Lo studio della storia dei dischi è l'inizio del viaggio verso la comprensione dei principi di funzionamento delle unità a stato solido. La prima parte della nostra serie di articoli, "Introduzione agli SSD", farà un tour della storia e ti consentirà di comprendere chiaramente la differenza tra un SSD e il suo concorrente più vicino, l'HDD.
Nonostante l'abbondanza di vari dispositivi per l'archiviazione delle informazioni, la popolarità di HDD e SSD nel nostro tempo è innegabile. La differenza tra questi due tipi di unità è evidente alla persona media: l'SSD è più costoso e più veloce, mentre l'HDD è più economico e più spazioso.
Particolare attenzione merita l'unità di misura della capacità di stoccaggio: storicamente i prefissi decimali come kilo e mega sono intesi nel contesto informatico come la decima e la ventesima potenza di due. Per eliminare la confusione, furono introdotti i prefissi binari kibi-, mebi- e altri. La differenza tra questi set-top box diventa evidente all'aumentare del volume: quando si acquista un disco da 240 gigabyte, su di esso è possibile memorizzare 223.5 gigabyte di informazioni.
Tuffati nella storia
Lo sviluppo del primo disco rigido iniziò nel 1952 da parte della IBM. Il 14 settembre 1956 fu annunciato il risultato finale dello sviluppo: l'IBM 350 Modello 1. L'unità conteneva 3.75 mebibyte di dati con dimensioni molto immodeste: 172 centimetri di altezza, 152 centimetri di lunghezza e 74 centimetri di larghezza. All'interno c'erano 50 dischi sottili rivestiti di ferro puro con un diametro di 610 mm (24 pollici). Il tempo medio per la ricerca dei dati su disco è stato di circa 600 ms.
Col passare del tempo, IBM ha costantemente migliorato la tecnologia. Introdotto nel 1961 con una capacità di 18.75 megabyte con testine di lettura su ciascun piatto. IN apparvero le cartucce per dischi rimovibili e dal 1970 fu introdotto un sistema di rilevamento e correzione degli errori nell'IBM 3330. Tre anni dopo è apparso conosciuto come "Winchester".
Winchester (dal fucile inglese Winchester) - il nome generale dei fucili e dei fucili da caccia prodotti dalla Winchester Repeating Arms Company negli Stati Uniti nella seconda metà del XIX secolo. Questi furono uno dei primi fucili a ripetizione che divennero estremamente popolari tra gli acquirenti. Devono il loro nome al fondatore dell'azienda, Oliver Fisher Winchester.
L'IBM 3340 era costituito da due assi da 30 MiB ciascuno, ecco perché gli ingegneri chiamarono questo disco “30-30”. Il nome ricordava il fucile Winchester Model 1894 camerato in .30-30 Winchester, portando Kenneth Haughton, che guidò lo sviluppo dell'IBM 3340, a dire "Se è un 30-30, deve essere un Winchester". -30, allora deve essere un Winchester."). Da allora, non solo i fucili, ma anche i dischi rigidi sono stati chiamati “dischi rigidi”.
Altri tre anni dopo fu lanciato sul mercato l'IBM 3350 “Madrid” con piatti da 14 pollici e un tempo di accesso di 25 ms.
Il primo disco SSD è stato creato da Dataram nel 1976. L'unità Dataram BulkCore era costituita da uno chassis con otto memory stick RAM con una capacità di 256 KiB ciascuna. Rispetto al primo disco rigido, BulkCore era minuscolo: 50,8 cm di lunghezza, 48,26 cm di larghezza e 40 cm di altezza. Allo stesso tempo, il tempo di accesso ai dati in questo modello era di soli 750 ns, ovvero 30000 volte più veloce rispetto all'unità HDD più moderna dell'epoca.
Nel 1978 fu fondata Shugart Technology, che un anno dopo cambiò nome in Seagate Technology per evitare conflitti con Shugart Associates. Dopo due anni di lavoro, Seagate ha rilasciato l'ST-506, il primo disco rigido per personal computer con un formato da 5.25 pollici e una capacità di 5 MiB.
