🥇Introduzione agli SSD. Parte 1. Storico

Introduzione agli SSD. Parte 1. Storico

Lo studio della storia dei dischi è l'inizio di un percorso per comprendere i principi di funzionamento degli storage a stato solido. La prima parte del nostro ciclo di articoli "Introduzione agli SSD" offrirà un'escursione nella storia e permetterà di comprendere visivamente la differenza tra SSD e il suo concorrente più vicino, l'HDD.

Nonostante l'abbondanza di diversi dispositivi di archiviazione, la popolarità di HDD e SSD al giorno d'oggi è indiscutibile. La differenza tra questi due tipi di unità è evidente per l'utente medio: l'SSD è più costoso e veloce, mentre l'HDD è più economico e capiente.

È importante prestare attenzione all'unità di misura della capacità delle unità di archiviazione: storicamente, è stato stabilito che i prefissi decimali, come kilo- e mega-, nel contesto delle tecnologie informatiche implicano sia la decima che la ventesima potenza di due. Per evitare confusioni, sono stati introdotti i prefissi binari kibi-, mebi- e altri. La differenza tra questi prefissi diventa evidente man mano che la dimensione cresce: acquistando un disco da 240 gigabyte, è possibile salvare su di esso 223,5 gibibyte di informazioni.

Immersione nella storia

Lo sviluppo del primo disco rigido è iniziato nel 1952 da IBM. Il 14 settembre 1956 è stato annunciato il risultato finale dei lavori — IBM 350 Model 1. L'unità conteneva 3,75 mebibyte di dati, con dimensioni piuttosto imponenti: 172 centimetri di altezza, 152 centimetri di lunghezza e 74 centimetri di larghezza. All'interno si trovavano 50 dischi sottili rivestiti in ferro puro dal diametro di 610 mm (24 pollici). Il tempo medio di ricerca dei dati sul disco era di circa 600 ms.

Il tempo passava e IBM migliorava costantemente la tecnologia. Nel 1961 fu presentato IBM 1301 con una capacità di 18,75 megabyte e testine di lettura su ciascun piatto. Nel IBM 1311 furono introdotti i cartridge disco rimovibili, e dal 1970 fu implementato nel IBM 3330 un sistema di rilevamento e correzione degli errori. Dopo tre anni, apparve IBM 3340 noto con il nome di "Winchester".

Winchester (da Winchester rifle) è il nome comune per fucili e carabine prodotti dalla Winchester Repeating Arms Company negli Stati Uniti nella seconda metà del XIX secolo. Erano alcune delle prime armi a ripetizione, che ottennero un'enorme popolarità tra i compratori. Il loro nome deriva dal fondatore della compagnia, Oliver Fisher Winchester.
IBM 3340 era composto da due spinte da 30 MiB ciascuna, per cui gli ingegneri chiamavano questo disco "30-30".. Questo nome richiamava il fucile Winchester Model 1894 con munizioni .30-30 Winchester, motivo per cui Kenneth Haughton, responsabile dello sviluppo dell'IBM 3340, disse «Se è un 30-30, deve essere un Winchester» («If it’s a 30-30, then it must be a Winchester.»). Da allora, il termine «winchester» non si riferisce solo ai fucili, ma anche ai dischi rigidi.

Dopo tre anni, fu rilasciato l'IBM 3350 «Madrid» con piatti da 14 pollici e un tempo di accesso di 25 ms.

Il primo SSD è stato creato dall'azienda Dataram nel 1976. L'unità Dataram BulkCore consisteva in un telaio con otto moduli di RAM da 256 KiB ciascuno. Rispetto al primo disco rigido, il BulkCore era minuscolo: 50,8 cm di lunghezza, 48,26 cm di larghezza e 40 cm di altezza. Inoltre, il tempo di accesso ai dati in questo modello era di soli 750 ns, cioè 30000 volte più veloce rispetto all'HDD più moderno di quel periodo.

