Che cos'è il flash storage?

Le soluzioni di flash storage vanno dalle unità USB alle installazioni per grandi aziende e non devono essere confuse con la memoria ad accesso casuale (RAM) o la memoria a breve termine. Rispetto alle unità disco rigido con componenti mobili, le unità flash USB possono raggiungere tempi di risposta ad alta velocità (ad esempio, latenza in microsecondi). Utilizzano una memoria non volatile (NVM), il che significa che i dati non vanno persi quando manca l'alimentazione.

Il flash storage utilizza anche solid-state drive (SSD) ad alta disponibilità e richiede meno energia e spazio fisico rispetto all'archiviazione meccanica su disco.

La memoria flash è attualmente un componente fondamentale che si trova nei dispositivi di storage (unità flash USB, schede SD), negli smartphone, nei dispositivi mobili e nelle fotocamere digitali. 

Il flash storage è stato sviluppato per soddisfare la crescente esigenza di storage non volatile, compatto ed efficiente dal punto di vista energetico, via via che i dispositivi elettronici diventavano più piccoli e portatili.

Nel 1986, Toshiba ha introdotto il primo chip di memoria flash NAND, ottimizzato per lo storage compatto e una velocità di scrittura elevata, al fine di supportare le app di storage (SSD, schede di memoria). Nel 1993, Intel ha rilasciato NOR flash, che è più adatto per le app che necessitano di dati veloci, come i sistemi integrati (codice di avvio, firmware).

La memoria flash ha offerto prestazioni rivoluzionarie e ha rapidamente sconvolto il mondo del data storage, migliorando i dischi rotanti e le schede di memoria. Via via che l'utilizzo dei dati cresceva e i dispositivi diventavano sempre più piccoli e leggeri, i sistemi flash si sono dimostrati il modo più veloce per memorizzare, scrivere, riprogrammare e trasferire informazioni digitali.

Nel 2000 è stata sviluppata l'unità flash USB (nota anche come chiavetta USB) per memorizzare e trasferire file. Questo dispositivo portatile era compatto, con una capacità di gran lunga superiore rispetto ai precedenti sistemi di storage. Nel 2005 Apple ha rilasciato i suoi primi iPod basati su flash, accelerando l'adozione della tecnologia flash storage da parte dei consumatori.

Alla fine degli anni 2000, le unità solid-state drive (SSD) basate su flash iniziarono a sostituire le unità disco rigido (HDD) nei laptop e negli ambienti di data center, offrendo tempi di avvio più rapidi, minore consumo energetico e maggiore durata.

L'evoluzione della tecnologia ha portato a progressi significativi nella capacità del flash storage. A partire dalla tecnologia Single Level Cell (SLC), che memorizza 1 bit per cella, il settore è poi passato, nella metà degli anni 2000, alla tecnologia Multilevel-Cell (MLC) che memorizza 2 bit per cella. Toshiba ha introdotto la tecnologia a tre livelli (TLC) nel 2009 e Samsung l'ha adottata nel 2010, offrendo lo storage di 3 bit di informazioni per cella. Ogni generazione ha aumentato la densità di storage bilanciando al contempo le prestazioni.

Questo passaggio ha subito un'accelerazione nel primo decennio degli anni 2000 con l'introduzione della tecnologia 3D NAND, che impila le celle di memoria verticalmente per aumentare la storage e ridurre il costo per gigabyte.

All'inizio del 2011, il rilascio di NVMe (nonvolatile memory express) come interfaccia flash nativa ha ulteriormente sbloccato il potenziale del flash, offrendo prestazioni di bassa latenza e alto throughput tra le connessioni PCIe (Peripheral Component Interconnect Express).

Nel 2018, Micron ha introdotto unità flash a celle quad-level (QLC) che utilizzano 4 bit di dati per cella, aumentando la densità del 33% rispetto alle TLC. Rispetto alle TLC, i QLC offrono capacità e convenienza migliori, ma sono più lenti e hanno una durata inferiore. Sono più adatti per workload ad alta intensità di lettura, come l'archiviazione, la distribuzione di contenuti e l'inferenza AI, piuttosto che per applicazioni ad alta intensità di scrittura come le piattaforme di social media.

La velocità e la densità hanno reso le memorie flash la tecnologia di storage preferita dalle grandi aziende, permettendo loro di sostituire su larga scala i dischi rigidi come supporto di storage primario nei data center. La tecnologia flash è anche diventata fondamentale per l'infrastruttura IT moderna, dove alimenta tutto, dall'edge computing all'addestramento dei modelli AI.

