¿Qué permite usar la memoria flash para el sistema operativo en computadoras como tabletas?

Desde que se inventaron las unidades flash (memorias USB), las personas se preguntaban si podían ejecutar su sistema operativo en ellas. La respuesta fue "no" porque la cantidad de escrituras requeridas por un sistema operativo desgastaría rápidamente la unidad flash.

A medida que los SSD se hicieron populares, se mejoraron las tecnologías de nivelación del desgaste para permitir que los sistemas operativos se ejecuten en ellos.

Varias tabletas, netbooks y otras computadoras delgadas usan memoria flash en lugar de un disco duro o SSD, y el sistema operativo se almacena en él. ¿Cómo se volvió esto de repente práctico? Por ejemplo, ¿suelen implementar tecnologías de nivelación de desgaste?

"La respuesta fue" no "porque la cantidad de escrituras requeridas por un sistema operativo desgastaría rápidamente la unidad flash".

TLDR: Finalmente se volvieron rentables para el uso convencional.

Ese desgaste es la única preocupación es un poco una suposición. Ha habido sistemas que se ejecutan sin memoria de estado sólido durante un período considerable de tiempo (muchas personas que construyeron equipos para automóviles arrancaron con tarjetas CF (que eran eléctricamente compatibles con PATA) y triviales para instalar en lugar de un disco duro PATA) y PC industriales ha tenido un almacenamiento pequeño, resistente y basado en flash. Dicho esto, no había muchas opciones para el persona promedio . Puede comprar una tarjeta CF costosa y un adaptador para una computadora portátil, o encontrar un disco industrial muy pequeño y costoso en la unidad de módulo para una computadora de escritorio. No eran muy grandes en comparación con los discos duros contemporáneos (los DOM IDE modernos superan los 8 gb o 16 gb, creo). Estoy bastante seguro de que podría haber configurado las unidades de sistema de estado sólido mucho antes de que las SSD 'estándar' se volvieran comunes

Hasta donde yo sé, no ha habido realmente mejoras universales / mágicas en la nivelación del desgaste. Ha habido incremental mejoras (mientras nos hemos alejado de SLC caro a MLC, TLC e incluso QLC, y tamaños de proceso más pequeños, todo lo cual reduce el costo, con un mayor riesgo de desgaste). Flash se ha vuelto mucho más barato.

También había algunas alternativas que no tenían problemas de desgaste, por ejemplo, ejecutar todo el sistema desde una ROM (que posiblemente sea almacenamiento de estado sólido), ram con batería, que muchos SSD y dispositivos portátiles tempranos como el piloto de palma usaban. Ninguno de estos es común hoy en día. Los discos duros se sacudieron en comparación con, por ejemplo, ram respaldado por batería (demasiado caro), dispositivos de estado sólido tempranos (algo caros) o campesinos con banderas (nunca atrapados, densidad de datos terrible ). Incluso la memoria flash moderna es un descendiente de eeproms de borrado rápido ), y los eeproms se han utilizado en dispositivos electrónicos para el almacenamiento de cosas como firmware durante años.

Los discos duros simplemente estaban en una agradable intersección de alto volumen (¡lo cual es importante!), Bajo costo (ish) y relativamente almacenamiento suficiente .

La razón por la que encuentra emmcs en las PC modernas y de gama baja es que los componentes son relativamente baratos, lo suficientemente grandes (para sistemas operativos de escritorio) a ese costo y comparten características comunes con los componentes del teléfono celular, por lo que se producen en masa con una interfaz estándar. También dan una gran densidad de almacenamiento para su volumen. Teniendo en cuenta que muchas de estas máquinas tienen un miserable unidad 32 o 64 gb, a la par de los discos duros de hace casi una década, son una opción sensata en este rol.

Finalmente estamos llegando al punto en el que puede almacenar una cantidad razonable de memoria a un precio asequible y con velocidades razonables en emmcs y flash, por lo que la gente va por ellos.

Todos los dispositivos de memoria flash, desde tabletas hasta teléfonos, relojes inteligentes, SSD e incluso las tarjetas SD en cámaras y unidades USB utilizan la tecnología NVRAM. La diferencia está en la arquitectura de la NVRAM y en cómo el sistema operativo monta el sistema de archivos en cualquier medio de almacenamiento.

