Analicemos los términos fundamentales relacionados con los discos de estado sólido: M.2, SATA, NVMe y otros.
En realidad, comparar los conceptos de SSD, M.2 y NVMe es incorrecto. Uno es un dispositivo de almacenamiento de datos, otro es un factor de forma del dispositivo, y el tercero es un estándar de protocolo de transferencia de datos. Para no confundir los términos, profundicemos en estos conceptos. Comencemos con los discos duros y sus diferencias con los SSD, resaltemos las diferencias entre los SSD de 2,5 pulgadas y los M.2, y comparemos SATA con NVMe.
¿Qué es un disco duro, o HDD?
Primero, entendamos los tipos principales de discos que se pueden encontrar en servidores: HDD y SSD.
Un PC normal, al igual que un servidor, está compuesto por muchos componentes, de los cuales nos interesan cuatro:
- Procesador: se encarga del procesamiento de la información, los cálculos, la ejecución del código de los programas y el sistema operativo, y controla el funcionamiento de todas las demás partes.
- Placa base. En ella se instalan el procesador, la memoria RAM, las tarjetas gráficas, los controladores, y se encuentran los puertos para conectar la memoria externa. La placa base alimenta todos los componentes y los une en una sola unidad.
- Buses, interfaz, puertos. Pueden llamarse de diferentes maneras, pero la esencia es la misma: son la conexión necesaria para la transferencia de datos, por ejemplo, desde la memoria RAM hasta el procesador.
- Disco duro— un dispositivo de almacenamiento que alberga programas, archivos y sistemas operativos. Este texto está dedicado a él y a sus variaciones.
Estructura del disco duro HDD
HDD, o Hard (magnetic) Disk Drive, es el disco duro clásico, un almacén de datos.
Dentro de la carcasa dura del disco hay platos magnéticos sobre los que se graban los datos. Estos se leen y escriben mediante un cabezal que, mediante impulsos magnéticos, lee o escribe datos. El motor hace girar el disco, y toda la operación está controlada por un circuito integrado llamado controlador.
Los datos se graban en pistas sobre la superficie del disco, aproximadamente como en discos de vinilo. La información no se almacena en un solo lugar, sino en grupos de datos llamados clusters o sectores, dispersos por todo el disco, por lo que para leer los datos, el disco debe girar.
Pistas y sectores.
Cuanto más rápido gira el disco, más datos pueden leerse o escribirse por segundo. Sin embargo, existe un límite: si se aumenta indefinidamente la velocidad, el material podría no resistir las vibraciones y dañarse por la carga.
Esta problemática se intentó resolver. Por ejemplo, en el año 2000, la empresa Seagate lanzó el disco X15, que giraba a 15.000 revoluciones por minuto. Pero esto es más bien una rareza; los discos ordinarios no superan las 7200 revoluciones por minuto en los ordenadores personales domésticos, lo que proporciona 85-120 MB/s de lectura. La velocidad máxima de los discos en los ordenadores personales domésticos no supera los 150 MB/s.
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Existen varios formatos, o tipos, de discos duros (HDD) según su tamaño:
- 3,5 pulgadas — más comunes en servidores;
- 2,5 pulgadas — para ordenadores personales domésticos;
- discos duros externos — se utilizan como almacenamiento externo de datos (también utilizan discos de 2,5 pulgadas, pero con un carcasa externa).
De izquierda a derecha: HDD 3,5″, HDD 2,5″, disco externo de 2,5 pulgadas.
¿Qué es un disco SSD y en qué se diferencia de un HDD?
El disco SSD, o Solid State Drive, es un dispositivo de almacenamiento de estado sólido. Funciona de forma diferente a un HDD: almacena la información en chips semiconductores en celdas de memoria. Estos son los llamados “dispositivos de memoria no volátiles no mecánicos”. “No volátiles” significa que los datos se conservan incluso cuando se pierde la alimentación.
Los SSD están compuestos por resistencias, condensadores, un controlador, memoria DRAM de búfer, chips de memoria flash NAND y conectores. En realidad, es una gran “memoria USB”. La principal diferencia con un HDD no está en los componentes (en este sentido, los discos son muy similares), sino en la ausencia de partes móviles.
De la “estaticidad” del disco SSD se derivan varias ventajas:
- ocupa menos espacio;
- silencioso;
- más fiable (no se “desgasta” por la lectura de datos);
- más rápido al escribir y leer datos.
La velocidad de lectura varía de 270 a 500 MB/s, lo que es mucho más rápido que el de un HDD. Por ejemplo, el tiempo de carga completo de Windows 7 en un HDD es de 49 segundos en promedio, mientras que en un SSD es de 19 segundos.
