مقدمه ای بر SSD ها قسمت 1. تاریخی

مطالعه تاریخچه دیسک ها آغاز سفر به درک اصول عملکرد درایوهای حالت جامد است. بخش اول از سری مقالات ما، «معرفی SSD ها»، به بررسی تاریخ می پردازد و به شما امکان می دهد تفاوت بین SSD و نزدیک ترین رقیب آن، HDD را به وضوح درک کنید.

با وجود فراوانی دستگاه های مختلف برای ذخیره اطلاعات، محبوبیت HDD و SSD در زمان ما غیرقابل انکار است. تفاوت بین این دو نوع درایو برای افراد عادی آشکار است: SSD گرانتر و سریعتر است، در حالی که HDD ارزانتر و جادارتر است.

توجه ویژه ای باید به واحد اندازه گیری ظرفیت ذخیره سازی شود: از نظر تاریخی، پیشوندهای اعشاری مانند کیلو و مگا در زمینه فناوری اطلاعات به عنوان دهمین و بیستمین توان دو درک می شوند. برای رفع سردرگمی، پیشوندهای باینری kibi-، mebi- و دیگران معرفی شدند. تفاوت بین این ست تاپ باکس ها با افزایش حجم محسوس می شود: هنگام خرید یک دیسک 240 گیگابایتی، می توانید 223.5 گیگابایت اطلاعات را روی آن ذخیره کنید.

در تاریخ شیرجه بزنید

توسعه اولین هارد دیسک در سال 1952 توسط IBM آغاز شد. در 14 سپتامبر 1956، نتیجه نهایی توسعه اعلام شد - IBM 350 Model 1. درایو 3.75 مگابایت داده با ابعاد بسیار نامتناسب را در خود جای داد: 172 سانتی متر ارتفاع، 152 سانتی متر طول و 74 سانتی متر عرض. داخل 50 دیسک نازک با آهن خالص با قطر 610 میلی متر (24 اینچ) پوشیده شده بود. میانگین زمان جستجوی داده ها روی دیسک ~600 میلی ثانیه طول کشید.

با گذشت زمان، IBM به طور پیوسته این فناوری را بهبود بخشید. در سال 1961 معرفی شد آی بی ام 1301 با ظرفیت 18.75 مگابایت با هد خواندن در هر بشقاب. که در آی بی ام 1311 کارتریج های دیسک قابل جابجایی ظاهر شد و از سال 1970، یک سیستم تشخیص و تصحیح خطا در IBM 3330 معرفی شد. سه سال بعد ظاهر شد آی بی ام 3340 معروف به "وینچستر".

وینچستر (از تفنگ انگلیسی وینچستر) - نام عمومی تفنگ ها و تفنگ های ساچمه ای ساخته شده توسط شرکت وینچستر Repeating Arms در ایالات متحده آمریکا در نیمه دوم قرن نوزدهم. اینها یکی از اولین تفنگ های شاتگان تکراری بودند که در بین خریداران بسیار محبوب شدند. آنها نام خود را مدیون بنیانگذار شرکت، الیور فیشر وینچستر بودند.

IBM 3340 از دو اسپیندل 30 مگابایتی تشکیل شده بود که به همین دلیل است. مهندسان این دیسک را "30-30" نامیدند.. این نام یادآور تفنگ وینچستر مدل 1894 بود که در 30-30 وینچستر محفظه شده بود، که باعث شد کنت هاتون، که رهبری توسعه IBM 3340 را بر عهده داشت، بگوید "اگر 30-30 است، باید وینچستر باشد." -30، پس باید وینچستر باشد."). از آن زمان به بعد، نه تنها تفنگ ها، بلکه هارد دیسک ها نیز "هارد دیسک" نامیده می شوند.

سه سال بعد، IBM 3350 "Madrid" با صفحات 14 اینچی و زمان دسترسی 25 میلی‌ثانیه عرضه شد.

اولین درایو SSD توسط Dataram در سال 1976 ساخته شد. درایو Dataram BulkCore شامل یک شاسی با هشت حافظه رم با ظرفیت 256 کیلوبایت بود. در مقایسه با دیسک سخت اول، BulkCore کوچک بود: 50,8 سانتی متر طول، 48,26 سانتی متر عرض و 40 سانتی متر ارتفاع. در عین حال، زمان دسترسی به اطلاعات در این مدل تنها 750 ns بود که 30000 برابر سریع‌تر از مدرن‌ترین درایو HDD در آن زمان است.

در سال 1978 شرکت Shugart Technology تاسیس شد که یک سال بعد نام خود را به Seagate Technology تغییر داد تا از درگیری با Shugart Associates جلوگیری کند. پس از دو سال کار، سیگیت ST-506 را منتشر کرد - اولین هارد دیسک برای رایانه های شخصی در ابعاد 5.25 اینچی و با ظرفیت 5 مگابایت.

