🥇Sissejuhatus SSD. Osa 1. Ajalooline

Sissejuhatus SSD-dele. Osa 1. Ajalugu

Kettaseente ajaloo uurimine on esimene samm SSD-de tööpõhimõtte mõistmiseks. Meie artiklisarjade "Sissejuhatus SSD-dele" esimeses osas tehakse ajalooline ülevaade, mis aitab selgelt mõista SSD ja selle lähima konkurendi — HDD — erinevusi.

Hoolimata erinevate andmesalvestusseadmete rohkusest on HDD ja SSD populaarsus meie ajal vaieldamatu. Tavalise kasutaja jaoks on vahe nende kahe salvestustüübi vahel selge: SSD on kallim ja kiirem, samas kui HDD on odavam ja mahukam.

Erilist tähelepanu tuleks pöörata salvestusseadmete mahutavuse mõõtühikutele: ajalooliselt on välja kujunenud, et kümnendi eesliiteid, nagu kilo- ja mega-, mõistetakse informaatika kontekstis kui kaheteistkümnendat ja kahekümnendat astet kahes. Segaduse vältimiseks on välja töötatud binaarsed eesliited kibi-, mebi- ja teised. Nende eesliidete vahe muutub märgatavaks mahus, sest ostes 240 gigabaidi ketta, saate salvestada sellele 223,5 gibibaidi teavet.

Süvenemine ajaloosse

Esimese kõvaketta arendamine algas 1952. aastal ettevõttes IBM. 14. septembril 1956 kuulutati välja arenduste lõpptulemus — IBM 350 Model 1. Salvestusseade mahutas 3.75 mebibaiti andmeid, omades samas muljetavaldavaid mõõtmeid: 172 sentimeetrit kõrgust, 152 sentimeetrit pikkust ja 74 sentimeetrit laiust. Sees asus 50 õhukest ketast, mis olid kaetud puhta raududega ja mille diameeter oli 610 mm (24 tolli). Andmete otsimise keskmine aeg kettal oli ~600 ms.

Aeg möödus ja IBM täiustas tehnoloogiat usinalt. 1961. aastal tutvustati IBM 1301 mahutavusega 18.75 megabaiti, kus igal plaadil olid lugemispäid. IBM 1311 IBM 1311 tutvustas eemaldatavaid ketaskassette, ning alates 1970. aastast rakendati IBM 3330-s vigade tuvastamise ja parandamise süsteem. Kolm aastat hiljem ilmus IBM 3340 tuntud kui 'Winchester'.

Winchester (inglise keeles Winchester rifle) on üldnimetus Winchester Repeating Arms Company poolt Ameerika Ühendriikides XIX sajandi teises pooles toodetud vintpüsside ja püsside jaoks. Need olid mõned esimesed mitme laadimisega püssid, mis saavutasid ostjate seas tohutu populaarsuse. Oma nime said nad ettevõtte asutaja — Oliver Fisher Winchesterni — järgi.
IBM 3340 koosnes kahest 30 MiB spindlist, mis võimaldas inseneride seas tuntud selle ketta nimi oli "30-30". Nimi tuletas meelde Winchesteri mudelit 1894, millel olid .30-30 Winchesteri padrunid, mistõttu Kenneth Haughton, kes juhtis IBM 3340 arendust, ütles: "Kui see on 30-30, siis peab see olema Winchester". Sellest ajast alates nimetatakse "winchesteriks" mitte ainult puške, vaid ka kõvakettaid.

Kolme aasta pärast ilmus IBM 3350 "Madrid", millel olid 14-tollised kettad ja juurdepääsuaeg 25 ms.

Esimene SSD-mäluseade loodi ettevõtte Dataram poolt 1976. aastal. Dataram BulkCore koosnes jahutusraamistikust, kuhu oli paigaldatud kaheksa 256 KiB RAM-mälu plokki. Võrreldes esimese kõvakettaga oli BulkCore miniatuurne: 50,8 cm pikk, 48,26 cm lai ja 40 cm kõrge. Samuti oli selle mudeli andmete juurdepääsuaeg kõigest 750 ns, mis on 30000 korda kiiremini kui tollane kõige uuem HDD.

