Articulo de referencia

NVM Express

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Una unidad de estado sólido NVMe SanDisk PC SN7100s de 256 GB
Una unidad de estado sólido NVMe Kingston NV2 de 2 TB
Una unidad de estado sólido NVMe Gen4 2230 con su etiqueta retirada para mostrar la memoria NAND y el controlador NAND ( KIOXIA BG6).

NVM Express ( NVMe , Non-Volatile Memory Express ) o Especificación de Interfaz del Controlador de Host de Memoria No Volátil ( NVMHCIS ) es una especificación de interfaz de dispositivo lógico abierta para acceder a los medios de almacenamiento no volátil de una computadora, generalmente conectados a través del bus PCI Express . Las siglas NVM significan memoria no volátil , que suele ser memoria flash NAND disponible en varios formatos físicos, incluyendo unidades de estado sólido (SSD), tarjetas de expansión PCIe y tarjetas M.2 , sucesoras de las tarjetas mSATA . NVM Express, como interfaz de dispositivo lógico, se ha diseñado para aprovechar la baja latencia y el paralelismo interno de los dispositivos de almacenamiento de estado sólido. [ 1 ]

Desde el punto de vista arquitectónico, la lógica de NVMe se almacena físicamente dentro del chip controlador NVMe, que se encuentra físicamente junto al medio de almacenamiento, generalmente una unidad SSD, y es ejecutada por este. Los cambios de versión de NVMe, por ejemplo, de la 1.3 a la 1.4, se incorporan al medio de almacenamiento y no afectan a los componentes compatibles con PCIe, como las placas base y las CPU. [ 2 ]

Por su diseño, NVM Express permite que el hardware y el software del host aprovechen al máximo el paralelismo que ofrecen las unidades SSD modernas. Como resultado, NVM Express reduce la sobrecarga de E/S y ofrece diversas mejoras de rendimiento con respecto a las interfaces de dispositivos lógicos anteriores, incluyendo múltiples colas de comandos largas y una latencia reducida. Los protocolos de interfaz anteriores, como AHCI, se desarrollaron para su uso con discos duros (HDD) mucho más lentos, donde existe un retraso considerable (en relación con las operaciones de la CPU) entre una solicitud y la transferencia de datos, donde la velocidad de los datos es mucho menor que la de la RAM, y donde la rotación del disco y el tiempo de búsqueda generan requisitos de optimización adicionales.

Los dispositivos NVM Express están disponibles principalmente en el formato miniatura M.2 , aunque también existen tarjetas de expansión PCI Express de tamaño estándar [ 3 ] y dispositivos de formato de 2,5 pulgadas que proporcionan una interfaz PCI Express de cuatro carriles a través del conector U.2 (anteriormente conocido como SFF-8639). [ 4 ] [ 5 ]

Presupuesto

Las especificaciones para NVMe publicadas hasta la fecha incluyen: [ 6 ]