علاوه بر ظهور Shugart Technology، سال 1978 با انتشار اولین SSD Enterprise از StorageTek به یادگار ماند. StorageTek STC 4305 دارای 45 مگابایت داده بود. این SSD به عنوان جایگزینی برای IBM 2305 ساخته شد، ابعادی مشابه داشت و قیمتی باورنکردنی 400 دلار داشت.

در سال 1982، SSD وارد بازار کامپیوترهای شخصی شد. شرکت Axlon در حال توسعه یک دیسک SSD بر روی تراشه های RAM به نام RAMDISK 320 به طور خاص برای Apple II است. از آنجایی که درایو بر اساس حافظه فرار ساخته شده است، یک باتری در کیت برای حفظ ایمنی اطلاعات عرضه شده است. ظرفیت باتری برای 3 ساعت کار مستقل در صورت قطع برق کافی بود.

یک سال بعد، Rodime اولین هارد دیسک 352 مگابایتی RO10 را با فرم فاکتور 3.5 اینچی که برای کاربران مدرن آشناست، عرضه خواهد کرد. علیرغم این واقعیت که این اولین درایو تجاری در این شکل است، Rodime اساساً هیچ کار نوآورانه ای انجام نداد.

اولین محصول در این فرم فاکتور یک درایو فلاپی است که توسط Tandon و Shugart Associates معرفی شده است. علاوه بر این، Seagate و MiniScribe موافقت کردند که استاندارد صنعت 3.5 اینچی را بپذیرند و Rodime را پشت سر بگذارند، که با سرنوشت یک «ترول حق ثبت اختراع» و خروج کامل از صنعت تولید درایو مواجه شد.

در سال 1980، پروفسور فوجیو ماسوکا، مهندس توشیبا، حق ثبت اختراع نوع جدیدی از حافظه به نام حافظه فلش NOR را به ثبت رساند. توسعه 4 سال طول کشید.

حافظه NOR یک ماتریس کلاسیک دوبعدی از هادی ها است، که در آن یک سلول در محل تلاقی ردیف ها و ستون ها (مشابه حافظه روی هسته های مغناطیسی) نصب شده است.

در سال 1984، پروفسور ماسوکا در مورد اختراع خود در نشست بین المللی توسعه دهندگان الکترونیک صحبت کرد، جایی که اینتل به سرعت وعده این توسعه را تشخیص داد. توشیبا، جایی که پروفسور ماسوکا در آن کار می کرد، حافظه فلش را چیز خاصی نمی دانست و به همین دلیل به درخواست اینتل مبنی بر ساخت چندین نمونه اولیه برای مطالعه اجابت کرد.

علاقه اینتل به توسعه فوجیو، توشیبا را بر آن داشت تا پنج مهندس را برای کمک به پروفسور در حل مشکل تجاری سازی اختراع اختصاص دهد. اینتل نیز به نوبه خود سیصد کارمند خود را به ساختن نسخه فلش مموری اختصاص داد.

در حالی که اینتل و توشیبا در حال توسعه توسعه در زمینه حافظه فلش بودند، دو رویداد مهم در سال 1986 رخ داد. اول، SCSI، مجموعه ای از قراردادها برای برقراری ارتباط بین رایانه ها و دستگاه های جانبی، به طور رسمی استاندارد شده است. در مرحله دوم، رابط AT Attachment (ATA) که با نام تجاری Integrated Drive Electronics (IDE) شناخته می شود، توسعه داده شد، که به لطف آن، کنترل کننده درایو به داخل درایو منتقل شد.

فوجیو مائوسوکا به مدت سه سال برای بهبود فناوری حافظه فلش کار کرد و تا سال 1987 حافظه NAND را توسعه داد.

حافظه NAND همان حافظه NOR است که در یک آرایه سه بعدی سازماندهی شده است. تفاوت اصلی این بود که الگوریتم دسترسی به هر سلول پیچیده تر شد، مساحت سلول کوچکتر شد و ظرفیت کل به طور قابل توجهی افزایش یافت.

یک سال بعد، اینتل حافظه فلش NOR خود را توسعه داد و دیجیپرو درایوی به نام Flashdisk روی آن ساخت. نسخه اول Flashdisk در حداکثر پیکربندی خود حاوی 16 مگابایت داده و هزینه کمتر از 500 دلار بود.

در اواخر دهه 80 و اوایل دهه 90، سازندگان هارد دیسک برای کوچکتر کردن درایوها به رقابت پرداختند. در سال 1989، PrairieTek درایو PrairieTek 220 20 MiB را در قالب 2.5 اینچی منتشر کرد. دو سال بعد، Integral Peripherals دیسک Integral Peripherals 1820 "Mustang" را با همان حجم، اما در حال حاضر 1.8 اینچ ایجاد کرد. یک سال بعد، هیولت پاکارد اندازه دیسک را به 1.3 اینچ کاهش داد.

