¿Qué es una matriz all flash array (AFA)?

Una matriz all flash array (AFA) es un tipo de sistema de almacenamiento de datos externo que utiliza exclusivamente soportes de hardware de memoria flash (es decir, unidades de estado solido (SSD)) para el almacenamiento persistente de datos. La AFA también se denomina sistema de disco de almacenamiento de estado sólido o matriz de estado sólido (SSA).

A diferencia de las unidades de disco duro (HDD) de disco giratorio, las SSD no contienen piezas móviles y ofrecen una mayor velocidad y durabilidad. En comparación con los discos duros solos, los sistemas de almacenamiento all flash (compuestos por SSD o sistemas híbridos compuestos por SSD y HDD) permiten un acceso a datos más rápido a la vez que mejoran las velocidades de procesamiento y reducen la carga de la CPU. 

El almacenamiento flash varía tanto en capacidad de almacenamiento como en factor de forma. Algunas unidades SSD, como las que se encuentran en las unidades flash USB, son más pequeñas que una moneda de diez centavos. Y aunque los primeros SSD solo podían contener una pequeña cantidad de datos, a medida que la tecnología avanzaba de acuerdo con la Ley de Moore, esa capacidad de almacenamiento se multiplicó.

Hoy en día, gracias a la tecnología SSD, puede tener un terabyte de datos (o más) en la punta de su dedo. Debido a su tamaño compacto y su fabricación robusta de estado sólido, las SSD están omnipresentes en dispositivos electrónicos como ordenadores portátiles, tablets, móviles y videoconsolas. 

Más allá de las aplicaciones de consumo, las SSD y las AFA también han tenido un impacto revolucionario en el almacenamiento empresarial. Tradicionalmente, los centros de datos de las organizaciones se han basado en discos duros configurados como almacenamiento adjunto de red (NAS) o redes de área de almacenamiento (SAN), o ambos, para el almacenamiento y la recuperación de datos. Hasta que los avances en el almacenamiento de estado sólido convirtieron las matrices all flash array en una alternativa rentable y dieron paso a varias mejoras de rendimiento adecuadas para aplicaciones de alto rendimiento.

Las unidades de estado sólido suelen ser preferibles a las unidades de disco duro. Sin embargo, las matrices híbridas que configuran SSD y HDD dentro del mismo chasis permiten a los proveedores actualizar los sistemas existentes reemplazando solo una parte de los medios fijos con flash. En la actualidad, las AFA o matrices híbridas son la principal opción para soluciones NAS y SAN a escala.

La memoria flash es un tipo de almacenamiento de memoria no volátil que utiliza transistores semiconductores para almacenar y recuperar datos. Los datos almacenados en la memoria flash son persistentes y no volátiles, lo que significa que una vez que los datos se escriben en una unidad de memoria flash, la unidad puede retener esos datos incluso si está apagada.

La tecnología de memoria flash se presenta en dos variedades diferenciadas por el tipo de arquitectura lógica utilizada para gestionar las operaciones del chip de memoria:

• Flash NOR: este tipo de memoria flash utiliza puertas lógicas booleanas "NOT OR" para leer y escribir datos. La memoria flash NOR es rápida para acceder a bits aleatorios de datos dentro de un conjunto almacenado, pero tiene tiempos de escritura más lentos y puede ser comparativamente más cara. NOR flash es mejor para almacenar datos como firmware y código de arranque.

• NAND flash: NAND flash utiliza puertas lógicas booleanas "NOT AND", que es más rentable para almacenar archivos más grandes. La memoria flash NAND destaca en el acceso secuencial a datos pero es más lenta que la memoria flash NOR para lecturas aleatorias. Por estas razones, la memoria flash NAND no es adecuada para la ejecución directa de código, pero es una excelente opción para el almacenamiento de datos a largo plazo y a gran escala.

A nivel técnico, la memoria flash NAND almacena datos mediante una disposición de transistores de puerta flotante que funcionan de manera similar a las puertas lógicas NOT AND. Cada celda de memoria NAND contiene una puerta lógica de control y una puerta lógica flotante, separadas por una fina capa de óxido.

A través del proceso de tunelización de Fowler-Nordheim, los datos binarios pueden almacenarse de forma persistente en la memoria flash enviando una carga eléctrica a la celda, a un voltaje que atrapa electrones en la puerta flotante. A su vez, los datos se pueden borrar eliminando la carga. 

Aunque la memoria flash viene en las variedades NOR y NAND, la frase "almacenamiento flash" casi siempre significa flash NAND. Aunque los soportes de almacenamiento flash NAND se degradan con el tiempo y necesitan un reemplazo regular del hardware después de unos años, la memoria NAND cumple muchos criterios para un almacenamiento operativo ideal en la mayoría de las situaciones.

Las siguientes son algunas características importantes:

• No volátil: la memoria flash NAND puede retener datos sin necesidad de alimentación continua. 

• Basado en bloques: la memoria flash NAND escribe y borra datos en grandes bloques de información, a diferencia de un enfoque byte a byte. 

