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Artículo técnico

Una mirada más de cerca a la protección de las unidades SSD contra las pérdidas de la alimentación de electricidad

La protección contra las pérdidas de la alimentación de electricidad (PLP, por sus siglas en inglés) de los discos SSD no es un concepto nuevo, pero ha habido grandes avances en los diseños recientes de los discos SSD en cuanto a las aplicaciones y técnicas para protegerlos durante una pérdida y después de ella. Los dos objetivos principales de la protección contra las pérdidas de la alimentación de electricidad son:

- El vaciado sin riesgos de los datos en tránsito (o de los datos alojados en los búferes DRAM o SRAM de memoria caché del disco) a la memoria Flash persistente o no volátil.

- La preservación de la integridad de la tabla de asignación de la memoria del SSD, de modo que siga siendo posible reconocerlo y utilizarlo al volver a arrancar el sistema.

Nota: La tabla de asignación de la memoria, también conocida como la capa Flash Transition Layer (FTL), es responsable de la interrelación entre las direcciones físicas y las direcciones lógicas de los datos almacenados en los discos SSD.

Cuando los sistemas se apagan con normalidad, los SSD reciben del controlador ATA del host el comando de puesta inmediata en espera (Standby Immediate Command). Dicho comando alerta al disco SSD de que el sistema se está apagando, con el fin de que se prepare para la interrupción de la alimentación de electricidad. Cuando los sistemas se apagan con normalidad, los SSD cuentan con tiempo de sobra para vaciar los búferes de memoria caché y para actualizar las tablas de asignación.

Los SSD bien diseñados incorporan una funcionalidad basada en hardware que incluye condensadores de almacenamiento de electricidad o una implementación de la función PLP en el firmware. Esta función almacena en la memoria Flash la información importante de metadatos para permitir la recuperación correcta del SSD al volver a arrancar. En la actualidad, Kingston usa condensadores de polímero de tantalio para la PLP.

Los discos SSD de las primeras generaciones no eran tan resistentes a las pérdidas de la alimentación de electricidad como los de hoy. Era habitual que los discos que se veían afectados por situaciones de pérdida súbita de la alimentación de electricidad ya no respondiesen al volverlos a encender. En muchos de esos casos, la situación de pérdida de electricidad hacía que los SSD fuesen irrecuperables y que se perdieran los datos almacenados.

Una mirada más de cerca a las distintas implementaciones de PLP

PLP en el hardware: La implementación en hardware está diseñada con el objetivo principal de reducir la pérdida de datos. Para ello, el SSD cuenta con condensadores de potencia que preservan la electricidad durante el tiempo suficiente para que los datos almacenados en los búferes de memoria caché del disco puedan escribirse en la memoria Flash y se puedan actualizar sus correspondientes tablas de asignación. A continuación se muestra una descripción general conceptual de una situación común de activación de la función PLP en el hardware.

El controlador del SSD detecta la pérdida súbita de la alimentación de electricidad

1. Los condensadores incorporados en el SSD asumen la función de alimentación de electricidad.

2. El controlador emite un comando interno de lavado de los búferes de memoria caché.

3. El controlador actualiza las tablas de asignación para el apagado normal del disco.

4. El disco se apaga con normalidad.

PLP en el firmware: La implementación en el firmware también está diseñada para reducir la probabilidad de pérdida de datos. En este caso, el firmware incorpora capacidades de reconstrucción de la tabla de asignación cuando se vuelve a encender el disco tras la pérdida súbita de la alimentación de electricidad. A continuación se muestra una descripción general conceptual de una situación de activación de la función PLP en el firmware:

1. La tabla de asignación de los datos en el SSD se almacena en la memoria Flash y se actualiza en los chips DRAM.

2. Cuando se escriben datos nuevos en el SSD, el firmware actualiza la tabla de asignación.

3. Los nuevos datos que se escriben incluyen etiquetas (o bytes adicionales) que contienen la información de LBA, de EEC y otra información relativa a los datos de la estructura.

4. Se produce la pérdida súbita de la alimentación de electricidad.

5. La información de la estructura de los datos contenida en los bytes adicionales, en combinación con la tabla original de asignación, permiten al firmware del SSD reconstruir su tabla de asignación al volver a encenderlo.

La protección PLP en el firmware es un método muy eficaz para la prevención de la pérdida de datos en aplicaciones de almacenamiento empresarial. Por ejemplo, al utilizar los discos SSD en matrices RAID es fundamental que se puedan recuperar y devolver a una buena condición de funcionamiento tras la interrupción del suministro de electricidad para preservar la integridad de la matriz RAID. Si se produce el fallo de una o de varias unidades individuales de la matriz, puede ocurrir que la matriz quede fuera de línea y haya una alta posibilidad de pérdida de datos.

Otra situación del entorno empresarial puede involucrar a los discos SSD que conforman un gran “recipientes de uso compartido” de almacenamiento, en el que se segmentan los SSD en múltiples números LUN que se comparten entre varios hosts. En este ejemplo, la alta disponibilidad es un factor crucial en el diseño. La protección PLP en el firmware asegura la recuperación correcta de los SSD, que son la base física de las unidades lógicas LUN y la utilización de dichos datos por parte de los hosts.

Kingston considera que la resistencia a las pérdidas súbitas de la alimentación de electricidad es una prioridad principal

Kingston® somete a sus discos SSD (para empresas y clientes) a pruebas muy severas de activación y desactivación de la alimentación de electricidad como parte de su proceso estándar de calificación. Además de las pruebas de compatibilidad, rendimiento y resistencia, los SSD de Kingston deben superar numerosas situaciones de pérdida peligrosa de la alimentación de electricidad. En dichas pruebas, los discos deben volver a arrancar y haber preservado totalmente su funcionalidad tras dichas situaciones. Si un SSD queda inutilizable tras las pruebas, se interrumpe el proceso de calificación, se detecta y resuelve el origen de la irregularidad y se reinicia el proceso.

Conclusión

Cada una de las aplicaciones y cada uno de los entornos son específicos, y se deben tomar en cuenta varios factores al decidir el tipo de protección PLP más adecuado.

La mayoría de las aplicaciones para empresas están protegidas por fuentes redundantes de potencia, sistemas de respaldo por batería y generadores de electricidad, que mantienen en funcionamiento los centros de datos al ocurrir pérdidas no previstas del suministro eléctrico. El software y las redes de alta velocidad han allanado el camino para la llegada de un creciente número de arquitecturas de réplica de los datos, por lo que el hardware ya no es el punto único de fallo.

La estabilidad del suministro de electricidad de los centros de datos y las metodologías de alta disponibilidad (HA, por sus siglas en inglés) son factores que se deben tomar en cuenta al determinar el tipo de protección PLP del SSD más adecuado para una aplicación dada de almacenamiento.

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