🥇Wprowadzenie do SSD. Część 1. Historia

Wprowadzenie do SSD. Część 1. Historia

Badanie historii dysków to początek drogi do zrozumienia zasad działania dysków półprzewodnikowych. Pierwsza część naszego cyklu artykułów "Wprowadzenie do SSD" przybliża historię i pozwala wizualnie zrozumieć różnicę między SSD a jego najbliższym konkurentem — HDD.

Pomimo różnorodności urządzeń do przechowywania informacji, popularność HDD i SSD w dzisiejszych czasach jest niezaprzeczalna. Różnica między tymi dwoma rodzajami nośników dla przeciętnego użytkownika jest oczywista: SSD jest droższy i szybszy, natomiast HDD tańszy i pojemniejszy.

Szczególną uwagę należy zwrócić na jednostkę miary pojemności nośników: historycznie przyjęło się, że prefiksy dziesiętne, takie jak kilo- i mega-, w kontekście technologii informacyjnej oznaczają zarówno dziesiątą, jak i dwudziestą potęgę dwójki. Aby uniknąć nieporozumień, wprowadzono prefiksy binarne kibi-, mebi- i inne. Różnica tych prefiksów staje się zauważalna przy zwiększaniu objętości: kupując dysk o pojemności 240 gigabajtów, możesz przechować na nim 223,5 gibibajta informacji.

Zanurzenie w historię

Prace nad pierwszym dyskiem twardym rozpoczęto w 1952 roku w firmie IBM. 14 września 1956 roku ogłoszono końcowy wynik prac — IBM 350 Model 1. Nośnik mieścił 3,75 mebibajta danych przy dość ogromnych wymiarach: 172 centymetry wysokości, 152 centymetry długości i 74 centymetry szerokości. Wewnątrz znajdowało się 50 cienkich dysków pokrytych czystym żelazem o średnicy 610 mm (24 cale). Średni czas dostępu do danych na dysku wynosił około 600 ms.

Czas mijał, a IBM nieustannie poprawiał technologię. W 1961 roku zaprezentowano IBM 1301 o pojemności 18,75 megabajta z głowicami odczytującymi na każdej płycie. W IBM 1311 pojawiły się wymienne kasety dyskowe, a od 1970 roku w IBM 3330 wprowadzono system wykrywania i korekcji błędów. Trzy lata później pojawił się IBM 3340 znany jako „Winchester”.

Winchester (od ang. Winchester rifle) to ogólna nazwa dla karabinów i strzelb produkowanych przez Winchester Repeating Arms Company w USA w drugiej połowie XIX wieku. Były to jedne z pierwszych strzelb wielostrzałowych, które zdobyły ogromną popularność wśród nabywców. Swoją nazwę zawdzięczają założycielowi firmy — Oliverowi Fisherowi Winchesterowi.
IBM 3340 składał się z dwóch wrzecion po 30 MiB każde, przez co inżynierowie nazywali ten dysk „30-30”Ta nazwa przypominała karabin Winchester Model 1894 z nabojami .30-30 Winchester, dlatego Kenneth Haughton, kierujący rozwojem IBM 3340, powiedział: „Jeśli to 30-30, to musi być Winchester”. Od tego czasu „winchesterem” nazywa się nie tylko karabiny, ale także dyski twarde.

Trzy lata później pojawił się IBM 3350 „Madryt” z 14-calowymi talerzami i czasem dostępu 25 ms.

Pierwszy dysk SSD został stworzony przez firmę Dataram w 1976 roku. Dysk Dataram BulkCore składał się z obudowy z ośmioma modułami pamięci RAM o pojemności 256 KiB każdy. W porównaniu do pierwszego dysku twardego, BulkCore był maleńki: długość 50,8 cm, szerokość 48,26 cm i wysokość 40 cm. Przy tym czas dostępu do danych w tym modelu wynosił zaledwie 750 ns, co było 30000 razy szybciej niż w najbardziej nowoczesnym wówczas dysku HDD.

W 1978 roku powstała firma Shugart Technology, która rok później zmieniła nazwę na Seagate Technology, aby uniknąć konfliktów z Shugart Associates. Po dwóch latach działalności Seagate na światło dzienne wychodzi ST-506 — pierwszy dysk twardy dla komputerów osobistych w formacie 5.25 cala i o pojemności 5 MiB.

