🥇Úvod do SSD. Část 1. Historie

Úvod do SSD. Část 1. Historická

Studium historie disků je začátkem cesty k pochopení principů fungování pevných disků. První část našeho cyklu článků „Úvod do SSD“ vás provede historií a názorně ukáže rozdíl mezi SSD a jeho nejbližším konkurentem - HDD.

Navzdory množství různých zařízení pro ukládání informací je popularita HDD a SSD v dnešní době nepopiratelná. Rozdíl mezi těmito dvěma typy úložišť je pro laiky zřejmý: SSD je dražší a rychlejší, zatímco HDD je levnější a prostornější.

Zvláštní pozornost je třeba věnovat jednotce měření kapacity úložišť: historicky se ustálilo, že desítkové předpony, jako kilo- a mega-, v kontextu informačních technologií znamenají jako desátou a dvacátou mocninu dvojky. Aby se předešlo zmatku, byly zavedeny binární předpony kibi-, mebi- a další. Rozdíl mezi těmito předponami se stává znatelným se zvyšující se kapacitou: při koupi disku o 240 gigabajtech můžete na něm uložit 223,5 gibibajtu informací.

Ponoření do historie

Vývoj prvního pevného disku probíhal od roku 1952 pod vedením společnosti IBM. 14. září 1956 byl představen konečný výsledek jejich vývoje - IBM 350 Model 1. Toto úložiště mělo kapacitu 3,75 mebibajtu dat a mělo velké rozměry: 172 centimetrů na výšku, 152 centimetrů na délku a 74 centimetrů na šířku. Uvnitř bylo 50 tenkých disků pokrytých čistým železem o průměru 610 mm (24 palců). Průměrná doba vyhledávání dat na disku činila přibližně 600 ms.

Čas plynul a IBM s jistotou vylepšoval technologii. V roce 1961 byl představen IBM 1301 s kapacitou 18,75 megabajtu, s čtecími hlavami na každém disku. V IBM 1311 se objevily odnímatelné diskové cartridge, a od roku 1970 byl v IBM 3330 zaveden systém detekce a opravy chyb. O tři roky později se objevil IBM 3340 známý pod názvem „Winchester“.

Winchester (z angličtiny Winchester rifle) je obecné označení pro pušky a brokovnice vyráběné společností Winchester Repeating Arms Company ve Spojených státech ve druhé polovině 19. století. Byly jedněmi z prvních vícevrstvých pušek, které získaly obrovskou popularitu mezi zákazníky. Svůj název dostaly od zakladatele společnosti - Olivera Fishera Winchestera.
IBM 3340 se skládal ze dvou špindlů po 30 MiB každý, což způsobilo, že inženýři nazývali tento disk „30-30“.Tento název připomínal pušku Winchester Model 1894 s náboji .30-30 Winchester, což vedlo Kenetha Haughtona, vedoucího vývoje IBM 3340, k tomu, aby řekl: „Pokud je to 30-30, musí to být Winchester.“ Od té doby se pojmem „winchester“ označují nejen pušky, ale také pevné disky.

O tři roky později byl uveden IBM 3350 „Madrid“ s 14palcovými plotnami a přístupovým časem 25 ms.

První SSD disk byl vytvořen společností Dataram v roce 1976. Disk Dataram BulkCore sestával z šasi se osmi RAM moduly o velikosti 256 KiB každý. Ve srovnání s prvním pevným diskem byl BulkCore maličký: 50,8 cm na délku, 48,26 cm na šířku a 40 cm na výšku. Přístupový čas k datům v tomto modelu činil pouhých 750 ns, což je 30000krát rychlejší než u tehdy nejmodernějšího HDD disku.

V roce 1978 byla založena společnost Shugart Technology, která o rok později změnila název na Seagate Technology, aby se vyhnula konfliktům se Shugart Associates. O dva roky později přišel na svět ST-506 — první pevný disk pro osobní počítače ve formátu 5.25 palce a s kapacitou 5 MiB.

Kromě vzniku Shugart Technology si rok 1978 zapamatal také uvádění prvního Enterprise SSD od společnosti StorageTek. StorageTek STC 4305 pojmul 45 MiB dat. Tento SSD byl vyvinut jako náhrada za IBM 2305, měl podobné rozměry a stál neuvěřitelných 400 000 $.

V roce 1982 přichází SSD na trh osobních počítačů. Společnost Axlon speciálně pro Apple II vyvinula SSD disk na RAM čipech s názvem RAMDISK 320. Vzhledem k tomu, že byl disk vyroben na bázi volatilní paměti, byl dodáván s baterií pro udržení dat. Kapacita baterie stačila na 3 hodiny autonomního provozu v případě výpadku elektrického napájení.

O rok později společnost Rodime uvede na trh první pevný disk RO352 o kapacitě 10 MiB v obvyklém formátu 3.5 palce pro dnešního uživatele. I když je to první komerční disk v tomto formátu, Rodime v podstatě nepřinesla nic inovativního.

Prvním produktem v tomto formátu se považuje floppy disková jednotka, kterou představily společnosti Tandon a Shugart Associates. Navíc se společnosti Seagate a MiniScribe dohodly na přijetí průmyslového standardu 3.5 palce, přičemž Rodime byla „nalevo“ a čekala na osud „patentového trolla“ a úplný odchod z odvětví výroby úložišť.

V roce 1980 zaregistroval inženýr společnosti Toshiba, profesor Fudzio Masuoka, patent na nový typ paměti, nazvaný Flash paměť typu NOR. Vývoj trval 4 roky.

NOR paměť představuje klasickou 2D matici vodičů, kde na průsečíku řádků a sloupců je umístěna jedna buňka (analog paměti na magnetických jádrech).

