🥇Einführung in SSD. Teil 1. Historisch

Einführung in SSD. Teil 1. Historisch

Das Studium der Festplattengeschichte ist der Beginn des Weges zum Verständnis der Funktionsweise von Solid-State-Laufwerken. Der erste Teil unseres Artikelzyklus "Einführung in SSD" gibt einen Überblick über die Geschichte und ermöglicht ein anschauliches Verständnis der Unterschiede zwischen SSD und ihrem nächsten Konkurrenten – der HDD.

Trotz der Vielzahl von Speichermedien ist die Beliebtheit von HDD und SSD in der heutigen Zeit unbestreitbar. Der Unterschied zwischen diesen beiden Arten von Speichern ist für den Laien offensichtlich: SSDs sind teurer und schneller, während HDDs günstiger und speicherreicher sind.

Besondere Aufmerksamkeit sollte der Maßeinheit für die Speicherkapazität gewidmet werden: Historisch betrachtet bedeuten dezimale Präfixe wie Kilo- und Mega- im Kontext der Informationstechnologie sowohl die zehnte als auch die zwanzigste Potenz von zwei. Zur Vermeidung von Verwirrung wurden binäre Präfixe wie Kibi-, Mebi- und andere eingeführt. Der Unterschied zwischen diesen Präfixen wird mit zunehmendem Volumen bemerkbar: Wenn Sie eine Festplatte mit 240 Gigabyte kaufen, können Sie darauf 223,5 Gibibyte Informationen speichern.

Ein Blick in die Geschichte

Die Entwicklung der ersten Festplatte begann 1952 bei IBM. Am 14. September 1956 wurde das Ergebnis der Entwicklungen – IBM 350 Model 1 – angekündigt. Diese Speichereinheit fasste 3,75 Mebibyte Daten und hatte recht bescheidene Abmessungen: 172 Zentimeter hoch, 152 Zentimeter lang und 74 Zentimeter breit. Im Inneren befanden sich 50 dünne Platten, die mit reinem Eisen beschichtet waren, mit einem Durchmesser von 610 mm (24 Zoll). Die durchschnittliche Zugriffszeit auf die Daten betrug etwa 600 ms.

Die Zeit verging, und IBM verbesserte die Technologie stetig weiter. 1961 wurde IBM 1301 mit einer Kapazität von 18,75 Megabyte vorgestellt, das über Leseköpfe auf jeder Platte verfügte. Bei IBM 1311 gab es abnehmbare Diskettenkassetten, und ab 1970 wurde im IBM 3330 ein System zur Fehlererkennung und -korrektur implementiert. Drei Jahre später erschien IBM 3340 , bekannt unter dem Namen „Winchester“.

Winchester (von engl. Winchester rifle) ist die allgemeine Bezeichnung für Gewehre und Schusswaffen, die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts von der Winchester Repeating Arms Company in den USA hergestellt wurden. Es handelte sich um einige der ersten Mehrladegewehre, die bei Käufern enorm beliebt waren. Ihren Namen verdankten sie dem Firmengründer Oliver Fisher Winchester.
IBM 3340 bestand aus zwei Spindeln mit jeweils 30 MiB, weshalb Ingenieure diese Festplatte „30-30“ nannten.. Dieser Name erinnerte an das Gewehr Winchester Model 1894 mit .30-30 Winchester Patronen, weshalb Kenneth Haughton, der die Entwicklung von IBM 3340 leitete, sagte: „Wenn es ein 30-30 ist, dann muss es ein Winchester sein.“ Seitdem werden nicht nur Gewehre, sondern auch Festplatten als „Winchester“ bezeichnet.

Drei Jahre später erschien der IBM 3350 „Madrid“ mit 14-Zoll-Platten und einer Zugriffszeit von 25 ms.

Der erste SSD-Speicher wurde 1976 von Dataram entwickelt. Das Dataram BulkCore-Laufwerk bestand aus einem Gehäuse mit acht RAM-Speichermodulen von jeweils 256 KiB. Im Vergleich zur ersten Festplatte war BulkCore winzig: 50,8 cm lang, 48,26 cm breit und 40 cm hoch. Zudem betrug die Zugriffszeit bei diesem Modell nur 750 ns, was 30.000 Mal schneller war als die damals modernste HDD.

1978 wurde das Unternehmen Shugart Technology gegründet, das ein Jahr später seinen Namen in Seagate Technology änderte, um Konflikte mit Shugart Associates zu vermeiden. Zwei Jahre nach der Gründung von Seagate kam mit ST-506 die erste Festplatte für Personal Computer im 5,25-Zoll-Formfaktor mit einer Kapazität von 5 MiB auf den Markt.

