🥇Introduction to SSDs. Part 1. Historical

Introduktion til SSD. Del 1. Historien

At undersøge historien om lagringsdrev er begyndelsen på vejen til at forstå, hvordan solid-state-drev fungerer. Den første del af vores artikelserie "Introduktion til SSD" giver et indblik i historien og viser tydeligt forskellen mellem SSD og dens nærmeste konkurrent — HDD.

På trods af det store udvalg af lagringsenheder er populariteten af HDD og SSD i dag ubestridelig. Forskellen mellem disse to typer lagringsenheder er tydelig for den almindelige bruger: SSD er dyrere og hurtigere, mens HDD er billigere og mere rummelige.

Det er vigtigt at lægge særlig vægt på enheden for lagringskapacitet: det har historisk været sådan, at decimalpræfikser som kibi- og mebi- i forbindelse med informationsteknologi henviser til henholdsvis tiende og tyvende potens af to. For at undgå forvirring blev binære præfikser som kibi- og mebi- indført. Forskellen mellem disse præfikser bliver mere mærkbar, når kapaciteten stiger: ved køb af en disk på 240 gigabyte kan du gemme 223,5 gibibyte information.

At dykke ned i historien

Udviklingen af den første hårddisk begyndte i 1952 ved IBM. Den 14. september 1956 blev det endelige resultat af deres arbejde — IBM 350 Model 1 — annonceret. Lagringsenheden kunne rumme 3,75 mebibyte data med bastante dimensioner: 172 centimeter høj, 152 centimeter lang og 74 centimeter bred. Indeni var der 50 tynde plader belagt med ren jern med en diameter på 610 mm (24 tommer). Den gennemsnitlige søgetid for data på disken var ca. 600 ms.

Tiden gik, og IBM forbedrede teknologien effektivt. I 1961 blev IBM 1301 præsenteret, med en kapacitet på 18,75 megabyte og læsehoveder på hver plade. I IBM 1311 blev der introduceret udskiftelige disk cartridges, og fra 1970 blev der implementeret et system til fejldetektering og -korrektion i IBM 3330. Tre år senere kom IBM 3340 kendt som "Winchester".

Winchester (fra engelsk. Winchester rifle) er et generelt navn for de geværer og rifler, der blev produceret af Winchester Repeating Arms Company i USA i anden halvdel af det 19. århundrede. Det var nogle af de første magasinfyldte våben, der opnåede stor popularitet blandt købere. Navnet stammer fra virksomhedens grundlægger — Oliver Fisher Winchester.
IBM 3340 bestod af to spoler på 30 MiB hver, hvilket fik ingeniørerne til at kalde denne disk "30-30".. Dette navn mindede om Winchester Model 1894 riflen med .30-30 Winchester patroner, hvilket fik Kenneth Haughton, der ledede udviklingen af IBM 3340, til at sige: "Hvis det er en 30-30, så må det være en Winchester." Siden da kaldes "Winchester" ikke kun rifler, men også harddiske.

Tre år senere blev IBM 3350 "Madrid" udgivet med 14-tommers plader og en adgangstid på 25 ms.

Den første SSD blev skabt af Dataram i 1976. Dataram BulkCore bestod af et chassis med otte RAM-moduler på 256 KiB hver. Sammenlignet med den første harddisk var BulkCore lille: 50,8 cm i længden, 48,26 cm i bredden og 40 cm i højden. Desuden havde denne model en adgangstid på kun 750 ns, hvilket var 30.000 gange hurtigere end den mest moderne HDD på det tidspunkt.

I 1978 blev Shugart Technology grundlagt, som et år senere ændrede navn til Seagate Technology for at undgå konflikter med Shugart Associates. To år efter begyndte Seagate at producere ST-506 — den første harddisk til personlige computere i 5.25-tommers formfaktor med en kapacitet på 5 MiB.

Udover grundlæggelsen af Shugart Technology huskes 1978 for lanceringen af den første Enterprise SSD fra StorageTek. StorageTek STC 4305 havde en kapacitet på 45 MiB. Denne SSD blev udviklet som en erstatning for IBM 2305, havde lignende dimensioner og kostede utrolige 400.000 $.

I 1982 trådte SSD ind på markedet for personlige computere. Axlon udviklede en SSD til Apple II baseret på RAM-chips kaldet RAMDISK 320. Da dette drev blev lavet på baggrund af flygtig hukommelse, medfølger et batteri for at bevare dataene. Batteriets kapacitet var tilstrækkelig til 3 timers drift uden strøm.

Et år senere skulle Rodime lancere den første harddisk RO352 på 10 MiB i den bekvemme 3.5-tommers formfaktor. Selvom det var den første kommercielle disk i denne formfaktor, gjorde Rodime i praksis ikke noget innovativt.

Det første produkt i denne formfaktor anses for at være diskettedrev, præsenteret af Tandon og Shugart Associates. Desuden indgik Seagate og MiniScribe en aftale om at vedtage den industristandard på 3.5 tommer, hvilket "ladde Rodime ude" i skyggen af at blive en "patent troll" og fuldstændig trække sig tilbage fra producenten af lagringsenheder.

I 1980 anmeldte Toshiba-ingeniøren, professor Fujio Masuoka, et patent på en ny type hukommelse kaldet Flash-hukommelse af typen NOR. Udviklingen tog fire år.

NOR-hukommelse repræsenterer en klassisk 2D matrix af ledere, hvor der er en celle installeret ved krydsene af rækker og søjler (analog hukommelse til magnetiske kerner).