  • 1.0e (enero de 2013)
  • 1.1b (julio de 2014) que agrega conjuntos de comandos estandarizados para lograr una mejor compatibilidad entre diferentes dispositivos NVMe, una interfaz de administración que proporciona herramientas estandarizadas para administrar dispositivos NVMe, simplificando la administración y especificaciones de transporte que definen cómo se transportan los comandos NVMe a través de varias interfaces físicas, mejorando la interoperabilidad. [ 7 ]
  • 1.2 (noviembre de 2014)
    • 1.2a (octubre de 2015)
    • 1.2b (junio de 2016)
    • 1.2.1 (junio de 2016) que introduce las siguientes nuevas características con respecto a la versión 1.1b: Multi-Queue para admitir múltiples colas de E/S, mejorando el rendimiento y la transferencia de datos; Namespace Management que permite la creación, eliminación y redimensionamiento dinámicos de espacios de nombres, proporcionando mayor flexibilidad; y Endurance Management para supervisar y gestionar los niveles de desgaste de las SSD, optimizando el rendimiento y extendiendo la vida útil de la unidad. [ 8 ]
  • 1.3 (mayo de 2017)
    • 1.3a (octubre de 2017)
    • 1.3b (mayo de 2018)
    • 1,3c (mayo de 2018)
    • 1.3d (marzo de 2019) que desde la versión 1.2.1 agregó Namespace Sharing para permitir que múltiples hosts accedan a un único espacio de nombres, facilitando entornos de almacenamiento compartido, Namespace Reservation para proporcionar mecanismos para que los hosts reserven espacios de nombres, evitando conflictos y asegurando la integridad de los datos, y Namespace Priority que establece niveles de prioridad para diferentes espacios de nombres, optimizando el rendimiento para cargas de trabajo críticas. [ 9 ] [ 10 ]
  • 1.4 (junio de 2019)
    • 1.4a (marzo de 2020)
    • 1.4b (septiembre de 2020)
    • 1.4c (junio de 2021), que presenta las siguientes novedades en comparación con la versión 1.3d: Determinismo de E/S para garantizar una latencia y un rendimiento consistentes mediante el aislamiento de las cargas de trabajo, Protección contra escritura en el espacio de nombres para evitar la corrupción de datos o modificaciones no autorizadas, Registro de eventos persistente que almacena los registros de eventos en memoria no volátil, lo que facilita el diagnóstico y la resolución de problemas, y Comando de verificación que comprueba la integridad de los datos. [ 11 ] [ 12 ]
  • 2.0 (mayo de 2021) [ 13 ]
    • 2.0a (julio de 2021)
    • 2.0b (enero de 2022)
    • 2.0c (octubre de 2022)
    • 2.0d (enero de 2024), [ 14 ] que, en comparación con 1.4c, introduce Espacios de nombres zonificados (ZNS) para organizar los datos en zonas para operaciones de escritura eficientes, reduciendo la amplificación de escritura y mejorando la longevidad de las SSD, Clave-valor (KV) para el almacenamiento y recuperación eficientes de pares clave-valor directamente en el dispositivo NVMe, evitando los sistemas de archivos tradicionales, Administración de grupos de resistencia para administrar grupos de SSD en función de su resistencia, optimizando el uso y extendiendo la vida útil. [ 15 ] [ 14 ] [ 16 ]
    • 2.0e (julio de 2024)
  • 2.1 (agosto de 2024) [ 17 ] que introduce la migración en vivo para mantener la disponibilidad del servicio durante la migración, Key Per I/O para aplicar claves de cifrado a nivel de operación individual, NVMe-MI High Availability Out of Band Management para administrar dispositivos NVMe fuera de las rutas de datos habituales y NVMe Network Boot / UEFI para arrancar dispositivos NVMe a través de una red. [ 18 ]
  • 2.2 (marzo de 2025)
  • 2.3 (5 de agosto de 2025)

Fondo

Unidad SSD Intel serie 750, una unidad SSD que utiliza NVM Express, en forma de tarjeta de expansión PCI Express 3.0 ×4 (vistas frontal y posterior).

Históricamente, la mayoría de las SSD utilizaban buses como SATA , [ 19 ] SAS , [ 20 ] [ 21 ] o Fibre Channel para la interfaz con el resto del sistema informático. Desde que las SSD se hicieron disponibles en los mercados masivos, SATA se ha convertido en la forma más típica de conectar las SSD en los ordenadores personales ; sin embargo, SATA fue diseñado principalmente para la interfaz con discos duros mecánicos (HDD), y se volvió cada vez más inadecuado para las SSD, que mejoraron su velocidad con el tiempo. [ 22 ] Por ejemplo, a los cinco años de su adopción masiva en el mercado (2005-2010), muchas SSD ya se veían limitadas por las velocidades de datos comparativamente lentas disponibles para los discos duros; a diferencia de los discos duros, algunas SSD están limitadas por el rendimiento máximo de SATA.

Las unidades SSD de gama alta se fabricaban utilizando el bus PCI Express antes de NVMe, pero con interfaces de especificación no estándar, mediante un puente SAS a PCIe [ 23 ] o emulando un controlador RAID de hardware. [ 24 ] Al estandarizar la interfaz de las unidades SSD, los sistemas operativos solo necesitan un controlador de dispositivo común para funcionar con todas las unidades SSD que cumplan con la especificación. Esto también significa que cada fabricante de unidades SSD no tiene que diseñar controladores de interfaz específicos. Esto es similar a cómo los dispositivos de almacenamiento masivo USB se construyen para seguir la especificación de la clase de dispositivo de almacenamiento masivo USB y funcionar con todos los ordenadores, sin necesidad de controladores por dispositivo. [ 25 ]