1978. aastal asutati Shugart Technology, mis muutis aasta hiljem nimetuse Seagate Technology, et vältida segadust Shugart Associatesiga. Kaks aastat pärast Seagate'i tegevust tuli turule ST-506 — esimene kõvaketas isiklikele arvutitele 5,25-tollises formaadis ja 5 MiB mahutavusega.

Lisaks Shugart Technology loomisele jääb 1978. aasta meelde ka StorageTek'i esimese Enterprise SSD väljalaskmisega. StorageTek STC 4305 suutis salvestada 45 MiB andmeid. See SSD loodi IBM 2305 asendamiseks, sellel olid sarnased mõõtmed ja hind ulatus uskumatu 400 000$-ni.

1982. aastal jõuab SSD isiklike arvutite turule. Axlon arendab spetsiaalselt Apple II jaoks RAM-chipidele põhinevat SSD-d, mida nimetatakse RAMDISK 320. Kuna seade töötati välja energia sõltuva mälu põhjal, kaasnes sellega aku, et tagada info säilimine. Aku mahutavus kestis 3 tundi autonoomset kasutust elektritoite kadumise korral.

Aasta pärast toob Rodime turule oma esimese 10 MiB kõvaketta RO352, mille formaat on 3,5 tolli, nagu tänapäeva kasutajatele harjumuslik. Kuigi see on esimene kaubanduslik ketas sellises formaadis, ei teinud Rodime tegelikult midagi uuenduslikku.

Esimene toode selles formaadis on flopidisk, mille tutvustasid ettevõtted Tandon ja Shugart Associates. Veel enam, Seagate ja MiniScribe leppisid kokku 3,5-tollise tööstusstandardi vastuvõtmises, jättes Rodime kõrvale, mille saatuseks oleks saanud "patenditroll" ja täielik lahkumine andmemälude tootmisest.

1980. aastal registreeris Toshiba insener, professor Fujio Masuoka, patendi uue mälutüübi, mida nimetatakse NOR tüüpi Flash-mäluks. Arendustöö võttis aega 4 aastat.

NOR-mälu on klassikaline 2D juhtmete matriits,kus ridade ja veergude ristumiskohas on üks mäluelement (analoog magnettuumamälule).

1984. aastal rääkis professor Masuoka oma leiutisest International Electronics Developers Meeting konverentsil, kus Intel hindas selle arenduse potentsiaali kiiresti. Professor Masuoka töötas ettevõttes Toshiba, mis ei pidanud Flash-mälu millegipärast eriliseks, ja seetõttu rahuldati Intel'i palve teha mõned katseproovid uurimiseks.

Intel'i huvi Fujiwo arenduse vastu sundis Toshiba'r eraldama viis inseneri professori toetamiseks leiutise kommertsialiseerimise probleemide lahendamisel. Intel omakorda värbas kolm sada töötajat, et luua oma versioon Flash-mälust.

Samal ajal kui Intel ja Toshiba töötasid Flash-mälude arendamise kallal, toimusid 1986. aastal kaks olulist sündmust. Esiteks standardeeriti ametlikult SCSI — kokkulepete kogum, mis määratleb suhtlemiseks arvutite ja perifeerseadmete vahel. Teiseks arendati välja AT Attachment (ATA) liides, tuntud kaubamärgi nimi Integrated Drive Electronics (IDE) all, mille tulemusena liikusid ketta kontrollerid kettasse sisse.

Kolme aasta jooksul töötas Fujiwo Masuoka Flash-mälu tehnoloogia täiustamise kallal ning 1987. aastaks töötas välja NAND-mälu.

NAND-mälu on sama kui NOR-mälu, kuid korraldatud kolmemõõtmelisse massiivi. Peamine erinevus seisnes selles, et juurdepääsu algoritm igale rakule muutus keerulisemaks, rakud muutusid väiksemaks ning üldine maht suurenes oluliselt.