Nel 1978 fu fondata l'azienda Shugart Technology, che un anno dopo cambiò nome in Seagate Technology per evitare conflitti con Shugart Associates. Due anni dopo, Seagate lanciò il ST-506 — il primo disco rigido per computer personali nel fattore di forma da 5,25 pollici con una capacità di 5 MiB.

Oltre alla nascita della Shugart Technology, il 1978 è ricordato per il rilascio del primo SSD Enterprise da parte di StorageTek. Lo StorageTek STC 4305 poteva contenere 45 MiB di dati. Questo SSD è stato progettato per sostituire l'IBM 2305, aveva dimensioni simili e costava incredibili 400.000$.

Nel 1982, gli SSD arrivarono sul mercato dei computer personali. L'azienda Axlon sviluppò appositamente per l'Apple II un disco SSD basato su chip RAM chiamato RAMDISK 320. Poiché l'unità era realizzata con memoria volatile, veniva fornita insieme a una batteria per mantenere l'integrità delle informazioni. La batteria garantiva 3 ore di funzionamento autonomo in caso di interruzione dell'alimentazione.

Un anno dopo, l'azienda Rodime lanciò il primo disco rigido RO352 da 10 MiB nel fattore di forma familiare da 3,5 pollici. Sebbene fosse il primo disco commerciale in questo formato, Rodime essenzialmente non fece nulla di innovativo.

Il primo prodotto in questo fattore di forma è considerato il floppy disk, presentato dalle aziende Tandon e Shugart Associates. Inoltre, le aziende Seagate e MiniScribe raggiunsero un accordo per adottare lo standard industriale da 3,5 pollici,

Nel 1980, l'ingegnere della Toshiba, il professor Fujio Masuoka, registrò un brevetto per un nuovo tipo di memoria, chiamata memoria Flash di tipo NOR. Lo sviluppo durò 4 anni.

La memoria NOR rappresenta una classica matrice 2D di conduttori, in cui all'intersezione di righe e colonne è installata una cella (analoga alla memoria su nuclei magnetici).

Nel 1984, il professor Masuoka parlò della sua invenzione alla conferenza International Electronics Developers Meeting, dove la società Intel valutò rapidamente la potenzialità di questo sviluppo. La Toshiba, dove lavorava il professor Masuoka, non considerava la memoria Flash qualcosa di speciale e, quindi, soddisfò la richiesta di Intel di realizzare alcuni prototipi per lo studio.

L'interesse mostrato dalla Intel per lo sviluppo di Fujio spinse la Toshiba a mettere a disposizione cinque ingegneri in aiuto al professor per risolvere il problema della commercializzazione dell'invenzione. La Intel, a sua volta, mise a disposizione trecento dipendenti per creare una propria versione della memoria Flash.

Mentre Intel e Toshiba conducevano ricerche nel campo delle unità Flash, nel 1986 si verificarono due eventi importanti. In primo luogo, lo standard SCSI fu ufficialmente standardizzato, un insieme di convenzioni per l'interazione tra computer e dispositivi periferici. In secondo luogo, fu sviluppata l'interfaccia AT Attachment (ATA), nota con il nome di marchio Integrated Drive Electronics (IDE), grazie alla quale il controller del disco si spostò all'interno del disco.

Fujio Masuoka lavorò per tre anni al miglioramento della tecnologia di memoria Flash e nel 1987 sviluppò la memoria NAND.

La memoria NAND è la stessa della memoria NOR, organizzata in un array tridimensionale. La principale differenza fu che l'algoritmo di accesso a ciascuna cella divenne più complesso, l'area delle celle si ridusse e la capacità totale aumentò significativamente.

Un anno dopo, la Intel sviluppò la propria memoria Flash di tipo NOR, mentre la società Digipro creò un'unità chiamata Flashdisk. La prima versione del Flashdisk, nella configurazione massima, conteneva 16 MiB di dati e costava meno di 500$

Alla fine degli anni '80 e all'inizio degli anni '90, i produttori di hard disk si contendevano la riduzione delle dimensioni dei dischi. Nel 1989, la PrairieTek rilasciò il disco PrairieTek 220 da 20 MiB nel fattore di forma da 2.5 pollici. Due anni dopo, la Integral Peripherals creò il disco Integral Peripherals 1820 "Mustang" con la stessa capacità, ma da 1.8 pollici. Un anno dopo, la Hewlett-Packard ridusse la dimensione del disco a 1.3 pollici.

