🥇Introducción a SSD. Parte 1. Histórica

Introducción al SSD. Parte 1. Historia

Explorar la historia de los discos es el primer paso hacia la comprensión de los principios de funcionamiento de los unidades de estado sólido. La primera parte de nuestro ciclo de artículos "Introducción al SSD" hará un recorrido por la historia y permitirá comprender visualmente la diferencia entre el SSD y su competidor más cercano: el HDD.

A pesar de la abundancia de diversos dispositivos de almacenamiento, la popularidad de los HDD y SSD en la actualidad es indiscutible. La diferencia entre estos dos tipos de unidades es evidente para el usuario común: el SSD es más caro y más rápido, mientras que el HDD es más barato y ofrece mayor capacidad.

Es importante prestar atención a la unidad de medida de la capacidad de las unidades: históricamente, las prefijos decimales, como kilo- y mega-, en el contexto de la tecnología de la información se refieren a la décima y vigésima potencia de dos. Para evitar confusiones, se introdujeron los prefijos binarios kibi-, mebi- y otros. La diferencia entre estos prefijos se hace evidente a medida que aumenta la capacidad: al comprar un disco de 240 gigabytes, puede almacenar 223.5 gibibytes de información.

Sumergiéndonos en la historia

El desarrollo del primer disco duro comenzó en 1952 por la compañía IBM. El 14 de septiembre de 1956 se anunció el resultado final de los desarrollos: el IBM 350 Model 1. Este dispositivo albergaba 3.75 mebibytes de datos con unas dimensiones bastante imponentes: 172 centímetros de altura, 152 centímetros de longitud y 74 centímetros de ancho. Dentro tenía 50 discos delgados recubiertos con hierro puro de 610 mm (24 pulgadas) de diámetro. El tiempo medio de búsqueda de datos en el disco era de aproximadamente 600 ms.

Con el tiempo, IBM continuó mejorando la tecnología. En 1961 se presentó el IBM 1301 con una capacidad de 18.75 megabytes y cabezales de lectura en cada plato. En el IBM 1311 se introdujeron cartuchos de disco extraíbles, y desde 1970 se implementó un sistema de detección y corrección de errores en el IBM 3330. Tres años después apareció el IBM 3340 conocido como "Winchester".

Winchester (del inglés Winchester rifle) es el nombre genérico para los rifles y escopetas producidos por Winchester Repeating Arms Company en EE. UU. durante la segunda mitad del siglo XIX. Eran algunos de los primeros rifles de repetición que ganaron gran popularidad entre los compradores. Su nombre se debe a su fundador, Oliver Fisher Winchester.
El IBM 3340 constaba de dos ejes de 30 MiB cada uno, lo que llevó a que los ingenieros llamaran a este disco "30-30".. Este nombre recordaba a la rifle Winchester Model 1894 con cartuchos .30-30 Winchester, lo que llevó a Kenneth Haughton, quien lideraba el desarrollo de IBM 3340, a decir «Si es un 30-30, entonces debe ser un Winchester». Desde entonces, «winchester» se utiliza no solo para rifles, sino también para discos duros.

Tres años después, salió el IBM 3350 «Madrid» con platos de 14 pulgadas y un tiempo de acceso de 25 ms.

El primer SSD fue creado por Dataram en 1976. El almacenamiento Dataram BulkCore consistía en un chasis con ocho módulos de RAM de 256 KiB cada uno. En comparación con el primer disco duro, el BulkCore era diminuto: 50.8 cm de largo, 48.26 cm de ancho y 40 cm de alto. Además, el tiempo de acceso a los datos en este modelo fue de solo 750 ns, que es 30,000 veces más rápido que el disco HDD más moderno de ese momento.

En 1978 se fundó la empresa Shugart Technology, que un año después cambió su nombre a Seagate Technology para evitar conflictos con Shugart Associates. Dos años después, Seagate lanzó el ST-506, el primer disco duro para computadoras personales en formato de 5.25 pulgadas y con una capacidad de 5 MiB.

