Su gran mérito consistía en el que el tiempo requerido para
el acceso era relativamente constante entre algunas posiciones de memoria, a
diferencia de las cintas magnéticas, donde para encontrar una información dada,
era necesario enrollar y desenrollar los carretes hasta encontrar el dato
buscado, teniendo muy diferentes tiempos de acceso para cada posición.
La tecnología inicial aplicada a los discos duros era
relativamente simple. Consistía en recubrir con material magnético un disco de
metal que era formateado en pistas concéntricas, que luego eran divididas en
sectores. El cabezal magnético codificaba información al magnetizar diminutas
secciones del disco duro, empleando un código binario de «ceros» y «unos». Los
bits o dígitos binarios así grabados pueden permanecer intactos años.
Originalmente, cada bit tenía una disposición horizontal en la superficie
magnética del disco, pero luego se descubrió cómo registrar la información de
una manera más compacta.
El mérito del francés Albert Fert y
al alemán Peter
Grünberg (ambos premio
Nobel de Física por sus contribuciones en el campo del
almacenamiento magnético) fue el descubrimiento del fenómeno conocido
como magnetorresistencia gigante, que
permitió construir cabezales de lectura y grabación más sensibles, y compactar
más los bits en la superficie del disco duro. De estos descubrimientos,
realizados en forma independiente por estos investigadores, se desprendió un
crecimiento espectacular en la capacidad de almacenamiento en los discos duros,
que se elevó un 60 % anual en la década de
1990.
En 1992, los discos duros de 3,5 pulgadas alojaban 250 MB,
mientras que 10 años después habían superado 40 GB (40 000 MB).
En la actualidad, ya contamos en el uso cotidiano con discos duros de más de
5 TB,
esto es, 5000 GB (5 000 000 MB).
En 2001 fue lanzado el iPod, que empleaba un
disco duro que ofrecía una capacidad alta para la época. Junto a la
simplicidad, calidad y elegancia del dispositivo, este fue un factor clave para
su éxito.
En 2005 los primeros teléfonos móviles que incluían discos duros
fueron presentados por Samsung y Nokia, aunque no tuvieron mucho éxito ya que
las memorias flash los acabaron desplazando, debido al aumento de capacidad,
mayor resistencia y menor consumo de estas últimas.
Estructura física
Componentes de una unidad de disco duro. De izquierda a
derecha, fila superior: tapa, carcasa, plato, eje;
fila inferior: espuma aislante, circuito
impreso de control, cabezal de lectura/escritura, actuador e imán,
tornillos.
Dentro de la unidad de disco duro hay uno o varios discos (de
aluminio o cristal) concéntricos llamados platos (normalmente entre 2 y 4, aunque
pueden ser hasta 6 o 7 según el modelo), y que giran todos a la vez sobre el
mismo eje, al que están unidos.
El cabezal (dispositivo de lectura y escritura) está formado por un
conjunto de brazos paralelos a los platos, alineados verticalmente y que
también se desplazan de forma simultánea, en cuya punta están las cabezas de
lectura/escritura. Por norma general hay una cabeza de lectura/escritura para
cada superficie de cada plato. Los cabezales pueden moverse hacia el interior o
el exterior de los platos, lo cual combinado con la rotación de los mismos
permite que los cabezales puedan alcanzar cualquier posición de la superficie
de los platos..
Cada plato posee dos “ojos”, y es necesaria una cabeza de
lectura/escritura para cada cara. Si se observa el
esquema Cilindro-Cabeza-Sector, a primera vista se ven 4 brazos, uno para
cada plato. En realidad, cada uno de los brazos es doble, y contiene 2 cabezas:
una para leer la cara superior del plato, y otra para leer la cara inferior.
Por tanto, hay 8 cabezas para leer 4 platos, aunque por cuestiones comerciales,
no siempre se usan todas las caras de los discos y existen discos duros con un
número impar de cabezas, o con cabezas deshabilitadas. Las cabezas de
lectura/escritura nunca tocan el disco, sino que pasan muy cerca (hasta a
3 nanómetros),
debido a una finísima película de aire que se forma entre éstas y los platos
cuando éstos giran (algunos discos incluyen un sistema que impide que los
cabezales pasen por encima de los platos hasta que alcancen una velocidad de
giro que garantice la formación de esta película). Si alguna de las cabezas
llega a tocar una superficie de un plato, causaría muchos daños en él,
rayándolo gravemente, debido a lo rápido que giran los platos (uno de
7.200 revoluciones por minuto se mueve a
129 km/h en el borde de un disco de 3,5
pulgadas).
Direccionamiento
Cilindro, Cabeza y Sector.
Estructura de disco que muestra:
(A) una pista (roja),
(B) un sector geométrico (azul),
(C) un sector de una pista (magenta),
(D) y un grupo de sectores o clúster(verde).
Hay varios conceptos para referirse a zonas del disco:
Plato: cada uno de los discos que hay dentro de
la unidad de disco duro.
Cara: cada uno de los dos lados de un plato.
Cabezal: número de cabeza o cabezal por cada cara.
Pista: una circunferencia dentro de una cara;
la pista cero (0) está en el borde exterior.
Cilindro: conjunto de varias pistas; son todas las
circunferencias que están alineadas verticalmente (una de cada cara).
Sector : cada una de las divisiones de
una pista. El tamaño del sector no es fijo, siendo el estándar actual 512
bytes, aunque la IDEMA ha creado
un comité que impulsa llevarlo a 4 KiB.
