مقدمة إلى محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة (SSD). الجزء 1. التاريخية

تعد دراسة تاريخ الأقراص بداية الرحلة لفهم مبادئ تشغيل محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة. الجزء الأول من سلسلة مقالاتنا، "مقدمة لمحركات أقراص SSD"، سيأخذك في جولة عبر التاريخ وسيسمح لك بفهم الفرق بين SSD وأقرب منافس له، وهو محرك الأقراص الثابتة (HDD)، بوضوح.

على الرغم من وفرة الأجهزة المختلفة لتخزين المعلومات، فإن شعبية محركات الأقراص الصلبة ومحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة في عصرنا لا يمكن إنكارها. الفرق بين هذين النوعين من محركات الأقراص واضح للشخص العادي: SSD أغلى وأسرع، بينما HDD أرخص وأكثر اتساعًا.

ينبغي إيلاء اهتمام خاص لوحدة قياس سعة التخزين: تاريخيًا، تُفهم البادئات العشرية مثل كيلو وميجا في سياق تكنولوجيا المعلومات على أنها الأس العاشر والعشرون للاثنين. ولإزالة الالتباس، تم تقديم البادئات الثنائية kibi- وmebi- وغيرها. يصبح الفرق بين أجهزة فك التشفير هذه ملحوظًا مع زيادة الحجم: عند شراء قرص بسعة 240 جيجابايت، يمكنك تخزين 223.5 جيجابايت من المعلومات عليه.

الانغماس في التاريخ

بدأ تطوير أول محرك أقراص ثابتة في عام 1952 بواسطة شركة IBM. في 14 سبتمبر 1956، تم الإعلان عن النتيجة النهائية للتطوير - IBM 350 Model 1. يحتوي محرك الأقراص على 3.75 ميغابايت من البيانات بأبعاد غير متواضعة للغاية: ارتفاع 172 سم وطول 152 سم وعرض 74 سم. كان بداخلها 50 قرصًا رفيعًا مطليًا بالحديد النقي بقطر 610 ملم (24 بوصة). متوسط ​​الوقت اللازم للبحث عن البيانات الموجودة على القرص يستغرق حوالي 600 مللي ثانية.

ومع مرور الوقت، قامت شركة IBM بتحسين التكنولوجيا بشكل مطرد. تم تقديمه عام 1961 IBM 1301 بسعة 18.75 ميجابايت مع رؤوس القراءة على كل طبق. في IBM 1311 ظهرت خراطيش القرص القابلة للإزالة، ومنذ عام 1970، تم إدخال نظام اكتشاف الأخطاء وتصحيحها في IBM 3330. وبعد ثلاث سنوات ظهر IBM 3340 المعروف باسم "وينشستر".

وينشستر (من بندقية وينشستر الإنجليزية) - الاسم العام للبنادق والبنادق التي صنعتها شركة Winchester Repeating Arms في الولايات المتحدة الأمريكية في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. كانت هذه واحدة من أولى البنادق المتكررة التي أصبحت ذات شعبية كبيرة بين المشترين. لقد يدينون باسمهم لمؤسس الشركة، أوليفر فيشر وينشستر.

يتكون IBM 3340 من مغزلين سعة كل منهما 30 ميجابايت، وهذا هو السبب أطلق المهندسون على هذا القرص اسم "30-30". كان الاسم يذكرنا ببندقية وينشستر موديل 1894 المغمورة في .30-30 وينشستر، مما دفع كينيث هوتون، الذي قاد تطوير IBM 3340، إلى القول "إذا كان 30-30، فيجب أن يكون وينشستر". -30، إذًا يجب أن يكون وينشستر."). ومنذ ذلك الحين، لم يُطلق على البنادق اسم "محركات الأقراص الصلبة" فحسب، بل أيضًا محركات الأقراص الثابتة.

وبعد ثلاث سنوات أخرى، تم إصدار IBM 3350 "Madrid" بأطباق مقاس 14 بوصة ووقت وصول يبلغ 25 مللي ثانية.

