¿Qué es una matriz all flash (AFA)?

Una matriz all flash (AFA) es un tipo de sistema de almacenamiento de datos externo que utiliza exclusivamente medios de hardware de memoria flash (es decir, unidades de estado sólido o SSD) para el almacenamiento persistente de datos. Una 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 mayor velocidad y durabilidad. En comparación con los HDD por sí solos, los sistemas de almacenamiento all flash (compuestos por SSD o sistemas híbridos compuestos por SSD y HDD) permiten un acceso más rápido a los datos, al tiempo 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 SSD, como las que se encuentran en las unidades flash USB, son más pequeñas que una moneda de diez centavos. Y aunque las primeras 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, usted puede equilibrar un terabyte de datos (o más) en la punta del dedo. Debido a su tamaño compacto y su construcción robusta de estado sólido, las SSD son omnipresentes en dispositivos electrónicos como computadoras portátiles, tabletas, teléfonos móviles y consolas de juegos. 

Más allá de las aplicaciones de nivel de consumidor, las SSD y las AFA también han tenido un impacto revolucionario en el almacenamiento empresarial. Tradicionalmente, los centros de datos de la organización se basaron en HDD configurados como almacenamiento conectado a la red (NAS) o redes de área de almacenamiento (SAN), o ambos, para el almacenamiento de datos y la recuperación. Eso fue hasta que los avances en el almacenamiento de estado sólido convirtieron a las matrices all flash en una alternativa rentable y marcaron el comienzo de 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. NOR flash es rápido para acceder a bits aleatorios de datos dentro de un conjunto almacenado, pero tiene tiempos de escritura más lentos y puede ser más costoso, comparativamente. 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. NAND flash sobresale en el acceso secuencial a datos, pero es más lento que NOR flash 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 se pueden almacenar de forma persistente dentro de 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. 

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

Las siguientes son algunas características importantes:

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

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

• Eficientes a escala: como resultado de su estructura basada en bloques, NAND flash es ideal 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.  

• Duraderas: tanto las unidades de memoria flash NAND como las NOR son mucho más duraderas que las HDD. Las unidades de memoria flash no contienen partes móviles, lo que puede ser un punto de falla para las HDD. Como tal, NAND flash es una opción muy superior cuando la durabilidad es un factor. NAND flash se ha convertido en la opción preferida para el almacenamiento de datos que podría necesitar transportarse físicamente, y se utiliza de manera constante para dispositivos como unidades de disco duro externas portátiles o computadoras portátiles. Sin embargo, aunque los medios 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. Si bien se suele considerar que la memoria flash no volátil es indefinidamente segura, este tipo de unidades se degradan con el tiempo, ya sea por uso excesivo o deterioro general. Las mejores prácticas dictan que los datos almacenados a largo plazo en unidades de memoria flash deben validarse regularmente y duplicarse de manera periódica en hardware de memoria nuevo. 

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

Utilizadas como componente de almacenamiento principal de cualquier matriz all flash (AFA), las unidades de estado sólido (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 desafíos. Por ejemplo, las SLC son conocidos por su alta velocidad, pero también por sus altos precios, mientras que las QLC más asequibles pueden ser menos confiables que sus alternativas más caras. Dependiendo del tipo de celda, cada cuadrícula dentro del SSD puede almacenar entre 256 KB y 4 MB de datos.

En un sistema informático personal típico, la unidad central de procesamiento (CPU) principal de la computadora 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 HDD más antiguas. Capaces de alcanzar velocidades máximas de entre 550 y 600 MB/s, la SSD SATA son más rápidas que las HDD tradicionales.

Sin embargo, las SDD diseñadas para los protocolos de memoria no volátil express (NVMe) más nuevos pueden usar la interfaz PCI exprés (PCIe) de alta velocidad. Este diseño les permite lograr un rendimiento aún mejor, con velocidades de transferencia de datos de 35 000 MB/s hasta 14 000 MB/s. En otras palabras, las SSD NVMe son aproximadamente 20 veces más rápidas que la tecnología SATA SSD más antigua.

Al ofrecer más que un mayor rendimiento, 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, las SSD NVMe y las 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 admitir cargas de trabajo de datos estructurados, impulsadas por la innovación en torno a la tecnología NAND flash y de 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 de manera eficiente los recursos de varias unidades.

Un paso más allá, las mejores matrices all flash 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, incluida 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 matrices all-flash también ofrecen un sofisticado software de supervisión, gestión de datos y protección de datos para capacitar a los administradores de sistemas responsables del seguimiento del uso de recursos, el estado del sistema 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 de 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 de forma rápida a las cargas de trabajo cambiantes y se integren perfectamente con entornos de nube híbrida o VMware. 

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

Las AFA de escalabilidad vertical siguen una arquitectura más antigua que permite agregar almacenamiento adicional a una matriz existente.

Si bien la arquitectura de escalamiento vertical permite una forma simple y rentable de aumentar la capacidad, este método puede generar cuellos de botella porque el controlador de gestión de almacenamiento central puede convertirse en un único punto de falla. 

Las AFA que utilizan una arquitectura de escalabilidad horizontal permiten agregar simultáneamente más capacidad de almacenamiento y potencia de cómputo al incorporar más nodos al sistema.

Las AFA de escalamiento horizontal son una opción preferida para el almacenamiento empresarial con el potencial de expandir rápidamente las necesidades de almacenamiento porque este tipo de arquitectura garantiza un rendimiento constante incluso a medida que un sistema crece.  

Las matrices all flash (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 de memoria flash ha mejorado en rendimiento, disponibilidad y asequibilidad, las matrices all flash (AFA) han crecido en popularidad en muchos casos de uso e industrias:

• Virtualización: las AFA han sido integrales para proporcionar el rendimiento crítico y el soporte de características 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 entrenamiento y operación. 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 copias de seguridad: aunque históricamente tuvo un costo prohibitivo, la mejora de los precios y el rendimiento de la memoria flash han convertido a las soluciones AFA en una opción viable para las copias 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 procesamiento de datos casi instantáneas. Las AFA son un gran activo para los proveedores de servicios financieros, ya que facilitan las transacciones instantáneas y las analytics. 

• Medios y entretenimiento: desde servicios de transmisión hasta 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. 

• Atención médica: en la industria de la atención médica, el acceso a los datos puede literalmente salvar vidas. Las AFA ofrecen a los hospitales y proveedores de atención médica un acceso rápido a los datos que pueden facilitar una atención oportuna y eficaz. 

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