Interfaces de conexión de discos: SATA y NVMe
Un interfaz es un conjunto de métodos de conexión a la placa base, métodos y reglas de interacción del disco con las demás partes del PC. Esto incluye los tipos de conectores físicos, los protocolos de transmisión de datos y las formas de transmisión de datos.
Interfaz paralela de conexión IDE
Un ejemplo claro de interfaz aplicado a los discos duros es IDE (Integrated Drive Electronics) o ATA (Advanced Technology Attachment). Es, en términos generales, una forma simple de conectar un disco duro a la placa base a través de un cable de 40 o 80 hilos.
Así se ven los puertos para IDE en un disco duro.
En la foto se aprecia claramente el conector IDE. Fuente
Hemos mencionado que el interfaz incluye también métodos de transmisión de datos. Para IDE, hay varios métodos. Por ejemplo, PIO (Programmed input/output), donde los datos se transmiten entre los dispositivos a través del procesador, o DMA (Direct Memory Access), donde el procesador no se utiliza para la transmisión de datos.
La información a través del interfaz IDE se transmite en paralelo, cuando cada bit de datos viaja por su propia línea de señalización, por un canal físico. Por lo tanto, para la conexión del interfaz se utiliza un cable de 40 o 80 hilos. La transmisión de datos se realiza en porciones iguales al número de canales.
Entre las desventajas de la solución se encuentran los canales paralelos que se influyen mutuamente, lo que lleva a la distorsión de los mensajes. Este problema se ha resuelto en el interfaz SATA, que se convirtió en la evolución del IDE paralelo.
Interfaz de intercambio de datos secuencial SATA
SATA, o Serial ATA, es un método secuencial de transmisión de información binaria. Los bits se transmiten uno tras otro.
Una placa madre puede tener varios puertos SATA, permitiendo conectar varios discos duros que funcionan simultáneamente, algo que no era posible con IDE.
Así se ven los puertos SATA.
A través de la interfaz SATA, los datos se transmiten más rápido que a través de IDE. SATA tiene menos contactos y microchips, lo que reduce el sobrecalentamiento.
La interfaz SATA se ha popularizado en discos SSD. Inicialmente, la interfaz fue diseñada para discos duros HDD, donde la cabeza solo puede acceder a una celda de una placa del disco. Por lo tanto, los dispositivos SATA solo tienen un canal y una velocidad de transferencia relativamente baja. Estas velocidades de lectura se ofrecen en diferentes especificaciones SATA:
- 1 — 150 MB/s;
- SATA 2 — 300 MB/s;
- SATA 3 – 600 MB/s.
Esta es la velocidad máxima teórica, que es varias veces menor que la velocidad del estándar NVMe, del cual hablaremos más adelante.
NVMe
NVMe, o Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification, es una especificación de protocolos de acceso a dispositivos de almacenamiento. Permite que los discos de estado sólido lean y transmitan datos a través del slot PCIe, del cual hablaremos más adelante.
NVMe puede proporcionar una velocidad de escritura de hasta 3,2 GB/s, seis veces mayor que la de SATA 3.
- La ranura PCIe está ubicada directamente en la placa base, sin «intermediarios» en forma de cables.
- Para ejecutar el comando NVMe, se accede a la memoria RAM una sola vez, mientras que SATA lo hace dos.
- Existe paralelismo de flujos.
- Existen mecanismos de trabajo con colas y manejo de interrupciones, por lo que las comandos con alta prioridad se procesarán más rápido.
Protocolos de transmisión de datos PCIe y AHCI
Ahora hablaremos sobre los modos de transmisión de datos basados en los interfaces considerados. Aquí, los más interesantes son PCIe y AHCI.
PCIe
Peripheral Component Interconnect Express, o PCIe, es una bus de entrada/salida secuencial. Físicamente, es una conexión, un «adaptador», en forma de ranura o conector para conectar dispositivos directamente a la placa base.
El zócalo superior es PCIe x4, en el centro PCIe x16, en la parte inferior PCIe x1. Fuente
PCIe tiene un canal directo de «comunicación» con el procesador y la memoria RAM, así como canales independientes de recepción y transmisión de datos, o líneas.
Una línea es una especie de conexión entre dispositivos en forma de cuatro cables: dos para transmisión, dos para recepción de datos. Transmiten datos como en una autopista de dos carriles: en ambos sentidos simultáneamente. Esto se llama modo duplex. Dos conductores de señal con polaridad opuesta permite combatir las interferencias.
La velocidad de transferencia de datos a través de PCIe depende de la versión y el número de líneas. Por ejemplo, la velocidad teórica de PCIe 3.0 es de 986 MB/s con una línea y de 1970 MB/s con dos.