تم إنشاء أول محرك أقراص SSD بواسطة Dataram في عام 1976. يتكون محرك Dataram BulkCore من هيكل به ثمانية شرائح ذاكرة RAM بسعة 256 كيلو بايت لكل منها. بالمقارنة مع القرص الصلب الأول، كان BulkCore صغيرًا جدًا: طوله 50,8 سم وعرضه 48,26 سم وارتفاعه 40 سم. في الوقت نفسه، كان وقت الوصول إلى البيانات في هذا النموذج 750 نانو ثانية فقط، وهو أسرع بمقدار 30000 مرة من محرك الأقراص الصلبة الأحدث في ذلك الوقت.

في عام 1978، تأسست شركة Shugart Technology، والتي غيرت اسمها بعد عام إلى Seagate Technology لتجنب الصراعات مع شركة Shugart Associates. بعد عامين من العمل، أصدرت Seagate ST-506 - أول محرك أقراص ثابتة لأجهزة الكمبيوتر الشخصية بحجم 5.25 بوصة وسعة 5 ميجابايت.

بالإضافة إلى ظهور تقنية Shugart، تم تذكر عام 1978 بإصدار أول SSD للمؤسسات من StorageTek. يحتوي StorageTek STC 4305 على 45 ميجابايت من البيانات. تم تطوير SSD هذا كبديل لجهاز IBM 2305، وكان له أبعاد مماثلة وتكلف 400 دولار.

في عام 1982، دخلت SSD سوق أجهزة الكمبيوتر الشخصية. تعمل شركة Axlon على تطوير قرص SSD على شرائح ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) يسمى RAMDISK 320 خصيصًا لجهاز Apple II. وبما أن محرك الأقراص تم إنشاؤه على أساس الذاكرة المتطايرة، فقد تم تزويد المجموعة ببطارية للحفاظ على سلامة المعلومات. كانت سعة البطارية كافية لمدة 3 ساعات من التشغيل المستقل في حالة انقطاع الطاقة.

وبعد مرور عام، ستطلق شركة Rodime أول محرك أقراص ثابتة RO352 سعة 10 ميجا بايت في شكل 3.5 بوصة المألوف للمستخدمين المعاصرين. على الرغم من أن هذا هو أول محرك تجاري بهذا الشكل، إلا أن Rodime لم تفعل شيئًا مبتكرًا في الأساس.

يعتبر المنتج الأول في عامل الشكل هذا هو محرك الأقراص المرنة الذي قدمته شركة Tandon وShugart Associates. علاوة على ذلك، وافقت Seagate وMiniScribe على اعتماد معيار الصناعة مقاس 3.5 بوصة، تاركين وراءهما شركة Rodime، التي واجهت مصير "تصيد براءات الاختراع" والخروج الكامل من صناعة إنتاج محركات الأقراص.

وفي عام 1980، سجل مهندس شركة توشيبا، البروفيسور فوجيو ماسوكا، براءة اختراع لنوع جديد من الذاكرة يسمى ذاكرة NOR Flash. استغرق التطوير 4 سنوات.

ذاكرة NOR عبارة عن مصفوفة كلاسيكية ثنائية الأبعاد للموصلات، حيث يتم تثبيت خلية واحدة عند تقاطع الصفوف والأعمدة (مماثلة للذاكرة الموجودة على النوى المغناطيسية).

وفي عام 1984، تحدث البروفيسور ماسوكا عن اختراعه في الاجتماع الدولي لمطوري الإلكترونيات، حيث أدركت شركة إنتل سريعًا ما يعد به هذا التطور. لم تعتبر توشيبا، حيث عمل البروفيسور ماسوكا، أن ذاكرة الفلاش هي أي شيء خاص، وبالتالي امتثلت لطلب إنتل لصنع عدة نماذج أولية للدراسة.