Oltre all'emergere della Shugart Technology, il 1978 è stato ricordato per il rilascio del primo Enterprise SSD di StorageTek. Lo StorageTek STC 4305 conteneva 45 MiB di dati. Questo SSD è stato sviluppato in sostituzione dell'IBM 2305, aveva dimensioni simili e costava l'incredibile cifra di 400 dollari.
Nel 1982, SSD entrò nel mercato dei personal computer. L'azienda Axlon sta sviluppando appositamente per l'Apple II un disco SSD su chip RAM denominato RAMDISK 320. Poiché l'unità è stata creata sulla base della memoria volatile, nel kit è stata fornita una batteria per mantenere le informazioni al sicuro. La capacità della batteria era sufficiente per 3 ore di funzionamento autonomo in caso di interruzione di corrente.
Un anno dopo, Rodime rilascerà il primo disco rigido RO352 da 10 MiB nel fattore di forma da 3.5 pollici familiare agli utenti moderni. Nonostante si tratti della prima iniziativa commerciale in questo formato, Rodime essenzialmente non ha fatto nulla di innovativo.
Il primo prodotto in questo formato è considerato un'unità floppy introdotta da Tandon e Shugart Associates. Inoltre, Seagate e MiniScribe hanno concordato di adottare lo standard industriale da 3.5 pollici, lasciando indietro Rodime, che ha dovuto affrontare il destino di un "troll dei brevetti" e una completa uscita dal settore della produzione di unità.
Nel 1980, l'ingegnere Toshiba, il professor Fujio Masuoka, registrò un brevetto per un nuovo tipo di memoria chiamata memoria Flash NOR. Lo sviluppo ha richiesto 4 anni.
La memoria NOR è una classica matrice 2D di conduttori, in cui una cella è installata all'intersezione di righe e colonne (analogamente alla memoria su nuclei magnetici).
Nel 1984, il professor Masuoka parlò della sua invenzione all'International Electronics Developers Meeting, dove Intel riconobbe rapidamente la promessa di questo sviluppo. Toshiba, dove lavorava il professor Masuoka, non considerava la memoria Flash qualcosa di speciale e quindi ha soddisfatto la richiesta di Intel di realizzare diversi prototipi da studiare.
L'interesse di Intel per lo sviluppo di Fujio ha spinto Toshiba a assegnare cinque ingegneri per aiutare il professore a risolvere il problema della commercializzazione dell'invenzione. Intel, a sua volta, ha coinvolto trecento dipendenti nella creazione della propria versione di memoria Flash.
Mentre Intel e Toshiba sviluppavano sviluppi nel campo dello storage Flash, nel 1986 si verificarono due eventi importanti. Innanzitutto, SCSI, un insieme di convenzioni per la comunicazione tra computer e periferiche, è stato ufficialmente standardizzato. In secondo luogo è stata sviluppata l'interfaccia AT Attackment (ATA), conosciuta con il marchio Integrated Drive Electronics (IDE), grazie alla quale il controller dell'azionamento è stato spostato all'interno dell'unità.
Per tre anni, Fujio Mausoka lavorò per migliorare la tecnologia della memoria Flash e nel 1987 sviluppò la memoria NAND.
La memoria NAND è la stessa memoria NOR, organizzata in un array tridimensionale. La differenza principale era che l’algoritmo per accedere a ciascuna cella era diventato più complesso, l’area della cella era diventata più piccola e la capacità totale era aumentata in modo significativo.
Un anno dopo, Intel ha sviluppato la propria memoria NOR Flash e Digipro ha realizzato un'unità su di essa chiamata Flashdisk. La prima versione di Flashdisk nella sua configurazione massima conteneva 16 MiB di dati e costava meno di 500 dollari
Tra la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90, i produttori di dischi rigidi facevano a gara per rendere le unità più piccole. Nel 1989, PrairieTek ha rilasciato l'unità PrairieTek 220 da 20 MiB in un fattore di forma da 2.5 pollici. Due anni dopo, Integral Peripherals crea il disco Integral Peripherals 1820 “Mustang” con lo stesso volume, ma già da 1.8 pollici. Un anno dopo, Hewlett-Packard ridusse la dimensione del disco a 1.3 pollici.
