🥇Въведение в SSD. Часть 1. Историческа

Въведение в SSD. Част 1. Историческа

Изучаването на историята на дисковете е началото на пътя към разбирането на принципите на работа на твърдотелните дискове. Първата част от нашия цикъл статии „Въведение в SSD“ ще ни направи обиколка през историята и ще ни позволи наистина да разберем разликата между SSD и неговия най-близък конкурент – HDD.

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

Специално внимание трябва да се обърне на единицата за измерване на вместимостта на дисковете: исторически, десетичните префикси, като кило- и мега-, в контекста на информационните технологии подразбират десетата и двадесетата степен на два. За да се избегне объркване, бяха въведени двоични префикси киби-, меби- и други. Разликата между тези префикси става очевидна с увеличаване на обема: купувайки диск с капацитет 240 гигабайта, можете да съхраните на него 223.5 гибибайта информация.

Потапяне в историята

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

Времето минава и IBM уверено подобрява технологията. През 1961 година беше представен IBM 1301 с вместимост 18.75 мегабайта с читащи глави на всеки диск. В IBM 1311 появяват се сменяеми дискови касети, а от 1970 година в IBM 3330 беше внедрена система за откриване и корекция на грешки. Три години по-късно се появи IBM 3340 известен като „Уинчестър“.

Уинчестър (от англ. Winchester rifle) е общото наименование за пушки и карабини, произвеждани от Winchester Repeating Arms Company в САЩ през втората половина на XIX век. Това бяха едни от първите многозарядни оръжия, които получиха огромна популярност сред купувачите. Наименованието им е в чест на основателя на компанията – Оливер Фишър Уинчестър (Oliver Fisher Winchester).
IBM 3340 се състоеше от два шпиндела по 30 МиБ всеки, поради което инженерите наричали този диск „30-30“.. Това име напомняше на винтовката Winchester Model 1894 с патрони .30-30 Winchester, поради което Кенет Хотън (Kenneth Haughton), ръководещ разработката на IBM 3340, каза: «Ако е 30-30, то трябва да е Винчестър» («If it’s a 30-30, then it must be a Winchester.»). Оттогава «винчестър» се нарича не само за винтовки, но и за твърди дискове.

Три години по-късно излиза IBM 3350 «Мадрид» с 14-инчови плочи и време за достъп от 25 мс.

Първият SSD диск е създаден от компанията Dataram през 1976 година. Дискът Dataram BulkCore се състои от шасито с осем плочи RAM памет с обем 256 КиБ всяка. В сравнение с първия твърд диск, BulkCore беше малък: 50.8 см дължина, 48.26 см ширина и 40 см височина. Времето за достъп до данните в този модел беше само 750 нс, което е 30 000 пъти по-бързо от най-модерния HDD по онова време.

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

Освен появата на Shugart Technology, 1978 година ще остане в паметта с излизането на първия Enterprise SSD от компанията StorageTek. StorageTek STC 4305 побираше 45 МиБ данни. Този SSD е разработен като заместител на IBM 2305, притежаваше подобни размери и струваше невероятните 400 000$.

През 1982 година SSD излиза на пазара на персоналните компютри. Компанията Axlon разработва SSD диск на RAM чипове специално за Apple II, наречен RAMDISK 320. Тъй като дискът е основан на енергозависима памет, с него идваше и акумулатор за запазване на информацията. Капацитетът на акумулатора беше достатъчен за 3 часа автономна работа при загуба на електрическо захранване.

Година по-късно компанията Rodime пуска на пазара първия твърд диск RO352 с 10 МиБ в удобния за съвременния потребител форм-фактор от 3.5 инча. Въпреки че това е първият търговски диск в такъв форм-фактор, Rodime по същество не направи нищо иновационно.

Първият продукт в този форм-фактор е флопи дисководът, представен от компаниите Tandon и Shugart Associates. Освен това, компаниите Seagate и MiniScribe се договарят за приемане на индустриалния стандарт от 3.5 инча, «оставяйки настрана» Rodime, която очаква съдбата на «патентен трол» и пълно изключване от индустрията за производство на устройства.

През 1980 година инженерът от Toshiba, професор Фудзио Масуока, регистрира патент за нов вид памет, наречен NOR Flash-памет. Разработката отне 4 години.