Antiguamente el número de sectores por pista era fijo, lo cual desaprovechaba
el espacio significativamente, ya que en las pistas exteriores pueden
almacenarse más sectores que en las interiores. Así, apareció la
tecnologíagrabación de bits por zonas (Zone Bit Recording, ZBR) que aumenta el
número de sectores en las pistas exteriores, y utiliza más eficientemente el
disco duro. Así las pistas se agrupan en zonas de pistas de igual cantidad de
sectores. Cuanto más lejos del centro de cada plato se encuentra una zona, ésta
contiene una mayor cantidad de sectores en sus pistas. Además mediante ZBR,
cuando se leen sectores de cilindros más externos la tasa de transferencia de
bits por segundo es mayor; por tener la misma velocidad angular que cilindros
internos pero mayor cantidad de sectores.
Sector geométrico: son los sectores contiguos pero de pistas
diferentes.
Clúster: es un conjunto
de sectores.
El primer sistema de direccionamiento que se usó fue
el cilindro-cabeza-sector (Cylinder-Head-Sector, CHS), ya que con estos
tres valores se puede situar un dato cualquiera del disco. Más adelante se creó
otro sistema más sencillo: direccionamiento de bloques lógicos (Logical block addressing, LBA), que
consiste en dividir el disco entero en sectores y asignar a cada uno
un único número. Éste es el que actualmente se usa.
Factor de Forma
Seis unidades de disco duro con carcasas abiertas mostrando
platos y cabezales; 8, 5¼, 3½, 2½, 1⅛ y 1 pulgadas de diámetro de los discos
que representan.
El más temprano "factor de forma" de los discos
duros, heredó sus dimensiones de las disqueteras. Pueden ser montados en los
mismos chasis y así los discos duros con factor de forma, pasaron a llamarse
coloquialmente tipos FDD "floppy-disk drives" (en inglés).
La compatibilidad del "factor de forma" continua
siendo de 3½ pulgadas (8,89 cm) incluso después de haber sacado otros
tipos de disquetes con unas dimensiones más pequeñas.
8 pulgadas: 241,3×117,5×362 mm
(9,5×4,624×14,25 pulgadas).
En 1979, Shugart Associates sacó
el primer factor de forma compatible con los disco duros, SA1000, teniendo las
mismas dimensiones y siendo compatible con la interfaz de 8 pulgadas de las
disqueteras. Había dos versiones disponibles, la de la misma altura y la de la
mitad (58,7 mm).
5,25 pulgadas: 146,1×41,4×203 mm (5,75×1,63×8
pulgadas). Este factor de forma es el primero usado por los discos duros de
Seagate en 1980 con el mismo tamaño y altura máxima de los FDD de 5¼ pulgadas,
por ejemplo: 82,5 mm máximo.
Éste es dos veces tan alto como el factor de 8 pulgadas, que comúnmente se usa
hoy; por ejemplo: 41,4 mm (1,64 pulgadas). La mayoría de los modelos de
unidades ópticas (DVD/CD)
de 120 mm usan el tamaño del factor de forma de media altura de 5¼, pero
también para discos duros. El modelo Quantum Bigfoot es el último que se usó a
finales de los 90'.
3,5 pulgadas: 101,6×25,4×146 mm (4×1×5.75
pulgadas).
Este factor de forma es el primero usado por los discos duros de Rodine que
tienen el mismo tamaño que las disqueteras de 3½, 41,4 mm de altura. Hoy
ha sido en gran parte remplazado por la línea "slim" de 25,4 mm
(1 pulgada), o "low-profile" que es usado en la mayoría de los discos
duros.
2,5 pulgadas: 69,85×9,5-15×100 mm
(2,75×0,374-0,59×3,945 pulgadas).
Este factor de forma se introdujo por PrairieTek en 1988 y no se corresponde
con el tamaño de las lectoras de disquete. Este es frecuentemente usado por los
discos duros de los equipos móviles (portátiles, reproductores de música,
etc...) y en 2008 fue reemplazado por unidades de 3,5 pulgadas de la clase
multiplataforma. Hoy en día la dominante de este factor de forma son las
unidades para portátiles de 9,5 mm, pero las unidades de mayor capacidad
tienen una altura de 12,5 mm.
1,8 pulgadas: 54×8×71 mm.
Este factor de forma se introdujo por Integral Peripherals en 1993 y se
involucró con ATA-7 LIF con las dimensiones indicadas y su uso se incrementa
en reproductores de audio digital y
su subnotebook. La variante original posee de 2 GB a 5 GB y cabe en
una ranura de expansión de tarjeta de ordenador personal. Son usados normalmente en
iPods y discos duros basados en MP3.
1 pulgadas: 42,8×5×36,4 mm.
Este factor de forma se introdujo en 1999 por IBM y Microdrive,
apto para los slots tipo 2 de compact flash, Samsung llama
al mismo factor como 1,3 pulgadas.
0,85 pulgadas: 24×5×32 mm.
Toshiba anunció
este factor de forma el 8 de enero de 2004 para usarse en móviles y
aplicaciones similares, incluyendo SD/MMC slot
compatible con disco duro optimizado para vídeo y almacenamiento para
micromóviles de 4G. Toshiba actualmente
vende versiones de 4 GB (MK4001MTD) y 8 GB (MK8003MTD) 5 y
tienen el récord Guinness del disco duro
más pequeño.
Los principales fabricantes suspendieron la investigación de
nuevos productos para 1 pulgada (1,3 pulgadas) y 0,85 pulgadas en 2007, debido
a la caída de precios de las memorias
flash, aunque Samsung introdujo en el 2008 con el SpidPoint A1 otra
unidad de 1,3 pulgadas.
El nombre de "pulgada" para los factores de forma
normalmente no identifica ningún producto actual (son especificadas en
milímetros para los factores de forma más recientes), pero estos indican el
tamaño relativo del disco, para interés de la continuidad histórica.
Características de un disco duro
Las características que se deben tener en cuenta en un disco
duro son:
Tiempo medio de acceso: tiempo medio que tarda la aguja en
situarse en la pista y el sector deseado; es la suma del Tiempo medio de
búsqueda (situarse en la pista), Tiempo de lectura/escritura y
la Latencia media (situarse en el sector).
