🥇Introduzione agli SSD. Parte 1. Storica

Introduzione agli SSD. Parte 1. Storia

Esplorare la storia dei dischi è l'inizio per comprendere i principi di funzionamento delle unità a stato solido. La prima parte del nostro ciclo di articoli "Introduzione agli SSD" offre un excursus nella storia, permettendo di capire chiaramente la differenza tra SSD e il suo più diretto concorrente, l'HDD.

Nonostante l'abbondanza di diversi dispositivi di memorizzazione, la popolarità degli HDD e SSD è indiscutibile al giorno d'oggi. La differenza tra questi due tipi di memorizzazione è evidente per il pubblico: gli SSD sono più costosi e più veloci, mentre gli HDD sono più economici e capienti.

È importante prestare attenzione all'unità di misura della capacità degli storage: storicamente è emerso che i prefissi decimali, come kili e mega, nel contesto delle tecnologie informatiche implicano la decima e la ventesima potenza del due. Per evitare confusione, sono stati introdotti i prefissi binari kibi, mebi e altri. La differenza tra questi prefissi diventa evidente con l'aumentare della capacità: acquistando un disco da 240 gigabyte, puoi memorizzare su di esso 223,5 gibibyte di informazioni.

Immersione nella storia

Lo sviluppo del primo disco rigido iniziò nel 1952 da IBM. Il 14 settembre 1956 è stato annunciato il risultato finale dello sviluppo — IBM 350 Model 1. Questo dispositivo poteva contenere 3,75 mebibyte di dati ed era di 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 con un diametro di 610 mm (24 pollici). Il tempo medio di ricerca dei dati su disco era di circa 600 ms.

Col passare del tempo, IBM migliorava continuamente la tecnologia. Nel 1961 venne presentato il IBM 1301 con una capacità di 18,75 megabyte, con testine di lettura su ciascun disco. Nel IBM 1311 furono introdotti caricatori a disco rimovibili, e dal 1970 nel IBM 3330 fu implementato un sistema di rilevamento e correzione degli errori. Tre anni dopo apparve il IBM 3340 noto con il nome di «Winchester».

Il termine Winchester (da Winchester rifle) è un nome generico per fucili e carabine prodotti dalla Winchester Repeating Arms Company negli Stati Uniti nella seconda metà del XIX secolo. Questi furono alcuni dei primi fucili a ripetizione, che ottennero un'enorme popolarità tra i consumatori. Il loro nome è dedicato al fondatore dell'azienda — Oliver Fisher Winchester.
IBM 3340 era composto da due dischi da 30 MiB ciascuno, il che portò gli ingegneri a chiamare 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, allora deve essere un Winchester.".Da allora, il termine "winchester" è usato per riferirsi non solo ai fucili ma anche ai dischi rigidi.

Tre anni dopo, fu introdotto l'IBM 3350 "Madrid" con dischi da 14 pollici e tempo di accesso di 25 ms.

Il primo SSD è stato creato dall'azienda Dataram nel 1976. L'unità Dataram BulkCore era costituita da 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, ovvero 30000 volte più veloce rispetto all'hard disk più moderno dell'epoca.

Nel 1978 viene fondata la Shugart Technology, che l'anno successivo cambia nome in Seagate Technology per evitare conflitti con la Shugart Associates. Dopo due anni di attività, Seagate presenta lo ST-506, il primo disco rigido per computer personali con fattore di forma da 5,25 pollici e una capacità di 5 MiB.

Oltre alla nascita della Shugart Technology, il 1978 si segnala per il lancio del primo SSD Enterprise da parte di StorageTek. Lo StorageTek STC 4305 aveva una capacità di 45 MiB di dati. Questo SSD era progettato come sostituto dell'IBM 2305, presentava dimensioni simili e costava incredibili 400.000$.

Nel 1982, gli SSD arrivano sul mercato dei computer personali. La Axlon sviluppa un disco SSD per l'Apple II basato su chip di RAM, chiamato RAMDISK 320. Poiché il dispositivo era realizzato su memoria volatile, veniva fornito con una batteria per mantenere i dati. L'autonomia della batteria era sufficiente per 3 ore di lavoro autonomo in caso di interruzione dell'alimentazione.

Dopo un anno, l'azienda Rodime lancerà il primo disco rigido RO352 da 10 MiB nel form-factor da 3.5 pollici, familiare per gli utenti moderni. Sebbene sia il primo disco commerciale in questo form-factor, Rodime non ha apportato realmente alcuna innovazione.

Il primo prodotto in questo form-factor è considerato il floppy disk, lanciato dalle aziende Tandon e Shugart Associates. Inoltre, le aziende Seagate e MiniScribe si sono accordate sull'adozione dello standard industriale da 3.5 pollici, escludendo Rodime, la quale ha subito la sorte di un 'troll dei brevetti' e il completo abbandono dell'industria dei dispositivi di memorizzazione.

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

La memoria NOR è una classica matrice 2D di conduttori, in cui in corrispondenza delle intersezioni tra righe e colonne è presente una cella (simile alla memoria a nuclei magnetici).