NOR-паметта представлява класическа 2D матрица от проводници, в която на пресечката на редовете и колоните е поставена по една клетка (аналогична на паметта с магнитни ядра).

През 1984 година професор Масуока разказа за своето изобретение на конференцията International Electronics Developers Meeting, където компанията Intel бързо оцени перспективността на тази разработка. Компанията Toshiba, в която работеше професор Масуока, не смяташе Flash-паметта за нещо специално и затова удовлетворила искането на Intel да направи няколко прототипа за изследване.

Интересът, проявен от компания Intel към разработката на Фудзио, подтикна Toshiba да отдели пет инженера в помощ на професора за решаване на проблема с търговизацията на изобретението. Intel, от своя страна, задели триста служители за създаването на собствен вариант на Flash-паметта.

Докато Intel и Toshiba разработваха Flash-накопители, през 1986 година се случиха две важни събития. Първо, официално беше стандартизиран SCSI — набор от споразумения за взаимодействие между компютри и периферни устройства. Второ, беше разработен интерфейсът AT Attachment (ATA), известен под търговското наименование Integrated Drive Electronics (IDE), благодарение на който контролерът на диска беше преместен в самия диск.

Три години Фудзио Масуока работеше върху подобряване на технологията на Flash-паметта и до 1987 година разработи NAND-памет.

NAND-паметта е същата NOR-памет, организирана в тримерна матрица. Основното отличие е, че алгоритъмът за достъп до всяка клетка е станал по-сложен, площта на клетките е намалена, а общият капацитет значително нараснал.

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

В края на 80-те и началото на 90-те производителите на твърди дискове се състезаваха в намаляване на размерите на дисковете. През 1989 година компания PrairieTek пуска диск PrairieTek 220 с капацитет 20 МиБ в формат 2.5 инча. Две години по-късно Integral Peripherals създава диск Integral Peripherals 1820 „Mustang“ със същия капацитет, но с размер 1.8 инча. Година по-късно Hewlett-Packard намалява размера на диска до 1.3 инча.

Компания Seagate запази верността си към твърдите дискове с форм-фактор 3.5 инча и се съсредоточи върху увеличаването на скоростта на въртене, пускайки през 1992 г. своята известна модел Barracuda, първият твърд диск със скорост на въртене на шпиндела от 7200 оборота в минута. Но Seagate не възнамеряваше да спре дотук. През 1996 г. дисковете от серията Seagate Cheetah достигнаха скорост от 10000 оборота в минута, а четири години по-късно модификацията X15 достигна дори 15000 оборота в минута.

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

Производството на Flash памет първоначално беше много скъпо, но в началото на 2000-те цената рязко спадна. Това използва компанията Transcend, която през 2003 г. пусна SSD дискове с капацитет от 16 до 512 МиБ. Три години по-късно, към масовото производство се присъединиха 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 решаване на този проблем работната група NVM Express Workgroup започна разработката на NVMe — спецификация за протоколи за достъп до SSD директно през шина PCIe, заобикаляйки "посредника" под формата на SATA контролер. Това би позволило достъп до данни със скоростта на PCIe шината. Две години по-късно първата версия на спецификацията беше готова, а още година по-късно се появи първото NVMe устройство.

Разлики между съвременните SSD и HDD

На физическо ниво разликата между SSD и HDD е лесно забележима: в SSD липсват механични елементи, а информацията се съхранява в паметни клетки. Липсата на подвижни елементи води до бърз достъп до данните на всяка част от паметта, но съществува ограничение на броя цикли на презапис. Поради ограниченото количество цикли на презапис на всяка клетка памет, възниква необходимостта от механизъм за балансировка — изравняване на износването на клетките чрез прехвърляне на данни между тях. Тази работа се извършва от контролера на диска.

За да може контролерът на SSD да извърши балансиране, е необходимо да знае кои клетки са заети и кои са свободни. Контролерът е в състояние да проследи записа на данни в клетка сам, но не и изтриването. Както е известно, операционните системи (ОС) не изтриват данни от диска, когато потребителят изтрие файл, а само маркират съответните участъци от паметта като свободни. Това решение спестява необходимостта от чакане на дисковата операция при използване на HDD, но изобщо не е подходящо за работа с SSD. Контролерът на SSD диск работи с байтове, а не с файлови системи, и следователно изисква отделно уведомление за изтриването на файл.

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