Neben der Gründung von Shugart Technology war das Jahr 1978 auch bemerkenswert durch die Einführung des ersten Enterprise SSD von StorageTek. Der StorageTek STC 4305 konnte 45 MiB Daten speichern. Diese SSD wurde als Ersatz für IBM 2305 entwickelt, hatte ähnliche Maße und kostete unglaubliche 400.000 $.

1982 kam SSD auf den Markt der Personal Computer. Das Unternehmen Axlon entwickelte speziell für den Apple II eine SSD auf Basis von RAM-Chips mit dem Namen RAMDISK 320. Da der Speicher auf flüchtigem Speicher basierte, wurde ein Akku mitgeliefert, um die Informationen zu speichern. Die Akkulaufzeit betrug drei Stunden bei Stromausfall.

Ein Jahr später brachte das Unternehmen Rodime die erste Festplatte RO352 mit 10 MiB im weit verbreiteten 3,5-Zoll-Formfaktor auf den Markt. Obwohl dies die erste kommerzielle Festplatte in diesem Formfaktor war, war Rodime im Grunde genommen nichts Innovatives gelungen.

Das erste Produkt in diesem Formfaktor ist das von den Unternehmen Tandon und Shugart Associates vorgestellte Diskettenlaufwerk. Darüber hinaus einigten sich die Unternehmen Seagate und MiniScribe auf die Annahme des industriellen Standards von 3,5 Zoll, „verdrängten“ Rodime, die das Schicksal eines „Patenttrolls“ erleiden sollte und vollständig aus der Speicherindustrie ausschied.

Im Jahr 1980 registrierte der Ingenieur von Toshiba, Professor Fujio Masuoka, ein Patent für eine neue Art von Speicher, die als NOR-Flash-Speicher bezeichnet wird. Die Entwicklung dauerte vier Jahre.

NOR-Speicher ist eine klassische 2D-Anordnung von Leitern, bei der an der Kreuzung von Zeilen und Spalten jeweils eine Zelle installiert ist (vergleichbar mit dem Speicher von Magnetkernen).

1984 stellte Professor Masuoka seine Erfindung auf der International Electronics Developers Meeting vor, wo das Unternehmen Intel schnell das Potenzial dieser Entwicklung erkannte. Das Unternehmen Toshiba, in dem Professor Masuoka arbeitete, hielt Flash-Speicher nicht für etwas Besonderes und erfüllte daher die Bitte von Intel, einige Prototypen zum Studium zu erstellen.

Das Interesse von Intel an der Entwicklung von Fujio brachte Toshiba dazu, fünf Ingenieure zur Unterstützung des Professors zur Lösung des Problems der Kommerzialisierung der Erfindung abzustellen. Intel seinerseits setzte dreihundert Mitarbeiter zur Entwicklung einer eigenen Version von Flash-Speicher ein.

Während Intel und Toshiba an der Entwicklung von Flash-Speicher arbeiteten, geschahen 1986 zwei wichtige Ereignisse. Erstens wurde SCSI offiziell standardisiert - eine Reihe von Vereinbarungen für die Interaktion zwischen Computern und Peripheriegeräten. Zweitens wurde das AT Attachment (ATA) entwickelt, bekannt unter der Marke Integrated Drive Electronics (IDE), die dazu führte, dass der Festplattencontroller in die Festplatte verlegt wurde.

Drei Jahre arbeitete Fujio Masuoka an der Verbesserung der Flash-Speichertechnologie und entwickelte bis 1987 den NAND-Speicher.

NAND-Speicher ist derselbe wie NOR-Speicher, organisiert in einem dreidimensionalen Array. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Zugriffsalgorithmus auf jede Zelle komplexer wurde, die Fläche der Zellen kleiner wurde und die gesamte Kapazität erheblich anstieg.

Ein Jahr später entwickelte das Unternehmen Intel seinen eigenen NOR-Flash-Speicher, und die Firma Digipro stellte darauf einen Speicher namens Flashdisk her. Die erste Version von Flashdisk in der maximalen Konfiguration konnte 16 MiB Daten speichern und kostete weniger als 500 $

Ende der 80er und Anfang der 90er Jahre konkurrierten die Hersteller von Festplatten um die Verringerung der Plattengröße. 1989 brachte die Firma PrairieTek die PrairieTek 220-Platte mit 20 MiB im 2,5-Zoll-Format auf den Markt. Zwei Jahre später stellte Integral Peripherals die Integral Peripherals 1820 "Mustang"-Platte mit demselben Volumen, aber im 1,8-Zoll-Format her. Ein Jahr später reduzierte Hewlett-Packard die Größe der Platte auf 1,3 Zoll.