Oprócz pojawienia się Shugart Technology, rok 1978 zapisał się w historii jako rok wydania pierwszego Enterprise SSD przez firmę StorageTek. StorageTek STC 4305 mieścił 45 MiB danych. Ten SSD był opracowywany jako zamiennik IBM 2305, miał podobne rozmiary i kosztował niewiarygodne 400 000 dolarów.

W 1982 roku SSD wchodzi na rynek komputerów osobistych. Firma Axlon specjalnie dla Apple II opracowuje dysk SSD na chipach RAM o nazwie RAMDISK 320. Ponieważ nośnik był tworzony na bazie pamięci wymagającej zasilania, w zestawie dostarczano akumulator do utrzymywania danych. Pojemność akumulatora wystarczała na 3 godziny pracy w trybie autonomicznym w przypadku utraty zasilania.

Rok później firma Rodime wydał pierwszy dysk twardy RO352 o pojemności 10 MiB w znanym współczesnemu użytkownikowi formacie 3.5 cala. Mimo że był to pierwszy komercyjny dysk w takim formacie, Rodime tak naprawdę nie wprowadziło żadnych innowacji.

Pierwszym produktem w tym formacie uważany jest stacja dysków elastycznych, zaprezentowana przez firmy Tandon i Shugart Associates. Co więcej, firmy Seagate i MiniScribe zgodziły się na przyjęcie przemysłowego standardu 3.5 cala, „zostawiając za burtą” Rodime, które czekał los „trola patentowego” i całkowite wyjście z branży produkcji nośników.

W 1980 roku inżynier z Toshiba, profesor Fujio Masuoka, zarejestrował patent na nowy rodzaj pamięci, nazwaną pamięcią Flash typu NOR. Opracowanie zajęło 4 lata.

Pamięć NOR jest klasyczną macierzą przewodników 2D, w której na przecięciu wierszy i kolumn znajduje się jedna komórka (analogicznie do pamięci na rdzeniach magnetycznych).

W 1984 roku profesor Masuoka przedstawił swoje wynalazki na konferencji International Electronics Developers Meeting, gdzie firma Intel szybko oceniła perspektywiczność tego opracowania. Firma Toshiba, w której pracował profesor Masuoka, nie uważała pamięci Flash za coś wyjątkowego, dlatego spełniła prośbę Intela o wykonanie kilku prototypów do badań.

Zainteresowanie ze strony firmy Intel pracą Fujio zmusiło Toshibę do przekazania pięciu inżynierów na pomoc profesorowi w rozwiązaniu problemu komercjalizacji wynalazku. Z kolei Intel zaangażował trzystu pracowników do stworzenia własnej wersji pamięci Flash.

Podczas gdy Intel i Toshiba pracowali nad pamięciami Flash, w 1986 roku miały miejsce dwa ważne wydarzenia. Po pierwsze, standard SCSI został formalnie ustandaryzowany — zestaw ustaleń dotyczących interakcji między komputerami a urządzeniami peryferyjnymi. Po drugie, opracowano interfejs AT Attachment (ATA), znany pod markową nazwą Integrated Drive Electronics (IDE), dzięki czemu kontroler dysku przeniesiono do wnętrza dysku.

Trzy lata Fujio Masuoka pracował nad udoskonaleniem technologii pamięci Flash i do 1987 roku opracował pamięć NAND.

Pamięć NAND to ta sama pamięć NOR, zorganizowana w trójwymiarową macierz. Główną różnicą jest to, że algorytm dostępu do każdej komórki stał się bardziej złożony, powierzchnia komórek zmniejszyła się, a całkowita pojemność znacząco wzrosła.

Rok później firma Intel opracowała własną pamięć Flash typu NOR, a firma Digipro stworzyła na jej bazie nośnik o nazwie Flashdisk. Pierwsza wersja Flashdisk w maksymalnej konfiguracji mieściła 16 MiB danych i kosztowała mniej niż 500 dolarów.