Nota. La barrita PCIe está diseñada para conectar dispositivos periféricos, no solo discos duros, sino también tarjetas gráficas o tarjetas de red.
PCI Express es una forma de conexión a la placa base y de transferencia de datos. Es el protocolo/interfaz que utiliza NVMe.
AHCI
A pesar de su nombre, AHCI (Advanced Host Controller Interface) no es un interfaz en el sentido estricto. Es más bien un mecanismo o modo que mejora el estándar SATA.
Por ejemplo, en AHCI existe la sustitución caliente de discos sin apagar el servidor y el algoritmo de ordenación de comandos NCQ de instalación de hardware, que se logra mediante la optimización del movimiento de la cabeza de lectura. Dado que los discos SSD no tienen problemas con la cabeza, se considera que el modo AHCI es más adecuado para los discos HDD.
Diferencia entre SATA en modo AHCI y NVMe
El protocolo NVMe está diseñado específicamente para SSD para aprovechar todo el potencial de los discos de estado sólido. El hecho es que su velocidad potencial con una conexión SATA se limita al protocolo SATA 3, que es de 600 MB/s en lectura. Física, los acumuladores pueden funcionar hasta diez veces más rápido. Para superar esta limitación existe NVME, con él la velocidad del SSD alcanza los 3,2 GB/s.
SATA en modo AHCI está diseñado para discos HDD.
El modo de funcionamiento acelera el inicio de archivos, el indicador IOPS y aumenta el rendimiento en aproximadamente un 20%. Se puede trabajar en el modo AHCI y con discos SSD, pero no habrá un gran aumento en la velocidad.
Tipos de unidades de estado sólido
Ahora, después de hablar sobre los SSD, los interfaces y los modos de conexión, podemos comprender los tipos de unidades SSD. Se diferencian según los siguientes criterios:
- tamaño y forma;
- forma de transferencia de datos: SATA o NVMe;
- interfaces, de las cuales ya hemos hablado.
SSD de 2,5 pulgadas SATA
Este es un disco SSD instalado en un carcasa de plástico, con conectores para la conexión SATA a través de un cable SATA. En la imagen se puede ver que la placa con los chips está instalada en una carcasa de plástico, en la que hay mucho espacio vacío.
Disco SSD en una carcasa de plástico. Fuente
Esto no se hace al azar: este formato permite colocar un SSD de 2,5″ en lugar de un disco duro de 2,5″ en el mismo lugar. Además, el espacio «extra» protege la placa de daños y permite la refrigeración pasiva del dispositivo.
En el mismo factor de forma de 2,5 pulgadas, se encuentran SSD no solo con interfaz SATA. Por ejemplo, WD Gold WDS384T1D0D 3,8 TB, 2,5 pulgadas, funciona a través de la interfaz PCIe x4.
Disco SSD Western Digital. Fuente
Este es un almacenamiento para sistemas corporativos, ya que la interfaz PCIe proporciona un rápido acceso a los datos. El factor de forma SSD de 2,5″, pero con un conector no SATA, sino U.2, que se conecta a PCIe y utiliza 4 líneas.
La conexión también se puede realizar a través de un cable, por ejemplo, este. Fuente
SSD M.2
M.2 es un factor de forma de SSD. Es el mismo SSD, pero sin carcasa de plástico: simplemente una placa en la que se encuentran los chips, el controlador y la memoria caché.
Existen varios tamaños: 2230, 2242, 2260, 2280, 22110. Las dos primeras cifras representan el ancho en milímetros, y las siguientes, la longitud. El ancho de todas las placas es de 22 milímetros, mientras que la longitud varía de 30 milímetros a 110 milímetros.
Los almacenamiento SSD M.2 se conectan a ranuras especiales, sin cables de alimentación ni cintas. Se alimentan desde la placa base.
Ejemplo de SSD M.2. Fuente
La interacción con la placa base y el procesador se realiza a través de diferentes buses y estándares: SATA, PCIe y NVMe. A través del mismo slot M.2, el disco puede transmitir datos de manera diferente: por la antigua y lenta interfaz SATA o por la más moderna PCIe.
Por lo tanto, cuando se habla de M.2, se refiere simplemente al factor de forma. Cómo se conectará y qué tan rápido funcionará depende de la clave M.2: M.2 SATA o M.2 NVMe.
Nota. M.2 no siempre se refiere a SSD. Es simplemente una forma en la que pueden existir otros módulos, como Wi-Fi, Bluetooth, NFC u otras tecnologías.
M.2 SATA
M.2 SATA es el mismo SSD de 2,5 pulgadas, pero en formato M.2. Se conecta a través de SATA.
