Studiowanie historii dysków to początek podróży do zrozumienia zasady działania dysków SSD. Pierwsza część naszej serii artykułów, „Wprowadzenie do dysków SSD”, stanowi podróż po historii i pozwala jasno zrozumieć różnicę między dyskiem SSD a jego najbliższym konkurentem, czyli dyskiem twardym.
Pomimo obfitości różnych urządzeń do przechowywania informacji, popularność dysków twardych i dysków SSD w naszych czasach jest niezaprzeczalna. Różnica pomiędzy tymi dwoma rodzajami dysków jest oczywista dla przeciętnego człowieka: dysk SSD jest droższy i szybszy, natomiast dysk twardy jest tańszy i pojemniejszy.
Szczególną uwagę należy zwrócić na jednostkę miary pojemności pamięci: historycznie rzecz biorąc, przedrostki dziesiętne, takie jak kilo i mega, są rozumiane w kontekście technologii informatycznych jako dziesiąta i dwudziesta potęga dwójki. Aby wyeliminować nieporozumienia, wprowadzono przedrostki binarne kibi-, mebi- i inne. Różnica między tymi dekoderami staje się zauważalna wraz ze wzrostem głośności: kupując dysk o pojemności 240 gigabajtów, możesz przechowywać na nim 223.5 gigabajtów informacji.
Zanurz się w historii
Prace nad pierwszym dyskiem twardym rozpoczęły się w 1952 roku w firmie IBM. 14 września 1956 roku ogłoszono ostateczny wynik prac rozwojowych - IBM 350 Model 1. Napęd zawierał 3.75 megabajtów danych o bardzo nieskromnych 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 wyszukiwania danych na dysku wynosił ~600 ms.
Z biegiem czasu IBM stale udoskonalał tę technologię. Wprowadzony w 1961 roku o pojemności 18.75 megabajtów z głowicami odczytującymi na każdym talerzu. W pojawiły się wymienne wkłady dyskowe, a od 1970 roku w IBM 3330 wprowadzono system wykrywania i korekcji błędów. Pojawił się trzy lata później znany jako „Winchester”.
Winchester (z angielskiego karabinu Winchester) - ogólna nazwa karabinów i strzelb produkowanych przez firmę Winchester Repeating Arms Company w USA w drugiej połowie XIX wieku. Były to jedne z pierwszych strzelb powtarzalnych, które stały się niezwykle popularne wśród kupujących. Swoją nazwę zawdzięczają założycielowi firmy, Oliverowi Fisherowi Winchesterowi.
IBM 3340 składał się z dwóch wrzecion po 30 MB każdy i dlatego inżynierowie nazwali ten dysk „30-30”. Nazwa przypominała karabin Winchester Model 1894 z komorą .30-30 Winchester, co skłoniło Kennetha Haughtona, który kierował rozwojem IBM 3340, do stwierdzenia: „Jeśli to 30-30, to musi to być Winchester”. -30, to musi to być Winchester.”) Od tego czasu nie tylko karabiny, ale także dyski twarde nazywane są „dyskami twardymi”.
Trzy lata później wypuszczono IBM 3350 „Madrid” 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 kośćmi pamięci RAM o pojemności 256 KiB każda. W porównaniu z pierwszym dyskiem twardym BulkCore był malutki: miał 50,8 cm długości, 48,26 cm szerokości i 40 cm wysokości. Jednocześnie czas dostępu do danych w tym modelu wyniósł zaledwie 750 ns, czyli 30000 XNUMX razy szybciej niż najnowocześniejszy wówczas dysk 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 pracy firma Seagate wypuściła ST-506 – pierwszy dysk twardy do komputerów osobistych w formacie 5.25 cala i pojemności 5 MiB.
Oprócz pojawienia się technologii Shugart, rok 1978 zapadł w pamięć wraz z wypuszczeniem pierwszego dysku SSD dla przedsiębiorstw firmy StorageTek. StorageTek STC 4305 mieścił 45 MiB danych. Ten dysk SSD został opracowany jako zamiennik IBM 2305, miał podobne wymiary i kosztował niewiarygodną kwotę 400 000 dolarów.