Tiempo medio de búsqueda: tiempo medio que tarda la aguja en
situarse en la pista deseada; es la mitad del tiempo empleado por la aguja en
ir desde la pista más periférica hasta la más central del disco.
Tiempo de lectura/escritura: tiempo medio que tarda el disco
en leer o escribir nueva información: Depende de la cantidad de información que
se quiere leer o escribir, el tamaño de bloque, el número de cabezales, el
tiempo por vuelta y la cantidad de sectores por pista.
Latencia media: tiempo medio que tarda la aguja en situarse
en el sector deseado; es la mitad del tiempo empleado en una rotación completa
del disco.
Velocidad de rotación: revoluciones por minuto de los
platos. A mayor velocidad de rotación, menor latencia media.
Tasa de transferencia: velocidad a la que puede transferir
la información a la computadora una vez que la aguja está situada en la
pista y sector correctos. Puede ser velocidad sostenida o de
pico.
Otras características son:
Caché de pista: es una memoria tipo flash dentro
del disco duro.
Interfaz: medio de comunicación entre el disco duro y la
computadora. Puede ser IDE/ATA, SCSI, SATA, USB, Firewire, Serial Attached SCSI
Landz: zona sobre las que aparcan las cabezas una vez se
apaga la computadora.
Tipos de conexión o tipos de interfaces
Si hablamos de unidades de disco duro podemos citar los
distintos tipos de conexión que poseen los mismos con la placa base,
es decir, pueden ser SATA, IDE, SCSI o SAS:
IDE
Artículo principal: Integrated Drive Electronics
Integrated Drive Electronics (IDE),
dispositivo electrónico integrado, o Advanced Technology
Attachment (ATA) o Parallel ATA (PATA), controla los
dispositivos de almacenamiento masivo de datos, como los discos duros y ATAPI
(Advanced Technology Attachment Packet Interface). Hasta aproximadamente el
2004, fue el estándar principal por su versatilidad y asequibilidad. Son
planos, anchos y alargados.
SCSI
Artículo principal: Small Computer System Interface
Son interfaces preparadas para discos duros de gran
capacidad de almacenamiento y velocidad de rotación. Se presentan bajo tres
especificaciones: SCSI Estándar (Standard SCSI), SCSI Rápido (Fast SCSI) y SCSI
Ancho-Rápido (Fast-Wide SCSI). Su tiempo medio de acceso puede llegar a 7
milisegundos y su velocidad de transmisión secuencial de información puede
alcanzar teóricamente los 5 Mbit/s en los discos SCSI Estándares, los 10 Mbit/s en los
discos SCSI Rápidos y los 20 Mbit/s en los discos SCSI Anchos-Rápidos (SCSI-2).
Un controlador SCSI puede manejar hasta 7 discos duros SCSI (o 7 periféricos
SCSI) con conexión tipo margarita (daisy-chain). A diferencia de los discos
IDE, pueden trabajar asincrónicamente con relación al microprocesador, lo que
posibilita una mayor velocidad de transferencia.
SATA
Artículo principal: Serial ATA
Serial ATA es el más novedoso de los estándares de
conexión, utiliza un bus serie para la transmisión de datos. Notablemente más
rápido y eficiente que IDE. Existen tres versiones, SATA 1 con velocidad de
transferencia de hasta 150 MB/s (hoy día descatalogado), SATA 2 de hasta
300 MB/s, el más extendido en la actualidad; y por último SATA 3 de hasta
600 MB/s el cual se está empezando a hacer hueco en el mercado.
Físicamente es mucho más pequeño y cómodo que los IDE, además de permitir conexión en caliente.
SAS
Artículo principal: Serial Attached SCSI
Serial Attached SCSI es la interfaz de
transferencia de datos en serie, sucesor del SCSI paralelo, aunque sigue
utilizando comandos SCSI para interaccionar con los dispositivos SAS. Aumenta
la velocidad y permite la conexión y desconexión en caliente. Una de las
principales características es que aumenta la velocidad de transferencia al
aumentar el número de dispositivos conectados, es decir, puede gestionar una
tasa de transferencia constante para cada dispositivo conectado, además de terminar
con la limitación de 16 dispositivos existente en SCSI, es por ello que se
vaticina que la tecnología SAS irá reemplazando a su predecesora SCSI. Además,
el conector es el mismo que en la interfaz SATA y
permite utilizar estos discos duros, para aplicaciones con menos necesidad de
velocidad, ahorrando costes. Por lo tanto, las unidades SATA pueden
ser utilizadas por controladoras SAS pero no a la inversa, una
controladora SATA no reconoce discos SAS.
Estructura lógica
Dentro del disco se encuentran:
El Master Boot Record (MBR), en
el sector de arranque, que contiene la tabla de particiones.
Las particiones, necesarias para poder colocar
los sistemas de archivos.
Funcionamiento mecánico
Un disco duro suele tener:
Platos en donde se graban los datos.
Cabezal de lectura/escritura.
Motor que
hace girar los platos.
Electroimán que mueve el cabezal.
Circuito electrónico de control, que
incluye: interfaz con la computadora, memoria caché.
Bolsita desecante (gel
de sílice) para evitar la humedad.
Caja, que ha de proteger de la suciedad, motivo por el cual
suele traer algún filtro de aire.
Mantenimiento y cuidado
Los discos duros también necesitan cuidado, siga las
siguientes instrucciones para evitar la perdida de datos y evitar que el disco
duro quede inservible:
No quitar la etiqueta ligeramente plateada que se encuentra
a los lados y/o algunas veces en la parte frontal, esto puede causar que entre
polvo y raye el disco, asimismo el polvo que pueda contener electricidad puede
mover los datos y causar daños.
No tapar los agujeros pequeños, ya que son un filtro de aire
y puede causar sobrecalentamiento.
