🥇Einführung in SSD. Teil 1. Historisch

Einführung in SSDs. Teil 1. Historisch

Das Studium der Geschichte der Festplatten ist der Beginn der Reise zum Verständnis der Funktionsprinzipien von Solid-State-Laufwerken. Der erste Teil unserer Artikelserie „Einführung in SSDs“ bietet Ihnen einen Rundgang durch die Geschichte und ermöglicht es Ihnen, den Unterschied zwischen einer SSD und ihrem nächsten Konkurrenten, der HDD, klar zu verstehen.

Trotz der Fülle verschiedener Geräte zum Speichern von Informationen ist die Beliebtheit von Festplatten und SSDs in unserer Zeit unbestreitbar. Der Unterschied zwischen diesen beiden Laufwerkstypen ist für den Durchschnittsbürger offensichtlich: SSDs sind teurer und schneller, während HDDs günstiger und geräumiger sind.

Besonderes Augenmerk sollte auf die Maßeinheit für die Speicherkapazität gelegt werden: Historisch gesehen werden Dezimalpräfixe wie Kilo und Mega im Kontext der Informationstechnologie als zehnte und zwanzigste Zweierpotenz verstanden. Um Verwirrung zu vermeiden, wurden die binären Präfixe kibi-, mebi- und andere eingeführt. Der Unterschied zwischen diesen Set-Top-Boxen macht sich mit zunehmender Lautstärke bemerkbar: Beim Kauf einer 240-Gigabyte-Festplatte können Sie 223.5 Gigabyte an Informationen darauf speichern.

Tauchen Sie ein in die Geschichte

Die Entwicklung der ersten Festplatte begann 1952 durch IBM. Am 14. September 1956 wurde das Endergebnis der Entwicklung bekannt gegeben – das IBM 350 Model 1. Das Laufwerk enthielt 3.75 Mebibyte Daten mit sehr bescheidenen Abmessungen: 172 Zentimeter Höhe, 152 Zentimeter Länge und 74 Zentimeter Breite. Im Inneren befanden sich 50 dünne, mit reinem Eisen beschichtete Scheiben mit einem Durchmesser von 610 mm (24 Zoll). Die durchschnittliche Zeit für die Suche nach Daten auf der Festplatte betrug etwa 600 ms.

Im Laufe der Zeit verbesserte IBM die Technologie stetig. Eingeführt im Jahr 1961 IBM 1301 mit einer Kapazität von 18.75 Megabyte mit Leseköpfen auf jeder Platte. IN IBM 1311 Wechselplattenkassetten erschienen, und seit 1970 wurde ein Fehlererkennungs- und -korrektursystem in den IBM 3330 eingeführt. Drei Jahre später erschien er IBM 3340 bekannt als „Winchester“.

Winchester (vom englischen Winchester-Gewehr) - die allgemeine Bezeichnung für Gewehre und Schrotflinten, die in der zweiten Hälfte des XNUMX. Jahrhunderts von der Winchester Repeating Arms Company in den USA hergestellt wurden. Dies war eine der ersten Repetierflinten, die bei Käufern äußerst beliebt wurde. Ihren Namen verdankten sie dem Firmengründer Oliver Fisher Winchester.
Der IBM 3340 bestand aus zwei Spindeln zu je 30 MiB, weshalb Ingenieure nannten diese Scheibe „30-30“. Der Name erinnerte an das Winchester-Gewehr Modell 1894 mit einer Kammer im Kaliber .30-30 Winchester, was Kenneth Haughton, der die Entwicklung des IBM 3340 leitete, zu der Aussage veranlasste: „Wenn es ein 30-30 ist, muss es ein Winchester sein.“ Eine 30 -30, dann muss es ein Winchester sein.") Seitdem werden nicht nur Gewehre, sondern auch Festplatten als „Festplatten“ bezeichnet.

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

Das erste SSD-Laufwerk wurde 1976 von Dataram entwickelt. Das Dataram BulkCore-Laufwerk bestand aus einem Gehäuse mit acht RAM-Speichersticks mit einer Kapazität von jeweils 256 KiB. Im Vergleich zur ersten Festplatte war BulkCore winzig: 50,8 cm lang, 48,26 cm breit und 40 cm hoch. Gleichzeitig betrug die Datenzugriffszeit bei diesem Modell nur 750 ns, was 30000 Mal schneller ist als beim damals modernsten HDD-Laufwerk.