I dischi rigidi utilizzano componenti hardware elettromeccanici per memorizzare le informazioni digitali. Sono convenienti e ideali per lo storage a lungo termine e per i file di grandi dimensioni. Tuttavia, i dischi rigidi sono vulnerabili ai danni fisici nel corso del tempo e presentano problemi di latenza dovuti al movimento dei componenti.

La memoria flash assume attualmente funzioni precedentemente riservate ai dischi rigidi del computer. Ad esempio, quando un computer si avvia, esegue una sequenza di input/output system (BIOS) di base. Il firmware che per primo conteneva il BIOS richiedeva chip di memoria di sola lettura (ROM), tuttavia i sistemi moderni utilizzano la memoria flash per il BIOS, consentendo di riscrivere i contenuti senza estrarre i chip dalla scheda di sistema.

I supporti flash possono essere utilizzati per potenziare questo tipo di storage, consentendo alle applicazioni di funzionare più velocemente e di offrire ulteriore scalabilità. Sebbene gli HDD continuino a rappresentare uno storage di archiviazione conveniente, i workload aziendali richiedono sempre più la velocità e l'affidabilità offerte dalle tecnologie flash.

Gli ambienti di storage primario utilizzano solitamente la latenza in microsecondi e le elevate capacità di IOPS della tecnologia flash, mentre Software-defined storage (SDS) crea pool virtualizzati che gestiscono in modo intelligente i dati su entrambi i tipi di supporti. Questa convergenza tecnologica consente alle organizzazioni di implementare approcci ibridi, utilizzando la tecnologia flash per i workload critici per le prestazioni e indirizzando i dati a cui si accede meno di frequente, inclusi i backup, verso sistemi di storage tradizionali più economici.

Il flash storage si basa sulla memoria flash, un semiconduttore costituito da milioni di minuscoli transistor MOSFET floating-gate. Questi transistor sono disposti secondo uno schema a griglia simile agli isolati cittadini, in cui ogni intersezione contiene un transistor specializzato in grado di memorizzare informazioni.

L'unità di storage fondamentale nella memoria flash è una cella di memoria flash. Ogni cella contiene un transistor floating-gate in grado di mantenere una carica elettrica anche quando manca l'alimentazione.

Ciò che rende speciali questi transistor è il loro esclusivo design a due gate. Il control gate si trova in cima e gestisce il flusso di elettricità, mentre il floating gate rimane isolato da uno strato isolante di ossido. Quando i dati vengono scritti nella memoria flash, viene applicata una tensione al gate di controllo, costringendo gli elettroni a attraversare l'isolamento e rimanere intrappolati nel gate galleggiante. Questi elettroni intrappolati modificano le proprietà elettriche del transistor, rappresentando i numeri binari 1 e 0. Poiché il floating gate è circondato da isolamento, questi elettroni rimangono intrappolati a tempo indeterminato, preservando l'accesso ai dati senza richiedere un'alimentazione costante.

La memoria flash si classifica in bassa, media e alta densità; una maggiore densità di storage racchiude più celle nello stesso spazio fisico. Questo progresso tecnologico ha permesso lo sviluppo di dispositivi sempre più compatti con una notevole capacità di storage, dalle unità USB agli smartphone, fino ai solid-state drive che possono memorizzare terabyte di informazioni.

Le tecnologie di memoria flash possono essere implementate in varie forme e configurazioni, ognuna per diverse prestazioni e caso d'uso. Ecco una panoramica dei principali tipi:

Di seguito sono elencate alcune delle interfacce e dei protocolli flash storage più importanti:

• NVMe

• Interfacce SAS e SATA

• NVMe over Fabrics (NVMe-oF)

Non Volatile Memory Express (NVMe) è un'interfaccia utilizzata per accedere al flash storage su un bus Peripheral Component Interconnect Express (PCIe). NVMe consente di eseguire migliaia di richieste parallele su una singola connessione. Semplifica l'interazione tra applicazioni e storage e migliora notevolmente le prestazioni. NVMe è ora il protocollo dominante per lo storage flash ad alte prestazioni ed è essenziale per le applicazioni sensibili alla latenza, come la real-time analytics e i workload di AI.

SAS (serial attached SCSI) e SATA (Serial Advanced Technology Attachment) sono due interfacce molto diffuse che collegano i dispositivi di storage ai sistemi informatici. Sebbene siano stati originariamente sviluppati per le unità disco rigido, vengono utilizzati anche con le unità SSD basate su flash. SATA è tipicamente presente nei dispositivi consumer, mentre SAS è preferito negli ambienti di storage aziendali per la sua maggiore affidabilità e velocità di trasmissione.