Seagate rimase fedele ai dischi nel formato da 3.5 pollici e fece affidamento sull'aumento della velocità di rotazione, lanciando nel 1992 il suo famoso modello Barracuda, il primo disco rigido con una velocità del mandrino di 7200 giri al minuto. Ma Seagate non si sarebbe fermata qui. Nel 1996, gli azionamenti della linea Seagate Cheetah raggiunsero una velocità di rotazione di 10000 giri al minuto e quattro anni dopo la modifica X15 arrivò a 15000 giri al minuto.
Nel 2000 l'interfaccia ATA divenne nota come PATA. La ragione di ciò è stata l'emergere dell'interfaccia Serial ATA (SATA) con cavi più compatti, supporto hot-swap e maggiore velocità di trasferimento dati. Anche in questo caso Seagate ha preso l'iniziativa, lanciando il primo disco rigido con tale interfaccia nel 2002.
Inizialmente la memoria flash era molto costosa da produrre, ma i costi sono diminuiti drasticamente all’inizio degli anni 2000. Transcend ne ha approfittato, lanciando unità SSD con capacità che vanno da 2003 a 16 MiB nel 512. Tre anni dopo, Samsung e SanDisk si unirono alla produzione di massa. Nello stesso anno, IBM vendette la sua divisione dischi a Hitachi.
Le unità a stato solido stavano guadagnando slancio e c'era un problema evidente: l'interfaccia SATA era più lenta degli stessi SSD. Per risolvere questo problema, il gruppo di lavoro NVM Express ha iniziato a sviluppare NVMe, una specifica per i protocolli di accesso per SSD direttamente sul bus PCIe, bypassando l '"intermediario" sotto forma di controller SATA. Ciò consentirebbe l'accesso ai dati alle velocità del bus PCIe. Due anni dopo era pronta la prima versione delle specifiche e un anno dopo è apparso il primo drive NVMe.
Differenze tra i moderni SSD e HDD
A livello fisico, la differenza tra un SSD e un HDD è facilmente evidente: un SSD non ha elementi meccanici e le informazioni vengono archiviate nelle celle di memoria. L'assenza di elementi in movimento porta ad un rapido accesso ai dati in qualsiasi parte della memoria, tuttavia esiste un limite al numero di cicli di riscrittura. A causa del numero limitato di cicli di riscrittura per ciascuna cella di memoria, è necessario un meccanismo di bilanciamento che livelli l'usura delle celle trasferendo i dati tra le celle. Questo lavoro viene eseguito dal controller del disco.
Per effettuare il bilanciamento, il controller SSD deve sapere quali celle sono occupate e quali sono libere. Il titolare del trattamento è in grado di tracciare la registrazione dei dati nella cella stessa, cosa che non si può dire della cancellazione. Come sapete, i sistemi operativi (OS) non cancellano i dati dal disco quando l'utente cancella un file, ma contrassegnano le aree di memoria corrispondenti come libere. Questa soluzione elimina la necessità di attendere l'operazione del disco quando si utilizza un HDD, ma è completamente inadatta per il funzionamento di un SSD. Il controller dell'unità SSD funziona con byte, non con file system, e pertanto richiede un messaggio separato quando un file viene eliminato.
È così che è apparso il comando TRIM (inglese - trim), con il quale il sistema operativo avvisa il controller del disco SSD di liberare una determinata area di memoria. Il comando TRIM cancella permanentemente i dati da un disco. Non tutti i sistemi operativi sanno inviare questo comando alle unità a stato solido e i controller RAID hardware in modalità array di dischi non inviano mai TRIM ai dischi.
To be continued ...
Nelle parti successive parleremo di fattori di forma, interfacce di connessione e organizzazione interna delle unità a stato solido.
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Fonte: habr.com