Los dispositivos NVM Express también se utilizan como bloque de construcción del almacenamiento de búfer de ráfaga en muchas supercomputadoras líderes, como la supercomputadora Fugaku , la supercomputadora Summit y la supercomputadora Sierra , etc. [ 26 ] [ 27 ]

Historia

Los primeros detalles de un nuevo estándar para acceder a la memoria no volátil surgieron en el Intel Developer Forum 2007, cuando se mostró NVMHCI como el protocolo del lado del host de un diseño arquitectónico propuesto que tenía Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI) en el lado de los chips de memoria (flash). [ 28 ] Ese año se formó un grupo de trabajo de NVMHCI liderado por Intel. La especificación NVMHCI 1.0 se completó en abril de 2008 y se publicó en el sitio web de Intel. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

El trabajo técnico en NVMe comenzó en la segunda mitad de 2009. [ 32 ] Las especificaciones de NVMe fueron desarrolladas por el NVM Express Workgroup, que consta de más de 90 empresas; Amber Huffman de Intel fue la presidenta del grupo de trabajo. La versión 1.0 de la especificación se publicó el 1 de marzo de 2011, [ 33 ] mientras que la versión 1.1 de la especificación se publicó el 11 de octubre de 2012. [ 34 ] Las características principales añadidas en la versión 1.1 son E/S de rutas múltiples (con compartición de espacios de nombres) y E/S de dispersión-recolección de longitud arbitraria . Se espera que futuras revisiones mejoren significativamente la gestión de espacios de nombres. [ 32 ] Debido a su enfoque en las características, NVMe 1.1 se denominó inicialmente "Enterprise NVMHCI". [ 35 ] En enero de 2013 se publicó una actualización de la especificación base NVMe, denominada versión 1.0e. [ 36 ] En junio de 2011 se formó un Grupo Promotor liderado por siete empresas.

Los primeros conjuntos de chips NVMe disponibles comercialmente fueron lanzados por Integrated Device Technology (89HF16P04AG3 y 89HF32P08AG3) en agosto de 2012. [ 37 ] [ 38 ] La primera unidad NVMe, la unidad empresarial XS1715 de Samsung , fue anunciada en julio de 2013; según Samsung, esta unidad admitía velocidades de lectura de 3 GB/s, seis veces más rápidas que sus ofertas empresariales anteriores. [ 39 ] La familia de controladores LSI SandForce SF3700, lanzada en noviembre de 2013, también admite NVMe. [ 40 ] [ 41 ] Un producto " prosumer " de Kingston HyperX que utiliza este controlador fue presentado en el Consumer Electronics Show 2014 y prometió un rendimiento similar. [ 42 ] [ 43 ] En junio de 2014, Intel anunció sus primeros productos NVM Express, la familia de SSD Intel para centros de datos que se conecta con el host a través del bus PCI Express, que incluye las series DC P3700, DC P3600 y DC P3500. [ 44 ] A partir de noviembre de 2014  Las unidades NVMe están disponibles comercialmente.

En marzo de 2014, el grupo se constituyó para convertirse en NVM Express, Inc., que a partir de noviembre de 2014 Está compuesta por más de 65 empresas de todo el sector. Las especificaciones de NVM Express son propiedad de NVM Express, Inc., que también se encarga de su mantenimiento y promueve el conocimiento de NVM Express como estándar para toda la industria. NVM Express, Inc. está dirigida por un consejo de administración de trece miembros seleccionados del Grupo Promotor, que incluye a Cisco, Dell, EMC, HGST, Intel, Micron, Microsoft, NetApp, Oracle, PMC, Samsung, SanDisk y Seagate. [ 45 ]

En septiembre de 2016, la CompactFlash Association anunció que lanzaría una nueva especificación de tarjeta de memoria, CFexpress , que utiliza NVMe.