Sebbene protocolli più recenti come NVMe li stiano gradualmente sostituendo, SAS e SATA rimangono comuni nei sistemi legacy e nelle implementazioni attente al budget. Inoltre, aiutano a prolungare la durata di vita dell'infrastruttura esistente, rendendoli utili in ambienti che stanno subendo aggiornamenti graduali.

NVMe over Fabrics estende il protocollo NVMe ai fabric di rete come Ethernet, Fibre Channel o InfiniBand. Queste strutture di rete consentono l'accesso remoto ai dispositivi flash storage con bassa latenza e alte prestazioni simili alle unità NVMe direct-attached. NVMe-oF è ideale per gli ambienti distribuiti su larga scala, come i moderni data center e l'infrastruttura cloud, dove lo storage deve essere veloce, resiliente e condivisibile.

Il flash storage è utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni, grazie alla sua velocità, durata ed efficienza energetica:

• Enterprise data center: le grandi aziende si affidano a unità solid-state drive (SSD) basati su flash e ad all flash array per supportare i workload mission-critical, ridurre la latenza e garantire un'elevata disponibilità negli ambienti dei data center. Il flash storage accelera l'elaborazione dei dati per la real-time analytics, i servizi cloud e le applicazioni di intelligenza artificiale (AI). Il flash storage nei data center migliora anche le funzionalità di gestione dei dati consentendo l'indicizzazione, il recupero e l'elaborazione rapidi di vasti set di dati, ottimizzando le prestazioni del database e migliora l'efficienza complessiva del sistema.

• Dispositivi mobili: il flash storage è essenziale per gli smartphone, i tablet e i computer portatili, in quanto offre un accesso rapido alle applicazioni, ai file di sistema e ai dati dell'utente. La natura compatta della memoria flash consente di realizzare design sottili e leggeri senza compromettere le prestazioni.

• Gaming e grafica: i giocatori traggono beneficio dal trasferimento dei dati ad alta velocità del flash storage, con tempi di caricamento rapidi e una migliore elaborazione grafica. Il flash storage migliora anche le prestazioni delle console di gioco e degli strumenti di editing video.

• Dispositivi IoT: la memoria flash è ampiamente utilizzata nei dispositivi Internet of Things (IoT) per la sua velocità e il basso consumo energetico. Dai gadget per la casa intelligente ai sensori IoT industriali, il flash storage può garantire la rapida raccolta, elaborazione e trasmissione dei dati veloci.

• Edge computing: con la crescente domanda di elaborazione dei dati che sia più vicina alla fonte, il flash storage svolge un ruolo fondamentale negli ambienti edge. Consente l'archiviazione e il recupero rapidi dei dati in loco, il che è fondamentale per le applicazioni che richiedono un processo decisionale in tempo reale.

• Cloud storage: il flash storage è alla base della moderna infrastruttura cloud e fornisce l'accesso ad alta velocità a grandi quantità di dati in ambienti distribuiti. La sua scalabilità e le sue prestazioni sono driver chiave nella crescente adozione del cloud storage e di altri servizi.

• Settore automobilistico: la memoria flash viene sempre più utilizzata nei veicoli per app come navigazione, sistemi di intrattenimento e tecnologie di guida autonoma.

Negli ambienti aziendali, il flash storage è diventata una componente importante degli approcci alla sicurezza dei dati. La velocità del flash storage aiuta a migliorare le pratiche di backup e ripristino, riducendo i tempi di ripristino quando si risponde a incidenti di sicurezza o guasti del sistema.

Molte organizzazioni oggi utilizzano approcci di backup air gap con dispositivi di flash storage rimovibili, scollegando fisicamente i dati di backup critici dalle reti per limitare l'esposizione al ransomware e ad altre minacce informatiche. Questa separazione fisica fornisce un livello di protezione efficace contro gli attacchi basati sulla rete.

Le prestazioni del flash storage supportano la cyber resilience attraverso applicazioni pratiche come la replica dei dati, gli snapshot e la crittografia, con un impatto minore sulle prestazioni del sistema rispetto allo storage tradizionale. Nei settori regolamentati, il flash storage può aiutare a soddisfare gli obblighi di conformità attraverso caratteristiche come le funzioni WORM (Write Once Read Many) e i controlli degli accessi che contribuiscono all'architettura di sicurezza complessiva.