Introduktion til SSD'er. Del 1. Historisk

At studere diskenes historie er begyndelsen på rejsen til at forstå principperne for drift af solid-state-drev. Den første del af vores serie af artikler, "Introduktion til SSD'er," vil tage en rundtur i historien og give dig mulighed for klart at forstå forskellen mellem en SSD og dens nærmeste konkurrent, HDD'en.

På trods af overfloden af ​​forskellige enheder til lagring af information, er populariteten af ​​HDD'er og SSD'er i vores tid ubestridelig. Forskellen mellem disse to typer drev er indlysende for den gennemsnitlige person: SSD er dyrere og hurtigere, mens HDD er billigere og mere rummelig.

Der bør lægges særlig vægt på måleenheden for lagerkapacitet: Historisk set forstås decimalpræfikser som kilo og mega i forbindelse med informationsteknologi som den tiende og tyvende potens af to. For at eliminere forvirring blev de binære præfikser kibi-, mebi- og andre introduceret. Forskellen mellem disse set-top-bokse bliver mærkbar, efterhånden som lydstyrken stiger: Når du køber en 240 gigabyte disk, kan du gemme 223.5 gigabyte information på den.

Fordybelse i historien

Udviklingen af ​​den første harddisk begyndte i 1952 af IBM. Den 14. september 1956 blev det endelige resultat af udviklingen offentliggjort - IBM 350 Model 1. Drevet indeholdt 3.75 mebibyte data med meget ubeskedne dimensioner: 172 centimeter i højden, 152 centimeter i længden og 74 centimeter i bredden. Indeni var der 50 tynde skiver belagt med rent jern med en diameter på 610 mm (24 tommer). Den gennemsnitlige tid til at søge efter data på disken tog ~600 ms.

Som tiden gik, forbedrede IBM støt teknologien. Introduceret i 1961 IBM 1301 med en kapacitet på 18.75 megabyte med læsehoveder på hver plade. I IBM 1311 flytbare diskpatroner dukkede op, og siden 1970 blev der introduceret et fejlsøgnings- og korrektionssystem i IBM 3330. Tre år senere dukkede han op IBM 3340 kendt som "Winchester".

Winchester (fra den engelske Winchester-riffel) - det generelle navn for rifler og haglgeværer fremstillet af Winchester Repeating Arms Company i USA i anden halvdel af det XNUMX. århundrede. Disse var en af ​​de første gentagne haglgeværer, der blev ekstremt populære blandt købere. De skyldte deres navn til virksomhedens grundlægger, Oliver Fisher Winchester.

IBM 3340 bestod af to spindler på hver 30 MiB, hvilket er grunden ingeniører kaldte denne disk "30-30". Navnet mindede om Winchester Model 1894-riflen i .30-30 Winchester, hvilket førte Kenneth Haughton, der ledede udviklingen af ​​IBM 3340, til at sige "Hvis det er en 30-30, må det være en Winchester." en 30 -30, så må det være en Winchester."). Siden da er ikke kun rifler, men også harddiske blevet kaldt "harddiske".

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

Det første SSD-drev blev skabt af Dataram i 1976. Dataram BulkCore-drevet bestod af et chassis med otte RAM memory sticks med en kapacitet på 256 KiB hver. Sammenlignet med den første harddisk var BulkCore lillebitte: 50,8 cm lang, 48,26 cm bred og 40 cm høj. Samtidig var dataadgangstiden i denne model kun 750 ns, hvilket er 30000 gange hurtigere end det mest moderne HDD-drev på det tidspunkt.

I 1978 blev Shugart Technology grundlagt, som et år senere skiftede navn til Seagate Technology for at undgå konflikter med Shugart Associates. Efter to års arbejde udgav Seagate ST-506 - den første harddisk til personlige computere i 5.25-tommer formfaktor og med en kapacitet på 5 MiB.