Además de la aparición de Shugart Technology, 1978 fue memorable por el lanzamiento del primer SSD empresarial de StorageTek. El StorageTek STC 4305 podía almacenar 45 MiB de datos. Este SSD fue diseñado como un reemplazo para el IBM 2305, tenía tamaños similares y costaba la increíble suma de 400,000 dólares.

En 1982, los SSD llegaron al mercado de computadoras personales. La empresa Axlon diseñó específicamente para el Apple II un disco SSD basado en chips de RAM llamado RAMDISK 320. Dado que el dispositivo se basaba en memoria volátil, venía con una batería para mantener la información. La capacidad de la batería era suficiente para 3 horas de funcionamiento autónomo en caso de pérdida de energía.

Un año después, Rodime lanzó el primer disco duro RO352 de 10 MiB en el formato familiar de 3.5 pulgadas. A pesar de ser el primer disco comercial en ese formato, Rodime en realidad no hizo nada innovador.

El primer producto en este formato es considerado el disquet, presentado por las empresas Tandon y Shugart Associates. Además, las empresas Seagate y MiniScribe acordaron adoptar el estándar industrial de 3.5 pulgadas, «dejando de lado» a Rodime, que enfrentó la suerte de convertirse en un «trol de patentes» y un retiro total de la industria de fabricación de almacenamiento.

En 1980, el ingeniero de Toshiba, el profesor Fujio Masuoka, solicitó una patente para un nuevo tipo de memoria, llamado memoria Flash tipo NOR. El desarrollo tomó 4 años.

La memoria NOR es una matriz clásica de conductores en 2D, en la que hay una celda (análogo a la memoria en núcleos magnéticos) en la intersección de filas y columnas.

En 1984, el profesor Masuoka presentó su invento en la conferencia International Electronics Developers Meeting, donde la compañía Intel rápidamente evaluó la prometedora naturaleza de este desarrollo. La empresa Toshiba, donde trabajaba el profesor Masuoka, no consideraba que la memoria Flash era algo especial, por lo que accedió a la petición de Intel de fabricar algunos prototipos para su estudio.

El interés que Intel mostró por el desarrollo de Fujio impulsó a Toshiba a destinar cinco ingenieros para ayudar al profesor con el problema de comercializar el invento. Intel, por su parte, asignó a trescientos empleados para crear su propia versión de la memoria Flash.

Mientras Intel y Toshiba trabajaban en el desarrollo de unidades Flash, en 1986 ocurrieron dos eventos importantes. Primero, se estandarizó oficialmente el SCSI, un conjunto de acuerdos para la interacción entre computadoras y dispositivos periféricos. En segundo lugar, se desarrolló la interfaz AT Attachment (ATA), conocida bajo la marca Integrated Drive Electronics (IDE), gracias a la cual el controlador del disco se trasladó dentro del disco.

Fujio Masuoka trabajó durante tres años en mejorar la tecnología de la memoria Flash y, para 1987, desarrolló la memoria NAND.

La memoria NAND es la misma memoria NOR, organizada en un arreglo tridimensional.La principal diferencia es que el algoritmo de acceso a cada celda se volvió más complejo, el área de las celdas se redujo y la capacidad total aumentó significativamente.

Un año después, Intel desarrolló su propia memoria Flash tipo NOR, y la compañía Digipro fabricó un dispositivo llamado Flashdisk basado en ella. La primera versión de Flashdisk en su configuración máxima albergaba 16 MiB de datos y costaba menos de 500 dólares.

A finales de los años 80 y principios de los 90, los fabricantes de discos duros competían en la reducción del tamaño de los discos. En 1989, la compañía PrairieTek lanzó el disco PrairieTek 220 de 20 MiB en un factor de forma de 2.5 pulgadas. Dos años después, Integral Peripherals creó el disco Integral Peripherals 1820 "Mustang" con la misma capacidad, pero de 1.8 pulgadas. Al año siguiente, Hewlett-Packard redujo el tamaño del disco a 1.3 pulgadas.

