🥇Sissejuhatus SSD-sse. Osa 1. Ajalooline

Sissejuhatus SSD-desse. Osa 1. Ajalugu

Kettaseadmete ajalugu on esimene samm teede mõistmiseks, kuidas tahkis- ja andmekandjad toimivad. Meie artiklisarja "Sissejuhatus SSD-desse" esimene osa viib ekskursile ajalukku ja aitab selgelt mõista SSD ja selle lähima konkurendi — HDD vahelisi erinevusi.

Hoolimata erinevatest andmesalvestusseadmetest on HDD ja SSD populaarsus tänapäeval vaieldamatu. Erinevus nende kahe salvestusseadme vahel on tavainimesele ilmne: SSD on kallim ja kiirem, samas kui HDD on odavam ja mahukam.

Eraldi tähelepanu tuleks pöörata salvestusseadmete mahtuvuse mõõtmisüksusele: ajalooliselt on nii, et kümnendilised eessõnad, nagu kilo- ja Mega-, infotehnoloogias viitavad nii kümnendikele kui ka kahekümnendikele astmetele. Segaduse vältimiseks on kasutusele võetud binaarsed eessõnad kibi-, mebi- ja muud. Nende eessõnade vahe muutub märgatavaks mahutavuse suurenedes: kui ostate 240 gigabaidi suure ketta, saate salvestada sellele 223.5 gibibaiti teavet.

Ajalukku sukeldumine

Esimese kõvaketta väljatöötamine algas 1952. aastal IBM-i poolt. 14. septembril 1956 kuulutati välja arenduste lõpptulemus — IBM 350 Model 1. Seade mahutas 3.75 mebibaiti andmeid, mõõtmete poolest oli see äärmiselt suursugune: 172 sentimeetrit kõrge, 152 sentimeetrit pikk ja 74 sentimeetrit lai. Sees oli 50 õhukest ketast, kaetud puhta rauaga, mille diameeter oli 610 mm (24 tolli). Andmete otsimise keskmine aega kettal oli umbes 600 ms.

Aeg kulges ning IBM parandas tehnoloogiat kindlalt. 1961. aastal esitati IBM 1301 mahutavusega 18.75 megabaidi, kus igal plaadil olid lugemispäid. Aastal IBM 1311 ilmusid eemaldatavad kettakartrid, ja alates 1970. aastast võeti IBM 3330-s kasutusele veakontrolli ja -paranduse süsteem. Kolme aasta möödudes ilmus IBM 3340 tuntud nimega "Winchester".

Winchester (inglise keeles Winchester rifle) on üldine nimetus Winchester Repeating Arms Company USA-s XIX sajandi teisel poolel toodetud vintpüsside ja relvade jaoks. Need olid mõned esimesed mitme laadi ja relvad, mis saavutasid ostjate seas tohutu populaaruse. Nime said nad ettevõtte rajaja — Oliver Fisher Winchesteri — järgi.
IBM 3340 koosnes kahest 30 MiB pöörlemisseadmest, mistõttu insenerid nimetasid seda ketast "30-30". See, this name was reminiscent of the Winchester Model 1894 rifle with .30-30 Winchester cartridges, leading Kenneth Haughton, who was overseeing the development of the IBM 3340, to say, "If it’s a 30-30, then it must be a Winchester." Since then, the term "Winchester" has come to refer not only to rifles but also to hard drives.

Three years later, the IBM 3350 "Madrid" was released, featuring 14-inch platters and an access time of 25 ms.

The first SSD was created by Dataram in 1976. The Dataram BulkCore consisted of a chassis with eight RAM memory sticks, each of 256 KiB. Compared to the first hard drive, the BulkCore was tiny: 50.8 cm long, 48.26 cm wide, and 40 cm high. Notably, the access time for data in this model was only 750 ns, which was 30,000 times faster than the most advanced HDD at the time.

In 1978, Shugart Technology was founded, which, a year later, changed its name to Seagate Technology to avoid conflicts with Shugart Associates. After two years of work, Seagate introduced the ST-506, the first hard drive for personal computers in a 5.25-inch form factor with a capacity of 5 MiB.