1978 wurde Shugart Technology gegründet, das ein Jahr später seinen Namen in Seagate Technology änderte, um Konflikte mit Shugart Associates zu vermeiden. Nach zweijähriger Arbeit brachte Seagate die ST-506 auf den Markt – die erste Festplatte für Personalcomputer im 5.25-Zoll-Formfaktor und mit einer Kapazität von 5 MiB.

Neben dem Aufkommen von Shugart Technology war das Jahr 1978 auch für die Veröffentlichung der ersten Enterprise SSD von StorageTek bekannt. Der StorageTek STC 4305 fasste 45 MiB an Daten. Diese SSD wurde als Ersatz für die IBM 2305 entwickelt, hatte ähnliche Abmessungen und kostete unglaubliche 400 US-Dollar.

Im Jahr 1982 trat SSD in den PC-Markt ein. Das Unternehmen Axlon entwickelt speziell für Apple II eine SSD-Festplatte auf RAM-Chips namens RAMDISK 320. Da das Laufwerk auf Basis eines flüchtigen Speichers erstellt wurde, wurde im Kit eine Batterie mitgeliefert, um die Sicherheit der Informationen zu gewährleisten. Die Akkukapazität reichte für 3 Stunden autonomen Betrieb bei Stromausfall.

Ein Jahr später wird Rodime die erste 352-MiB-Festplatte RO10 im 3.5-Zoll-Formfaktor herausbringen, der modernen Benutzern bekannt ist. Obwohl dies das erste kommerzielle Laufwerk in diesem Formfaktor ist, hat Rodime im Wesentlichen nichts Innovatives getan.

Als erstes Produkt in diesem Formfaktor gilt ein von Tandon und Shugart Associates eingeführtes Diskettenlaufwerk. Darüber hinaus einigten sich Seagate und MiniScribe auf die Übernahme des 3.5-Zoll-Industriestandards und ließen Rodime zurück, dem das Schicksal eines „Patenttrolls“ und ein vollständiger Ausstieg aus der Laufwerksproduktionsbranche bevorstand.

Im Jahr 1980 meldete der Toshiba-Ingenieur Professor Fujio Masuoka ein Patent für einen neuen Speichertyp namens NOR-Flash-Speicher an. Die Entwicklung dauerte 4 Jahre.

Der NOR-Speicher ist eine klassische 2D-Leitermatrix, bei dem eine Zelle am Schnittpunkt von Zeilen und Spalten installiert ist (analog zum Speicher auf Magnetkernen).

1984 sprach Professor Masuoka auf dem International Electronics Developers Meeting über seine Erfindung, wo Intel schnell das Versprechen dieser Entwicklung erkannte. Toshiba, wo Professor Masuoka arbeitete, betrachtete Flash-Speicher nicht als etwas Besonderes und kam daher der Bitte von Intel nach, mehrere Prototypen für Studienzwecke herzustellen.

Intels Interesse an Fujios Entwicklung veranlasste Toshiba, fünf Ingenieure zu entsenden, um dem Professor bei der Lösung des Problems der Kommerzialisierung der Erfindung zu helfen. Intel wiederum beauftragte dreihundert Mitarbeiter mit der Entwicklung einer eigenen Version des Flash-Speichers.

Während Intel und Toshiba Entwicklungen im Bereich Flash-Speicher entwickelten, ereigneten sich 1986 zwei wichtige Ereignisse. Erstens wurde SCSI, eine Reihe von Konventionen für die Kommunikation zwischen Computern und Peripheriegeräten, offiziell standardisiert. Zweitens wurde die AT Attachment (ATA)-Schnittstelle, bekannt unter dem Markennamen Integrated Drive Electronics (IDE), entwickelt, dank derer der Laufwerkscontroller in das Innere des Laufwerks verlegt wurde.

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

NAND-Speicher ist derselbe NOR-Speicher, der in einem dreidimensionalen Array organisiert ist. Der Hauptunterschied bestand darin, dass der Algorithmus für den Zugriff auf jede Zelle komplexer wurde, die Zellfläche kleiner wurde und die Gesamtkapazität deutlich zunahm.

Ein Jahr später entwickelte Intel seinen eigenen NOR-Flash-Speicher, und Digipro brachte darauf basierend ein Laufwerk namens Flashdisk heraus. Die erste Version von Flashdisk bot in ihrer maximalen Konfiguration Platz für 16 MB Daten und war kostengünstiger. 500$

In den späten 80er und frühen 90er Jahren konkurrierten Festplattenhersteller darum, Laufwerke kleiner zu machen. 1989 brachte PrairieTek das PrairieTek 220 20-MiB-Laufwerk im 2.5-Zoll-Formfaktor auf den Markt. Zwei Jahre später kreiert Integral Peripherals die Integral Peripherals 1820 „Mustang“-Scheibe mit dem gleichen Volumen, aber bereits 1.8 Zoll. Ein Jahr später reduzierte Hewlett-Packard die Festplattengröße auf 1.3 Zoll.