سیگیت به درایوهای 3.5 اینچی وفادار ماند و بر افزایش سرعت چرخش تکیه کرد و مدل معروف Barracuda خود را در سال 1992 عرضه کرد، اولین هارد دیسک با سرعت اسپیندل 7200 دور در دقیقه. اما سیگیت قرار نبود همین جا متوقف شود. در سال 1996، درایوهای خط سیگیت چیتا به سرعت چرخش 10000 دور در دقیقه رسید و چهار سال بعد اصلاح X15 تا 15000 دور در دقیقه چرخید.

در سال 2000 رابط ATA با نام PATA شناخته شد. دلیل این امر ظهور رابط Serial ATA (SATA) با سیم های فشرده تر، پشتیبانی از hot-swap و افزایش سرعت انتقال داده بود. Seagate در اینجا نیز پیشتاز شد و اولین هارد دیسک با چنین رابطی را در سال 2002 منتشر کرد.

تولید حافظه فلش در ابتدا بسیار گران بود، اما در اوایل دهه 2000 هزینه ها به شدت کاهش یافت. Transcend از این مزیت استفاده کرد و درایوهای SSD با ظرفیت‌های 2003 تا 16 مگابایت را در سال 512 منتشر کرد. سه سال بعد، سامسونگ و SanDisk به تولید انبوه پیوستند. در همان سال IBM بخش دیسک خود را به هیتاچی فروخت.

درایوهای حالت جامد در حال افزایش بودند و یک مشکل آشکار وجود داشت: رابط SATA کندتر از خود SSD بود. برای حل این مشکل، گروه کاری NVM Express شروع به توسعه NVMe کرد - مشخصاتی برای پروتکل های دسترسی برای SSD ها به طور مستقیم از طریق گذرگاه PCIe، با دور زدن "واسطه" در قالب یک کنترلر SATA. این امکان دسترسی به داده ها را با سرعت گذرگاه PCIe فراهم می کند. دو سال بعد، اولین نسخه از مشخصات آماده شد و یک سال بعد اولین درایو NVMe ظاهر شد.

تفاوت بین SSD های مدرن و HDD

در سطح فیزیکی، تفاوت بین SSD و HDD به راحتی قابل مشاهده است: SSD هیچ عنصر مکانیکی ندارد و اطلاعات در سلول های حافظه ذخیره می شود. عدم وجود عناصر متحرک منجر به دسترسی سریع به داده ها در هر بخشی از حافظه می شود، با این حال، محدودیتی در تعداد چرخه های بازنویسی وجود دارد. با توجه به تعداد محدود چرخه های بازنویسی برای هر سلول حافظه، نیاز به یک مکانیسم متعادل وجود دارد - تراز کردن سایش سلول با انتقال داده ها بین سلول ها. این کار توسط کنترل کننده دیسک انجام می شود.

برای انجام تعادل، کنترلر SSD باید بداند کدام سلول اشغال شده و کدام سلول آزاد است. کنترلر قادر است ضبط داده ها را در خود سلول ردیابی کند، که نمی توان در مورد حذف گفت. همانطور که می دانید، سیستم عامل ها (OS) زمانی که کاربر فایلی را حذف می کند، داده ها را از روی دیسک پاک نمی کنند، بلکه قسمت های حافظه مربوطه را به عنوان آزاد علامت گذاری می کنند. این راه حل نیاز به انتظار برای عملیات دیسک هنگام استفاده از HDD را برطرف می کند، اما برای کار با SSD کاملا نامناسب است. کنترل‌کننده درایو SSD با بایت‌ها کار می‌کند، نه با سیستم‌های فایل، و بنابراین هنگام حذف یک فایل، به یک پیام جداگانه نیاز دارد.

به این ترتیب دستور TRIM (به انگلیسی - trim) ظاهر شد که با آن سیستم عامل به کنترل کننده دیسک SSD اطلاع می دهد تا یک منطقه حافظه خاص را آزاد کند. دستور TRIM داده ها را برای همیشه از دیسک پاک می کند. همه سیستم عامل ها نمی دانند که این دستور را به درایوهای حالت جامد ارسال کنند و کنترل کننده های RAID سخت افزاری در حالت آرایه دیسک هرگز TRIM را به دیسک نمی فرستند.

ادامه ...

در قسمت های بعدی در مورد عوامل شکل، رابط های اتصال و سازماندهی داخلی درایوهای حالت جامد صحبت خواهیم کرد.

در آزمایشگاه ما آزمایشگاه انتخاب شما می توانید به طور مستقل درایوهای HDD و SSD مدرن را آزمایش کنید و نتیجه گیری خود را بگیرید.

فقط کاربران ثبت نام شده می توانند در نظرسنجی شرکت کنند. ورود، لطفا.

آیا فکر می کنید SSD می تواند HDD را جابجا کند؟

• ٪۱۰۰بله، SSD ها آینده هستند396

• ٪۱۰۰نه، دوران HDD42 مغناطیسی نوری در پیش است

• ٪۱۰۰نسخه هیبریدی HDD + SSD118 برنده خواهد شد

556 کاربر رای دادند. 72 کاربر رای ممتنع دادند.

منبع: www.habr.com