Realizar periódicamente copias de seguridad de la información
importante, eventos como apagones o ataques de virus pueden dañar el disco duro
o la información, si ocurre un apagón desconectar el ordenador.
Se recomienda crear al menos dos particiones: Una para el
sistema operativo y los programas y otra para los datos del usuario. De esta
forma se pueden facilitar la copia de seguridad y la restauración, al
posibilitar retroceder o reinstalar completamente el sistema operativo sin
perder los datos personales en el proceso.
Optimizar (desfragmentar) el disco duro regularmente usando
la herramienta incluida en el sistema operativo o un programa de otro
fabricante para reducir el desgaste, facilitar la recuperación en caso de un
problema, y mantener una buena velocidad de respuesta. La mayoría de los
expertos parecen coincidir que debe realizarse con una frecuencia no mayor a
una vez por semana, pero no menor a una vez al mes.
Descargar y usar un programa que lea los datos de los
sensores del disco duro (S.M.A.R.T.), para vigilar la condición del disco duro. Si
indica que está en peligro, copiar la información importante y reemplazar el
disco duro lo más pronto posible para evitar la pérdida de información.
Evitar que el disco sufra golpes físicos, especialmente
durante su funcionamiento. Los circuitos, cabezales y discos pueden dañarse.
Si el disco duro presenta problemas de confiabilidad, un
funcionamiento anormalmente lento o aparecen sin razón aparente archivos dañados
o ilegibles, analizarlo con un comprobador de disco. También se recomienda
realizar una comprobación de rutina cada cierta cantidad de meses para detectar
errores menores y corregirlos antes de que se agraven.
Presente y futuro
Actualmente la nueva generación de discos duros utiliza la
tecnología de grabación perpendicular (PMR), la cual
permite mayor densidad de almacenamiento. También existen discos llamados
"Ecológicos" (GP – Green Power), los cuales hacen un uso más
eficiente de la energía.
Comparativa de Unidades de estado sólido y discos duros
Artículo principal: Unidad de estado sólido
Las unidades de estado sólido tienen el
mismo uso que los discos duros y emplean las mismas interfaces, pero no están
formadas por discos mecánicos, sino por memorias de circuitos integrados para almacenar la
información. El uso de esta clase de dispositivos anteriormente se limitaba a
las supercomputadoras, por su elevado precio, aunque hoy
en día ya son muchísimo más asequibles para el mercado doméstico.
Una unidad de estado
sólido o SSD (acrónimo en inglés de solid-state drive) es
un dispositivo de almacenamiento de
datos que puede estar construido con memoria no volátil o con memoria
volátil. Las no volátiles son unidades de estado sólido que como
dispositivos electrónicos, están construidos en la actualidad con chips
de memoria flash. No son discos, pero juegan el mismo
papel a efectos prácticos aportando más ventajas que inconvenientes
tecnológicos. Por ello se está empezando a vislumbrar en el mercado la
posibilidad de que en el futuro ese tipo de unidades de estado sólido terminen
sustituyendo al disco duro para implementar el manejo de memorias no volátiles en el campo de
la ingeniería informática.
Esos soportes son muy rápidos ya que no tienen partes
móviles y consumen menos energía. Todos esto les hace muy fiables y físicamente
duraderos. Sin embargo su costo por GB es aún muy elevado respecto al mismo
coste de GB en un formato de tecnología de Disco Duro siendo un índice muy
importante cuando hablamos de las altas necesidades de almacenamiento que hoy
se miden en orden de Terabytes.
A pesar de ello la industria apuesta por este vía de
solución tecnológica para el consumo doméstico aunque
se ha de considerar que estos sistemas han de ser integrados correctamente tal y
como se está realizando en el campo de la alta computación. Unido
a la reducción progresiva de costes quizás esa tecnología recorra el camino de
aplicarse como método general de archivo de datos informáticos energéticamente
respetuosos con el medio natural si optimiza su función lógica dentro de los
sistemas operativos actuales.
Los discos que no son discos
Las unidades de estado sólido han sido categorizadas
repetidas veces como "discos", cuando es totalmente incorrecto
denominarlas así, puesto que a diferencia de sus predecesores, sus datos no se
almacenan sobre superficies cilíndricas ni platos. Esta confusión conlleva
habitualmente a creer que SSD significa Solid State Disk, en vez
de Solid State Drive
.
Unidades híbridas
Las unidades híbridas son aquellas que combinan las ventajas
de las unidades mecánicas convencionales con las de las unidades de estado
sólido. Consisten en acoplar un conjunto de unidades de memoria flash dentro de
la unidad mecánica, utilizando el área de estado sólido para el almacenamiento
dinámico de datos de uso frecuente (determinado por el software de la unidad) y
el área mecánica para el almacenamiento masivo de datos. Con esto se logra un
rendimiento cercano al de unidades de estado sólido a un costo sustancialmente
menor. En el mercado actual (2012), Seagate ofrece su modelo "Momentus
XT" con esta tecnología.
Fabricantes
Un Western
Digital 3,5 pulgadas 250 GB SATA HDD.
Un Seagate 3,5 pulgadas 1 TBSATA HDD.
Los recursos tecnológicos y el saber hacer requeridos para
el desarrollo y la producción de discos modernos implica que desde 2007, más del 98 %
de los discos duros del mundo son fabricados por un conjunto de grandes
empresas: Seagate (que
ahora es propietaria de Maxtor y Quantum),Western
Digital (propietaria de Hitachi,
a la que a su vez fue propietaria de la antigua división de fabricación de
discos de IBM)
y Fujitsu,
que sigue haciendo discos portátiles y discos de servidores,
pero dejó de hacer discos para ordenadores de escritorio en 2001, y el resto lo
vendió a Western Digital. Toshiba es uno de los principales fabricantes de discos
duros para portátiles de 2,5 pulgadas y 1,8
pulgadas. TrekStor es un fabricante alemán
que en 2009 tuvo problemas de insolvencia, pero que actualmente sigue en
activo. ExcelStor es un pequeño
fabricante chino de discos duros.