Nel 1984, il professor Masuoka presentò la sua invenzione alla conferenza International Electronics Developers Meeting, dove la compagnia Intel valutò rapidamente le 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 campioni per lo studio.

L'interesse mostrato da Intel per lo sviluppo di Fujio spinse Toshiba a destinare cinque ingegneri ad aiutare il professor Masuoka nella soluzione del problema della commercializzazione dell'invenzione. Intel, dal canto suo, mobilitò trecento dipendenti per creare una propria variante della memoria Flash.

Mentre Intel e Toshiba lavoravano allo sviluppo di memorie Flash, nel 1986 accaddero due eventi importanti. In primo luogo, venne ufficialmente standardizzato lo SCSI, un insieme di accordi per l'interazione tra computer e dispositivi periferici. In secondo luogo, venne sviluppata l'interfaccia AT Attachment (ATA), nota con il nome commerciale Integrated Drive Electronics (IDE), che consentì al controller del disco di essere integrato all'interno del disco.

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

La memoria NAND è fondamentalmente memoria NOR organizzata in un array tridimensionale. La differenza principale è che l'algoritmo di accesso a ogni cella è diventato più complesso, la dimensione delle celle è diminuita e la capacità totale è aumentata significativamente.

Un anno dopo, la Intel sviluppò la propria memoria Flash di tipo NOR e la Digipro realizzò un dispositivo chiamato Flashdisk. La prima versione di Flashdisk, nella sua 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 dischi rigidi si sfidavano per ridurre le dimensioni dei dischi. Nel 1989, la PrairieTek lanciò il disco PrairieTek 220 da 20 MiB nel form factor da 2.5 pollici. Due anni dopo, l'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, puntando sull'aumento della velocità di rotazione, lanciando nel 1992 il suo famoso modello Barracuda, il primo hard disk con una velocità di rotazione del disco di 7200 giri al minuto. Ma Seagate non intendeva fermarsi qui. Nel 1996, i dischi della gamma Seagate Cheetah hanno raggiunto la velocità di 10000 giri al minuto, e quattro anni dopo, la modifica X15 ha raggiunto addirittura 15000 giri al minuto.

Nel 2000, l'interfaccia ATA ha iniziato a essere chiamata PATA. Questo è dovuto all'emergere dell'interfaccia Serial ATA (SATA), dotata di cavi più compatti, supporto per la 'sostituzione a caldo' e velocità di trasferimento dati elevate. Anche qui Seagate ha preso l'iniziativa, lanciando il primo hard disk con tale interfaccia nel 2002.

La produzione di memoria Flash è stata inizialmente molto costosa, ma all'inizio degli anni 2000 i costi sono diminuiti drasticamente. Ne ha approfittato l'azienda Transcend, che nel 2003 ha lanciato dischi SSD con capacità comprese tra 16 e 512 MiB. Tre anni dopo, le aziende Samsung e SanDisk hanno iniziato la produzione di massa. Nello stesso anno, IBM ha venduto la sua divisione dischi all'azienda Hitachi.

I dischi a stato solido (SSD) hanno guadagnato popolarità e si è presentato un problema evidente: l'interfaccia SATA era più lenta degli SSD stessi. Per affrontare questo problema, il gruppo di lavoro NVM Express ha iniziato a sviluppare NVMe, una specifica per protocolli che consentono l'accesso agli SSD direttamente attraverso il bus PCIe, evitando 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 lanciato il primo SSD NVMe.

Differenze tra SSD moderni e HDD

A livello fisico, la differenza tra SSD e HDD è facilmente percepibile: negli SSD non ci sono elementi meccanici e le informazioni sono memorizzate in celle di memoria. L'assenza di elementi mobili consente un rapido accesso ai dati in qualsiasi punto della memoria; tuttavia, esiste un limite al numero di cicli di riscrittura. A causa del numero limitato di cicli di riscrittura di ciascuna cella di memoria, è necessario un meccanismo di bilanciamento — l'equalizzazione dell'usura delle celle tramite il trasferimento dei dati tra di esse. Questo lavoro è gestito dal controller del disco.

Per il bilanciamento, il controller SSD deve sapere quali celle sono occupate e quali sono libere. La scrittura dei dati in una cella è qualcosa che il controller può monitorare autonomamente, ma non si può dire lo stesso per l'eliminazione. Come è noto, i sistemi operativi (SO) non cancellano i dati dal disco quando un file viene eliminato, ma contrassegnano le relative aree di memoria come disponibili. Questa soluzione elimina la necessità di attendere un'operazione su disco quando si utilizza un HDD, ma non si adatta affatto al funzionamento degli SSD. Il controller dell'unità a stato solido lavora con i byte, non con i file system, e pertanto richiede un messaggio separato per l'eliminazione di un file.

Così è stata introdotta il comando TRIM (in inglese — tagliare), con il quale il SO informa il controller dell'SSD riguardo al rilascio di una determinata area di memoria. Il comando TRIM cancella irreversibilmente i dati dal disco. Non tutti i sistemi operativi sono a conoscenza della necessità di inviare questo comando ai dischi a stato solido, e i controller RAID hardware, in modalità matrice, non inviano mai il TRIM ai dischi.