Einführung in SSD. Teil 1. Historisches

Die Untersuchung der Geschichte von Datenträgern ist der erste Schritt zum Verständnis der Funktionsweise von Solid State Drives. Der erste Teil unserer Artikelreihe „Einführung in SSD“ gibt einen Überblick über die Geschichte und verdeutlicht den Unterschied zwischen SSD und ihrem nächsten Konkurrenten — HDD.

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

Besondere Aufmerksamkeit sollte der Maßeinheit für die Speicherkapazität gewidmet werden: historisch gesehen bezeichneten dezimale Präfixe wie Kilo- und Mega- im Kontext der Informationstechnologie die zehnten und zwanzigsten Potenzen von zwei. Um Verwirrung zu vermeiden, wurden binäre Präfixe wie Kibi-, Mebi- und andere eingeführt. Der Unterschied zwischen diesen Präfixen wird bei steigender Kapazität deutlich: Wenn Sie eine Festplatte mit 240 Gigabyte kaufen, können Sie darauf 223,5 Gibibyte an Informationen speichern.

Eintauchen in die Geschichte

Die Entwicklung der ersten Festplatte begann 1952 durch die Firma IBM. Am 14. September 1956 wurde das Endergebnis vorgestellt – das IBM 350 Model 1. Der Speicher hatte ein Fassungsvermögen von 3,75 Mebibyte und bemerkenswerte Abmessungen: 172 Zentimeter hoch, 152 Zentimeter lang und 74 Zentimeter breit. Im Inneren befanden sich 50 mit reinem Eisen beschichtete, dünne Platten mit einem Durchmesser von 610 mm (24 Zoll). Die durchschnittliche Zugriffszeit betrug etwa 600 ms.

Im Laufe der Zeit verbesserte IBM kontinuierlich die Technologie. 1961 wurde das IBM 1301 mit einer Speicherkapazität von 18,75 Megabyte und Leseköpfen auf jeder Platte vorgestellt. Im IBM 1311 gab es herausnehmbare Diskettenkartuschen, und ab 1970 wurde im IBM 3330 ein System zur Fehlererkennung und -korrektur eingeführt. Drei Jahre später erschien das IBM 3340 , bekannt unter dem Namen „Winchester“.

Winchester (von engl. Winchester rifle) ist der gemeinsame Begriff für Gewehre und Flinten, die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts von der Winchester Repeating Arms Company in den USA hergestellt wurden. Dies waren einige der ersten Mehrladegewehre, die bei den Käufern äußerst beliebt waren. Ihren Namen verdanken sie dem Gründer der Firma – Oliver Fisher Winchester.

Die IBM 3340 bestand aus zwei Spindeln mit jeweils 30 MiB, weshalb Ingenieure diese Festplatte als „30-30“ bezeichneten.Dieser Name erinnerte an das Winchester Model 1894 mit .30-30 Winchester Patronen, weshalb Kenneth Haughton, der die Entwicklung der IBM 3340 leitete, sagte: „Wenn es ein 30-30 ist, dann muss es ein Winchester sein.“ Seitdem wird „Winchester“ nicht nur für Gewehre, sondern auch für Festplatten verwendet.

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

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

Im Jahr 1978 wurde die Firma Shugart Technology gegründet, die ein Jahr später ihren Namen in Seagate Technology ändert, um Konflikte mit Shugart Associates zu vermeiden. Nach zwei Jahren Arbeit bringt Seagate die ST-506 auf den Markt – die erste Festplatte für Personal Computer im 5,25-Zoll-Format mit einer Kapazität von 5 MiB.

Neben der Gründung von Shugart Technology bleibt das Jahr 1978 auch durch die Einführung des ersten Enterprise-SSDs von StorageTek in Erinnerung. Der StorageTek STC 4305 konnte 45 MiB Daten speichern. Dieses SSD wurde als Ersatz für IBM 2305 entwickelt, hatte ähnliche Abmessungen und kostete unglaubliche 400.000 $.

1982 kam SSD auf den Markt der Personal Computer. Die Firma Axlon entwickelte speziell für den Apple II eine SSD auf Basis von RAM-Chips mit dem Namen RAMDISK 320. Da der Speicher auf flüchtigem RAM basierte, wurde ein Akku mitgeliefert, um die Daten bei einem Stromausfall zu sichern. Die Batteriekapazität reichte für 3 Stunden autonomer Nutzung im Falle eines Stromausfalls.