Decenas de ex-fabricantes de discos duros han terminado con
sus empresas fusionadas o han cerrado sus divisiones de discos duros, a medida
que la capacidad de los dispositivos y la demanda de los productos aumentó, los
beneficios eran menores y el mercado sufrió un significativa consolidación a
finales de los 80 y finales de los 90.
La primera víctima en el mercado de los PC fue Computer Memories Inc.;
después de un incidente con 20 MB defectuosos en discos en 1985, la reputación de
CMI nunca se recuperó, y salieron del mercado de los discos duros en 1987. Otro notable
fracaso fue el de MiniScribe, quien quebró en 1990: después se
descubrió que tenía en marcha un fraude e inflaba el número de ventas durante
varios años.
Otras muchas pequeñas compañías (como Kalok, Microscience,
LaPine, Areal, Priam y PrairieTek) tampoco sobrevivieron a la expulsión, y
habían desaparecido para 1993; Micropolis fue capaz
de aguantar hasta 1997,
y JTS, un recién llegado a escena, duró
sólo unos años y desapareció hacia 1999, aunque después
intentó fabricar discos duros en India. Su vuelta a la
fama se debió a la creación de un nuevo formato de tamaño de 3” para portátiles. Quantum e
Integral también investigaron el formato de 3”, pero finalmente se dieron por
vencidos. Rodime fue también un importante
fabricante durante la década de los 80, pero dejó de hacer discos en la década de
los 90 en medio de la reestructuración y ahora se concentra en la
tecnología de la concesión de licencias; tienen varias patentes relacionadas
con el formato de 3,5“.
1988: Tandon vendió su división de fabricación de
discos duros a Western Digital, que era un renombrado diseñador de
controladores.
1989: Seagate compró
el negocio de discos de alta calidad de Control Data, como parte del abandono
de Control Data en la creación de
hardware.
1990: Maxtor compró MiniScribe que estaba en
bancarrota, haciéndolo el núcleo de su división de discos de gama baja.
1994: Quantum compró
la división de almacenamiento de Digital Equipment otorgando al
usuario una gama de discos de alta calidad llamada ProDrive, igual que la gama
tape drive de Digital Linear Tape.
1995: Conner Peripherals, que fue
fundada por uno de los cofundadores de Seagate junto con personal de MiniScribe, anunciaron un fusión con
Seagate, la cual se completó a principios de 1996.
1996: JTS se fusionó con Atari, permitiendo
a JTS llevar a producción su gama
de discos. Atari fue
vendida a Hasbro en 1998, mientras
que JTSsufrió una bancarrota en 1999.
2000:
Quantum vendió su división de discos a Maxtor para concentrarse en las unidades
de cintas y los equipos de respaldo.
2003:
Siguiendo la controversia en los fallos masivos en su modelo Deskstar 75GXP, pioneer IBM vendió la mayor
parte de su división de discos a Hitachi,
renombrándose como Hitachi Global Storage Technologies, Hitachi GST.
2003: Western
Digital compró Read-Rite Corp., quien producía los cabezales
utilizados en los discos duros, por 95,4 millones de dólares en metálico.
2005:
Seagate y Maxtor anuncian un acuerdo bajo el que Seagate adquiriría todo el
stock de Maxtor. Esta adquisición fue aprobada por los cuerpos regulatorios, y
cerrada el 19 de mayo de 2006.
2007: Western
Digital adquiere Komag U.S.A., un fabricante del material que recubre
los platos de los discos duros.
2009: Toshiba adquiere
la división de HDD de Fujitsu y TrekStor se declara en bancarrota,
aunque ese mismo año consiguen un nuevo inversor para mantener la empresa a
flote.
2011: Western
Digital adquiere Hitachi GST y
Seagate compra la división de HDD de Samsung.
2014: Seagate anuncia
el primer disco duro de 8 TB en el mercado de consumo general, con formato de
3,5 pulgadas y conectividad tipo SATA III a 6 Gbps, compatible
con computadoras de escritorio.
DISCOS DE ESTADO SOLIDO
Una unidad de estado
sólido o SSD (acrónimo en inglés de solid-state drive) es
un dispositivo de almacenamiento de
datos que usa una memoria no volátil, como la memoria
flash, para almacenar datos, en lugar de los platos giratorios magnéticos encontrados
en los discos duros convencionales. En
comparación con los discos duros tradicionales, las unidades de estado sólido
son menos sensibles a los golpes, son prácticamente inaudibles y tienen un
menor tiempo de acceso y de latencia. Las SSD hacen uso de la misma interfaz
que los discos duros por lo que son fácilmente intercambiables sin tener que
recurrir a adaptadores o tarjetas de expansión para compatibilizarlos con el
equipo.
A partir del 2010, la mayoría de los SSD utilizan memoria flash basada en puertas NAND, que retiene los
datos sin alimentación. Para aplicaciones que requieren acceso rápido, pero no
necesariamente la persistencia de datos después de la pérdida de potencia, los
SSD pueden ser construidos a partir de memoria de acceso aleatorio (RAM). Estos
dispositivos pueden emplear fuentes de alimentación independientes, tales como
baterías, para mantener los datos después de la desconexión de la corriente
eléctrica.
Se han desarrollado dispositivos que combinan ambas
tecnologías, es decir, discos duros y memorias flash, y se denominandiscos duros híbridos (HHD),
que intentan aunar capacidad y velocidad a un precio inferior a un SSD.