دفع اهتمام إنتل بتطوير فوجيو شركة توشيبا إلى تخصيص خمسة مهندسين لمساعدة البروفيسور في حل مشكلة تسويق الاختراع. قامت شركة Intel بدورها بتعيين ثلاثمائة موظف لإنشاء نسختها الخاصة من ذاكرة الفلاش.

بينما كانت إنتل وتوشيبا تعملان على تطوير التطورات في مجال تخزين الفلاش، وقع حدثان مهمان في عام 1986. أولاً، تم توحيد SCSI رسميًا، وهي مجموعة من الاتفاقيات الخاصة بالاتصال بين أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الطرفية. ثانيًا، تم تطوير واجهة AT Attachment (ATA)، والمعروفة باسم العلامة التجارية Integrated Drive Electronics (IDE)، والتي بفضلها تم نقل وحدة التحكم في محرك الأقراص داخل محرك الأقراص.

لمدة ثلاث سنوات، عمل فوجيو موسوكا على تحسين تقنية ذاكرة الفلاش وبحلول عام 1987 قام بتطوير ذاكرة NAND.

ذاكرة NAND هي نفس ذاكرة NOR، منظمة في مصفوفة ثلاثية الأبعاد. وكان الاختلاف الرئيسي هو أن خوارزمية الوصول إلى كل خلية أصبحت أكثر تعقيدًا، وأصبحت مساحة الخلية أصغر، وزادت السعة الإجمالية بشكل ملحوظ.

وبعد مرور عام، قامت شركة Intel بتطوير ذاكرة NOR Flash الخاصة بها، وقامت Digipro بإنشاء محرك أقراص عليها يسمى Flashdisk. يحتوي الإصدار الأول من Flashdisk بأقصى تكوين له على 16 ميجابايت من البيانات وبتكلفة أقل من 500 دولار

في أواخر الثمانينات وأوائل التسعينات، تنافس مصنعو الأقراص الصلبة على جعل محركات الأقراص أصغر حجمًا. في عام 80، أصدرت PrairieTek محرك PrairieTek 90 1989 MiB بحجم 220 بوصة. بعد عامين، تقوم Integral Peripherals بإنشاء قرص Integral Peripherals 20 "Mustang" بنفس الحجم، ولكن بالفعل 2.5 بوصة. وبعد مرور عام، خفضت شركة Hewlett-Packard حجم القرص إلى 1820 بوصة.

ظلت شركة Seagate وفية لمحركات الأقراص ذات الشكل 3.5 بوصة واعتمدت على زيادة سرعات الدوران، فأطلقت طراز Barracuda الشهير في عام 1992، وهو أول محرك أقراص ثابتة بسرعة دوران تبلغ 7200 دورة في الدقيقة. لكن سيجيت لن تتوقف عند هذا الحد. في عام 1996، وصلت محركات الأقراص من خط Seagate Cheetah إلى سرعة دوران تبلغ 10000 دورة في الدقيقة، وبعد أربع سنوات، تم تدوير الطراز X15 المعدل حتى 15000 دورة في الدقيقة.

وفي عام 2000، أصبحت واجهة ATA تعرف باسم PATA. وكان السبب في ذلك هو ظهور واجهة Serial ATA (SATA) مع أسلاك أكثر إحكاما ودعم التبديل السريع وزيادة سرعة نقل البيانات. أخذت Seagate زمام المبادرة هنا أيضًا، حيث أصدرت أول محرك أقراص ثابتة بمثل هذه الواجهة في عام 2002.

كان إنتاج ذاكرة الفلاش في البداية مكلفًا للغاية، لكن التكاليف انخفضت بشكل حاد في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. استفادت Transcend من ذلك، حيث أطلقت محركات أقراص SSD بسعات تتراوح من 2000 إلى 2003 ميجابايت في عام 16. وبعد ثلاث سنوات، انضمت شركتا Samsung وSanDisk إلى الإنتاج الضخم. وفي نفس العام، باعت شركة IBM قسم الأقراص الخاص بها لشركة Hitachi.