V roce 1984 profesor Masuoka představil svůj vynález na konferenci International Electronics Developers Meeting, kde společnost Intel rychle ocenila perspektivu této technologie. Společnost Toshiba, ve které profesor Masuoka pracoval, nepovažovala Flash paměť za něco zvláštního, a proto vyhověla žádosti Intelu vytvořit několik prototypů pro studium.

Zájem společnosti Intel o vývoj Fudzia přiměl Toshibu vyčlenit pět inženýrů, aby pomohli profesorovi vyřešit problém komercializace vynálezu. Intel na oplátku rozmístil tři sta zaměstnanců k vytvoření vlastní varianty Flash paměti.

Zatímco Intel a Toshiba vyvíjely Flash jednotky, v roce 1986 došlo k dvěma důležitým událostem. Za prvé, byl oficiálně standardizován SCSI — soubor dohod o interakci mezi počítači a periferními zařízeními. Za druhé, byl vyvinut rozhraní AT Attachment (ATA), známé pod obchodním názvem Integrated Drive Electronics (IDE), díky kterému se řadič disku přesunul do vnitřní části disku.

Tři roky se Fudzio Masuoka snažil o vylepšení technologie Flash paměti a do roku 1987 vyvinul NAND paměť.

NAND paměť je stejná jako NOR paměť, uspořádaná do trojrozměrné matice. Hlavním rozdílem je to, že algoritmus přístupu k jednotlivým buňkám se stal složitějším, plocha buněk se zmenšila a celková kapacita se výrazně zvýšila.

O rok později vyvinula společnost Intel vlastní Flash paměť typu NOR a společnost Digipro vytvořila na jejím základě zařízení nazvané Flashdisk. První verze Flashdisku v maximální konfiguraci obsahovala 16 MiB dat a stála méně než 500$.

Na konci 80. a začátku 90. let se výrobci pevných disků předháněli v zmenšování velikosti disků. V roce 1989 uvedla společnost PrairieTek disk PrairieTek 220 s kapacitou 20 MiB ve formátu 2,5 palce. O dva roky později vytvořily společnosti Integral Peripherals disk Integral Peripherals 1820 „Mustang“ se stejnou kapacitou, ale už s velikostí 1,8 palce. O rok později zmenšila společnost Hewlett-Packard velikost disku na 1,3 palce.

Společnost Seagate zůstala věrná pevným diskům ve formátu 3,5 palce a zaměřila se na zvyšování rychlosti otáčení, když v roce 1992 uvedla na trh svůj proslulý model Barracuda, první pevný disk s rychlostí otáčení vřetena 7200 otáček za minutu. Ale tím Seagate nehodlala skončit. V roce 1996 dosáhly disky ze série Seagate Cheetah rychlosti 10000 otáček za minutu a o čtyři roky později modifikace X15 to roztočila až na 15000 otáček za minutu.

V roce 2000 se rozhraní ATA začalo nazývat PATA. Důvodem byl vznik rozhraní Serial ATA (SATA) s kompaktnějšími kabely, podporou „hot swap“ a zvýšenou rychlostí přenosu dat. I zde si Seagate udržela prvenství, když v roce 2002 uvedla na trh první pevný disk s tímto rozhraním.

Výroba Flash paměti byla původně velmi nákladná, ale na začátku 2000 let cena drasticky klesla. To využila společnost Transcend, která v roce 2003 uvedla na trh SSD disky o kapacitě od 16 do 512 MiB. O tři roky později se k masové výrobě připojily společnosti Samsung a SanDisk. Ve stejném roce prodává IBM svůj diskový segment společnosti Hitachi.

Solid-state disky získávaly na popularitě a vznikl zřejmý problém: rozhraní SATA bylo pomalejší než samotné SSD disky. Aby se tento problém vyřešil, pracovní skupina NVM Express Workgroup začala vyvíjet NVMe — specifikaci protokolů pro přístup k SSD přímo přes sběrnici PCIe, obcházející „prostředníka“ v podobě SATA kontroleru. To by umožnilo přístup k datům rychlostí sběrnice PCIe. O dva roky později byla připravena první verze specifikace a o rok později se objevil první NVMe disk.

Rozdíly mezi moderními SSD a HDD

Na fyzické úrovni je rozdíl mezi SSD a HDD snadno patrný: v SSD chybí mechanické prvky a informace jsou uloženy v paměťových buňkách. Nedostatek pohyblivých prvků umožňuje rychlý přístup k datům kdekoli v paměti, ovšem existuje omezení počtu přepisovacích cyklů. Vzhledem k omezenému počtu přepisovacích cyklů každé paměťové buňky vzniká nutnost vyvažovacího mechanismu — vyrovnávání opotřebení buněk přenosem dat mezi buňkami. Tuto práci provádí řadič disku.

Aby bylo možné provádět vyvažování, musí SSD řadič vědět, které buňky jsou obsazené a které volné. Řadič je schopen sledovat zápis dat do buňky, nikoli však jejich odstranění. Jak je známo, operační systémy (OS) neodstraňují data z disku, když uživatel vymaže soubor, ale označují odpovídající oblasti paměti jako volné. Toto řešení odstraňuje nutnost čekání na diskovou operaci při používání HDD, ale rozhodně se nehodí pro SSD. Řadič SSD disku pracuje s byty, nikoli se souborovými systémy, a proto vyžaduje zvláštní zprávu o odstranění souboru.

Tak vznikl příkaz TRIM (angl. — zkrátit), kterým OS informuje řadič SSD disku o uvolnění určité oblasti paměti. Příkaz TRIM nevratně maže data z disku. Ne všechny operační systémy vědí o nutnosti odesílat tento příkaz pevným pamětem, a hardwarové RAID řadiče v režimu diskových polí příkaz TRIM diskům nikdy neposílají.