Ud over fremkomsten af ​​Shugart Technology blev 1978 husket for udgivelsen af ​​den første Enterprise SSD fra StorageTek. StorageTek STC 4305 holdt 45 MiB data. Denne SSD blev udviklet som en erstatning for IBM 2305, havde lignende dimensioner og kostede utrolige $400.

I 1982 kom SSD ind på markedet for personlige computere. Axlon-virksomheden er ved at udvikle en SSD-disk på RAM-chips kaldet RAMDISK 320 specifikt til Apple II. Da drevet blev skabt på basis af flygtig hukommelse, blev der leveret et batteri i sættet for at opretholde informationssikkerheden. Batterikapaciteten var nok til 3 timers autonom drift i tilfælde af strømtab.

Et år senere vil Rodime frigive den første RO352 10 MiB harddisk i den 3.5-tommer formfaktor, som moderne brugere kender. På trods af at dette er det første kommercielle drev i denne formfaktor, gjorde Rodime i det væsentlige intet innovativt.

Det første produkt i denne formfaktor anses for at være et diskettedrev introduceret af Tandon og Shugart Associates. Desuden blev Seagate og MiniScribe enige om at vedtage 3.5-tommer industristandarden, og efterlod Rodime bag sig, som stod over for skæbnen som en "patent-trold" og en fuldstændig exit fra drevproduktionsindustrien.

I 1980 registrerede Toshibas ingeniør, professor Fujio Masuoka, et patent på en ny type hukommelse kaldet NOR Flash-hukommelse. Udviklingen tog 4 år.

NOR-hukommelse er en klassisk 2D-matrix af ledere, hvor en celle er installeret i skæringspunktet mellem rækker og kolonner (analogt med hukommelse på magnetiske kerner).

I 1984 talte professor Masuoka om sin opfindelse ved International Electronics Developers Meeting, hvor Intel hurtigt anerkendte løftet om denne udvikling. Toshiba, hvor professor Masuoka arbejdede, anså ikke Flash-hukommelse for at være noget særligt, og efterkom derfor Intels anmodning om at lave flere prototyper til undersøgelse.

Intels interesse i Fujios udvikling fik Toshiba til at allokere fem ingeniører til at hjælpe professoren med at løse problemet med at kommercialisere opfindelsen. Intel kastede til gengæld tre hundrede medarbejdere ud i at skabe sin egen version af Flash-hukommelse.

Mens Intel og Toshiba udviklede udvikling inden for Flash-lagring, fandt to vigtige begivenheder sted i 1986. For det første er SCSI, et sæt konventioner for kommunikation mellem computere og perifere enheder, blevet officielt standardiseret. For det andet blev AT Attachment (ATA)-grænsefladen, kendt under varemærket Integrated Drive Electronics (IDE), udviklet, takket være hvilken drevcontrolleren blev flyttet ind i drevet.

I tre år arbejdede Fujio Mausoka på at forbedre Flash-hukommelsesteknologi og udviklede i 1987 NAND-hukommelse.

NAND-hukommelse er den samme NOR-hukommelse, organiseret i et tredimensionelt array. Den største forskel var, at algoritmen til at få adgang til hver celle blev mere kompleks, cellearealet blev mindre, og den samlede kapacitet steg betydeligt.

Et år senere udviklede Intel sin egen NOR Flash-hukommelse, og Digipro lavede et drev på den kaldet Flashdisk. Den første version af Flashdisk i sin maksimale konfiguration indeholdt 16 MiB data og kostede mindre end $500

I slutningen af ​​80'erne og begyndelsen af ​​90'erne konkurrerede harddiskproducenter om at gøre drevene mindre. I 1989 udgav PrairieTek PrairieTek 220 20 MiB-drevet i en 2.5-tommer formfaktor. To år senere skaber Integral Peripherals Integral Peripherals 1820 "Mustang"-disken med samme volumen, men allerede 1.8 tommer. Et år senere reducerede Hewlett-Packard diskstørrelsen til 1.3 tommer.