كانت محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة تكتسب زخمًا وكانت هناك مشكلة واضحة: كانت واجهة SATA أبطأ من محركات أقراص الحالة الصلبة نفسها. لحل هذه المشكلة، بدأت مجموعة NVM Express Workgroup في تطوير NVMe - وهي مواصفات لبروتوكولات الوصول لمحركات أقراص SSD مباشرة عبر ناقل PCIe، متجاوزة "الوسيط" في شكل وحدة تحكم SATA. وهذا من شأنه أن يسمح بالوصول إلى البيانات بسرعات ناقل PCIe. وبعد مرور عامين، أصبحت النسخة الأولى من المواصفات جاهزة، وبعد مرور عام ظهر أول محرك أقراص NVMe.

الاختلافات بين محركات الأقراص SSD الحديثة ومحركات الأقراص الصلبة

على المستوى المادي، يمكن ملاحظة الفرق بين SSD وHDD بسهولة: لا يحتوي SSD على عناصر ميكانيكية، ويتم تخزين المعلومات في خلايا الذاكرة. يؤدي غياب العناصر المتحركة إلى الوصول السريع إلى البيانات في أي جزء من الذاكرة، ومع ذلك، هناك حد لعدد دورات إعادة الكتابة. نظرًا للعدد المحدود من دورات إعادة الكتابة لكل خلية ذاكرة، هناك حاجة إلى آلية موازنة - تسوية تآكل الخلية عن طريق نقل البيانات بين الخلايا. يتم تنفيذ هذا العمل بواسطة وحدة تحكم القرص.

لإجراء عملية التوازن، تحتاج وحدة تحكم SSD إلى معرفة الخلايا المشغولة والخلايا الحرة. وحدة التحكم قادرة على تتبع تسجيل البيانات في الخلية نفسها، وهو ما لا يمكن قوله عن الحذف. كما تعلم، لا تقوم أنظمة التشغيل (OS) بمسح البيانات من القرص عندما يحذف المستخدم ملفًا، ولكنها تحدد مناطق الذاكرة المقابلة على أنها خالية. يلغي هذا الحل الحاجة إلى انتظار تشغيل القرص عند استخدام محرك الأقراص الثابتة، ولكنه غير مناسب تمامًا لتشغيل محرك أقراص SSD. تعمل وحدة التحكم في محرك أقراص SSD مع وحدات البايت، وليس أنظمة الملفات، وبالتالي تتطلب رسالة منفصلة عند حذف ملف.

هكذا ظهر الأمر TRIM (الإنجليزية - القطع)، والذي يقوم نظام التشغيل من خلاله بإعلام وحدة تحكم قرص SSD لتحرير منطقة معينة من الذاكرة. يقوم أمر TRIM بمسح البيانات من القرص بشكل دائم. لا تعلم جميع أنظمة التشغيل كيفية إرسال هذا الأمر إلى محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة، ولا ترسل وحدات تحكم RAID للأجهزة في وضع صفيف الأقراص TRIM إلى الأقراص أبدًا.

يتبع ...

سنتحدث في الأجزاء التالية عن عوامل الشكل وواجهات الاتصال والتنظيم الداخلي لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة.

في مختبرنا حدد معمل يمكنك اختبار محركات الأقراص الصلبة ومحركات أقراص SSD الحديثة بشكل مستقل واستخلاص استنتاجاتك الخاصة.

يمكن للمستخدمين المسجلين فقط المشاركة في الاستطلاع. تسجيل الدخول، من فضلك.

هل تعتقد أن SSD سيكون قادرا على إزاحة HDD؟

• 71.2%نعم، SSDs هي المستقبل396

• 7.5%لا، عصر HDD42 المغناطيسي البصري قادم

• 21.2%النسخة الهجينة HDD + SSD118 ستفوز

صوت 556 مستخدمًا. امتنع 72 مستخدما عن التصويت.

المصدر: www.habr.com