Definición
Una memoria de estado sólido es un dispositivo de
almacenamiento secundario hecho con componentes electrónicos en estado sólido
pensado para utilizarse en equipos informáticos en sustitución de una unidad de
disco duro convencional, como memoria auxiliar o para crear unidades híbridas
compuestas por SSD y disco duro.
Consta de una memoria no volátil, en vez de los platos
giratorios y cabezal de las unidades de disco duro convencionales. Al no tener
piezas móviles, una unidad de estado sólido reduce drásticamente el tiempo de
búsqueda, latencia y otros, diferenciándose así de los discos duros.
Al ser inmune a las vibraciones externas, es especialmente
apto para vehículos, ordenadores portátiles, etc.
Historia
SSD basados en RAM
Habría que remontarse a la década de 1950 cuando se
utilizaban dos tecnologías denominadas memoria
de núcleo magnético y CCROS. Estas memorias auxiliares surgieron
durante la época en la que se hacía uso del tubo de vacío, pero con la introducción en el
mercado de las memorias de tambor, más asequibles, no se
continuaron desarrollando. Durante los años 70 y 80, se aplicaron en memorias
fabricadas con semiconductores. Sin embargo, su precio era tan
prohibitivo que tuvieron muy poca aceptación, incluso en el mercado de lossuperordenadores.
En 1978, Texas memory presentó una
unidad de estado sólido de 16 KiB basada
en RAM para los equipos de las petroleras. Al año siguiente, StorageTek desarrolló el primer
tipo de unidad de estado sólido moderna. En 1983, se presentó el Sharp PC-5000,
haciendo gala de 128 cartuchos de almacenamiento en estado sólido basado
en memoria de burbuja. En septiembre de 1986, Santa Clara Systems presentó
el BATRAM, que constaba de 4 MiB ampliables
a 20 MiB usando módulos de memoria; dicha unidad contenía una pila
recargable para conservar los datos cuando no estaba en funcionamiento.
SSD basados en flash
En 1995, M-Systems presentó unidades de
estado sólido basadas en flash. Desde entonces, los SSD se han utilizado
exitosamente como alternativa a los discos duros en la industria militar y
aeroespacial, así como en otros menesteres análogos. Estas aplicaciones
dependen de una alta tasa de tiempo medio entre fallos (MTBF), gran capacidad
para soportar golpes fuertes, cambios bruscos de temperatura, presión y turbulencias.
BiTMICRO, en 1999, hizo gala de una
serie de presentaciones y anuncios de unidades de estado sólido basadas en
flash de 18 GiB en formato de 3,5 pulgadas.
Fusion-io, en 2007, anunció unidades de estado sólido con interfaz PCI-Express capaces
de realizar 100.000 operaciones de Entrada/Salida en formato de tarjeta de expansión con capacidades de
hasta 320 GB. En el CeBIT 2009, OCZ presentó un SSD basado en flash de
1 TiB con
interfaz PCI Express x8 capaz de alcanzar una velocidad máxima de escritura de
654 MB/s
y una velocidad máxima de lectura a 712 MB/s. En diciembre de 2009, Micron
Technology anunció el primer SSD del mundo, utilizando la interfaz
SATA III.
Enterprise flash drive
Los enterprise flash drives (EFD) están diseñados
para aplicaciones que requieren una alta tasa de operaciones por segundo,
fiabilidad y eficiencia energética. En la mayoría de los casos,
un EFD es un SSD con un conjunto de especificaciones superiores. El
término fue acuñado por EMC en enero de 2008, para ayudarles a identificar a los
fabricantes SSD que irían orientados a mercados de más alta gama. No existen
organismos de normalización que acuñen la definición de EFD, por lo que
cualquier fabricante puede denominar EFD a unidades SSD sin que existan unos
requisitos mínimos. Del mismo modo que puede haber fabricantes de SSD que
fabriquen unidades que cumplan los requisitos EFD y que jamás sean
denominados así.
RaceTrack
IBM está
investigando y diseñando un dispositivo, aún en fase experimental, denominado
Racetrack. Al igual que los SSD, son memorias no volátiles basadas en nanohilos
compuestos por níquel, hierro y vórtices que separan entre sí los datos
almacenados, lo que permite velocidades hasta cien mil veces superiores a los
discos duros tradicionales, según apunta la propia IBM.
Arquitectura, diseño y funcionamiento
Chasis abierto de un disco duro tradicional. (izquierda).
Aspecto de un dispositivo SSD indicado especialmente para ordenadores
portátiles (derecha).
Se distinguen dos periodos: al principio, se construían con
una memoria volátil DRAM y, más
adelante, se empezaron a fabricar con una memoria no volátil NAND flash.
Basados en NAND Flash
Casi la totalidad de los fabricantes comercializan sus SSD
con memorias no móviles NAND flash para desarrollar un dispositivo no sólo
veloz y con una vasta capacidad, sino robusto y a la vez lo más pequeño posible
tanto para el mercado de consumo como el profesional. Al ser memorias no
volátiles, no requieren ningún tipo de alimentación constante ni pilas para no
perder los datos almacenados, incluso en apagones repentinos, aunque cabe
destacar que los SSD NAND Flash son más lentos que los que se basan en DRAM.
Son comercializadas con las dimensiones heredadas de los discos duros, es
decir, en 3,5 pulgadas, 2,5 pulgadas y 1,8 pulgadas, aunque también ciertas SSD
vienen en formato tarjeta de expansión.
En algunos casos, las SSD pueden ser más lentas que los
discos duros, en especial con controladoras antiguas de gamas bajas, pero dado
que los tiempos de acceso de una SSD son inapreciables, al final resultan más
rápidos. Este tiempo de acceso tan corto se debe a la ausencia de piezas
mecánicas móviles, inherentes a los discos duros.
Una SSD se compone principalmente:
Controladora: Es un procesador electrónico que se
encarga de administrar, gestionar y unir los módulos de memoria NAND con los
conectores en entrada y salida. Ejecuta software a nivel de Firmware y es con
toda seguridad, el factor más determinante para las velocidades del dispositivo.