Ejemplo de disco M.2 SATA. Fuente
Casi siempre tienen dos «cortadores» en la placa: las claves M y B.
La velocidad de un M.2 SATA se limita a la velocidad de la última versión de SATA 3: 600 MB/s.
M.2 NVMe, o M.2 PCIe NVME
Es el mismo disco SSD M.2, pero con un interfaz de conexión NVMe, que transfiere datos a través de la interfaz PCI Express.
Ejemplo de disco NVMe M.2. Fuente
Como se puede ver en la imagen, esta placa tiene un solo conector: M. Por lo tanto, un SSD M.2 SATA se puede conectar a cualquier conector M.2, pero la compatibilidad con M.2 NVMe no es tan alta. Las versiones con el conector B ya son casi inexistentes.
Estos discos pueden alcanzar altas velocidades de lectura porque no hay interferencia de la capacidad de la interfaz SATA. El tiempo de respuesta al acceder a los dispositivos M.2 NVMe también es mucho mayor. Por ejemplo, la velocidad de lectura del disco Samsung 970 EVO Plus MZ-V7S250BW 250GB, M.2 2280, PCI-E x4, NVMe (en la imagen de arriba) es de 3500 MB/s, mientras que la velocidad de escritura es de 2300 MB/s.
Por otro lado, el SSD Kingston 120GB A400 (SA400M8/120G) en el mismo formato, que funciona con SATA 3, tiene características IOPS más bajas: 500/320.
El mismo SSD de Kingston.
Comparación entre M.2 SATA y M.2 NVMe
Un detalle importante es que estas velocidades son teóricas. En la práctica, la mayoría de las operaciones se realizan con archivos pequeños, por lo que la velocidad de lectura secuencial de archivos no es tan importante como la velocidad de trabajo con bloques aleatorios. En este aspecto, NVMe tiene una ligera ventaja sobre SATA.
La velocidad de carga de los sistemas operativos y programas con NVMe no es significativamente mayor que la de SATA. Los controladores NVMe son una buena opción cuando se trabaja con archivos grandes, como videos.
Los M.2 SATA también tienen ventajas: no se sobrecalientan, por lo que no requieren radiadores adicionales para refrigeración. Aunque, generalmente, el slot M.2 SATA está ubicado cerca de la tarjeta gráfica.
Por otro lado, en el caso de M.2 NVMe, la situación es opuesta: el consumo eléctrico de un dispositivo NVMe supera en varios órdenes de magnitud al de SATA y generan mucho calor. Como resultado, el controlador puede sobrecalentarse y el rendimiento del dispositivo puede deteriorarse. Como solución, puede comprar dispositivos NVMe con radiador incluido o instalar una placa de aluminio para refrigeración pasiva.
Se puede comparar controladores M.2 NVMe y M.2 SATA, pero no M.2 y NVMe. NVMe es un estándar de transferencia de datos, mientras que M.2 es un factor de forma de SSD, que admite NVMe. Son cosas lógicamente y físicamente diferentes.
Al elegir un disco SSD, debe considerar la placa base seleccionada, los requisitos de velocidad de lectura/escritura y las posibilidades financieras.
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Resumen
- Un controlador SATA es un SSD con interfaz SATA, diseñado para discos duros.
- M.2 SSD es uno de los tipos de controladores sólidos. Pueden conectarse tanto mediante SATA como mediante la interfaz PCIe más rápida.
NVMe es un protocolo de rápido intercambio de datos a través del bus PCIe. El protocolo fue desarrollado para unidades SSD.
Al combinar estos conceptos, se deduce que NVMe no es un dispositivo, sino una especificación de protocolo de transmisión de datos a través del interfaz PCIe de una unidad SSD M.2. Por lo tanto, la frase «unidad NVMe» es incorrecta.
Los acumuladores M.2 PCIe ofrecen la máxima velocidad y rendimiento. Sin embargo, no todas las placas base y fabricantes las soportan, ya que son costosas. No todas las placas tienen ranuras M.2, y si las tienen, con más frecuencia se encuentran ranuras M.2 SATA.
M.2 SATA y SATA SSD 2,5 tienen características prácticamente idénticas debido al protocolo común. Por lo tanto, si se necesita compacidad (por ejemplo, en una computadora portátil), es mejor elegir M.2 SATA o aumentar la cantidad de puertos M.2 NVMe mediante adaptadores. Pero si se trata de una computadora de escritorio, no hay diferencia con respecto a la velocidad o el precio en comparación con los SSD 2,5». Además, cambiar los discos de forma rápida es más conveniente a través del cable.