L'azienda Seagate ha mantenuto la sua fedeltà ai dischi nel formato da 3,5 pollici e ha puntato ad aumentare la velocità di rotazione, lanciando nel 1992 il suo famoso modello Barracuda, il primo disco rigido con una velocità di rotazione del disco di 7200 giri al minuto. Ma Seagate non intendeva fermarsi qui. Nel 1996, i dischi della linea Seagate Cheetah hanno raggiunto una velocità di rotazione di 10000 giri al minuto e, dopo quattro anni, la versione X15 è arrivata addirittura a 15000 giri al minuto.

Nel 2000, l'interfaccia ATA è stata ribattezzata PATA. Il motivo è stato l'emergere dell'interfaccia Serial ATA (SATA) con cavi più compatti, supporto per la "sostituzione a caldo" e maggiore velocità di trasferimento dati. Anche in questo caso, Seagate ha preso l'iniziativa, lanciando il primo disco rigido con questo tipo di interfaccia nel 2002.

La produzione di memoria Flash era inizialmente molto costosa, ma all'inizio degli anni 2000 i costi sono diminuiti drasticamente. Questo è stato sfruttato dall'azienda Transcend, che nel 2003 ha lanciato dischi SSD con capacità da 16 a 512 MiB. Tre anni dopo, le aziende Samsung e SanDisk si sono unite alla produzione di massa. Nello stesso anno, IBM ha venduto la sua divisione dischi alla Hitachi.

Gli SSD stavano guadagnando popolarità e si è presentato un problema evidente: l'interfaccia SATA era più lenta rispetto agli SSD stessi. Per risolvere questo problema, il gruppo di lavoro NVM Express ha iniziato a sviluppare NVMe, una specifica per protocolli di accesso agli SSD direttamente attraverso il bus PCIe, bypassando il "mediatore" rappresentato dal controller SATA. Questo avrebbe permesso di accedere ai dati alla velocità del bus PCIe. Due anni dopo, la prima versione della specifica era pronta e, un anno dopo, è stato introdotto il primo SSD NVMe.

Differenze tra SSD e HDD moderni

A livello fisico, la differenza tra SSD e HDD è facilmente visibile: gli SSD non hanno elementi meccanici e le informazioni sono memorizzate nelle celle di memoria. L'assenza di componenti mobili consente un accesso rapido ai dati in qualsiasi punto della memoria; tuttavia, esiste un limite al numero di cicli di scrittura. A causa della limitazione dei cicli di scrittura per ogni cella di memoria, c'è bisogno di un meccanismo di bilanciamento: l'equilibratura dell'usura delle celle trasferendo i dati tra di esse. Questo compito è svolto dal controller del disco.

Per effettuare il bilanciamento, il controller SSD deve sapere quali celle sono occupate e quali sono libere. La scrittura di dati in una cella è qualcosa che il controller può monitorare autonomamente, ma non vale lo stesso per la cancellazione. Come è noto, i sistemi operativi (SO) non cancellano i dati dal disco quando un utente elimina un file, ma contrassegnano le aree di memoria corrispondenti come libere. Questa soluzione evita l'attesa di un'operazione disco durante l'utilizzo di un HDD, ma è assolutamente inadeguata per l'uso con un SSD. Il controller del disco SSD lavora con i byte, e non con i filesystem, e pertanto richiede una notifica separata per la cancellazione di un file.

È così che è nato il comando TRIM (ingl. — rifilare), grazie al quale il SO avvisa il controller del disco SSD della liberazione di una specifica area di memoria. Il comando TRIM cancella in modo irreversibile i dati dal disco. Non tutti i sistemi operativi sono a conoscenza della necessità di inviare questo comando agli SSD, e i controller RAID hardware in modalità array di dischi non inviano mai TRIM ai dischi.