Aasta hiljem töötas ettevõte Intel välja oma NOR-tüüpi Flash-mälu ning ettevõte Digipro valmistas selle põhjal mäluseadmest Flashdisk. Esimene versioon Flashdiskist, maksimaalses komplektis, mahutas 16 MiB andmeid ja maksis vähem kui 500$

80ndate lõpus ja 90ndate alguses võistlesid kõvakettatootjad ketaste suuruse vähendamise osas. 1989. aastal tõi ettevõte PrairieTek välja PrairieTek 220 20 MiB ketta 2.5-tollises formaadis. Kaks aastat hiljem valmistas Integral Peripherals 1.8-tollise ketta Integral Peripherals 1820 "Mustang" sama mahuga. Aasta hiljem vähendas Hewlett-Packard ketta suuruse 1.3 tollini.

Seagate on jäänud truuks 3,5-tollistele kõvaketastele, panustades pöörlemiskiiruse suurendamisele. 1992. aastal tutvustas ta oma kuulsat mudelit Barracuda, mis oli esimene kõvaketas pöörlemiskiiruselt 7200 p/min. Kuid Seagate ei kavatse sellega peatuda. 1996. aastal saavutasid Seagate Cheetah seeria kettad pöörlemiskiirus 10000 p/min ning neli aastat hiljem uuendus mudel X15 pöörles isegi 15000 p/min.

Aastal 2000 hakkas ATA liidest nimetama PATAks. Selle põhjuseks oli Serial ATA (SATA) liidese ilmumine, millel olid väiksemad kaablid, kuumplugimise tugi ja suurem andmeedastuskiirus. Seagate oli siin samuti eesotsas, kuulutades välja 2002. aastal esimese kõvaketta, millel oli see liides.

Alguses oli flash-mälu tootmine väga kallis, kuid 2000. aastate alguses langes hind järsult. Seda kasutas ära Transcend, kes 2003. aastal turule tõi SSD-kettad mahuga 16 kuni 512 MiB. Kolm aastat hiljem liitus massilise tootmisega Samsung ja SanDisk. Samal aastal müüs IBM oma kettaäri Hitachile.

Tahketehnoloogia kogus hoogu ja ilmnes ilmne probleem: SATA liides oli aeglasem kui SSD-d ise. Selle probleemi lahendamiseks käivitas NVM Expressi töögrupp NVMe arendamise — spetsifikatsiooni, mis võimaldab pääseda SSD-dele otse PCIe-bussi kaudu, möödudes SATA-kontrollerist. See võimaldab andmetele ligi pääseda PCIe-bussi kiirusel. Kaks aastat hiljem oli spetsifikatsiooni esimene versioon valmis ja veel aasta hiljem ilmus esimene NVMe-disk.

Erinevused kaasaegsete SSD-de ja HDD-de vahel

Füüsilisel tasandil on SSD-de ja HDD-de vahel erinevus kergesti märgatav: SSD-des puuduvad mehaanilised osad ja teave salvestatakse mälurakkudesse. Liikuvate elementide puudumine tagab kiire juurdepääsu andmetele igas mälukohtades, kuid esineb piirang kirjutamistsüklite arvule. Iga mäluraku piiratud kirjutamistsüklite tõttu on vajalik tasakaalustusmehhanism — mälurakkude kulumise tasakaalustamine andmete üleviimise teel nende vahel. Selle töö teeb diskikontroller.

SSD-kontroller peab teadma, millised mälurakud on hõivatud ja millised vabad, et tasakaalustamist teostada. Andmete kirjutamine rakku on kontrolleril võimalik iseseisvalt tuvastada, kuid sama ei saa öelda kustutamise kohta. Nagu on teada, ei kustuta operatsioonisüsteemid (OS) andmeid kettalt, kui kasutaja kustutab faili, vaid tähistavad vastavad mälupiirkonnad vabadena. Selline lahendus vabastab ootamise kettategevuse ajal HDD-de kasutamisel, kuid ei sobi sugugi SSD-de tööks. SSD-kontroller töötab baitidega, mitte failisüsteemidega, ja seetõttu vajab see eraldi teavet faili kustutamise kohta.

Nii sai alguse TRIM-käsk (ingl. k. — lõikamine), millega OS teavitab SSD-kontrollerit kindla mälupiirkonna vabastamisest. TRIM-käsk kustutab andmed kettalt pöördumatult. Mitte kõik operatsioonisüsteemid ei tea, et on vajalik saata see käsk tahkis-diskidele, ja riistvara RAID-kontrollerid ketaste haldamise režiimis ei saada kunagi TRIM-käsku kettastele.