I 1984 præsenterede professor Masuoka sin opfindelse på konferencen International Electronics Developers Meeting, hvor Intel hurtigt vurderede udviklingens potentiale. Toshiba, hvor professor Masuoka arbejdede, betragtede ikke Flash-hukommelsen som noget særligt og imødekom derfor Intels anmodning om at lave et par prototypeeksemplarer til undersøgelse.

Den interesse, Intel viste for Fujios udvikling, førte til, at Toshiba stillede fem ingeniører til rådighed for professoren for at løse kommercialiseringsproblemet. Intel, på sin side, engagerede tre hundrede medarbejdere i at skabe sin egen version af Flash-hukommelse.

Mens Intel og Toshiba arbejdede på Flash-lagringsløsninger, skete der to vigtige begivenheder i 1986. For det første blev SCSI officielt standardiseret - en række aftaler for interaktion mellem computere og perifere enheder. For det andet blev AT Attachment (ATA)-grænsefladen udviklet, kendt under brandnavnet Integrated Drive Electronics (IDE), der gjorde, at diskcontrolleren blev flyttet inde i disken.

I tre år arbejdede Fujio Masuoka på at forbedre Flash-hukommelsesteknologien og i 1987 udviklede han NAND-hukommelse.

NAND-hukommelse er den samme som NOR-hukommelse, organiseret i et 3D-array. Den primære forskel er, at ad access-algoritmen til hver celle blev mere kompleks, cellearealet blev mindre, og den samlede kapacitet blev markant øget.

Et år senere udviklede Intel sin egen Flash-hukommelse af typen NOR, og virksomheden Digipro lavede en lagringsenhed kaldet Flashdisk. Den første version af Flashdisk i den maksimale konfiguration havde plads til 16 MiB data og kostede under 500 $.

I slutningen af 80'erne og begyndelsen af 90'erne konkurrerede harddiskproducenter om at reducere størrelsen på diske. I 1989 lancerede PrairieTek disken PrairieTek 220 på 20 MiB i formfaktor 2,5 tomme. To år senere skabte Integral Peripherals disken Integral Peripherals 1820 'Mustang' med samme kapacitet, men allerede 1,8 tomme. Et år senere reducerede Hewlett-Packard diskstørrelsen til 1,3 tomme.

Seagate har holdt fast ved 3,5 tommers harddiske og har fokuseret på at øge hastigheden ved at udgive den berømte Barracuda-model i 1992, den første harddisk med en spindelhastighed på 7200 omdrejninger pr. minut. Men Seagate havde ikke tænkt sig at stoppe der. I 1996 nåede diske fra Seagate Cheetah-serien en hastighed på 10000 omdrejninger pr. minut, og fire år senere kunne X15-modifikationen nå op på 15000 omdrejninger pr. minut.

I år 2000 blev ATA-interface nævnt som PATA. Dette skyldtes fremkomsten af Serial ATA (SATA) med mere kompakte kabler, understøttelse af 'hot-swap' og en øget dataoverførselshastighed. Seagate tog føringen igen ved at udgive den første harddisk med dette interface i 2002.

Produktion af flashhukommelse var oprindeligt meget dyrt, men i begyndelsen af 2000'erne faldt priserne dramatisk. Dette udnyttede Transcend, der i 2003 udgav SSD'er med kapaciteter fra 16 til 512 MiB. Tre år senere begyndte selskaberne Samsung og SanDisk også masseproduktion. Samme år solgte IBM sin diskafdeling til Hitachi.

Solid State-drev fik hurtigt vind i sejlene, og der opstod et oplagt problem: SATA-interfacet var langsommere end selve SSD'erne. For at løse dette problem begyndte NVM Express Workgroup at udvikle NVMe - en specifikation for protokoller til direkte adgang til SSD'er via PCIe-bussen, hvilket omgås 'mellemmanden' i form af SATA-controlleren. Dette ville gøre det muligt at få adgang til data i hastigheden af PCIe-bussen. To år senere var den første version af specifikationen klar, og et år senere kom den første NVMe-enhed.

Forskelle mellem moderne SSD og HDD

På et fysisk niveau er forskellen mellem SSD og HDD let at se: SSD'er har ikke mekaniske elementer, og informationen gemmes i hukommelsesceller. Fraværet af bevægelige dele muliggør hurtig adgang til data i enhver del af hukommelsen; dog er der en begrænsning for antallet af skrivecykler. På grund af det begrænsede antal skrivecykler pr. hukommelsescelle er der behov for en udligningsmekanisme — et system for at fordele slid ved at flytte data mellem cellerne. Dette arbejde udføres af controlleren i drevet.

For SSD balancing, the controller needs to know which cells are occupied and which are free. The controller can track data being written to a cell, but not the deletion of data. As is known, operating systems (OS) do not erase data from the disk when a user deletes a file; instead, they mark the corresponding memory areas as free. This solution eliminates the need to wait for disk operation when using HDDs, but it is completely unsuitable for SSDs. The SSD controller works with bytes, not file systems, and therefore requires a separate notification when a file is deleted.

Thus, the TRIM command (English - to trim) was introduced, which notifies the SSD controller about the release of a certain memory area. The TRIM command irreversibly erases data from the disk. Not all operating systems are aware of the necessity to send this command to solid-state drives, and hardware RAID controllers in disk array mode never send TRIM to the drives.