Pod koniec lat 80. i na początku lat 90. producenci dysków twardych rywalizowali o zmniejszenie rozmiaru dysków. W 1989 roku firma PrairieTek wprowadziła dysk PrairieTek 220 o pojemności 20 MiB w formacie 2,5 cala. Dwa lata później Integral Peripherals stworzyła dysk Integral Peripherals 1820 «Mustang» o tej samej pojemności, ale w formacie 1,8 cala. Rok później firma Hewlett-Packard zmniejszyła rozmiar dysku do 1,3 cala.

Firma Seagate pozostała wierna dyskom w formacie 3,5 cala i postawiła na zwiększenie prędkości obrotowej, wprowadzając w 1992 roku swoją słynną model Barracuda, pierwszy dysk twardy o prędkości obrotowej 7200 obrotów na minutę. Jednak Seagate na tym nie zamierzała poprzestać. W 1996 roku dyski serii Seagate Cheetah osiągnęły prędkość obrotową 10000 obrotów na minutę, a po czterech latach modyfikacja X15 kręciła się nawet do 15000 obrotów na minutę.

W 2000 roku interfejs ATA zaczął nosić nazwę PATA. Powodem była pojawienie się interfejsu Serial ATA (SATA) z bardziej kompaktowymi kablami, wsparciem dla „gorącej wymiany” oraz zwiększoną prędkością przesyłu danych. Seagate i tutaj zdobyła pierwszeństwo, wprowadzając pierwszy dysk twardy z takim interfejsem w 2002 roku.

Produkcja pamięci Flash początkowo była bardzo kosztowna, ale na początku lat 2000 cena gwałtownie spadła. Wykorzystała to firma Transcend, która w 2003 roku wprowadziła dyski SSD o pojemności od 16 do 512 MiB. Trzy lata później do masowej produkcji dołączyły firmy Samsung i SanDisk. W tym samym roku IBM sprzedało swoje wydziały dysków firmie Hitachi.

Dyski SSD zyskiwały popularność, a pojawił się oczywisty problem: interfejs SATA był wolniejszy niż same napędy SSD. Aby rozwiązać ten problem, grupa robocza NVM Express rozpoczęła opracowanie NVMe — specyfikacji dotyczącej protokołów dostępu do SSD bezpośrednio przez magistralę PCIe, omijając „pośrednika” w postaci kontrolera SATA. Pozwoliłoby to uzyskać dostęp do danych z prędkością magistrali PCIe. Po dwóch latach pierwsza wersja specyfikacji była gotowa, a po roku pojawił się pierwszy napęd NVMe.

Różnice między nowoczesnymi SSD a HDD

Na poziomie fizycznym różnica między SSD a HDD jest łatwa do zauważenia: SSD nie mają elementów mechanicznych, a informacje są przechowywane w komórkach pamięci. Brak ruchomych części skutkuje szybkim dostępem do danych w dowolnej części pamięci, jednak istnieje ograniczenie dotyczące liczby cykli zapisu. Z powodu ograniczonej liczby cykli zapisu każdej komórki pamięci pojawia się potrzeba mechanizmu balansowania — wyrównywania zużycia komórek przez przenoszenie danych między nimi. Te zadania wykonuje kontroler dysku.

Aby kontroler SSD mógł przeprowadzić balansowanie, musi wiedzieć, które komórki są zajęte, a które wolne. Kontroler jest w stanie samodzielnie śledzić zapis danych w komórkach, ale nie można tego powiedzieć o usuwaniu. Jak wiadomo, systemy operacyjne (OS) nie usuwają danych z dysku, gdy użytkownik usuwa plik, a oznaczają odpowiednie obszary pamięci jako wolne. Takie rozwiązanie eliminuje potrzebę czekania na operację dyskową przy użyciu HDD, ale zupełnie nie nadaje się do pracy z SSD. Kontroler dysku SSD działa z bajtami, a nie z systemami plików, dlatego wymaga oddzielnego komunikatu o usunięciu pliku.

Tak powstała komenda TRIM, która informuje kontroler SSD o zwolnieniu określonego obszaru pamięci. Komenda TRIM nieodwracalnie usuwa dane z dysku. Nie wszystkie systemy operacyjne wiedzą o konieczności wysyłania tej komendy do dysków półprzewodnikowych, a sprzętowe kontrolery RAID w trybie macierzy dyskowych nigdy nie wysyłają TRIM do dysków.