• Eficiente a escala: como resultado de su estructura basada en bloques, la memoria flash NAND es adecuada para tareas de computación secuencial que requieren grandes cantidades de almacenamiento de datos y acceso a escala. La memoria flash NAND es una opción más eficiente y de mayor densidad en comparación con la memoria flash NOR.  

• Duradero: tanto las unidades de memoria flash NAND como las NOR son mucho más duraderas que los discos duros. Las unidades de memoria flash no contienen piezas móviles, lo que puede ser un punto de fallo para los discos duros. Como tal, la memoria flash NAND es una opción muy superior cuando la durabilidad es un factor. La memoria flash NAND se ha convertido en la opción preferida para el almacenamiento de datos que podrían necesitar transportarse físicamente, y se utiliza sistemáticamente para dispositivos como discos duros externos portátiles o ordenadores portátiles. Sin embargo, aunque los soportes de memoria de estado sólido son definitivamente más duraderos que las unidades de memoria con partes móviles, existe un límite finito de cuántas veces se puede reescribir una unidad de memoria flash. Aunque la memoria flash no volátil suele considerarse indefinidamente segura, este tipo de unidades se degradan con el tiempo, ya sea por uso excesivo o deterioro general. Las buenas prácticas dictan que los datos almacenados a largo plazo en unidades de memoria flash deben validarse regularmente y duplicarse periódicamente en hardware de memoria nuevo. 

Valiosa por su tamaño compacto, altas velocidades, durabilidad y alta capacidad de almacenamiento, la memoria flash se ha convertido en la solución preferida para muchos dispositivos. Estos dispositivos incluyen tarjetas de memoria, unidades flash USB, teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles, cámaras digitales y dispositivos portátiles similares. Pero la memoria flash también se prefiere para una computación más grande y físicamente más permanente. 

Utilizadas como principal componente de almacenamiento de cualquier all flash array (AFA), las unidades de estado solido (SSD) suelen ser dispositivos de almacenamiento basados en semiconductores que utilizan memoria flash NAND. Cada chip de memoria flash NAND consta de una matriz de bloques, conocida como cuadrícula. Cada bloque de la cuadrícula se compone de una matriz de celdas de memoria, denominadas páginas o sectores.

Los ingenieros clasifican las celdas de memoria individuales en función del número de bits que pueden almacenar. Las celdas de un solo nivel (SLC) almacenan 1 bit de información, mientras que las celdas de varios niveles (MLC), las celdas de triple nivel (TLC) y las celdas de cuatro niveles (QLC) contienen 2, 3 y 4 bits.

Cada tipo de célula conlleva sus propios beneficios y retos. Por ejemplo, las SLC son conocidas por su alta velocidad, pero también por sus altos precios, mientras que las QLC más asequibles pueden ser menos fiables que sus alternativas más caras. Dependiendo del tipo de celda, cada cuadrícula dentro de la SSD puede almacenar entre 256 KB y 4 MB de datos.

En un sistema informático personal típico, la unidad central de procesamiento (CPU) principal del ordenador actúa como un controlador que dicta cualquier trabajo de lectura y escritura en la memoria. Una AFA puede tener otro hardware o software para ayudar a gestionar estas tareas en toda la matriz de SSD en red. 

Originalmente, las unidades SSD eran compatibles con la interfaz de almacenamiento de memoria SATA (ATA serie) desarrollada por primera vez para discos duros más antiguos. Capaces de alcanzar velocidades máximas de entre 550 y 600 MB/s, las SSD SATA son más rápidas que los discos duros tradicionales.

Sin embargo, las SDD diseñadas para los protocolos exprés de memoria no volátil (NVMe) más recientes pueden beneficiarse de la interfaz PCI exprés (PCIe) de alta velocidad. Este diseño les permite lograr un rendimiento aún mejor, con velocidades de transferencia de datos de 3500 MB/s a 14 000 MB/s. En otras palabras, las SSD NVMe son unas 20 veces más rápidas que la antigua tecnología SATA SSD.

Al ofrecer un rendimiento más que aumentado, las unidades NVMe también superan a las unidades SATA en las pruebas de latencia y cuentan con soporte para miles de colas de comandos simultáneas. Por estas razones, los SSD NVMe (y los AFA con este tipo de unidades) son ideales para tareas exigentes como juegos de alto rendimiento, creación de contenido y almacenamiento empresarial. 

Según Gartner, las SSD se están convirtiendo en la plataforma de almacenamiento de referencia para soportar cargas de trabajo de datos estructurados, impulsadas por la innovación en torno a la tecnología flash NAND y la memoria de clase de almacenamiento (SCM).

Las modernas matrices de almacenamiento all-flash integran software avanzado (y ocasionalmente hardware dedicado) con unidades NVMe de alto rendimiento para agrupar eficientemente los recursos de varias unidades.