La función NVMe Host Memory Buffer (HMB) se agregó en la versión 1.2 de la especificación NVMe. [ 46 ] HMB permite que las SSD utilicen la DRAM del host , lo que puede mejorar el rendimiento de E/S para las SSD sin DRAM. [ 47 ] Por ejemplo, HMB puede almacenar en caché la tabla FTL por el controlador SSD, y HMB puede retener temporalmente datos mientras se escriben en la memoria flash. [ 48 ] NVMe 2.0 agregó la función opcional Zoned Namespaces (ZNS) y la función Key-Value (KV), y soporte para medios rotativos como discos duros . ZNS y KV permiten que los datos se asignen directamente a su ubicación física en la memoria flash para acceder directamente a los datos en una SSD. [ 49 ] ZNS y KV también pueden disminuir la amplificación de escritura de los medios flash.

Factores de forma

Existen muchos formatos de unidades de estado sólido NVMe, como AIC, U.2, U.3, M.2, etc.

AIC (Tarjeta adicional)

Casi todas las primeras unidades de estado sólido NVMe son tarjetas PCI Express HHHL (media altura, media longitud) o FHHL (altura completa, media longitud) , con una interfaz PCIe 2.0 o 3.0. Una tarjeta de unidad de estado sólido NVMe HHHL se inserta fácilmente en una ranura PCIe de un servidor.

SATA Express, U.2 y U.3 (SFF-8639)

SATA Express permite el uso de dos líneas PCI Express 2.0 o 3.0 y dos puertos SATA 3.0 (6 Gbit/s) a través del mismo conector SATA Express del host (pero no ambos simultáneamente). SATA Express admite NVMe como interfaz lógica para dispositivos de almacenamiento PCI Express conectados. Es eléctricamente compatible con MultiLink SAS , por lo que un backplane puede admitir ambos al mismo tiempo.

El U.2, anteriormente conocido como SFF-8639 , utiliza el mismo puerto físico que SATA Express, pero permite hasta cuatro carriles PCI Express. Los servidores disponibles pueden combinar hasta 48 unidades de estado sólido NVMe U.2. [ 50 ]

El U.3 (SFF-TA-1001) se basa en la especificación U.2 y utiliza el mismo conector SFF-8639. A diferencia del U.2, un único conector de placa base "trimodal" (PCIe/SATA/SAS) puede gestionar los tres tipos de conexiones; el controlador detecta automáticamente el tipo de conexión utilizada. Esto difiere del U.2, donde los usuarios necesitan utilizar controladores separados para SATA/SAS y NVMe. Los dispositivos U.3 deben ser retrocompatibles con los hosts U.2, pero las unidades U.2 no son compatibles con los hosts U.3. [ 51 ] [ 52 ]

M.2

Vista frontal de una unidad SSD M.2 NVMe
Parte posterior de una unidad SSD M.2 NVMe
Una unidad SSD NVMe 2280 moderna, que se encuentra habitualmente en sistemas de consumo.

M.2, anteriormente conocido como Next Generation Form Factor ( NGFF ), utiliza un bus de computadora para unidades de estado sólido M.2 NVMe . Las interfaces proporcionadas a través del conector M.2 son PCI Express 3.0 o superior (hasta cuatro carriles ). El conector es pequeño en comparación con los AIC típicos. La mayoría de las SSD tienen 22 mm de ancho y pueden variar entre 30, 42, 60, 80 y 110 mm. Sin embargo, el estándar M.2 permite anchos de 12, 16, 22 y 30 mm y longitudes de 16, 26, 30, 38, 42, 60, 80 y 110 mm. [ 53 ]

EDSFF

Tarjeta de memoria

CFexpress

CFexpress especifica tres formatos, cada uno con 1, 2 o 4 carriles PCIe y un tamaño físico diferente.

tarjeta SD

Tarjeta SD versión 7.0 y tarjeta SD versión 8.0

NVMe-oF

NVM Express over Fabrics ( NVMe-oF ) es el concepto de utilizar un protocolo de transporte sobre una red para conectar dispositivos NVMe remotos, a diferencia del NVMe convencional, donde los dispositivos NVMe físicos se conectan a un bus PCIe, ya sea directamente o a través de un conmutador PCIe . En agosto de 2017, el Comité Internacional de Estándares de Tecnología de la Información (ICITS) presentó un estándar para el uso de NVMe sobre Fibre Channel (FC) , y esta combinación se conoce comúnmente como FC-NVMe o, a veces, NVMe/FC. [ 54 ]

A partir de mayo de 2021, los protocolos de transporte NVMe compatibles son:

El estándar para NVMe over Fabrics fue publicado por NVM Express, Inc. en 2016. [ 59 ] [ 60 ]

El siguiente software implementa el protocolo NVMe-oF:

Comparación con AHCI

Una unidad de estado sólido mSATA Mushkin Atlas de 240 GB

La interfaz de controlador de host avanzado (AHCI) tiene la ventaja de una amplia compatibilidad de software, pero la desventaja de no ofrecer un rendimiento óptimo cuando se utiliza con SSD conectadas a través del bus PCI Express . Como interfaz de dispositivo lógico, AHCI se desarrolló cuando el propósito de un adaptador de bus de host (HBA) en un sistema era conectar el subsistema de CPU/memoria con un subsistema de almacenamiento mucho más lento basado en medios magnéticos rotativos . Como resultado, AHCI introduce ciertas ineficiencias cuando se utiliza con dispositivos SSD, que se comportan mucho más como RAM que como medios giratorios. [ 72 ]

La interfaz de dispositivo NVMe se ha diseñado desde cero, aprovechando la menor latencia y el paralelismo de las unidades SSD PCI Express, y complementando el paralelismo de las CPU, plataformas y aplicaciones contemporáneas. En términos generales, las ventajas básicas de NVMe sobre AHCI radican en su capacidad para explotar el paralelismo en el hardware y el software del host, lo que se manifiesta en las diferencias en la profundidad de las colas de comandos , la eficiencia del procesamiento de interrupciones , el número de accesos a registros no almacenables en caché , etc., lo que resulta en diversas mejoras de rendimiento. [ 72 ] [ 73 ] : 17–18

La tabla que aparece a continuación resume las principales diferencias entre las interfaces de dispositivos lógicos NVMe y AHCI.