W 1982 roku firma SSD weszła na rynek komputerów osobistych. Specjalnie dla Apple II firma Axlon opracowuje dysk SSD na chipach RAM o nazwie RAMDISK 320. Ponieważ dysk został stworzony w oparciu o pamięć ulotną, w zestawie dołączono baterię, aby zachować bezpieczeństwo informacji. Pojemność baterii wystarczyła na 3 godziny autonomicznej pracy w przypadku utraty zasilania.
Rok później Rodime wypuści pierwszy dysk twardy RO352 10 MiB w 3.5-calowej obudowie znanej współczesnym użytkownikom. Pomimo tego, że jest to pierwszy komercyjny dysk w tej obudowie, Rodime w zasadzie nie zrobił nic innowacyjnego.
Za pierwszy produkt w tej obudowie uważany jest napęd dyskietek wprowadzony przez firmę Tandon and Shugart Associates. Co więcej, firmy Seagate i MiniScribe zgodziły się na przyjęcie 3.5-calowego standardu branżowego, pozostawiając Rodime w tyle, którego spotkał los „trolla patentowego” i całkowite wyjście z branży produkcji dysków.
W 1980 roku inżynier firmy Toshiba, profesor Fujio Masuoka, zarejestrował patent na nowy typ pamięci o nazwie pamięć NOR Flash. Rozwój trwał 4 lata.
Pamięć NOR to klasyczna matryca 2D przewodników, w którym jedna komórka jest instalowana na przecięciu rzędów i kolumn (analogicznie do pamięci na rdzeniach magnetycznych).
W 1984 roku profesor Masuoka mówił o swoim wynalazku na Międzynarodowym Spotkaniu Twórców Elektroniki, gdzie Intel szybko dostrzegł potencjał tego rozwoju. Toshiba, w której pracował profesor Masuoka, nie uważała pamięci Flash za coś specjalnego i dlatego spełniła prośbę Intela o wykonanie kilku prototypów do badań.
Zainteresowanie Intela rozwojem Fujio skłoniło Toshibę do przydzielenia pięciu inżynierów, aby pomogli profesorowi rozwiązać problem komercjalizacji wynalazku. Intel z kolei wrzucił trzystu pracowników do stworzenia własnej wersji pamięci Flash.
Podczas gdy Intel i Toshiba opracowywały rozwiązania w dziedzinie pamięci flash, w 1986 roku miały miejsce dwa ważne wydarzenia. Po pierwsze, oficjalnie ujednolicono SCSI, zbiór konwencji dotyczących komunikacji między komputerami i urządzeniami peryferyjnymi. Po drugie, opracowano interfejs AT Attackment (ATA), znany pod marką Integrated Drive Electronics (IDE), dzięki któremu kontroler napędu został przeniesiony wewnątrz dysku.
Przez trzy lata Fujio Mausoka pracował nad udoskonaleniem technologii pamięci Flash i do 1987 roku opracował pamięć NAND.
Pamięć NAND to ta sama pamięć NOR, zorganizowana w trójwymiarową tablicę. Główna różnica polegała na tym, że algorytm dostępu do każdej komórki stał się bardziej złożony, obszar komórki stał się mniejszy, a całkowita pojemność znacznie wzrosła.
Rok później Intel opracował własną pamięć NOR Flash, a Digipro stworzyło na niej dysk o nazwie Flashdisk. Pierwsza wersja Flashdiska w maksymalnej konfiguracji zawierała 16 MiB danych i kosztowała niecałe 500 dolarów
Pod koniec lat 80. i na początku 90. producenci dysków twardych konkurowali ze sobą, zmniejszając dyski. W 1989 roku firma PrairieTek wypuściła dysk PrairieTek 220 20 MiB w formacie 2.5 cala. Dwa lata później Integral Peripherals tworzy płytę Integral Peripherals 1820 „Mustang” o tej samej objętości, ale już 1.8 cala. Rok później firma Hewlett-Packard zmniejszyła rozmiar dysku do 1.3 cala.
Seagate pozostał wierny dyskom w formacie 3.5 cala i polegał na zwiększaniu prędkości obrotowych, wypuszczając w 1992 roku swój słynny model Barracuda, pierwszy dysk twardy z prędkością wrzeciona 7200 obr./min. Jednak Seagate nie zamierzał na tym poprzestać. W 1996 roku dyski z linii Seagate Cheetah osiągnęły prędkość obrotową 10000 15 obr/min, a cztery lata później modyfikacja X15000 rozkręciła się na poziomie XNUMX XNUMX obr/min.