Caché: Un dispositivo SSD utiliza un pequeño
dispositivo de memoria DRAM similar al caché de los discos duros. El directorio
de la colocación de bloques y el desgaste de nivelación de datos también se
mantiene en la memoria caché mientras la unidad está operativa.
Condensador: Es necesario para mantener la integridad
de los datos de la memoria caché, si la alimentación eléctrica se ha detenido
inesperadamente, el tiempo suficiente para que se puedan enviar los datos
retenidos hacia la memoria no volátil.
El rendimiento de los SSD se incrementan añadiendo chips
NAND Flash en paralelo. Un sólo chip NAND Flash es relativamente lento, dado
que la interfaz de entrada y salida es de 8 ó 16bits asíncrona y
también por la latencia adicional de las operaciones básicas de E/S (Típica de
los SLC NAND - aproximadamente 25 μs para buscar una página de 4 KiB
de la matriz en el búfer de E/S en una lectura, aproximadamente 250 μs
para una página de 4 KiB de la memoria intermedia de E/S a la matriz de la
escritura y sobre 2 ms para borrar un bloque de 256 KiB). Cuando
varios dispositivos NAND operan en paralelo dentro de un SSD, las escalas de
ancho de banda se incrementan y las latencias de alta se minimizan, siempre y
cuando suficientes operaciones estén pendientes y la carga se distribuya uniformemente
entre los dispositivos.
Los SSD de Micron e Intel fabricaron
unidades flash mediante la aplicación de los datos de creación de bandas
(similar a RAID 0) e intercalado. Esto permitió la creación de SSD ultrarápidos
con 250 MB/s de lectura y escritura.
Las controladoras Sandforce SF 1000
Series consiguen tasas de transferencia cercanas a la saturación de la
interfaz SATA II (rozando los 300 MB/s simétricos tanto en lectura como en
escritura). La generación sucesora, las Sandforce SF 2000 Series, permiten
más allá de los 500 MB/s simétricos de lectura y escritura secuencial,
requiriendo de una interfaz SATA III si se desea alcanzar estos registros.
Basados en DRAM
Los SSD basados en este tipo de almacenamiento proporcionan
una rauda velocidad de acceso a datos, en torno a 10 μs y se utilizan
principalmente para acelerar aplicaciones que de otra manera serían mermadas
por la latencia del resto de sistemas. Estos SSD incorporan una batería o bien
un adaptador de corriente continua, además de un sistema de copia de seguridad
de almacenamiento para desconexiones abruptas que al restablecerse vuelve a
volcarse a la memoria no volátil, algo similar al sistema de hibernación de
los sistemas operativos.
Estos SSD son generalmente equipados con las mismas DIMMs de
RAM que cualquier ordenador corriente, permitiendo su sustitución o expansión.
Sin embargo, las mejoras de las memorias basadas en flash
están haciendo los SSD basados en DRAM no tan efectivos y acortando la brecha
que los separa en términos de rendimiento. Además los sistemas basados en DRAM
son tremendamente más caros.
Otras aplicaciones
Las unidades de estado sólido son especialmente útiles en un
ordenador que ya llegó al máximo de memoria RAM. Por ejemplo, algunas
arquitecturas x86 tienen 4 GiB de límite, pero éste puede ser extendido
colocando un SSD como archivo de intercambio (swap). Estos
SSD no proporcionan tanta rapidez de almacenamiento como la memoria RAM principal
debido al cuello de botella del bus que los conecta y a que la distancia de un
dispositivo a otro es mucho mayor, pero aun así mejoraría el rendimiento con
respecto a colocar el archivo de intercambio en una unidad de disco duro
tradicional.
Tecnologías
PCI-E,DRAM,y SSD basado en NAND.
Los SSD basados en NAND almacenan la información no volátil
en celdas mediante puertas lógicas "Y
Negadas". Actualmente las celdas son fabricadas mediante tres
tecnologías distintas:
Comparación entre Chips MLC y SLC.
Celda de nivel individual (SLC)
Este proceso consiste en cortar las obleas de silicio y
obtener chips de memoria. Este proceso monolítico tiene la ventaja de que los
chips son considerablemente más rápidos que los de la tecnología opuesta (MLC),
mayor longevidad, menor consumo, un menor tiempo de acceso a los datos. A
contrapartida, la densidad de capacidad por chips es menor, y por ende, un
considerable mayor precio en los dispositivos fabricados con éste método. A
nivel técnico, pueden almacenar solamente 1 bit de datos por celda.
Celda de nivel múltiple (MLC)
Este proceso consiste en apilar varios moldes de la oblea
para formar un sólo chip. Las principales ventajas de este sistema de
fabricación es tener una mayor capacidad por chip que con el sistema SLC y por tanto,
un menor precio final en el dispositivo. A nivel técnico es menos fiable,
durable, rápido y avanzado que las SLC. Éstos tipos de celdas almacenan 2 bits
por cada una, es decir 4 estados, por esa razón las tasas de lectura y
escritura de datos se ven mermadas. Toshiba ha conseguido desarrollar celdas de
3 bits
Triple bit por celda (TLC)
Nuevo proceso en el que se mantienen 3 bits por cada celda.
Su mayor ventaja es la considerable reducción de precio. Su mayor desventaja es
que solo permite 1000 escrituras.
Optimizaciones afines a SSD en los sistemas de archivos
Los sistemas de archivos se pensaron para trabajar y
gestionar sus archivos según las funcionalidades de un disco duro. Ese método
de gestión no es eficaz para ordenar los archivos dentro del SSD, provocando
una seria degradación del rendimiento cuanto más se usa, recuperable por
formateo total de la unidad de estado sólido, pero resultando engorroso, sobre
todo en sistemas operativos que dependan de almacenar diariamente bases de
datos. Para solucionarlo, diferentes sistemas operativos optimizaron sus sistemas
de archivos para trabajar eficientemente con unidades de estado sólido, cuando
éstas eran detectadas como tales, en vez de como dispositivos de disco duro.