Para las tabletas y teléfonos Android, la tecnología NVRAM está basada en eMMC. Los datos que puedo encontrar en esta tecnología sugieren entre 3k y 10k ciclos de escritura. Desafortunadamente, nada de lo que he encontrado hasta ahora es definitivo, ya que Wikipedia está en blanco en los ciclos de escritura de esta tecnología. Todos los demás lugares que he visto son varios foros, por lo que difícilmente llamaría una fuente confiable.

En aras de la comparación, otras tecnologías NVRAM como las SSD que usan tecnología NAND o NOR, los ciclos de escritura son entre 10k y 30k.

Ahora, con respecto a la elección del sistema operativo de cómo montar el sistema de archivos ... No puedo hablar de cómo lo hace Apple, pero para Android, el chip está dividido como lo haría un disco duro. Tiene una partición del sistema operativo y una partición de datos, junto con varias otras particiones propietarias, dependiendo del fabricante del dispositivo. La partición raíz real vive dentro del gestor de arranque, que se incluye como un archivo comprimido (jffs2, cramfs, etc.) junto con el núcleo, de modo que cuando se completa el inicio de la etapa 1 del dispositivo (la pantalla del logotipo del fabricante generalmente), el núcleo se inicia y la partición raíz se monta simultáneamente como un disco ram.

A medida que el sistema operativo se inicia, monta el sistema de archivos de la partición primaria (/ system, que es jffs2 en dispositivos anteriores a Android 4.0 y ext2 / 3/4 en dispositivos desde Android 4.0, y xfs en los últimos dispositivos) como de solo lectura para que no se le pueden escribir datos. Esto, por supuesto, puede solucionarse mediante el llamado "rooting" de su dispositivo, que le da acceso como superusuario y le permite volver a montar la partición como lectura / escritura. Sus datos de "usuario" se escriben en una partición diferente en el chip (/ data, que sigue la misma convención que anteriormente basada en la versión de Android).

Con más y más teléfonos abandonando la ranura de la tarjeta sd, puede pensar que alcanzará el límite de escritura antes porque todos sus datos ahora se guardan en el almacenamiento eMMC en lugar de la tarjeta sd. Afortunadamente, la mayoría de los sistemas de archivos detectan una escritura fallida en un área de almacenamiento determinada. Si falla una escritura, los datos se guardan en silencio en una nueva área del almacenamiento, y el controlador del sistema de archivos acordona el área defectuosa (conocida como bloque defectuoso) para que los datos ya no se escriban allí en el futuro. Si falla una lectura, los datos se marcan como corruptos y se le indica al usuario que ejecute una verificación del sistema de archivos o un disco de verificación, o el dispositivo verifica automáticamente el sistema de archivos durante el próximo arranque.

De hecho, Google tiene una patente para detectar y manejar automáticamente los bloques defectuosos.

https://www.google.com/patents/US7690031

Para ir más al grano, su pregunta "¿cómo se volvió esto de repente práctico?" No es la pregunta correcta para hacerse. Más bien, nunca fue poco práctico, en primer lugar. Se desaconsejó encarecidamente instalar el sistema operativo (Windows) en un SSD (presumiblemente) debido a la cantidad de escrituras que el sistema operativo realiza en el disco.

Por ejemplo, el registro recibe literalmente cientos de lecturas y escrituras por segundo, que se pueden ver con la herramienta de Microsoft / SysInternals Regmon ( https://technet.microsoft.com/en-us/sysinternals/regmon.aspx )

Se desaconsejó la instalación del sistema operativo (Windows) en unidades SSD de primera generación porque, con la falta de nivelación de desgaste, los datos escritos en el registro cada segundo probablemente alcanzaron a los primeros usuarios y dieron como resultado sistemas no arrancables debido a la corrupción del registro.

Con tabletas y teléfonos, y prácticamente cualquier otro dispositivo integrado, no hay registro (los dispositivos integrados de Windows son excepciones, por supuesto) y, por lo tanto, no hay que preocuparse de que los datos se escriban constantemente en las mismas partes del medio flash.

Para los dispositivos Windows Embedded, como muchos de los quioscos (incluidos los quioscos de autopago de Walmart y Kroger) en el público, ya sabes, aquellos en los que puede ver un BSOD aleatorio de vez en cuando, no hay mucho de configuración que se puede hacer, ya que están prediseñados con configuraciones que nunca cambiarán. Los únicos cambios de tiempo que tienen lugar son antes de que el chip se escriba en la mayoría de los casos. Todo lo que deba guardarse (como su pago en el supermercado) se realiza a través de la red a las bases de datos de la tienda en un servidor.

