🥇Въведение в SSD. Част 1. Историческа

Въведение в SSD. Част 1. Исторически

Изучаването на историята на дисковете е началото на пътя към разбирането на принципите на работа на твердотелните устройства. Първата част от нашата статия „Въведение в SSD“ ще проведе преглед на историята и ще позволи наглядно да разберете разликата между SSD и най-близкия му конкурент — HDD.

Въпреки множеството различни устройства за съхранение на информация, популярността на HDD и SSD в наши дни е неоспорима. Разликата между тези два вида устройства за обикновения потребител е очевидна: SSD е по-скъп и по-бърз, а HDD е по-евтин и с по-голям капацитет.

Отделно внимание трябва да се обърне на единицата за измерване на капацитета на устройствата: исторически е наложено, че десетичните префикси, като кило- и мега-, в контекста на информационните технологии, подразбират както десетата, така и двадесетата степен на двойката. За избягване на обърквания бяха введени двоичните префикси киби-, меби- и други. Разликите между тези префикси стават забележими с увеличаването на обема: когато купувате диск с капацитет 240 гигабайта, можете да съхранявате на него 223.5 гибибайта информация.

Потапяне в историята

Разработката на първия твърд диск започва през 1952 година от компанията IBM. На 14 септември 1956 година беше анонсиран окончателният резултат от разработките — IBM 350 Model 1. Устройството вмещаваше 3.75 мебибайта данни, при много скромни размери: 172 сантиметра на височина, 152 сантиметра на дължина и 74 сантиметра на ширина. Вътре имаше 50 тънки диска, покрити с чисто желязо с диаметър от 610 мм (24 инча). Средното време за достъп до данни на диска беше около 600 мс.

Времето минаваше и IBM уверено усъвършенстваше технологията. През 1961 година беше представен IBM 1301 с капацитет 18.75 мегабайта с четящи глави на всяка плоча. В IBM 1311 появиха се сменяеми дискети, а от 1970 година в IBM 3330 беше внедрена система за откриване и корекция на грешки. След три години се появи IBM 3340 известен под името „Уинчестър“.

Уинчестър (от англ. Winchester rifle) е общото наименование на винтовките и пистолетите, произвеждани от Winchester Repeating Arms Company в САЩ през втората половина на XIX век. Те бяха едни от първите многозарядни пушки, спечелили огромна популярност сред клиентите. Своето име те дължат на основателя на компанията — Оливер Фишер Уинчестър (Oliver Fisher Winchester).
IBM 3340 се състоеше от два шпиндела по 30 МиБ всеки, поради което инженерите наричаха този диск „30-30“.. Това наименование напомня на Winchester Model 1894 с патрони .30-30 Winchester, поради което Кенет Хотън (Kenneth Haughton), ръководещ разработката на IBM 3340, каза: „Ако става дума за 30-30, значи трябва да е Winchester” („If it’s a 30-30, then it must be a Winchester.”). Оттогава „винчестър” се нарича не само винтовките, но и твърдите дискове.

Три години по-късно се появява IBM 3350 „Мадрид” с 14-инчови пластини и време за достъп от 25 мс.

Първият SSD носител е създаден от компания Dataram през 1976 година. Носителят Dataram BulkCore се състои от шасито с осем RAM плочки, всяка с обем от 256 КиБ. В сравнение с първия твърд диск, BulkCore е малък: 50,8 см дължина, 48,26 см ширина и 40 см височина. Времето за достъп до данни в този модел е само 750 нс, което е 30000 пъти по-бързо от най-съвременния HDD по онова време.

През 1978 година е основана компания Shugart Technology, която година по-късно променя името си на Seagate Technology, за да избегне конфликти с Shugart Associates. Две години по-късно Seagate представя ST-506 — първият твърд диск за лични компютри с форм-фактор 5.25 инча и капацитет от 5 МиБ.

Освен появата на Shugart Technology, 1978 година се запомня с излизането на първия Enterprise SSD от компания StorageTek. StorageTek STC 4305 побира 45 МиБ данни. Този SSD е разработен като замяна на IBM 2305, има сходни размери и е струвал невероятните 400 000$.

През 1982 година SSD навлиза на пазара на личните компютри. Компания Axlon разработва SSD диск на RAM чипове специално за Apple II, наречен RAMDISK 320. Тъй като носителят е изградена на база на енергонезависима памет, към него е включена батерия за запазването на информацията. Капацитетът на батерията стига за 3 часа автономна работа в случай на загуба на електрическо захранване.

Година по-късно компания Rodime пуска първия твърд диск RO352 с капацитет 10 МиБ в познатия на съвременния потребител форм-фактор 3.5 инча. Въпреки че това е първият търговски диск в този форм-фактор, Rodime всъщност не предлага нищо иновационно.

Първият продукт в този форм-фактор се счита флопи-дисководът, представен от компаниите Tandon и Shugart Associates. Освен това, компаниите Seagate и MiniScribe се договорят за приемането на индустриалния стандарт 3.5 инча, „оставяйки настрана” Rodime, която очаква съдба на „патентен трол” и напълно напуска индустрията за производство на носители.

През 1980 г. инженерът на Toshiba, професор Фудзийо Масуока, регистрира патент за нов тип памет, наречен Flash памет тип NOR. Разработката отне 4 години.

NOR паметта представлява класическа 2D матрица на проводници, в която на пресечението на редове и колони е инсталирана по една клетка (аналог на паметта на магнитни ядрени устройства).