In addition to the establishment of Shugart Technology, 1978 was marked by the release of the first Enterprise SSD by StorageTek. The StorageTek STC 4305 could hold 45 MiB of data. This SSD was designed as a replacement for the IBM 2305, had similar dimensions, and was priced at an incredible $400,000.

In 1982, SSDs entered the personal computer market. The company Axlon developed an SSD disk on RAM chips specifically for the Apple II, named RAMDISK 320. Since the drive was based on volatile memory, it came with a battery to maintain data integrity. The battery allowed for 3 hours of operation in case of a power loss.

A year later, Rodime released the first 10 MiB hard disk RO352 in the familiar 3.5-inch form factor for modern users. Despite being the first commercially available disk in this form factor, Rodime did not innovate in any significant way.

The first product in this form factor is considered to be the floppy disk drive introduced by Tandon and Shugart Associates. Furthermore, Seagate and MiniScribe agreed on adopting the 3.5-inch industrial standard, effectively sidelining Rodime, which faced the fate of becoming a 'patent troll' and exiting the storage industry entirely.

1980. aastal registreeris Toshiba insener, professor Fujiō Masuoka patenteeritud uue tüüpi mälutehnoloogia, mida nimetati NOR-tüüpi Flash-mäluks. Arendus kestis 4 aastat.

NOR-mälu on klassikaline 2D juhtide maatriks, kus ridade ja veergude ristumiskohas on üks mälurakk (sarnane magnetkõvaketaste mälule).

1984. aastal rääkis professor Masuoka oma leiutisest rahvusvahelisel elektroonikaarendajate ko meetingul, kus ettevõte Intel hinnatas kiiresti selle arenduse perspektiive. Toshiba, ettevõte, kus professor Masuoka töödas, ei pidanud Flash-mälu millegiks eriliseks ja seetõttu rahuldas Intel'i palve valmistada mitmeid prototipoole uurimiseks.

Ettevõtte Intel'i huvi Fujiō arengute vastu sundis Toshiba eraldama viis inseneri, et aidata professorit leiutise kommertsialiseerimise probleemide lahendamisel. Intel, omakorda, suunas kolm saja töötajat, et luua oma versioon Flash-mälust.

Vahepeal, kui Intel ja Toshiba töötasid Flash-mälu arendamise kallal, toimusid 1986. aastal kaks olulist sündmust. Esiteks, SCSI standardiseeriti ametlikult – kokkulepete kogum arvutite ja perifeersete seadmete vahelise suhtlemise jaoks. Teiseks, arendati välja AT Attachment (ATA) liides, tuntud kaubamärginimega Integrated Drive Electronics (IDE), mille tõttu diskikontroller viidi sisse plaati.

Kolme aasta jooksul töötas Fujiō Masuoka Flash-mälu tehnoloogia täiustamise kallal ja 1987. aastaks arendas ta välja NAND-mälu.

NAND-mälu on sama, mis NOR-mälu, kuid korraldatud kolmemõõtmelisse maatriksisse. Peamine erinevus on see, et juurdepääsu algoritm igale mälurakule muutus keerulisemaks, rakkude pindala vähenes ja kogumaht suurenes oluliselt.

Aasta hiljem arendas ettevõte Intel välja oma NOR-tüüpi Flash-mälu, samal ajal kui Digipro valmistas selle põhjal mäluseadmest Flashdisk. Esimene versioon Flashdisk'i maksimaalses konfiguratsioonis mahutas 16 MiB andmeid ja maksis alla 500$.

1980. aastate lõpus ja 1990. aastate alguses konkureerisid kõvakettatootjad ketaste suuruse vähendamise nimel. 1989. aastal tutvustas ettevõte PrairieTek 20 MiB suurust PrairieTek 220 ketast 2,5-tollises vormitegija. Kaks aastat hiljem valmistas Integral Peripherals 1,8-tollise diski Integral Peripherals 1820 "Mustang" sama mahuga. Aasta hiljem vähendas Hewlett-Packard ketta suurust 1,3 tollini.