La compañía Seagate se ha mantenido fiel a los discos en formato de 3.5 pulgadas y ha apostado por aumentar la velocidad de rotación, lanzando en 1992 su famosa modelo Barracuda, el primer disco duro con una velocidad de rotación del cabezal de 7200 revoluciones por minuto. Pero Seagate no tenía intención de detenerse ahí. En 1996, los discos de la línea Seagate Cheetah alcanzaron una velocidad de rotación de 10000 revoluciones por minuto, y cuatro años después, la modificación X15 giraba hasta 15000 revoluciones por minuto.

En el año 2000, la interfaz ATA pasó a llamarse PATA. Esto se debió a la aparición de la interfaz Serial ATA (SATA) con cables más compactos, soporte para 'cambio en caliente' y mayor velocidad de transferencia de datos. Aquí también Seagate tomó la delantera, lanzando el primer disco duro con esa interfaz en 2002.

La producción de memoria Flash era inicialmente muy costosa, pero a principios de los años 2000, el precio se redujo drásticamente. La empresa Transcend se aprovechó de esto, lanzando en 2003 discos SSD con capacidades de 16 a 512 MiB. Tres años después, las empresas Samsung y SanDisk se unieron a la producción en masa. En el mismo año, IBM vendió su división de discos a la empresa Hitachi.

Los discos de estado sólido estaban ganando popularidad y surgió un problema evidente: la interfaz SATA era más lenta que los propios SSD. Para abordar este problema, el grupo de trabajo NVM Express Workgroup comenzó a desarrollar NVMe, una especificación para protocolos de acceso a SSD directamente a través del bus PCIe, omitiendo el 'intermediario' de controlador SATA. Esto permitiría acceder a los datos a la velocidad del bus PCIe. Dos años después, la primera versión de la especificación estaba lista, y un año más tarde apareció el primer dispositivo NVMe.

Diferencias entre SSD modernos y HDD

A nivel físico, la diferencia entre SSD y HDD es fácilmente evidente: los SSD carecen de elementos mecánicos, y la información se almacena en celdas de memoria. La ausencia de elementos móviles permite un acceso rápido a los datos en cualquier parte de la memoria; sin embargo, existe una limitación en la cantidad de ciclos de reescritura. Debido a la cantidad limitada de ciclos de reescritura por celda de memoria, surge la necesidad de un mecanismo de equilibrado, que consiste en igualar el desgaste de las celdas mediante el traslado de datos entre ellas. Esta tarea es realizada por el controlador del disco.

Para llevar a cabo la gestión del equilibrio, el controlador de SSD necesita saber qué celdas están ocupadas y cuáles están libres. El controlador puede rastrear automáticamente la escritura de datos en una celda, pero no puede hacer lo mismo con la eliminación. Como se sabe, los sistemas operativos no borran los datos del disco cuando un usuario elimina un archivo, sino que marcan las áreas de memoria correspondientes como libres. Esta solución evita la espera de una operación de disco al usar HDD, pero no es adecuada para el funcionamiento de SSD. El controlador de SSD trabaja con bytes y no con sistemas de archivos, por lo que requiere un mensaje separado para la eliminación de archivos.

Así fue como surgió el comando TRIM, que permite que el sistema operativo notifique al controlador de SSD sobre la liberación de un área de memoria específica. El comando TRIM borra irreversiblemente los datos del disco. No todos los sistemas operativos están al tanto de la necesidad de enviar este comando a las unidades de estado sólido, y los controladores RAID de hardware en modo de arreglos de discos nunca envían TRIM a los discos.

Continuará...

En las siguientes secciones, hablaremos sobre los factores de forma, las interfaces de conexión y la organización interna de las unidades de estado sólido.