A lemezmeghajtók történetének tanulmányozása az SSD-k működési elvének megértéséhez vezető út első lépése. A "Bevezetés az SSD-be" című cikksorozatunk első része betekintést nyújt a történelembe és szemlélteti a különbséget az SSD és legfőbb riválisa, a HDD között.
A számos információt tároló eszköz ellenére a HDD-k és SSD-k népszerűsége manapság vitathatatlan. A két tárolótípus közötti különbség a laikusok számára nyilvánvaló: az SSD drágább és gyorsabb, míg a HDD olcsóbb és nagyobb tárolókapacitással rendelkezik.
Külön figyelmet érdemel a tárolók kapacitásának mértékegysége: a történelem során kialakult, hogy a kilo- és mega- előtagok az információs technológiában a kettes alap tíz- és huszadik hatványát jelölik. A zavart elkerülve bevezették a kibi-, mebi- és egyéb bináris előtagokat. Ezeknek a prefekteknek a különbségei a kapacitás növekedésével válnak észlelhetővé: ha vásárol egy 240 gigabájtos lemezt, azon 223,5 gibibájt adatot tárolhat.
Kezdjük a történelemben való merüléssel
Az első merevlemez fejlesztése 1952-ben kezdődött az IBM által. 1956. szeptember 14-én bejelentették a fejlesztések végső eredményét — az IBM 350 Model 1-et. Ez a tároló 3.75 mebibájt adatot tudott tárolni, a méretei pedig meglehetősen impozánsak voltak: 172 centiméter magas, 152 centiméter hosszú és 74 centiméter széles. A belsejében 50, tiszta vas borítással ellátott, 610 mm (24 hüvelyk) átmérőjű vékony tárcsa helyezkedett el. Az adatok keresési ideje a lemezen körülbelül ~600 ms-t vett igénybe.
Az idő telt, és az IBM folyamatosan fejlesztette a technológiát. 1961-ben bemutatták az 18.75 megabájtos kapacitással, amelynek minden tányérján olvasófejek voltak. Az cserehető lemezpatronokkal jelent meg, míg 1970-ben az IBM 3330-ban bevezették a hibafelismerő és -javító rendszert. Három év múlva érkezett az amelyet "Winchester" néven ismernek.
A Winchester (angolul: Winchester rifle) a Winchester Repeating Arms Company által az Egyesült Államokban a 19. század második felében gyártott puskák és fegyverek általános neve. Ezek voltak az első, többlövetű fegyverek, amelyek óriási népszerűségnek örvendtek a vásárlók körében. Nevüket a cég alapítójától, Oliver Fisher Winchestertől kapták.
Az IBM 3340 két 30 MiB-os tengelyből állt, ezért a mérnökök ezt a lemezt "30-30"-nak nevezték.A név emlékeztetett a Winchester Model 1894-es puskára, amely .30-30 Winchester lőszert használt, ami miatt Kenneth Haughton, az IBM 3340 fejlesztésének vezetője azt mondta: „Ha ez 30-30, akkor ez egy Winchester kell, hogy legyen.” ("If it’s a 30-30, then it must be a Winchester."). Azóta a "Winchestert" nem csak a puskák, hanem a merevlemezek esetében is használják.
További három év elteltével megjelent az IBM 3350 „Madrid”, amely 14 hüvelykes tányérokkal rendelkezett és 25 ms elérési idővel bír.
Az első SSD-t a Dataram cégnél készítették 1976-ban. A Dataram BulkCore egy házból állt, amely nyolc 256 KiB RAM-modulból állt. Az első merevlemezhez képest a BulkCore aprócska volt: 50,8 cm hosszú, 48,26 cm széles és 40 cm magas. A hozzáférési idő ebben a modellen mindössze 750 ns volt, ami 30 000-szer gyorsabb, mint a korszak legmodernebb HDD-lemeze.
1978-ban megalakult a Shugart Technology, amely egy évvel később Seagate Technology névre változott, hogy elkerülje a Shugart Associates-szel való összetűzést. Két évvel a Seagate megalakulása után megjelent az ST-506 – az első 5,25 hüvelykes formátumú, 5 MiB kapacitású merevlemez személyi számítógépekhez.
