🥇Introdução ao SSD. Parte 1. Histórica

Introdução aos SSDs. Parte 1. Histórico

O estudo da história dos discos é o início do caminho para entender os princípios de funcionamento dos dispositivos de armazenamento em estado sólido. A primeira parte do nosso ciclo de artigos 'Introdução ao SSD' fará um passeio pela história e permitirá entender claramente a diferença entre o SSD e seu concorrente mais próximo — o HDD.

Apesar da abundância de diferentes dispositivos de armazenamento, a popularidade do HDD e do SSD na atualidade é indiscutível. A diferença entre esses dois tipos de armazenadores é evidente para o consumidor: o SSD é mais caro e mais rápido, enquanto o HDD é mais barato e possui maior capacidade.

Uma atenção especial deve ser dada à unidade de medida da capacidade dos armazenadores: historicamente, as definições decimais, como quilo e mega, no contexto de tecnologia da informação, referem-se tanto à décima quanto à vigésima potência de dois. Para evitar confusões, foram introduzidos prefixos binários, como gibi e mebi. A diferença desses prefixos se torna perceptível à medida que o volume aumenta: ao comprar um disco de 240 gigabytes, você pode armazenar nele 223,5 gibibytes de informações.

Mergulhando na história

O desenvolvimento do primeiro disco rígido começou em 1952 pela IBM. Em 14 de setembro de 1956, foi anunciado o resultado final das pesquisas — IBM 350 Model 1. O dispositivo armazenava 3,75 mebibytes de dados em dimensões bastante impressionantes: 172 centímetros de altura, 152 centímetros de comprimento e 74 centímetros de largura. Dentro dele estavam 50 discos finos revestidos de ferro puro com diâmetro de 610 mm (24 polegadas). O tempo médio de busca de dados no disco levava cerca de 600 ms.

O tempo passou, e a IBM melhorou constantemente a tecnologia. Em 1961, foi apresentado o IBM 1301 com capacidade de 18,75 megabytes, com cabeçotes de leitura em cada prato. No IBM 1311 foram introduzidos cartuchos de disco removíveis, e a partir de 1970, com o IBM 3330, foi implementado um sistema de detecção e correção de erros. Três anos depois, surgiu o IBM 3340 conhecido como 'Winchester'.

Winchester (do inglês Winchester rifle) é o nome genérico para rifles e espingardas produzidos pela Winchester Repeating Arms Company nos Estados Unidos na segunda metade do século XIX. Eram algumas das primeiras espingardas de repetição que se tornaram extremamente populares entre os compradores. O nome é uma homenagem ao fundador da empresa — Oliver Fisher Winchester.
O IBM 3340 consistia em dois spindles de 30 MiB cada, razão pela qual os engenheiros chamavam esse disco de '30-30'.. Este nome lembrava o rifle Winchester Model 1894, com cartuchos .30-30 Winchester, por isso Kenneth Haughton, que liderava o desenvolvimento do IBM 3340, disse: "Se é 30-30, então deve ser um Winchester." Desde então, o termo "winchester" passou a se referir não apenas a rifles, mas também a discos rígidos.

Três anos depois, foi lançado o IBM 3350 "Madrid" com discos de 14 polegadas e tempo de acesso de 25 ms.

O primeiro SSD foi criado pela Dataram em 1976. O armazenamento Dataram BulkCore consistia em um chassi com oito módulos de RAM de 256 KiB cada. Em comparação com o primeiro disco rígido, o BulkCore era minúsculo: 50,8 cm de comprimento, 48,26 cm de largura e 40 cm de altura. O tempo de acesso a dados neste modelo foi de apenas 750 ns, 30.000 vezes mais rápido do que o HDD mais avançado da época.

Em 1978, foi fundada a Shugart Technology, que um ano depois mudaria seu nome para Seagate Technology para evitar conflitos com a Shugart Associates. Dois anos depois, a Seagate lançou o ST-506 — o primeiro disco rígido para computadores pessoais no formato de 5,25 polegadas com capacidade de 5 MiB.

Além do surgimento da Shugart Technology, 1978 foi lembrado pelo lançamento do primeiro SSD Enterprise pela StorageTek. O StorageTek STC 4305 suportava 45 MiB de dados. Este SSD foi desenvolvido como substituto do IBM 2305, tinha tamanhos semelhantes e custava incríveis 400.000 dólares.

Em 1982, o SSD chegou ao mercado de computadores pessoais. A Axlon desenvolveu um disco SSD baseado em chips de RAM chamado RAMDISK 320, especificamente para o Apple II. Como o armazenamento foi criado com memória volátil, uma bateria era fornecida para manter as informações. A capacidade da bateria era suficiente para 3 horas de operação contínua em caso de perda de energia.

Um ano depois, a Rodime lançou o primeiro disco rígido RO352 de 10 MiB no formato de 3,5 polegadas, comum para os usuários modernos. Embora este fosse o primeiro disco comercial nesse formato, a Rodime, na verdade, não fez nada inovador.

O primeiro produto nesse formato é considerado o disquete, apresentado pelas empresas Tandon e Shugart Associates. Além disso, as empresas Seagate e MiniScribe concordaram em adotar o padrão industrial de 3,5 polegadas, "deixando de fora" a Rodime, que enfrentou o destino de se tornar uma "troll de patentes" e a saída total da indústria de armazenamento.

Em 1980, o engenheiro da Toshiba, professor Fujio Masuoka, registrou uma patente para um novo tipo de memória, chamada de memória Flash tipo NOR. O desenvolvimento levou 4 anos.

A memória NOR representa uma matriz clássica de condutores 2D, onde há uma célula instalada na interseção de linhas e colunas (semelhante à memória com núcleos magnéticos).