Die Firma Seagate hielt an der 3,5-Zoll-Festplattentechnologie fest und setzte auf eine erhöhte Drehzahl, indem sie 1992 ihr berühmtes Modell Barracuda herausbrachte, die erste Festplatte mit einer Spindelgeschwindigkeit von 7200 U/min. Doch damit wollte sich Seagate nicht zufriedengeben. Im Jahr 1996 erreichten die Festplatten der Seagate Cheetah-Serie eine Drehzahl von 10000 U/min, und vier Jahre später drehte die X15-Version sogar mit 15000 U/min.

Im Jahr 2000 wurde das ATA-Interface als PATA bekannt. Dies war der Folge des Erscheines des Serial ATA (SATA)-Interfaces, das mit kompakteren Kabeln, Unterstützung für „Hot Swapping“ und erhöhter Datenübertragungsrate ausgestattet war. Auch hier übernahm Seagate die Führung und brachte 2002 die erste Festplatte mit diesem Interface heraus.

Die Herstellung von Flash-Speicher war zunächst sehr teuer, aber zu Beginn der 2000er Jahre sanken die Preise drastisch. Diese Gelegenheit nutzte die Firma Transcend, die 2003 SSD-Laufwerke mit Kapazitäten von 16 bis 512 MiB herausbrachte. Drei Jahre später stiegen die Unternehmen Samsung und SanDisk in die Massenproduktion ein. In demselben Jahr verkaufte IBM seine Festplattensparte an Hitachi.

Solid-State-Laufwerke gewannen zunehmend an Bedeutung und es trat ein offensichtliches Problem auf: Das SATA-Interface war langsamer als die SSDs selbst. Um dieses Problem zu lösen, begann die Arbeitsgruppe NVM Express mit der Entwicklung von NVMe – einer Spezifikation für Protokolle zum direkten Zugriff auf SSDs über den PCIe-Bus, ohne den „Vermittler“ in Form eines SATA-Controllers. Dies würde den Zugriff auf Daten mit der Geschwindigkeit des PCIe-Busses ermöglichen. Zwei Jahre später war die erste Version der Spezifikation bereit, und ein weiteres Jahr später erschien das erste NVMe-Laufwerk.

Unterschiede zwischen modernen SSDs und HDDs

Auf physischer Ebene ist der Unterschied zwischen SSDs und HDDs leicht erkennbar: SSDs besitzen keine mechanischen Elemente, sondern speichern Informationen in Speicherzellen. Der Mangel an beweglichen Teilen ermöglicht einen schnellen Zugriff auf Daten in jedem Speicherbereich, jedoch gibt es eine Begrenzung für die Anzahl der Schreibzyklen. Aufgrund der begrenzten Anzahl von Schreibzyklen jeder Speicherzelle ist ein Mechanismus zur Balancierung notwendig – das Ausgleichen der Abnutzung von Zellen durch das Verschieben von Daten zwischen den Zellen. Diese Aufgabe übernimmt der Controller der Festplatte.

Um die Balance des SSD-Controllers zu gewährleisten, muss er wissen, welche Zellen belegt sind und welche frei sind. Die Datenaufzeichnung in eine Zelle kann der Controller selbst nachvollziehen, während dies beim Löschen nicht der Fall ist. Wie bekannt, löschen Betriebssysteme (OS) keine Daten von der Festplatte, wenn der Benutzer eine Datei löscht, sondern markieren die entsprechenden Speicherbereiche als frei. Diese Lösung erspart das Warten auf Festplattenoperationen bei der Verwendung von HDDs, eignet sich jedoch überhaupt nicht für die Arbeit mit SSDs. Der Controller einer SSD arbeitet mit Bytes und nicht mit Dateisystemen, und verlangt daher eine separate Mitteilung über das Löschen einer Datei.

So entstand der TRIM-Befehl (engl. „stutzen“), mit dem das OS den Controller der SSD über die Freigabe eines bestimmten Speicherbereichs informiert. Der TRIM-Befehl löscht die Daten auf der Festplatte unwiderruflich. Nicht alle Betriebssysteme sind sich der Notwendigkeit bewusst, diesen Befehl an Solid-State-Laufwerke zu senden, und Hardware-RAID-Controller senden im Disk-Array-Modus niemals TRIM-Befehle an die Laufwerke.