transistores especiais é seu design exclusivo de duas portas. A porta de controle se encontra na parte superior e gerencia o fluxo de eletricidade, enquanto a porta flutuante permanece isolada por uma camada de óxido isolante. Quando os dados são gravados na memória flash, uma voltagem é aplicada à porta de controle, forçando os elétrons a atravessarem o isolamento e ficarem presos na porta flutuante. Esses elétrons aprisionados alteram as propriedades elétricas do transistor, representando os binários 1 s e 0 s. Como a porta flutuante é cercada por isolamento, esses elétrons permanecem presos indefinidamente, preservando o acesso aos dados sem demandar energia constante.

A memória flash se enquadra em classificações de baixa, média e alta densidade, com armazenamento de alta densidade, agrupando mais células no mesmo espaço físico. Esse avanço tecnológico permitiu o desenvolvimento de dispositivos cada vez mais compactos com capacidade de armazenamento substancial, de unidades USB a smartphones e unidades de estado sólido que podem armazenar terabytes de informações.

As tecnologias de memória flash podem ser implementadas em várias formas e configurações, cada uma atendendo a diferentes necessidades de desempenho e casos de uso. Aqui está uma visão geral dos principais tipos:

A seguir, estão algumas das interfaces e protocolos de armazenamento em flash mais importantes:

• NVMe

• Interfaces SAS e SATA

• NVMe sobre malhas (NVMe-oF)

A NVMe (memória expressa não volátil) é uma interface usada para acessar o armazenamento flash por meio de um barramento PCIe (interconexão expressa de componentes periféricos). A NVMe permite milhares de solicitações paralelas em uma só conexão. Ela simplifica a interação entre as aplicações e o armazenamento, melhorando significativamente o desempenho. A NVMe é agora o protocolo dominante para armazenamento flash de alto desempenho e é essencial para aplicações sensíveis à latência, como análise de dados em tempo real e cargas de trabalho de IA.

SAS (SCSI com conexão em série) e SATA (conexão de tecnologia avançada em série) são duas interfaces amplamente utilizadas que conectam dispositivos de armazenamento a sistemas de computador. Embora originalmente desenvolvidas para unidades de disco rígido, eles também são usadas com SSDs baseados em flash. O SATA geralmente é encontrado em dispositivos de consumo, enquanto o SAS é preferido em ambientes de armazenamento corporativos por sua maior confiabilidade e taxa de transferência.

Embora protocolos mais novos, como o NVMe, estejam substituindo-os gradualmente, o SAS e o SATA continuam sendo comuns em sistemas legados e em implementações que exigem pouco orçamento. Eles também ajudam a prolongar a vida útil da infraestrutura existente, tornando-os úteis em ambientes que passam por atualizações em fases.

NVMe sobre dispositivos de malha estende o protocolo NVMe através de malhas de rede, como Ethernet, Fibre Channel ou InfiniBand. Essas malhas de rede permitem que os dispositivos de armazenamento flash sejam acessados remotamente com praticamente a mesma baixa latência e alto desempenho que as unidades NVMe de conexão direta. O NVMe-oF é ideal para ambientes distribuídos de alta escala, como data centers modernos e infraestrutura em nuvem, onde o armazenamento precisa ser rápido, resiliente e compartilhável.

O armazenamento flash é usado em uma ampla variedade de aplicações, devido à sua velocidade, durabilidade e eficiência energética:

• Data centers corporativos: as grandes empresas contam com unidades de estado sólido (SSDs) baseadas em flash e matrizes all-flash para dar suporte a cargas de trabalho de missão crítica, reduzir a latência e garantir uma alta disponibilidade em ambientes de data center. O armazenamento flash acelera o processamento de dados para análise em tempo real, serviços de nuvem e aplicações de inteligência artificial (IA). O armazenamento flash em data centers também aprimora os recursos de gerenciamento de dados, permitindo a rápida indexação, recuperação e processamento de vastos conjuntos de dados, o que otimiza o desempenho do banco de dados e melhora a eficiência geral do sistema.

• Dispositivos móveis: o armazenamento flash é essencial para smartphones, tablets e notebooks, oferecendo um acesso rápido às aplicações, arquivos de sistema e dados do usuário. A natureza compacta da memória flash permite designs finos e leves sem comprometer o desempenho.

• Jogos e gráficos: os jogadores se beneficiam da transferência de dados em alta velocidade do armazenamento flash, permitindo tempos de carregamento rápidos e processamento gráfico aprimorado. O armazenamento flash também melhora o desempenho de consoles de jogos e ferramentas de edição de vídeo.

• Dispositivos de IoT: a memória flash é amplamente usada em dispositivos de internet das coisas (IoT) por sua velocidade e baixo consumo de energia. De dispositivos domésticos inteligentes a sensores de IoT, o armazenamento flash pode garantir a coleta, processamento e transmissão de dados rápidos.

• Edge computing: com a crescente demanda por processamento de dados mais próximo da fonte, o armazenamento flash desempenha um papel vital em ambientes de edge. Ele permite o armazenamento e a recuperação de dados de forma rápida no local, o que é crucial para as aplicações que exigem tomada de decisões em tempo real.

• Armazenamento em nuvem: o armazenamento flash é a base da infraestrutura de nuvem moderna, proporcionando acesso de alta velocidade a grandes quantidades de dados em ambientes distribuídos. Sua escalabilidade e desempenho são os principais impulsionadores da crescente adoção do armazenamento em nuvem e outros serviços.

• Automotivo: a memória flash é cada vez mais usada em veículos para aplicações como navegação, sistemas de entretenimento e tecnologias de direção autônoma.

Em ambientes corporativos, o armazenamento flash tornou-se um componente importante das abordagens de segurança de dados. A velocidade do armazenamento flash ajuda a melhorar as práticas de backup e restauração, reduzindo o tempo de recuperação ao responder a incidentes de segurança ou falhas no sistema.

Muitas organizações agora usam abordagens de backup de air gap com dispositivos de armazenamento flash removíveis, desconectando fisicamente dados críticos de backup das redes para limitar a exposição a ransomware e outras ameaças cibernéticas. Essa separação física fornece uma camada eficaz de proteção contra ataques baseados em rede.

O desempenho do armazenamento flash dá suporte à resiliência cibernética por meio de aplicações práticos, como replicação de dados, instantâneos e criptografia, com menos impacto no desempenho do sistema do que o armazenamento tradicional. Em setores regulamentados, o armazenamento flash pode ajudar a cumprir as obrigações de conformidade por meio de recursos como funções WORM (escreva uma vez, leia muitas vezes) e controles de acesso que contribuem para a arquitetura geral de segurança.