Em 1984, o professor Masuoka apresentou sua invenção na conferência International Electronics Developers Meeting, onde a Intel rapidamente avaliou o potencial dessa tecnologia. A empresa Toshiba, onde o professor Masuoka trabalhava, não considerava a memória Flash algo especial e, portanto, atendeu ao pedido da Intel para criar alguns protótipos para estudo.

O interesse demonstrado pela Intel na pesquisa de Fujio incentivou a Toshiba a designar cinco engenheiros para ajudar o professor a resolver o problema da comercialização da invenção. A Intel, por sua vez, alocou trezentos funcionários para criar sua própria versão da memória Flash.

Enquanto a Intel e a Toshiba desenvolviam unidades Flash, em 1986 ocorreram dois eventos importantes. Primeiro, o SCSI foi oficialmente padronizado — um conjunto de acordos para a interação entre computadores e dispositivos periféricos. Em segundo lugar, a interface AT Attachment (ATA) foi desenvolvida, conhecida pela marca Integrated Drive Electronics (IDE), que permitiu que o controlador de disco fosse incorporado ao próprio disco.

Fujio Masuoka trabalhou durante três anos para melhorar a tecnologia de memória Flash e, até 1987, desenvolveu a memória NAND.

A memória NAND é a mesma memória NOR, organizada em uma matriz tridimensional. A principal diferença é que o algoritmo de acesso a cada célula se tornou mais complexo, a área das células diminuiu e a capacidade total aumentou significativamente.

Um ano depois, a Intel desenvolveu sua própria memória Flash tipo NOR, e a empresa Digipro criou um dispositivo baseado nela chamado Flashdisk. A primeira versão do Flashdisk, em sua configuração máxima, armazenava 16 MiB de dados e custava menos de 500$.

No final dos anos 80 e início dos anos 90, os fabricantes de discos rígidos competiam para reduzir o tamanho dos discos. Em 1989, a PrairieTek lançou o disco PrairieTek 220 de 20 MiB no formato de 2,5 polegadas. Dois anos depois, a Integral Peripherals criou o disco Integral Peripherals 1820 "Mustang" com o mesmo volume, mas já de 1,8 polegadas. Um ano depois, a Hewlett-Packard reduziu o tamanho do disco para 1,3 polegadas.

A empresa Seagate manteve-se fiel aos discos no formato de 3,5 polegadas e apostou no aumento da velocidade de rotação, lançando em 1992 seu famoso modelo Barracuda, o primeiro disco rígido com uma velocidade de rotação de 7200 rotações por minuto. Mas a Seagate não pretendia parar por aí. Em 1996, os discos da linha Seagate Cheetah atingiram uma velocidade de rotação de 10000 rotações por minuto, e quatro anos depois, a modificação X15 girava a impressionantes 15000 rotações por minuto.

Em 2000, a interface ATA passou a ser chamada de PATA. A razão para isso foi o surgimento da interface Serial ATA (SATA), com cabos mais compactos, suporte a 'troca a quente' e maior velocidade de transferência de dados. A Seagate também se destacou nesse aspecto, lançando o primeiro disco rígido com essa interface em 2002.

A produção de memória Flash era inicialmente muito cara, mas no início dos anos 2000, os preços caíram abruptamente. A empresa Transcend aproveitou essa oportunidade e, em 2003, lançou discos SSD com capacidades de 16 a 512 MiB. Três anos depois, as empresas Samsung e SanDisk começaram a produzir em massa. Nesse mesmo ano, a IBM vendeu sua divisão de discos para a Hitachi.

Os discos de estado sólido começaram a ganhar popularidade e surgiu um problema óbvio: a interface SATA era mais lenta do que os próprios SSDs. Para resolver esse problema, o grupo de trabalho NVM Express começou a desenvolver o NVMe — uma especificação para protocolos de acesso a SSDs diretamente pela interface PCIe, contornando o 'intermediário' que era o controlador SATA. Isso permitiria acessar os dados na velocidade da linha PCIe. Dois anos depois, a primeira versão da especificação estava pronta, e um ano depois, o primeiro SSD NVMe foi lançado.

Diferenças entre SSDs e HDDs modernos

No nível físico, a diferença entre SSDs e HDDs é facilmente perceptível: os SSDs não possuem elementos mecânicos, e a informação é armazenada em células de memória. A ausência de partes móveis resulta em acesso rápido aos dados em qualquer parte da memória; no entanto, existe uma limitação no número de ciclos de gravação. Devido ao número limitado de ciclos de gravação em cada célula de memória, há uma necessidade de um mecanismo de balanceamento — equalização do desgaste das células por meio da transferência de dados entre elas. Essa tarefa é desempenhada pelo controlador do disco.

Para que o controlador SSD realize o balanceamento, é necessário saber quais células estão ocupadas e quais estão livres. O controlador consegue rastrear a gravação de dados em uma célula sozinho, mas não pode dizer o mesmo sobre a exclusão. Como é bem sabido, os sistemas operacionais (SO) não apagam os dados do disco quando um arquivo é excluído, mas marcam as áreas de memória correspondentes como livres. Essa solução elimina a necessidade de esperar pela operação do disco ao usar HDD, mas é completamente inadequada para o funcionamento do SSD. O controlador do disco SSD trabalha com bytes e não com sistemas de arquivos, e portanto, exige uma notificação separada sobre a exclusão do arquivo.

Assim surgiu o comando TRIM, pelo qual o SO informa ao controlador do SSD sobre a liberação de uma determinada área de memória. O comando TRIM apaga dados do disco de forma irreversível. Nem todos os sistemas operacionais sabem da necessidade de enviar este comando para os dispositivos de estado sólido, e os controladores RAID de hardware em modo de matriz de discos nunca enviam TRIM para os discos.