Su pregunta se basa en la suposición de que los límites de escritura de la memoria flash, sin una gran nivelación de desgaste, la hacen inadecuada para el almacenamiento primario de cualquier dispositivo informático. Existe una gama de dispositivos informáticos, incluidas tabletas, netbooks, teléfonos inteligentes, etc., que utilizan memoria flash para este propósito, sin la nivelación de desgaste que se encuentra en los SSD.

Vida de la memoria

No pude encontrar evidencia de que, en general, la memoria utilizada en estos dispositivos tenga una vida útil más larga que las unidades flash o las tarjetas SD.

Aunque se utiliza memoria flash, existen algunas diferencias con respecto a lo que hay en un pen drive o tarjeta SD. Estas computadoras generalmente usan eMMC, que contiene el controlador y la memoria flash en un solo chip, con una arquitectura diferente a la de una tarjeta SD o unidad flash. Una diferencia para el controlador eMMC es que emula un disco duro, por lo que la computadora lo ve como un dispositivo de arranque. Esa es una conveniencia de diseño.

Algunos de los fabricantes afirman que su controlador eMMC mejora la nivelación de desgaste y tiene una corrección de errores más robusta que la que se encuentra en una tarjeta SD o unidad flash típica. La implicación de la ECC mejorada es que puede tolerar más degradación y seguir funcionando, por lo que tiene una vida útil más larga.

Dado que todo esto es propietario, es difícil encontrar datos sólidos que lo respalden. Incluso si hay eMMC de gama alta que duran más, eso no es necesariamente lo que se usa en la mayoría de estos dispositivos. La información variada que pude encontrar sobre los límites de escritura de eMMC parece ubicarla en el mismo estadio general que las tarjetas SD y las unidades de memoria.

Parece que, en general, la memoria de mayor duración no es la base para usar la memoria flash como almacenamiento principal en estos dispositivos. Todos no estaban equivocados acerca de los límites de escritura; El uso puede explicarse por el hecho de que los requisitos son diferentes.

Diferencias de plataforma

Las PC y las computadoras portátiles son computadoras de uso general que la gente espera usar durante mucho tiempo. Las unidades flash y las tarjetas de memoria no son una excelente opción como su dispositivo de almacenamiento principal dada la cantidad típica de escritura que están diseñadas para manejar y su vida útil esperada. Eso se refleja en la guía que describió en la pregunta, y eso no ha cambiado (al menos para la generación actual de memoria flash).

Tabletas, netbooks, teléfonos inteligentes y similares son una situación diferente. Los que usan memoria flash como su almacenamiento principal son dispositivos de propósito limitado. Las tareas que están diseñadas para manejar, sus recursos mínimos de hardware disponibles para soportar otros usos, su diseño básico y su sistema operativo y software, resultan en menos escritura en comparación con una PC. Dado que estos dispositivos dependen de la memoria flash (en un formato que no es reemplazable), los límites de escritura son una consideración en lo que se ejecuta en ellos.

También tienen una esperanza de vida más corta. Los dispositivos que usan memoria flash como su almacenamiento primario son económicos, diseñados para un mercado donde las personas se actualizan con frecuencia. Los dispositivos proporcionan ciertas características y capacidades en un factor de forma pequeño, y duran tanto como en función de los componentes a partir de los cuales están construidos. Es probable que la batería falle antes de la memoria flash o que se rompan algunas partes. Y existe un marketing constante para convencerlo de que su dispositivo está obsoleto y necesita ser reemplazado por el último modelo.

Hay una historia que Henry Ford solía enviar a sus ingenieros a los depósitos de chatarra en busca de componentes de automóviles muertos que todavía estaban bien. La idea era que esas partes pudieran fabricarse de manera más económica porque no tenían que durar tanto como lo hacían. Esa lógica se aplica a la memoria flash en estos dispositivos. Solo necesita durar lo suficiente, no necesita durar más que el dispositivo.

Línea de fondo

Existen nichos de mercado para dispositivos informáticos baratos y pequeños que no escriben tanto en el almacenamiento primario como una PC está diseñada para manejar, y que no tienen las mismas expectativas de vida útil. La memoria en forma de eMMC es barata, pequeña, de arranque y lo suficientemente buena para esa aplicación.