Cosa sono i controller di storage?

La quantità di dati prodotta dagli esseri umani è sbalorditiva. Nel 2024, la datasfera globale stimata ammontava a ben 149 zettabyte, con proiezioni che arriveranno a 181 zettabyte di dati entro la fine del 2025.

Per metterlo in prospettiva, uno zettabyte equivale a 1.000 exabyte, 1 miliardo di terabyte o mille miliardi di gigabyte. In altre parole, uno zettabyte equivale a 250 miliardi di DVD.  

La gestione dei dati è quindi una componente importante di tutti i sistemi informatici, inclusi data center aziendali, piattaforme cloud, dispositivi IoT e piattaforme digitali. Tuttavia, i dati non sono tutti uguali.

Gran parte dei dati che creiamo sono transitori, destinati a essere utilizzati e poi scartati in un attimo, mentre altri tipi sono più persistenti. Alcuni dati vengono conservati per lo storage e il recupero a medio termine, mentre altri tipi vengono conservati per scopi di storage o backup a lungo termine. 

A seconda dello scopo dei dati creati e memorizzati, diversi tipi di storage sono più adatti di altri. Dalle opzioni più semplici come dischetti e unità flash USB a quelle più robuste e complesse come i sistemi storage area network (SAN) e network-attached storage (NAS), i computer si affidano ai controller di storage (noti anche come controller del disco o processori di storage) per scrivere e recuperare dati tra i dispositivi di storage e la CPU principale del computer. 

Nella maggior parte dei casi, le schede controller di storage sono unità hardware fisiche, talvolta integrate direttamente nella scheda di sistema di un computer. Tuttavia, quando si tratta di macchine virtuali (VM) o altri ambienti virtualizzati, è possibile utilizzare un controller di storage virtuale basato su software per simulare la funzione di un controller fisico. In questi tipi di sistemi informatici, i controller di storage virtuali sono componenti del software hypervisor generale utilizzato per gestire le risorse di storage raggruppate da più dispositivi fisici.   

Questi sono i componenti principali di un controller di storage:

• Interfaccia host: la connessione fisica che consente a un controller di storage di comunicare con il sistema host. I dispositivi di storage interni utilizzano standard come PCI Express (PCIe) per le connessioni ad alta velocità, mentre le SAN utilizzano protocolli come FibreChannel (FC) o NVMe over Fabrics per la connettività esterna.
• Processore: i controller di storage contengono un proprio processore dedicato per gestire le operazioni di input/output (I/O). 
• Memoria cache: la memoria cache del controller di storage è solitamente composta da DRAM volatile. Questa memoria temporanea ad alta velocità si trova sul controller stesso e memorizza i dati a cui si accede di frequente, ai quali è possibile accedere più rapidamente rispetto ai dati memorizzati sui dispositivi di storage collegati. 
• Interfaccia disco: l'interfaccia disco è la connessione fisica tra il controller di storage e i dispositivi di storage. 
• Unità di backup a batteria o condensatore: per i controller di storage con la capacità di scrivere nella memoria cache integrata, un'unità di backup a batteria (BBU) o un modulo condensatore plus-flash rappresentano un componente critico. Consentono al controller di conservare tutti i dati scritti nella memoria flash volatile in caso di interruzione improvvisa dell'alimentazione. Sono di fatto alimentatori integrati nell'unità.

Nel facilitare il trasferimento dei dati, i controller di storage svolgono diverse attività per utilizzare al meglio i benefici di un particolare supporto di storage. Attenuano inoltre vari potenziali ostacoli e problematiche che potrebbero impedire a un sistema informatico di ottimizzare completamente le sue funzionalità di storage. 

Per ottenere un accesso fluido ed efficiente allo storage, le principali funzionalità di un controller di storage includono:

• Trasferimento e gestione dei dati: la funzione fondamentale di un controller di storage è quella di fungere da ponte tra un dispositivo di storage e la memoria operativa del computer. A seconda del tipo specifico di storage e delle interfacce e dei protocolli associati, i controller di storage ottimizzano il trasferimento dei dati ai fini della velocità e dell'efficienza, promuovendo e mantenendo le prestazioni complessive del sistema e combattendo la latenza.
• Convalida dei dati ed elaborazione fault-tolerant: i controller di storage possono verificare l'accuratezza dei dati trasferiti ed eseguire una elaborazione fault-tolerant dei dati errati per garantire l'accuratezza dei dati e ridurre le interruzioni causate da errori.
• Compressione e decompressione: se necessario, i controller di storage possono comprimere e decomprimere i dati per migliorare la velocità di trasmissione e ridurre la pressione dei dati causata da file di grandi dimensioni.
• Servizi di protezione e backup dei dati: molti controller di storage includono funzionalità progettate per la ridondanza e la protezione dei dati, come le configurazioni redundant array of independent disks (RAID) e la codifica di cancellazione. Queste funzionalità aiutano a proteggere ed eseguire il backup dei dati e possono essere estremamente utili per migliorare la tolleranza ai guasti e i tempi di ripristino. 
• Compatibilità dell'interfaccia: quando si abbina l'ampia varietà di soluzioni storage alla miriade di configurazioni di sistemi operativi e hardware del computer, la compatibilità diventa una delle principali preoccupazioni. I controller di storage aiutano a risolvere i problemi di compatibilità gestendo i protocolli tra le diverse interfacce dei dispositivi di storage, come Serial ATA (SATA), SAS (Serial Attached SCSI), PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) e i diversi sistemi hardware e operativi (ad esempio, Microsoft Windows, Linux). 
• Gestione della cache: sebbene non sia standard in tutte le opzioni, la memoria cache integrata è una caratteristica comune tra i controller di storage. La cache integrata con gestione automatica dinamica memorizza i dati a cui si accede di frequente per un accesso rapido e aiuta i sistemi a ottimizzare le prestazioni per una risposta rapida.
• Supporto per la gestione dei volumi logici: la gestione dei volumi logici (LVM) è una tecnologia cruciale per partizionare, organizzare e utilizzare in modo efficiente lo storage di sistema disponibile. La tecnologia LVM è utilizzata per creare pool di storage virtuali flessibili e dinamici, noti come volumi logici, raggruppando i dischi fisici in gruppi di volumi (VG) dallo spazio di storage condiviso. I controller di storage offrono agli amministratori di sistema la possibilità di gestire e ridimensionare i volumi di storage in tempo reale, così come di creare snapshot di backup e consolidare più dischi fisici. Questo consolidamento può trasformarsi in un pool condivisibile per una capacità di storage ottimale con tempi di inattività minimi.
• Monitoraggio e reportistica: supervisionando la disponibilità e le prestazioni dello storage, i controller di storage sono estremamente utili per fornire monitoraggio e snapshot in tempo reale, poiché offrono informazioni preziose sullo stato di salute, le prestazioni, la capacità e lo stato operativo dello storage dei dispositivi di storage connessi. Grazie a queste informazioni, gli amministratori di sistema sono meglio preparati a eseguire una manutenzione proattiva e a identificare e risolvere eventuali problemi, così da evitare tempi di inattività del sistema o perdite di dati d'importanza critica. 

I controller di storage possono essere divisi in due gruppi principali, in base alla loro interfaccia o funzione.

Sebbene tutti i controller di storage siano responsabili della gestione delle comunicazioni tra la CPU e i dispositivi di storage, ogni tipo è specializzato per scopi e ambienti specifici. 

Appositamente progettati per la compatibilità delle interfacce, i controller di storage basati su interfaccia includono:

• Controller SATA (AHCI): i controller SATA (AHCI) vengono utilizzati per gestire i dispositivi di storage basati su SATA, inclusi HDD e SSD SATA. Conveniente e adatta per l'informatica generica, SATA è un'interfaccia comune utilizzata nei sistemi di livello consumer, inclusi desktop, laptop, dispositivi di gioco e server personali. Gli ambienti domestici e delle piccole imprese con basse esigenze di storage e minore necessità di trasferimento di dati ad alta velocità utilizzano spesso storage SATA e controller di storage SATA.
• Controller SAS: i controller SAS vengono utilizzati con HDD e SSD SAS (Serial Attached SCSI). Utilizzato per attività di calcolo ad alte prestazioni, SAS supporta velocità di trasferimento più elevate rispetto a SATA. I controller SAS sono spesso compatibili anche con i dispositivi SATA e offrono una configurazione di storage con maggiore flessibilità e opzioni. Questi tipi di controller e dispositivi si trovano comunemente in ambienti di livello aziendale. Sono utilizzati per database su larga scala e attività di virtualizzazione complesse quando un trasferimento di dati affidabile e ad alta velocità è d'importanza critica.

I controller SAS sono adatti anche per il collegamento a margherita di più dispositivi di storage, il che li rende una buona scelta per le attività che apprezzano le soluzioni scalabili. In queste situazioni, è possibile utilizzare un componente hardware chiamato SAS expander per aumentare il numero di unità disco SAS o SATA che un Host Bus Adapter (HBA) di sistema può accettare.

I controller basati sulle funzioni sono progettati per contenere dispositivi di storage basati sui protocolli di interfaccia e sulle funzionalità desiderate. Ecco alcuni esempi:

• Controller RAID: la tecnologia RAID combina più unità di storage in un unico pool di storage per migliorare le prestazioni e la ridondanza. Attraverso tecniche come lo striping (che suddivide i dati in parti più piccole per una scrittura simultanea rapida su più unità) e il mirroring (che duplica i dati per la ridondanza), RAID fornisce protezioni contro i guasti delle unità e aumenta la velocità di trasmissione dei dati. I controller RAID sono progettati per supportare più livelli RAID, come RAID 0, RAID 1, RAID 5 fino a RAID 60, ognuno dei quali offre vari livelli e combinazioni di prestazioni e ridondanza.
• Controller di storage array: i controller di storage array sono utilizzati per gestire enormi array di dispositivi di storage progettati per sistemi di fascia alta che richiedono un trasferimento di dati rapido e altamente disponibile, con ridondanza affidabile. I sistemi di storage array che utilizzano questo tipo di controller potrebbero effettivamente avere più controller per una migliore funzionalità e affidabilità.