A Shugart Technology megjelenése mellett 1978-as évben megjelent az első Enterprise SSD a StorageTek-től. A StorageTek STC 4305 45 MiB adatot tudott tárolni. Ezt az SSD-t az IBM 2305-ös modell helyettesítésére fejlesztették, hasonló méretekkel rendelkezett, és hihetetlen 400 000 dollárba került.
1982-ben az SSD a személyi számítógépek piacára lépett. Az Axlon kifejlesztette az SSD-t az Apple II-hez RAM-chipekkel RAMDISK 320 néven. Mivel az adattároló energiatároló memóriára épült, az információ megőrzése érdekében akkumulátor volt a csomagban. Az akkumulátor elegendő energiát biztosított 3 órás üzemidőre áramkimaradás esetén.
Egy év elteltével a Rodime megjelentette az első RO352 merevlemezt 10 MiB kapacitással, a modern felhasználók számára megszokott 3,5 hüvelykes formátumban. Annak ellenére, hogy ez volt az első kereskedelmi lemez ebben a formátumban, a Rodime lényegében nem tett semmi újdonságot.
Az első terméknek ebben a formátumban a Tandon és Shugart Associates által bemutatott floppy meghajtót tekintik. Sőt, a Seagate és a MiniScribe megállapodott a 3,5 hüvelykes ipari szabvány elfogadásáról, "kihagyva" a Rodime-t, amelynek sorsa a "szabadalmi troll" lett, és teljesen ki kellett lépnie az adattárolók iparából.
1980-ban a Toshiba mérnöke, Matsuo Fudzsió professzor, szabadalmaztatott egy új memóriafajtát, az úgynevezett NOR típusú Flash memóriát. A fejlesztés négy évig tartott.
A NOR memória egy klasszikus 2D vezetõmátrixot képvisel,amelyben a sorok és oszlopok kereszteződésénél van egy-egy cella (hasonlóan a mágneses magmemóriához).
1984-ben Matsuo professzor beszámolt találmányáról az International Electronics Developers Meeting konferencián, ahol az Intel gyorsan felismerte a fejlesztés lehetőségeit. A Toshiba, ahol Matsuo professzor dolgozott, nem tartotta különlegesnek a Flash memóriát, ezért teljesítette az Intel kérését, hogy készítsenek néhány prototípust a tanulmányozásra.
Az Intel által a Fudzsió fejlesztése iránt kifejezett érdeklődés ösztönözte a Toshibát, hogy öt mérnököt jelöljön ki, hogy segítsenek a professzornak a találmány kereskedelmi forgalomba hozatalában. Az Intel ezzel párhuzamosan háromszáz alkalmazottját fordította a saját Flash memória verziójának kifejlesztésére.
Míg az Intel és a Toshiba a Flash meghajtók fejlesztésén dolgozott, 1986-ban két fontos esemény történt. Először is, hivatalosan is szabványosították az SCSI-t — egy megállapodás készletet a számítógépek és a perifériás eszközök közötti kommunikációhoz. Másodszor, kifejlesztették az AT Attachment (ATA) interfészt, amely a tűnik elnevezésű Integrated Drive Electronics (IDE) néven ismert, amely lehetővé tette, hogy a lemez vezérlője a lemezen belül helyezkedjen el.
Három évig Fudzsió Matsuo a Flash memória technológia javításán dolgozott, és 1987-re kifejlesztette a NAND memóriát.
A NAND memória ugyanaz, mint a NOR memória, csak háromdimenziós mátrixba rendezve,az alapvető különbség abban rejlik, hogy a hozzáférés algoritmusának bonyolultsága megnövekedett, a cellák területe csökkent, míg a teljes kapacitás jelentősen megnövekedett.
Egy évvel később az Intel kifejlesztette saját NOR típusú Flash memóriáját, míg a Digipro egy Flashdisk nevű meghajtót készített erre alapozva. A Flashdisk első verziója maximális konfigurációban 16 MiB adatot tárolt, és kevesebb mint 500 dollárba került.