Seagate on jäänud truuks 3,5-tollistele kõvaketastele ja panustanud pöörlemiskiiruse suurendamisele, laskes 1992. aastal turule oma kuulsat mudelit Barracuda, mis oli esimene kõvaketas, mille pöörlemiskiirus oli 7200 p/min. Kuid sellega Seagate ei kavatsenud piirduda. 1996. aastal saavutas Seagate Cheetah seeria ketaste pöörlemiskiirus 10000 p/min ning neli aastat hiljem jõudis mudel X15 lausa 15000 p/min-ni.

Aastal 2000 hakati ATA liidest nimetama PATA-ks. Selle põhjuseks oli Serial ATA (SATA) liidese tulek, mis pakkus kompaktsemaid kaableid, „kuumplugimise“ tuge ning suurenenud andmeedastuse kiirust. Seagate oli ka siin esirinnas, tuues 2002. aastal turule esimese kõvaketta selle liidese toetuseks.

Flash-mälu tootmine oli algselt väga kulukas, kuid 2000. aastate alguses langes hind järsult. Seda kasutas ära ettevõte Transcend, kes 2003. aastal turule tõi SSD-kettad mahuga 16–512 MiB. Kolme aasta pärast liitusid massilise tootmisega ettevõtted Samsung ja SanDisk. Samal aastal müüs IBM oma kettaühendustööstuse ettevõttele Hitachi.

Tahkekettad said tuuletuks ja ilmsiks tuli probleem: SATA liides oli aeglasem kui SSD-kettad ise. Selle probleemi lahendamiseks algatas NVM Express Workgroup NVMe arendamise — spetsifikatsioonid SSD-dele otsese juurdepääsu tagamiseks PCIe busside kaudu, mööda minnes SATA kontrollijast. See võimaldaks andmetele juurde pääseda PCIe bussi kiirusel. Kaks aastat hiljem oli esimese spetsifikatsiooni versioon valmis ja veel aasta hiljem ilmus esimene NVMe-SSD.

Erinevused kaasaegsete SSD ja HDD vahel

Füüsilisel tasemel on SSD ja HDD vahe kergesti märgatav: SSD-del puuduvad mehhaanilised elemendid ja teave salvestatakse mälurakkudesse. Liikuvate elementide puudumine võimaldab andmetele kiiresti juurde pääseda igasugustes mälukohtades, kuid on olemas piirangud kirjutamistsüklite arvule. Ajavahemiku piiratud kirjutamistsüklite tõttu iga mäluraku puhul on vajalik tasakaalustamismehhanism — rakkude kulumise ühtlustamine andmete ülekandmise teel rakkude vahel. Selle ülesande täidab ketta kontrollsüsteem.

SSD-kontroller vajab tasakaalu saavutamiseks teadma, millised rakud on hõivatud ja millised vabade. Andmete salvestamine rakku on kontrolleris jälgitav, kuid kustutamise kohta seda öelda ei saa. Nagu teada, ei kustuta operatsioonisüsteemid (OS) andmeid kettalt, kui kasutaja faili kustutab, vaid märgivad vastavad mälupiirkonnad vabaks. See lahendus vabastab HDD kasutamisel diskreetse operatsiooni ootamisest, kuid ei sobi SSD-de tööks. SSD-kettaga töötav kontroller toimib baitidena, mitte failisüsteemidena, ja seetõttu vajab see eraldi teavitust faili kustutamisest.

Nii tekkis käsk TRIM (inglise keeles — lõigata), mis teavitab OS SSD-kontrollerit teatava mälupiirkonna vabastamisest. TRIM-käsk kustutab andmed kettalt pöördumatult. Mitte kõik operatsioonisüsteemid ei tea, et nad peavad selle käsu SSD-dele saatma, ja riistvaralised RAID-kontrollerid kettaparkides kunagi TRIM käsku kettale ei saada.