Seagate forblev tro mod drev i 3.5-tommer formfaktoren og var afhængig af stigende rotationshastigheder, og udgav sin berømte Barracuda-model i 1992, den første harddisk med en spindelhastighed på 7200 rpm. Men Seagate ville ikke stoppe der. I 1996 nåede drevene fra Seagate Cheetah-linjen en omdrejningshastighed på 10000 rpm, og fire år senere drejede X15-modifikationen op til 15000 rpm.

I 2000 blev ATA-grænsefladen kendt som PATA. Årsagen til dette var fremkomsten af ​​Serial ATA (SATA)-grænsefladen med mere kompakte ledninger, hot-swap-understøttelse og øget dataoverførselshastighed. Seagate tog føringen også her og udgav den første harddisk med en sådan grænseflade i 2002.

Flash-hukommelse var oprindeligt meget dyr at producere, men omkostningerne faldt kraftigt i begyndelsen af ​​2000'erne. Transcend udnyttede dette og frigav SSD-drev med kapaciteter fra 2003 til 16 MiB i 512. Tre år senere sluttede Samsung og SanDisk sig til masseproduktion. Samme år solgte IBM sin diskdivision til Hitachi.

Solid State Drives tog fart, og der var et åbenlyst problem: SATA-grænsefladen var langsommere end SSD'erne selv. For at løse dette problem begyndte NVM Express Workgroup at udvikle NVMe - en specifikation for adgangsprotokoller til SSD'er direkte over PCIe-bussen, uden om "mellemleddet" i form af en SATA-controller. Dette ville tillade dataadgang ved PCIe-bushastigheder. To år senere var den første version af specifikationen klar, og et år senere dukkede det første NVMe-drev op.

Forskelle mellem moderne SSD'er og HDD'er

På det fysiske niveau er forskellen mellem en SSD og en HDD let mærkbar: En SSD har ingen mekaniske elementer, og information er lagret i hukommelsesceller. Fraværet af bevægelige elementer fører til hurtig adgang til data i enhver del af hukommelsen, dog er der en grænse for antallet af omskrivningscyklusser. På grund af det begrænsede antal omskrivningscyklusser for hver hukommelsescelle, er der behov for en balanceringsmekanisme - udjævning af celleslid ved at overføre data mellem celler. Dette arbejde udføres af diskcontrolleren.

For at udføre balancering skal SSD-controlleren vide, hvilke celler der er optaget, og hvilke der er ledige. Controlleren er i stand til at spore registreringen af ​​data ind i en celle selv, hvilket ikke kan siges om sletning. Som du ved, sletter operativsystemer (OS) ikke data fra disken, når brugeren sletter en fil, men markerer de tilsvarende hukommelsesområder som ledige. Denne løsning eliminerer behovet for at vente på en diskoperation, når du bruger en HDD, men er fuldstændig uegnet til at betjene en SSD. SSD-drevcontrolleren arbejder med bytes, ikke filsystemer, og kræver derfor en separat besked, når en fil slettes.

Sådan fremkom kommandoen TRIM (engelsk - trim), hvormed OS giver SSD-diskcontrolleren besked om at frigøre et bestemt hukommelsesområde. TRIM-kommandoen sletter permanent data fra en disk. Ikke alle operativsystemer ved at sende denne kommando til solid-state-drev, og hardware RAID-controllere i disk array-tilstand sender aldrig TRIM til diske.

Fortsættes ...

I de følgende dele vil vi tale om formfaktorer, forbindelsesgrænseflader og den interne organisation af solid-state-drev.

I vores laboratorium Selectel Lab Du kan uafhængigt teste moderne HDD- og SSD-drev og drage dine egne konklusioner.

Kun registrerede brugere kan deltage i undersøgelsen. Log ind, Vær venlig.

Tror du, at SSD vil være i stand til at fortrænge HDD?

• 71.2 %Ja, SSD'er er fremtiden396

• 7.5 %Nej, æraen med magneto-optisk HDD42 er forude

• 21.2 %Hybridversionen HDD + SSD118 vil vinde

556 brugere stemte. 72 brugere undlod at stemme.

Kilde: www.habr.com