Yendo un paso más allá, las mejores all flash arrays aprovechan un protocolo aún más nuevo, NVMe over Fabrics (NVMe-oF) para maximizar las velocidades de transferencia de datos y las latencias en toda una SAN. Estos sistemas permiten a los hosts conectarse y comunicarse directamente con el almacenamiento mediante la integración de módulos NVMe-oF personalizados en lugar de una matriz de SSD NVMe independientes. 

Al agrupar recursos, las AFA crean una amplia capacidad de almacenamiento con las redundancias necesarias, al tiempo que ofrecen mejoras en el rendimiento y la gestión del almacenamiento. Las AFA también utilizan técnicas avanzadas de reducción de datos, como la deduplicación de datos, la compresión, las instantáneas, la replicación y el aprovisionamiento ligero, para mejorar drásticamente la eficiencia del almacenamiento. 

La mayoría de los proveedores de all flash arrays también ofrecen un sofisticado software de monitorización, gestión de datos y protección de datos para capacitar a los administradores de sistemas responsables del seguimiento del uso de recursos, el estado y otras métricas relevantes. Estas herramientas ayudan a las organizaciones a evitar cuellos de botella y responder rápidamente a cualquier posible problema técnico o incidente.

Más allá del software de gestión, los productos AFA como Pure Storage FlashBlade, Dell Unity XT o HPE Alletra también ofrecen complementos y extensiones para permitir que los sistemas de almacenamiento all flash se adapten rápidamente a las cargas de trabajo cambiantes y se integren de manera fluida con cloud híbrido o VMware entornos. 

Los siguientes son los dos tipos principales de arquitecturas utilizadas para la tecnología de almacenamiento all flash.

Las AFA escalables siguen una arquitectura más antigua que permite añadir almacenamiento adicional a una matriz existente.

Aunque la arquitectura de escalado vertical permite una forma sencilla y rentable de aumentar la capacidad, este método puede provocar cuellos de botella porque el controlador central de gestión del almacenamiento puede convertirse en un único punto de fallo. 

Las AFA que utilizan una arquitectura escalable permiten añadir simultáneamente más capacidad de almacenamiento y potencia de cálculo, añadiendo más nodos al sistema.

Los AFA de escalabilidad horizontal son la opción preferida para el almacenamiento empresarial con el potencial de ampliar rápidamente las necesidades de almacenamiento, ya que este tipo de arquitectura garantiza un rendimiento constante incluso a medida que crece el sistema.  

Las all flash array (AFA) ofrecen una amplia gama de beneficios de misión crítica, desde escalabilidad hasta seguridad. Estos beneficios son algunas de las ventajas más impactantes de una AFA.

A medida que la tecnología ha mejorado en rendimiento, disponibilidad y asequibilidad, las all flash arrays han crecido en popularidad en muchos casos de uso y sectores:

• Virtualización: las AFA han sido esenciales para proporcionar el rendimiento crítico y el soporte de funciones para el software de hipervisor que ejecuta máquinas virtuales e infraestructura de escritorio virtual (VDI). Para la virtualización, las AFA se utilizan para mantener el alto rendimiento de datos con una latencia de acceso mínima necesaria para cargas de trabajo virtualizadas ininterrumpidas. 

• Big data e inteligencia artificial (IA): los modelos de IA también son conocidos por exigir grandes conjuntos de datos para su entrenamiento y funcionamiento. Las AFA son adecuadas para aplicaciones de big data, como la ejecución de algoritmos de IA complejos que requieren un rendimiento de almacenamiento significativo. 

• Recuperación ante desastres (DR) y copia de seguridad: aunque históricamente han tenido un coste prohibitivo, la mejora de los precios y el rendimiento de la memoria flash ha convertido a las soluciones AFA en una opción viable para la copia de seguridad y la recuperación ante desastres. Las rápidas velocidades de lectura/escritura de una AFA son adecuadas para copias de seguridad de varias etapas. 

• Servicios financieros: los avances en la tecnología financiera (fintech) han dado paso a una era de operaciones de alta frecuencia que exigen velocidades de proceso de datos casi instantáneas. Las AFA son un gran activo para los proveedores de servicios financieros, ya que facilitan las transacciones instantáneas y los análisis. 

• Medios de comunicación y entretenimiento: desde los servicios de streaming hasta los mercados de medios en línea, las AFA son valiosas para las empresas de medios y entretenimiento que buscan almacenar grandes cantidades de archivos de datos de gran tamaño y ofrecer transferencias de datos de alta velocidad bajo demanda. 

• Sanidad: en el sector sanitario, el acceso a datos puede literalmente salvar vidas. Las AFA ofrecen a los hospitales y proveedores sanitarios un acceso rápido a los datos que pueden facilitar una prestación de cuidados oportuna y eficaz. 

• Centros de datos: a medida que la vida moderna y los sectores dependen cada vez más de cantidades masivas de datos, los centros de datos se esfuerzan constantemente por satisfacer la demanda. Las AFA facilitan acceso a datos rápido y fiable mientras minimizan el tiempo de inactividad.