Soporte del sistema operativo

La posición de las rutas de datos NVMe y las múltiples colas internas dentro de varias capas de la pila de almacenamiento del kernel de Linux [ 75 ]
ChromeOS
El 24 de febrero de 2015, se agregó soporte para el arranque desde dispositivos NVM Express a ChromeOS . [ 76 ] [ 77 ]
DragonFly BSD
La primera versión de DragonFly BSD con soporte para NVMe es la versión 4.6. [ 78 ]
FreeBSD
Intel patrocinó un controlador NVM Express para las ramas head y stable/9 de FreeBSD . [ 79 ] [ 80 ] Los controladores nvd(4) y nvme(4) se incluyen en la configuración del kernel GENERIC por defecto desde la versión 10.2 de FreeBSD en 2015. [ 81 ]
Genode
Se agregó soporte para NVMe de grado de consumo al marco Genode como parte de la versión 18.05 [ 82 ] .
Haiku
Haiku obtuvo soporte para NVMe el 18 de abril de 2019. [ 83 ] [ 84 ]
illumos
illumos recibió soporte para NVMe el 15 de octubre de 2014. [ 85 ]
iOS
Con el lanzamiento del iPhone 6S y 6S Plus , Apple introdujo la primera implementación móvil de NVMe sobre PCIe en teléfonos inteligentes. [ 86 ] Apple continuó con estos lanzamientos con el lanzamiento del iPad Pro de primera generación y el iPhone SE de primera generación que también utilizan NVMe sobre PCIe. [ 87 ]
Linux
Intel publicó un controlador NVM Express para Linux el 3 de marzo de 2011, [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ] que se fusionó con la rama principal del kernel de Linux el 18 de enero de 2012 y se lanzó como parte de la versión 3.3 del kernel de Linux el 19 de marzo de 2012. [ 91 ] El kernel de Linux admite NVMe Host Memory Buffer [ 92 ] desde la versión 4.13.1 [ 93 ] con un tamaño máximo predeterminado de 128  MB. [ 94 ] El kernel de Linux admite NVMe Zoned Namespaces a partir de la versión 5.9.
macOS
Apple introdujo soporte de software para NVM Express en Yosemite 10.10.3. La interfaz de hardware NVMe se introdujo en los MacBook y MacBook Pro de 2016. [ 95 ]
NetBSD
NetBSD agregó soporte para NVMe en NetBSD 8.0. [ 96 ] La implementación se deriva de OpenBSD 6.0.
OpenBSD
El trabajo de desarrollo necesario para dar soporte a NVMe en OpenBSD comenzó en abril de 2014 por un desarrollador sénior anteriormente responsable del soporte para USB 2.0 y AHCI . [ 97 ] El soporte para NVMe se habilitó en la  versión 6.0 de OpenBSD. [ 98 ]
Sistema operativo/2
Arca Noae proporciona un controlador NVMe para ArcaOS , desde abril de 2021. El controlador requiere interrupciones avanzadas proporcionadas por ACPI PSD que se ejecuta en modo de interrupción avanzada (modo 2), por lo que también requiere el kernel SMP. [ 99 ]
Solaris
Solaris recibió soporte para NVMe en Oracle Solaris 11.2. [ 100 ]
VMware
Intel ha proporcionado un controlador NVMe para VMware , [ 101 ] que se incluye en vSphere 6.0 y versiones posteriores, compatible con varios dispositivos NVMe. [ 102 ] A partir de la actualización 1 de vSphere 6, el subsistema de almacenamiento definido por software VSAN de VMware también es compatible con dispositivos NVMe. [ 103 ]
Windows
Microsoft agregó soporte integrado para NVMe a Windows 8.1 y Windows Server 2012 R2 , [ 73 ] [ 104 ] pero se implementa a través de una capa de traducción de NVMe a SCSI. [ 105 ] Se han agregado controladores NVMe para Windows 7 y Windows Server 2008 R2 en actualizaciones. [ 106 ] Muchos proveedores también han lanzado sus propios controladores de Windows para sus dispositivos. También hay archivos de instalación personalizados disponibles para instalar manualmente el controlador de un proveedor específico en cualquier tarjeta NVMe, como usar un controlador NVMe de Samsung con un dispositivo NVMe que no sea de Samsung, lo cual puede ser necesario para funciones adicionales, rendimiento y estabilidad. [ 107 ]
La compatibilidad con NVMe HMB se agregó en la Actualización de Aniversario de Windows 10 (versión 1607) en 2016. [ 46 ] En Microsoft Windows, desde Windows 10 1607 hasta Windows 11 23H2 , el tamaño máximo de HMB es de 64 MB. Windows 11 24H2 actualiza el tamaño máximo de HMB a 1/64 de la RAM del sistema. [ 108 ]
La compatibilidad con NVMe ZNS y KV se agregó en Windows 10 versión 21H2 y Windows 11 en 2021. [ 109 ] La OpenFabrics Alliance mantiene un controlador NVMe de código abierto para Windows 7/8/8.1 y Windows Server 2008R2/2012/2012R2, desarrollado a partir del código base presentado por varias empresas promotoras en el grupo de trabajo NVMe, específicamente IDT, Intel y LSI. [ 110 ] La versión actual es la 1.5 de diciembre de 2016. [ 111 ] El controlador NVMe integrado de Windows en Windows 8.1, Windows 10 y versiones de Windows Server anteriores a 2025 se basa en la antigua pila de almacenamiento basada en SCSI, que no proporciona ninguna aceleración de hardware , lo que requiere controladores específicos del proveedor. [ 112 ] La compatibilidad nativa con NVMe para Windows Server 2025 se agregó el 15 de diciembre de 2025 ; sin embargo, debe habilitarse mediante una configuración oculta del registro . [ 113 ] Todavía está disponible de forma no oficial en las ediciones de Windows para consumidores. [ 114 ]
Existen controladores no oficiales para versiones antiguas de Windows NT [ 115 ] y Windows 9x. [ 116 ]

Soporte de software

QEMU
NVMe es compatible con QEMU desde la versión 1.6 publicada el 15 de agosto de 2013. [ 117 ] Los dispositivos NVMe presentados a los invitados de QEMU pueden ser reales o emulados.
UEFI
Un controlador NVMe de código abierto para UEFI llamado NvmExpressDxe está disponible como parte de EDKII, la implementación de referencia de código abierto de UEFI. [ 118 ]

Herramientas de gestión

nvme-clien Linux

control nvme

La nvmecontrolherramienta se utiliza para controlar un disco NVMe desde la línea de comandos en FreeBSD. Se añadió en FreeBSD 9.2. [ 119 ]

nvme-cli

Herramientas de espacio de usuario NVM-Express para Linux. [ 120 ]

Véase también

Referencias

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