Seagate blieb den Laufwerken im 3.5-Zoll-Formfaktor treu und setzte auf steigende Drehzahlen und brachte 1992 sein berühmtes Barracuda-Modell auf den Markt, die erste Festplatte mit einer Spindeldrehzahl von 7200 U/min. Aber Seagate wollte dabei nicht aufhören. 1996 erreichten Laufwerke der Cheetah-Reihe von Seagate eine Drehzahl von 10000 U/min, vier Jahre später erreichte die X15-Modifikation bis zu 15000 U/min.

Im Jahr 2000 wurde die ATA-Schnittstelle als PATA bekannt. Der Grund dafür war das Aufkommen der Serial ATA (SATA)-Schnittstelle mit kompakteren Kabeln, Hot-Swap-Unterstützung und erhöhter Datenübertragungsgeschwindigkeit. Auch hier übernahm Seagate die Führung und brachte 2002 die erste Festplatte mit einer solchen Schnittstelle auf den Markt.

Die Herstellung von Flash-Speichern war anfangs sehr teuer, doch Anfang der 2000er Jahre sanken die Kosten stark. Transcend machte sich dies zunutze und brachte 2003 SSD-Laufwerke mit Kapazitäten von 16 bis 512 MiB auf den Markt. Drei Jahre später stiegen Samsung und SanDisk in die Massenproduktion ein. Im selben Jahr verkaufte IBM seine Festplattensparte an Hitachi.

Solid State Drives waren auf dem Vormarsch und es gab ein offensichtliches Problem: Die SATA-Schnittstelle war langsamer als die SSDs selbst. Um dieses Problem zu lösen, begann die NVM Express Workgroup mit der Entwicklung von NVMe – einer Spezifikation für Zugriffsprotokolle für SSDs direkt über den PCIe-Bus unter Umgehung des „Vermittlers“ in Form eines SATA-Controllers. Dies würde einen Datenzugriff mit PCIe-Busgeschwindigkeit ermöglichen. Zwei Jahre später war die erste Version der Spezifikation fertig und ein Jahr später erschien das erste NVMe-Laufwerk.

Unterschiede zwischen modernen SSDs und HDDs

Auf physikalischer Ebene ist der Unterschied zwischen einer SSD und einer HDD leicht erkennbar: Eine SSD verfügt über keine mechanischen Elemente und Informationen werden in Speicherzellen gespeichert. Das Fehlen beweglicher Elemente ermöglicht einen schnellen Zugriff auf Daten in jedem Teil des Speichers, allerdings ist die Anzahl der Neuschreibzyklen begrenzt. Aufgrund der begrenzten Anzahl von Neuschreibzyklen für jede Speicherzelle besteht Bedarf an einem Ausgleichsmechanismus, der den Zellenverschleiß durch die Übertragung von Daten zwischen Zellen ausgleicht. Diese Arbeit wird vom Festplattencontroller ausgeführt.

Um den Ausgleich durchführen zu können, muss der SSD-Controller wissen, welche Zellen belegt und welche frei sind. Der Controller ist in der Lage, die Aufzeichnung von Daten in einer Zelle selbst zu verfolgen, was beim Löschen nicht der Fall ist. Wie Sie wissen, löschen Betriebssysteme (OS) keine Daten von der Festplatte, wenn der Benutzer eine Datei löscht, sondern markieren die entsprechenden Speicherbereiche als frei. Diese Lösung macht das Warten auf einen Festplattenvorgang bei Verwendung einer HDD überflüssig, ist für den Betrieb einer SSD jedoch völlig ungeeignet. Der SSD-Laufwerkscontroller arbeitet mit Bytes, nicht mit Dateisystemen und erfordert daher eine separate Meldung, wenn eine Datei gelöscht wird.

So entstand der Befehl TRIM (englisch – trim), mit dem das Betriebssystem den SSD-Festplattencontroller anweist, einen bestimmten Speicherbereich freizugeben. Der TRIM-Befehl löscht Daten dauerhaft von einer Festplatte. Nicht alle Betriebssysteme können diesen Befehl an Solid-State-Laufwerke senden, und Hardware-RAID-Controller im Disk-Array-Modus senden TRIM niemals an Festplatten.

To be continued ...

In den folgenden Abschnitten werden wir über Formfaktoren, Verbindungsschnittstellen und die interne Organisation von Solid-State-Laufwerken sprechen.