Nach einem Jahr wird das Unternehmen Rodime die erste Festplatte RO352 mit 10 MiB im für moderne Nutzer vertrauten 3,5 Zoll Formfaktor vorstellen. Obwohl dies die erste kommerzielle Festplatte in diesem Format ist, hat Rodime im Wesentlichen nichts Innovatives geleistet.

Als erstes Produkt in diesem Format gilt das Diskettenlaufwerk, das von den Unternehmen Tandon und Shugart Associates präsentiert wurde. Darüber hinaus haben Seagate und MiniScribe eine Vereinbarung über die Annahme des Industriesstandards von 3,5 Zoll getroffen, wodurch Rodime „abgehängt“ wurde, und das Unternehmen war dazu verdammt, als „Patent-Troll“ zu enden und vollständig aus der Branche für Speichermedien auszutreten.

Im Jahr 1980 patentierte der Ingenieur von Toshiba, Professor Fujio Masuoka, eine neue Art von Speicher, die als NOR-Flash-Speicher bezeichnet wird. Die Entwicklung dauerte 4 Jahre.

NOR-Speicher ist eine klassische 2D-Matrix von Leitern,in der an den Schnittpunkten von Zeilen und Spalten jeweils eine Zelle installiert ist (analog zur Speichertechnik mit Ferritkernen).

Im Jahr 1984 präsentierte Professor Masuoka seine Erfindung auf der International Electronics Developers Meeting, wo die Firma Intel schnell das Potenzial dieser Entwicklung erkannte. Die Firma Toshiba, in der Professor Masuoka tätig war, hielt Flash-Speicher nicht für etwas Besonderes und erfüllte daher die Bitte von Intel, einige Prototypen zur Untersuchung herzustellen.

Das Interesse von Intel an Fukio Masuokas Entwicklung veranlasste Toshiba, fünf Ingenieure zur Unterstützung des Professors bei der Lösung der Commercialisierung des Erfindungsproblems einzusetzen. Intel wiederum stellte über dreihundert Mitarbeiter damit ab, eine eigene Version des Flash-Speichers zu entwickeln.

Während Intel und Toshiba an Flash-Speichermedien arbeiteten, fanden 1986 zwei wichtige Ereignisse statt. Erstens wurde SCSI offiziell standardisiert – eine Vereinbarung für die Interaktion zwischen Computern und Peripheriegeräten. Zweitens wurde die AT Attachment-Schnittstelle (ATA) entwickelt, bekannt unter dem Markennamen Integrated Drive Electronics (IDE), wodurch der Festplattenspeichercontroller in die Festplatte integriert wurde.

Drei Jahre lang arbeitete Fukio Masuoka an der Verbesserung der Flash-Speicher-Technologie und entwickelte bis 1987 den NAND-Speicher.

NAND-Speicher ist dasselbe wie NOR-Speicher, aber in einem dreidimensionalen Array organisiert.Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Zugriff auf jede Zelle komplexer wurde, die Fläche der Zellen kleiner wurde und die Gesamtkapazität erheblich zunahm.

Ein Jahr später entwickelte Intel eigenen NOR-Flash-Speicher, und das Unternehmen Digipro stellte daraufhin einen Speicher mit dem Namen Flashdisk her. Die erste Version der Flashdisk hatte in der maximalen Ausführung eine Kapazität von 16 MiB und kostete weniger als 500 $.

Ende der 80er und Anfang der 90er Jahre konkurrierten Festplattenhersteller um die Verkleinerung der Festplattengröße. 1989 brachte PrairieTek die PrairieTek 220 mit 20 MiB im 2,5 Zoll-Formfaktor auf den Markt. Zwei Jahre später entwickelte Integral Peripherals die Integral Peripherals 1820 "Mustang" mit demselben Speicherplatz, aber im 1,8 Zoll-Format. Ein Jahr später reduzierte Hewlett-Packard die Festplattengröße auf 1,3 Zoll.

Die Firma Seagate hielt an den 3,5-Zoll-Festplatten fest und setzte auf eine höhere Drehzahl. 1992 brachte sie ihr berühmtes Modell Barracuda auf den Markt, die erste Festplatte mit einer Spindeldrehzahl von 7200 U/min. Doch damit wollte Seagate nicht aufhören. 1996 erreichten die Festplatten der Seagate Cheetah-Serie eine Drehzahl von 10000 U/min, und vier Jahre später drehte die Modifikation X15 sogar mit bis zu 15000 U/min.

