¿Qué son los controladores de almacenamiento?

La cantidad de datos que producen los seres humanos es asombrosa. A partir de 2024, la esfera de datos global estimada registra la enorme cifra de 149 zettabytes, con proyecciones que aumentan a 181 zettabytes de datos para fines de 2025.

Para poner eso en perspectiva, un zettabyte singular es el equivalente a 1000 exabytes, 1000 millones de terabytes o 1 billón de gigabytes. Dicho de otra manera, un zettabyte equivale a 250 mil millones de DVD.  

Es decir, la gestión de datos es un componente importante de todos los sistemas informáticos, incluidos los centros de datos empresariales, las plataformas en la nube, los dispositivos IoT y las plataformas digitales. Pero no todos los datos se crean de la misma manera.

Gran parte de los datos que creamos son transitorios, previstos para usarse y desecharse en un momento, mientras que otros tipos son más duraderos. Algunos datos se conservan para almacenamiento y recuperación a mediano plazo, mientras que otros tipos se conservan con fines de archivo o copia de seguridad a largo plazo. 

Según el propósito de los datos creados y almacenados, diferentes tipos de medios de almacenamiento son más adecuados que otros. Desde opciones simples como disquetes y unidades flash USB hasta opciones robustas y complicadas como sistemas de red de área de almacenamiento (SAN) y almacenamiento conectado a la red (NAS), las computadoras dependen de controladores de almacenamiento (también conocidos como controladores de disco o procesadores de almacenamiento) para escribir y recuperar datos entre los dispositivos de almacenamiento y la CPU principal de la computadora. 

En la mayoría de los casos, las tarjetas controladoras de almacenamiento son unidades de hardware físico, a veces integradas directamente en la placa del sistema de una computadora. Sin embargo, cuando se trata de máquinas virtuales (VM) u otros entornos virtualizados, se puede emplear un controlador de almacenamiento virtual basado en software para simular la función de un controlador físico. En estos tipos de sistemas informáticos, los controladores de almacenamiento virtualizados son componentes del software de hipervisor general que se utiliza para gestionar los recursos de almacenamiento agrupados desde múltiples dispositivos físicos.   

Estos son los componentes principales de un controlador de almacenamiento:

• Interfaz de host: la conexión física que permite que un controlador de almacenamiento se comunique con el sistema host. Los dispositivos de almacenamiento interno utilizan estándares como PCI Express (PCIe) para conexiones de alta velocidad, mientras que las SAN utilizan protocolos como FibreChannel (FC) o NVMe over Fabrics para conectividad externa.
• Procesador: los controladores de almacenamiento contienen su propio procesador dedicado para gestionar las operaciones de entrada/salida (E/S). 
• Memoria caché: la memoria caché del controlador de almacenamiento suele estar compuesta por DRAM volátil. Este almacenamiento temporal de alta velocidad se encuentra en el propio controlador y almacena los datos de acceso frecuente que se pueden acceder más rápidamente que los datos almacenados en el dispositivo o dispositivos de almacenamiento conectados. 
• Interfaz de disco: la interfaz de disco es la conexión física entre el controlador de almacenamiento y los dispositivos de almacenamiento. 
• Unidad de respaldo de batería o condensador: para los controladores de almacenamiento con la capacidad de escribir en la memoria caché integrada, una unidad de respaldo de batería (BBU) o un módulo de condensador más flash es un componente crítico. Permite que el controlador conserve cualquier dato escrito en la memoria flash volátil en caso de un corte de energía repentino. Son efectivamente fuentes de alimentación en la unidad.

Al facilitar la transferencia de datos, los controladores de almacenamiento realizan varias tareas para usar los beneficios de cualquier medio de almacenamiento en particular. También mitigan varios desafíos y obstáculos potenciales que podrían impedir que un sistema informático optimice completamente sus capacidades de almacenamiento. 

Para lograr un acceso fluido y eficiente al almacenamiento, las principales funcionalidades de un controlador de almacenamiento incluyen lo siguiente:

• Transferencia y gestión de datos: la función más básica de un controlador de almacenamiento es actuar como puente entre un dispositivo de almacenamiento y la memoria operativa de la computadora. Según el tipo específico de medio de almacenamiento y las interfaces y protocolos asociados, los controladores de almacenamiento optimizarán la transferencia de datos para lograr velocidad y eficiencia, promoviendo y manteniendo el rendimiento general del sistema mientras combaten la latencia.
• Validación de datos y procesamiento tolerante a fallas: los controladores de almacenamiento pueden verificar la precisión de los datos transferidos y realizar un procesamiento tolerante a fallas de datos erróneos para garantizar la precisión de los datos y reducir las interrupciones causadas por errores.
• Compresión y descompresión: cuando sea necesario, los controladores de almacenamiento pueden comprimir y descomprimir datos para mejorar las velocidades de transmisión y reducir la presión de datos causada por archivos grandes.
• Protección de datos y servicios de respaldo: muchos controladores de almacenamiento incluyen características diseñadas para la protección de datos y la redundancia, como configuraciones de matriz redundante de discos independientes (RAID) y programación de borrado. Estas características ayudan a proteger y respaldar los datos y pueden ser extremadamente valiosas para mejorar la tolerancia a fallas y los tiempos de recuperación. 
• Compatibilidad de interfaz: al combinar la amplia variedad de soluciones de almacenamiento con las innumerables configuraciones de sistemas operativos y hardware informático, la compatibilidad se convierte en una preocupación importante. Los controladores de almacenamiento ayudan a resolver problemas de compatibilidad mediante la gestión de los diferentes protocolos entre diferentes interfaces de dispositivos de almacenamiento (por ejemplo, serial ATA (SATA), serial attached SCSI (SAS), peripheral component interconnect express (PCIe)) y diferentes hardware y sistemas operativos (por ejemplo, Microsoft Windows, Linux). 
• Gestión de caché: aunque no es estándar en todas las opciones, la memoria caché integrada es una característica común entre los controladores de almacenamiento. La caché integrada con gestión automática dinámica almacena los datos a los que se accede con frecuencia para un acceso rápido y ayuda a los sistemas a optimizar para un rendimiento de respuesta rápida.
• Soporte de gestión de volúmenes lógicos: la gestión de volúmenes lógicos (LVM) es una tecnología crucial para particionar, organizar y utilizar de manera eficiente el almacenamiento disponible del sistema. La LVM se utiliza para crear grupos de almacenamiento virtual flexibles y dinámicos, conocidos como volúmenes lógicos, agrupando discos físicos en grupos de volúmenes (VG) desde el espacio de almacenamiento compartido. Los controladores de almacenamiento brindan a los administradores de sistemas la capacidad de administrar y cambiar el tamaño de los volúmenes de almacenamiento en tiempo real, crear instantáneas de respaldo y consolidar múltiples discos físicos. Esta consolidación puede convertirse en un grupo compartible para una capacidad de almacenamiento óptima con un tiempo de inactividad mínimo.
• Monitoreo e informes: al supervisar la disponibilidad y el rendimiento del almacenamiento, los controladores de almacenamiento son extremadamente útiles para proporcionar monitoreo e instantáneas en tiempo real, lo que ofrece insight valioso sobre el estado, el rendimiento, la capacidad y el estado operativo del almacenamiento de los dispositivos de almacenamiento conectados. Con esta información, los administradores de sistemas están mejor preparados para realizar un mantenimiento proactivo e identificar y corregir cualquier problema potencial para evitar cualquier tiempo de inactividad del sistema o pérdida de datos críticos. 

Los controladores de almacenamiento se pueden dividir en dos grupos principales según su interfaz o función.

Si bien todos los controladores de almacenamiento son responsables de gestionar la comunicación entre la CPU y los dispositivos de almacenamiento, cada tipo está especializado para propósitos y entornos únicos. 

Diseñados específicamente para la compatibilidad de interfaz, algunos controladores de almacenamiento basados en interfaz incluyen lo siguiente:

• Controladores SATA (AHCI): los controladores SATA (AHCI) se utilizan para gestionar dispositivos de almacenamiento basados en SATA, incluidos HDD y SSD SATA. Rentable y muy adecuada para la informática de uso general, SATA es una interfaz común utilizada en sistemas de nivel de consumidor, incluidos equipos de escritorio, computadoras portátiles, dispositivos de juego y servidores personales. Los entornos domésticos y de pequeñas empresas con bajas demandas de almacenamiento y menos necesidad de transferencia de datos de alta velocidad a menudo utilizan almacenamiento SATA y controladores de almacenamiento SATA.
• Controladores SAS: los controladores SAS se utilizan con HDD y SSD SCSI conectados en serie (SAS). Utilizado para tareas informáticas de alto rendimiento, SAS admite tasas de transferencia más altas que SATA. Los controladores SAS también suelen ser compatibles con dispositivos SATA, lo que ofrece una configuración de almacenamiento con mayor flexibilidad y opciones. Estos tipos de controladores y dispositivos se encuentran comúnmente en entornos de nivel empresarial. Se utilizan para bases de datos a gran escala y tareas de virtualización complejas cuando la transferencia de datos confiable y de alta velocidad es de misión crítica.

Los controladores SAS también son adecuados para conectar en cadena varios dispositivos de almacenamiento, lo que los convierte en una buena opción para operaciones que valoran las soluciones escalables. En estas situaciones, se puede emplear un componente de hardware llamado expansor SAS para aumentar la cantidad de unidades de disco SAS o SATA que puede aceptar el adaptador de bus host (HBA) de un sistema.

Los controladores basados en funciones están diseñados para alojar dispositivos de almacenamiento según los protocolos de interfaz y la funcionalidad prevista. Estos son algunos ejemplos:

• Controladores RAID: la tecnología de almacenamiento RAID combina varias unidades de almacenamiento en un único grupo de almacenamiento para mejorar el rendimiento y la redundancia. A través de técnicas como el striping (que divide los datos en partes más pequeñas para una escritura simultánea rápida en varias unidades) y el mirroring (que duplica los datos para redundancia), RAID proporciona protección contra fallas de la unidad y aumenta el rendimiento de los datos. Los controladores RAID están diseñados para admitir múltiples niveles de RAID, como RAID 0, RAID 1, RAID 5 hasta RAID 60, cada uno de los cuales ofrece varios niveles y combinaciones de rendimiento y redundancia.
• Controladores de matrices de almacenamiento: los controladores de matrices de almacenamiento se utilizan para gestionar enormes matrices de dispositivos de almacenamiento diseñados para sistemas de gama alta que requieren una transferencia de datos rápida y de alta disponibilidad con redundancia confiable. Los sistemas de matrices de almacenamiento que utilizan este tipo de controlador pueden tener varios controladores para mejorar la funcionalidad y la confiabilidad.