NTFS y exFAT
Antes de Windows 7,
todos los sistemas operativos venían preparados para manejar con precisión las
unidades de disco duro. Windows
Vista incluyó la característica ReadyBoost para
mejorar y aprovechar las características de las unidades USB, pero para los SSD
tan sólo optimizaba la alineación de la partición para prevenir operaciones de
lectura, modificaciones y escritura, ya que en los SSD normalmente los sectores
son de 4 KiB, y actualmente los discos duros tienen sectores de 512 bytes
desalineados (que luego también se aumentaron a 4 KiB). Entre algunas
cosas, se recomienda desactivar el desfragmentador; su uso en una unidad SSD no
tiene sentido, y reduciría su vida al hacer un uso continuo de los ciclos de
lectura y escritura.
Windows 7 viene optimizado de serie para manejar
correctamente los SSD sin perder compatibilidad con los discos duros. El
sistema detecta automáticamente si es unidad de estado sólido o disco duro, y
cambia varias configuraciones; por ejemplo, desactiva automáticamente el
desfragmentador, el Superfetch, el Readyboost, cambia el sistema de arranque e
introduce el comando TRIM, que prolonga la vida útil de los SSD e impide la
degradación de su rendimiento.
ZFS
Solaris, en su versión 10u6, y las últimas versiones de
OpenSolaris y Solaris Express Community Edition, pueden usar SSD para mejorar
el rendimiento del sistema ZFS. Hay dos modos disponibles, utilizando un SSD
para el registro de ZFS Intent (ZIL) o para la L2ARC. Cuando se usa solo o en
combinación, se aumenta radicalmente el rendimiento.
Los nuevos SSD incluyen la tecnología GC (Garbage
Collector), otro mecanismo muy útil, en especial para las personas que no
tienen el PC encendido todo el día, el cual consiste en programar o forzar
limpiezas manuales. A estas utilidades se las conoce como recolectoras de
basura y permiten de un modo manual borrar esos bloques en desuso. Este tipo de
utilidades son útiles si no usamos un sistema operativo como Windows 7 y
también se puede usar en combinación con TRIM.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
Los dispositivos de estado sólido que usan bloques
de memorias flash tienen varias ventajas únicas frente a los discos
duros mecánicos:
Arranque más rápido, al no tener platos que necesiten tomar
una velocidad constante.
Gran velocidad de escritura.
Mayor rapidez de lectura, incluso 10 veces más que los
discos duros tradicionales más rápidos gracias a RAIDs internos en un mismo
SSD.
Baja latencia de lectura y escritura, cientos de veces más
rápido que los discos mecánicos.
Lanzamiento y arranque de aplicaciones en menor tiempo -
Resultado de la mayor velocidad de lectura y especialmente del tiempo de
búsqueda. Pero solo si la aplicación reside en flash y es más dependiente de la
velocidad de lectura que de otros aspectos.
Menor consumo de energía y producción de calor - Resultado
de no tener elementos mecánicos.
Sin ruido - La misma carencia de partes mecánicas los hace
completamente inaudibles.
Mejorado el tiempo medio entre fallos, superando 2 millones
de horas, muy superior al de los discos duros.
Seguridad - permitiendo una muy rápida "limpieza"
de los datos almacenados.
Rendimiento determinista - a diferencia de los discos duros
mecánicos, el rendimiento de los SSD es constante y determinista a través del
almacenamiento entero. El tiempo de "búsqueda" constante.
El rendimiento no se deteriora mientras el medio se llena.
(Véase Desfragmentación)
Menor peso y tamaño que un disco duro tradicional de similar
capacidad.
Resistente - Soporta caídas, golpes y vibraciones sin
estropearse y sin descalibrarse como pasaba con los antiguos discos duros,
gracias a carecer de elementos mecánicos.
Borrado más seguro e irrecuperable de datos; es decir, no es
necesario hacer uso del Algoritmo
Gutmann para cerciorarse totalmente del borrado de un archivo.
Limitaciones
Los dispositivos de estado sólido que usan memorias
flash tienen también varias desventajas:
Precio - Los precios de las memorias flash son
considerablemente más altos en relación precio/gigabyte,
debido a su baja demanda. Ésta como tal no es una desventaja técnica, y según
se logre su uso masificado en detrimento del estándar precedente, su precio se
regularizará y se hará asequible como sucede con los discos duros móviles, que
en teoría son más caros de producir por llevar piezas metálicas y tener
mecanismos de alta precisión.
Menor recuperación - Después de un fallo físico se pierden
completamente los datos pues la celda es destruida, mientras que en un disco
duro normal que sufre daño mecánico los datos son frecuentemente recuperables
usando ayuda de expertos.
Vida útil - Al reducirse el tamaño del transistor se
disminuye directamente la vida útil de las memorias NAND, se solucionaría ya en
modelos posteriores al instalar sistemas utilizando memristores.
Menores capacidades de almacenamiento.
Soluciones
Aunque su masificación está en entredicho, algunos de los
problemas que mayormente afectaron su uso masivo fueron:
Degradación de rendimiento al cabo de mucho uso en las
memorias NAND (solucionado, en parte, con el sistema TRIM).
Menor velocidad en operaciones E/S secuenciales. (Ya se ha
conseguido una velocidad similar).
Vulnerabilidad contra ciertos tipo de efectos - Incluyendo
pérdida de energía abrupta (en los SSD basado en DRAM), campos magnéticos y
cargas estáticas comparados con los discos duros normales (que almacenan los
datos dentro de una jaula de Faraday).
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