A 80-as évek végén és a 90-es évek elején a merevlemezek gyártói versenyeztek a lemezek méretének csökkentésében. 1989-ben a PrairieTek bemutatta a PrairieTek 220 nevű, 20 MiB kapacitású lemezét 2,5 colos formátumban. Két évvel később az Integral Peripherals bemutatta az Integral Peripherals 1820 "Mustang" nevű lemezét ugyanazzal a kapacitással, de 1,8 colos formátumban. Egy évvel később a Hewlett-Packard a lemez méretét 1,3 colosra csökkentette.
A Seagate hű maradt a 3,5 hüvelykes formátumú lemezekhez, és a forgási sebesség növelésére összpontosított, 1992-ben kiadva híres Barracuda modelljét, amely volt az első merevlemez, amely 7200 fordulat/perc sebességgel forgott. De a Seagate itt nem akarta megállítani. 1996-ban a Seagate Cheetah sorozat lemezei elérték a 10000 fordulat/perc sebességet, négy évvel később pedig az X15-ös változata már 15000 fordulat/perc sebességgel forgott.
2000-ben az ATA interfész PATA néven vált ismertté. Ennek az volt az oka, hogy megjelent a Serial ATA (SATA) interfész, amely kompaktabb kábeleket, „hot swap” támogatást és gyorsabb adatátvitelt kínált. A Seagate itt is az élen járt, 2002-ben bemutatva az első merevlemezt ezzel az interfésszel.
A Flash memória előállítása kezdetben nagyon drága volt, de a 2000-es évek elején az árak drámaian csökkentek. Ezzel a Transcend cég élt, amely 2003-ban 16 és 512 MiB közötti kapacitású SSD-ket adott ki. Három évvel később a Samsung és a SanDisk is megkezdte a tömeggyártást. Ugyanebben az évben az IBM eladta merevlemezeinek részlegét a Hitachinak.
A szilárdtest-meghajtók terjedése ynyilvánvaló problémát okozott: a SATA interfész lassabb volt, mint maguk az SSD-meghajtók. Ennek a problémának a megoldására az NVM Express Workgroup elkezdte az NVMe kifejlesztését – egy specifikációt az SSD-k közvetlen elérési protokolljaira a PCIe buszon, megkerülve a SATA-vezérlőt mint "közvetítőt". Ez lehetővé tette az adatokhoz való hozzáférést a PCIe busz sebességével. Két év múlva elkészült a specifikáció első verziója, egy évvel később pedig megjelent az első NVMe-meghajtó.
A különbségek a modern SSD-k és HDD-k között
Fizikai szinten a különbség az SSD-k és HDD-k között könnyen észlelhető: az SSD-k nem tartalmaznak mechanikus elemeket, az információ pedig memória cellákban tárolódik. A mozgó elemek hiánya gyors hozzáférést biztosít az adatokhoz a memória bármely részén, azonban korlátozás van a felírási ciklusok számára. A memória cellák korlátozott számú felírási ciklusa miatt szükség van egy egyensúlyozó mechanizmusra, amely a cellák elhasználódásának kiegyenlítésével foglalkozik azáltal, hogy adatokat helyez át a cellák között. Ezt a feladatot a lemez vezérlője végzi.
A SSD controller needs to know which cells are occupied and which are free to perform balancing. It can track data writing to a cell on its own, but not the deletion. As we know, operating systems (OS) do not erase data from the disk when a user deletes a file; they simply mark the corresponding memory areas as free. This solution eliminates the need to wait for a disk operation when using HDDs but is not suitable for SSDs. The SSD controller works with bytes instead of file systems, thus requiring a separate message for file deletion.
This is how the TRIM command (from English — to trim) came about, which notifies the SSD controller of freeing up a specific memory area. The TRIM command irreversibly deletes data from the disk. Not all operating systems are aware of the need to send this command to solid-state drives, and hardware RAID controllers in disk array mode never send TRIM to the drives.
Folytatás következik…
In the following sections, we will discuss form factors, connection interfaces, and the internal organization of solid-state drives.
In our laboratory You can independently test modern HDDs and SSDs and draw your own conclusions.
Csak a regisztrált felhasználók vehetnek részt a szavazáson. , kérem.
What do you think, will SSDs replace HDDs?
71.2%Yes, the future belongs to SSDs.
7.5%No, the era of magneto-optical HDDs is ahead.
21.2%The hybrid option of HDD + SSD will win.
556 users have voted. 72 users abstained.
Forrás: habr.com