През 1984 г. професор Масуока разказа за своето изобретение на конференцията International Electronics Developers Meeting, където компанията Intel бързо оцени потенциала на тази разработка. Компания Toshiba, в която работеше професор Масуока, не смяташе Flash паметта за нещо специално и затова удовлетвори искането на Intel да направи няколко опитни образеца за изучаване.

Проявеният интерес от страна на Intel към разработката на Фудзийо накара Toshiba да отдели петима инженери, които да помогнат на професора с решаването на проблема за комерсиализацията на изобретението. Intel, от своя страна, насочи три стотин служители към създаването на собствен вариант на Flash памет.

Докато Intel и Toshiba работеха върху разработките в областта на Flash устройствата, през 1986 г. се случиха две важни събития. Първо, официално е стандартизирана SCSI — набор от споразумения за взаимодействие между компютри и периферни устройства. Второ, е разработен интерфейсът AT Attachment (ATA), известен под търговското име Integrated Drive Electronics (IDE), благодарение на който контролерът на диска се премести вътре в диска.

Три години Фудзийо Масуока работеше по усъвършенстването на технологията на Flash паметта и до 1987 г. разработи NAND памет.

NAND паметта е същата като NOR паметта, организирана в триизмерен масив. Основното отличие е, че алгоритмът за достъп до всяка клетка стана по-сложен, площта на клетките стана по-малка, а общият капацитет значително се увеличи.

Година по-късно компанията Intel разработи собствена NOR Flash памет, а компания Digipro създаде на нейна база устройство, наречено Flashdisk. Първата версия на Flashdisk в максималната конфигурация побираше 16 MiB данни и струваше по-малко от 500$.

В края на 80-те и началото на 90-те години производителите на твърди дискове се състезаваха в намаляването на размерите на дисковете. През 1989 г. компанията PrairieTek пусна диска PrairieTek 220 с капацитет от 20 MiB във форм-фактор 2.5 инча. Две години по-късно Integral Peripherals създаде диска Integral Peripherals 1820 „Mustang“ със същия капацитет, но вече с размер 1.8 инча. Година по-късно Hewlett-Packard намали размера на диска до 1.3 инча.

Компания Seagate запази формата на дисковете 3.5 инча и се фокусира върху увеличаване на скоростта на въртене, като през 1992 г. пусна известния модел Barracuda, първия твърд диск с обороти на шпиндела от 7200 в минута. Но Seagate не смяташе да спира дотук. През 1996 г. дисковете от серията Seagate Cheetah достигнаха скорост на въртене от 10000 оборота в минута, а четири години по-късно модификацията Х15 се завъртя до 15000 оборота в минута.

През 2000 г. интерфейсът ATA започна да се нарича PATA. Причината за това беше появата на интерфейса Serial ATA (SATA) с по-компактни кабели, поддръжка на "гореща смяна" и повишена скорост на предаване на данни. Seagate отново взе лидерството, като през 2002 г. пусна първия твърд диск с този интерфейс.

Производството на Flash памет първоначално беше много скъпо, но в началото на 2000-те цената рязко спадна. Компанията Transcend се възползва от това и през 2003 г. пусна SSD дискове с капацитет от 16 до 512 МиБ. Три години по-късно в масовото производство влязоха компаниите Samsung и SanDisk. През същата година IBM продаде своето дисково подразделение на компанията Hitachi.

Твърдотелните устройства набираха популярност и се появи очевиден проблем: интерфейсът SATA беше по-бавен от самите SSD устройства. За решаването на този проблем, работна група NVM Express Workgroup започна разработка на NVMe — спецификация за протоколи за достъп до SSD директно през шина PCIe, заобикаляща "посредника" в лицето на SATA контролера. Това щеше да позволи достъп до данните със скоростта на шината PCIe. Две години по-късно първата версия на спецификацията беше готова, а още след година се появи и първото NVMe устройство.

Разликите между съвременните SSD и HDD

На физическо ниво разликата между SSD и HDD е лесно забележима: SSD нямат механични елементи, а информацията се съхранява в паметта. Липсата на подвижни части води до бърз достъп до данните във всяка част от паметта, обаче, съществува ограничение на броя на цикли на презапис. Поради ограниченото количество цикли на презапис за всяка паметова клетка, се налага наличието на механизъм за балансиране — изравняване на износването на клетките чрез пренасяне на данни между тях. Тази работа се извършва от контролера на диска.

За да може контролерът на SSD да извършва балансировка, той трябва да знае кои клетки са заети и кои са свободни. Контролерът може да проследи сам записването на данни в клетка, но не и изтриването. Както е известно, операционните системи (ОС) не изтриват данни от диска, когато потребителят изтрива файл, а просто маркират съответните участъци от паметта като свободни. Това решение освобождава потребителя от необходимостта да чака дисковата операция при използване на HDD, но не е подходящо за работа с SSD. Контролерът на SSD функционира с байтове, а не с файлови системи, затова изисква отделно съобщение за изтриването на файл.

Така се появи командата TRIM (от англ. — подрязване), която позволява на ОС да уведомява контролера на SSD за освобождаването на определена област от паметта. Командата TRIM необратимо изтрива данни от диска. Не всички операционни системи знаят за необходимостта да изпращат тази команда към твърдотелните устройства, а хардуерните RAID контролери в режим на дискови масиви никога не изпращат TRIM команди към дисковете.