Im Jahr 2000 wurde das ATA-Interface in PATA umbenannt. Grund dafür war das Erscheinen des Serial ATA (SATA) Interfaces mit kompakteren Kabeln, Unterstützung für "Hot-Swap" und einer höheren Datenübertragungsrate. Auch hier nahm Seagate die Vorreiterrolle ein und brachte 2002 die erste Festplatte mit diesem Interface auf den Markt.

Die Herstellung von Flash-Speicher war ursprünglich sehr teuer, doch zu Beginn der 2000er Jahre sanken die Kosten drastisch. Dies nutzte die Firma Transcend, die 2003 SSD-Festplatten mit Kapazitäten von 16 bis 512 MiB einführte. Drei Jahre später stiegen die Unternehmen Samsung und SanDisk in die Massenproduktion ein. Im selben Jahr verkaufte IBM seine Festplattensparte an die Firma Hitachi.

Solid-State-Drives (SSDs) gewinnen zunehmend an Bedeutung, und es entstand ein offensichtliches Problem: Die SATA-Schnittstelle war langsamer als die SSDs selbst. Um dieses Problem zu lösen, begann die NVM Express-Arbeitsgruppe mit der Entwicklung von NVMe – einer Spezifikation für Protokolle, die den direkten Zugriff auf SSDs über den PCIe-Bus ermöglichen und somit den „Intermediär“ SATA-Controller umgeht. Dadurch wäre der Datenzugriff mit der Geschwindigkeit des PCIe-Busses möglich. Nach zwei Jahren war die erste Version der Spezifikation fertig, und ein weiteres Jahr später kam der erste NVMe-Speicher auf den Markt.

Unterschiede zwischen modernen SSDs und HDDs

Auf physikalischer Ebene sind die Unterschiede zwischen SSDs und HDDs leicht erkennbar: SSDs haben keine mechanischen Komponenten, und Informationen werden in Speicherzellen gespeichert. Das Fehlen beweglicher Teile ermöglicht einen schnellen Zugriff auf Daten an jedem Punkt im Speicher, jedoch gibt es eine Begrenzung der Anzahl der Schreibzyklen. Aufgrund der begrenzten Anzahl an Schreibzyklen jeder Speicherzelle ist ein Mechanismus zur Abgleichung erforderlich – das Abgleichen des Verschleißes von Zellen durch das Verschieben von Daten zwischen diesen. Diese Aufgabe übernimmt der Controller des Laufwerks.

Um die Balance zu halten, muss der SSD-Controller wissen, welche Zellen belegt und welche frei sind. Der Controller kann selbst Daten in eine Zelle schreiben, was jedoch nicht für das Löschen gilt. Wie bekannt, löschen Betriebssysteme (OS) Daten von der Festplatte nicht, wenn ein Benutzer eine Datei entfernt, sondern markieren die entsprechenden Speicherbereiche als frei. Diese Lösung vermeidet die Notwendigkeit, auf die Festplattenoperation bei HDDs zu warten, ist jedoch völlig ungeeignet für die Nutzung von SSDs. Der Controller einer SSD arbeitet mit Bytes und nicht mit Dateisystemen, weshalb er eine separate Mitteilung über das Löschen einer Datei benötigt.

So entstand der Befehl TRIM, mit dem das OS den SSD-Controller über die Freigabe eines bestimmten Speicherbereichs informiert. Der TRIM-Befehl löscht Daten unwiderruflich von der Festplatte. Nicht alle Betriebssysteme wissen, dass sie diesen Befehl an Solid-State-Laufwerke senden müssen, und Hardware-RAID-Controller im Festplattenmodus senden niemals TRIM-Befehle an die Laufwerke.

Die Fortsetzung folgt…

In den folgenden Abschnitten werden wir über Formfaktoren, Schnittstellen und die interne Organisation von Solid State Drives berichten.

In unserem Labor Selectel Lab Sie können moderne HDDs und SSDs selbstständig testen und Ihre eigenen Schlüsse ziehen.

Nur registrierte Benutzer können an der Umfrage teilnehmen. Bitte melden Sie sich an.Sind Sie an Contour interessiert?

Wie denken Sie, wird SSD HDDs ersetzen?

• 71.2%Ja, die Zukunft gehört SSDs.

• 7.5%Nein, die Ära der magneto-optischen HDDs steht bevor.

• 21.2%Es wird eine hybride Lösung aus HDD + SSD gewinnen.

556 Benutzer haben abgestimmt. 72 Benutzer haben sich enthalten.

Quelle: habr.com