W 2000 roku interfejs ATA stał się znany jako PATA. Powodem tego było pojawienie się interfejsu Serial ATA (SATA) z bardziej kompaktowymi przewodami, obsługą wymiany podczas pracy i zwiększoną szybkością przesyłania danych. Seagate również tutaj objął prowadzenie, wypuszczając pierwszy dysk twardy z takim interfejsem w 2002 roku.
Produkcja pamięci flash była początkowo bardzo droga, ale na początku XXI wieku koszty gwałtownie spadły. Transcend wykorzystał to, wypuszczając w 2000 roku dyski SSD o pojemności od 2003 do 16 MiB. Trzy lata później Samsung i SanDisk dołączyły do masowej produkcji. W tym samym roku IBM sprzedał swój dział dysków firmie Hitachi.
Dyski półprzewodnikowe zyskiwały na popularności i pojawił się oczywisty problem: interfejs SATA był wolniejszy niż same dyski SSD. Aby rozwiązać ten problem, grupa robocza NVM Express rozpoczęła prace nad NVMe – specyfikacją protokołów dostępu dla dysków SSD bezpośrednio przez magistralę PCIe, z pominięciem „pośrednika” w postaci kontrolera SATA. Umożliwiłoby to dostęp do danych przy prędkościach magistrali PCIe. Dwa lata później gotowa była pierwsza wersja specyfikacji, a rok później pojawił się pierwszy dysk NVMe.
Różnice pomiędzy nowoczesnymi dyskami SSD i HDD
Na poziomie fizycznym różnica między dyskiem SSD a dyskiem twardym jest łatwo zauważalna: dysk SSD nie ma elementów mechanicznych, a informacje przechowywane są w komórkach pamięci. Brak ruchomych elementów pozwala na szybki dostęp do danych w dowolnej części pamięci, jednakże istnieje ograniczenie liczby cykli ponownego zapisu. Ze względu na ograniczoną liczbę cykli przepisywania dla każdej komórki pamięci istnieje potrzeba wprowadzenia mechanizmu równoważącego - wyrównującego zużycie komórek poprzez przesyłanie danych pomiędzy komórkami. Pracę tę wykonuje kontroler dysku.
Aby przeprowadzić równoważenie, kontroler SSD musi wiedzieć, które komórki są zajęte, a które wolne. Kontroler jest w stanie sam śledzić zapis danych w komórce, czego nie można powiedzieć o usunięciu. Jak wiadomo, systemy operacyjne (OS) nie usuwają danych z dysku, gdy użytkownik usuwa plik, ale zaznaczają odpowiednie obszary pamięci jako wolne. Rozwiązanie to eliminuje konieczność oczekiwania na operację dysku w przypadku korzystania z dysku HDD, natomiast całkowicie nie nadaje się do obsługi dysku SSD. Kontroler dysku SSD działa z bajtami, a nie z systemami plików i dlatego wymaga osobnego komunikatu w przypadku usunięcia pliku.
Tak pojawiło się polecenie TRIM (ang. trim), za pomocą którego system operacyjny powiadamia kontroler dysku SSD o zwolnieniu określonego obszaru pamięci. Polecenie TRIM trwale usuwa dane z dysku. Nie wszystkie systemy operacyjne wiedzą, jak wysłać to polecenie do dysków półprzewodnikowych, a sprzętowe kontrolery RAID w trybie macierzy dyskowej nigdy nie wysyłają TRIM na dyski.
To be continued ...
W kolejnych częściach omówimy współczynniki kształtu, interfejsy połączeń i wewnętrzną organizację dysków półprzewodnikowych.
W naszym laboratorium Możesz samodzielnie przetestować nowoczesne dyski HDD i SSD i wyciągnąć własne wnioski.
W ankiecie mogą brać udział tylko zarejestrowani użytkownicy. , Proszę.
Myślicie, że SSD będzie w stanie zastąpić HDD?
-
71.2%Tak, dyski SSD to przyszłość396
-
7.5%Nie, era magnetooptycznego dysku HDD42 jest przed nami
-
21.2%Wygra hybrydowa wersja HDD+SSD118
Głosowało 556 użytkowników. 72 użytkowników wstrzymało się od głosu.
Źródło: www.habr.com