Estudar a história dos discos é o início da jornada para a compreensão dos princípios de operação das unidades de estado sólido. A primeira parte de nossa série de artigos, “Introdução aos SSDs”, fará um tour pela história e permitirá que você entenda claramente a diferença entre um SSD e seu concorrente mais próximo, o HDD.
Apesar da abundância de vários dispositivos para armazenar informações, a popularidade dos HDDs e SSDs em nossa época é inegável. A diferença entre esses dois tipos de unidades é óbvia para o cidadão comum: o SSD é mais caro e mais rápido, enquanto o HDD é mais barato e mais espaçoso.
Atenção especial deve ser dada à unidade de medida da capacidade de armazenamento: historicamente, prefixos decimais como quilo e mega são entendidos no contexto da tecnologia da informação como a décima e a vigésima potência de dois. Para eliminar confusão, foram introduzidos os prefixos binários kibi-, mebi- e outros. A diferença entre esses decodificadores torna-se perceptível à medida que o volume aumenta: ao comprar um disco de 240 gigabytes, você pode armazenar 223.5 gigabytes de informações nele.
Mergulhe na história
O desenvolvimento do primeiro disco rígido começou em 1952 pela IBM. Em 14 de setembro de 1956, foi anunciado o resultado final do desenvolvimento - o IBM 350 Modelo 1. O drive continha 3.75 mebibytes de dados com dimensões muito imodestas: 172 centímetros de altura, 152 centímetros de comprimento e 74 centímetros de largura. Dentro havia 50 discos finos revestidos com ferro puro com diâmetro de 610 mm (24 polegadas). O tempo médio para pesquisar dados no disco levou aproximadamente 600 ms.
Com o passar do tempo, a IBM melhorou continuamente a tecnologia. Introduzido em 1961 com capacidade de 18.75 megabytes com cabeças de leitura em cada prato. EM surgiram cartuchos de disco removíveis e, desde 1970, um sistema de detecção e correção de erros foi introduzido no IBM 3330. Três anos depois ele apareceu conhecido como "Winchester".
Winchester (do rifle inglês Winchester) - o nome geral para rifles e espingardas fabricados pela Winchester Repeating Arms Company nos EUA na segunda metade do século XIX. Estas foram uma das primeiras espingardas de repetição que se tornaram extremamente populares entre os compradores. Eles deviam seu nome ao fundador da empresa, Oliver Fisher Winchester.
O IBM 3340 consistia em dois fusos de 30 MiB cada, e é por isso que os engenheiros chamaram este disco de “30-30”. O nome lembrava o rifle Winchester Modelo 1894 com câmara em .30-30 Winchester, levando Kenneth Haughton, que liderou o desenvolvimento do IBM 3340, a dizer "Se é um 30-30, deve ser um Winchester". -30, então deve ser um Winchester."). Desde então, não apenas os rifles, mas também os discos rígidos foram chamados de “discos rígidos”.
Mais três anos depois, o IBM 3350 “Madrid” foi lançado com pratos de 14 polegadas e tempo de acesso de 25 ms.
A primeira unidade SSD foi criada pela Dataram em 1976. O drive Dataram BulkCore consistia em um chassi com oito cartões de memória RAM com capacidade de 256 KiB cada. Comparado ao primeiro disco rígido, o BulkCore era minúsculo: 50,8 cm de comprimento, 48,26 cm de largura e 40 cm de altura. Ao mesmo tempo, o tempo de acesso aos dados neste modelo foi de apenas 750 ns, o que é 30000 vezes mais rápido que o HDD mais moderno da época.
Em 1978, foi fundada a Shugart Technology, que um ano depois mudou seu nome para Seagate Technology para evitar conflitos com a Shugart Associates. Após dois anos de trabalho, a Seagate lançou o ST-506 - o primeiro disco rígido para computadores pessoais no formato de 5.25 polegadas e com capacidade de 5 MiB.
Além do surgimento da Tecnologia Shugart, 1978 foi lembrado pelo lançamento do primeiro SSD empresarial da StorageTek. O StorageTek STC 4305 continha 45 MiB de dados. Este SSD foi desenvolvido para substituir o IBM 2305, tinha dimensões semelhantes e custava incríveis US$ 400 mil.
Em 1982, o SSD entrou no mercado de computadores pessoais. A empresa Axlon está desenvolvendo especificamente para o Apple II um disco SSD em chips RAM chamado RAMDISK 320. Como o drive foi criado com base em memória volátil, uma bateria foi fornecida no kit para manter a segurança das informações. A capacidade da bateria foi suficiente para 3 horas de operação autônoma em caso de queda de energia.
Um ano depois, a Rodime lançará o primeiro disco rígido RO352 de 10 MiB no formato de 3.5 polegadas familiar aos usuários modernos. Apesar de esta ser a primeira unidade comercial neste formato, Rodime essencialmente não fez nada de inovador.
O primeiro produto neste formato é considerado uma unidade de disquete lançada pela Tandon and Shugart Associates. Além disso, a Seagate e a MiniScribe concordaram em adotar o padrão industrial de 3.5 polegadas, deixando Rodime para trás, que enfrentou o destino de um “troll de patentes” e uma saída completa da indústria de produção de drives.
Em 1980, o engenheiro da Toshiba, Professor Fujio Masuoka, registrou uma patente para um novo tipo de memória chamada memória Flash NOR. O desenvolvimento levou 4 anos.
A memória NOR é uma matriz 2D clássica de condutores, em que uma célula é instalada na intersecção de linhas e colunas (análoga à memória em núcleos magnéticos).
Em 1984, o professor Masuoka falou sobre sua invenção no International Electronics Developers Meeting, onde a Intel rapidamente reconheceu a promessa desse desenvolvimento. A Toshiba, onde trabalhava o professor Masuoka, não considerava a memória Flash algo especial e, portanto, atendeu ao pedido da Intel de fazer vários protótipos para estudo.
O interesse da Intel no desenvolvimento de Fujio levou a Toshiba a alocar cinco engenheiros para ajudar o professor a resolver o problema de comercialização da invenção. A Intel, por sua vez, contratou trezentos funcionários para criar sua própria versão de memória Flash.
Enquanto a Intel e a Toshiba desenvolviam desenvolvimentos na área de armazenamento Flash, dois eventos importantes ocorreram em 1986. Primeiro, o SCSI, um conjunto de convenções para comunicação entre computadores e dispositivos periféricos, foi oficialmente padronizado. Em segundo lugar, foi desenvolvida a interface AT Attachment (ATA), conhecida pela marca Integrated Drive Electronics (IDE), graças à qual o controlador do drive foi movido dentro do drive.
Durante três anos, Fujio Mausoka trabalhou para melhorar a tecnologia de memória Flash e em 1987 desenvolveu a memória NAND.
A memória NAND é a mesma memória NOR, organizada em uma matriz tridimensional. A principal diferença foi que o algoritmo de acesso a cada célula ficou mais complexo, a área da célula ficou menor e a capacidade total aumentou significativamente.
Um ano depois, a Intel desenvolveu sua própria memória Flash NOR e a Digipro fez um drive nela chamado Flashdisk. A primeira versão do Flashdisk em sua configuração máxima continha 16 MiB de dados e custava menos de US$ 500
No final dos anos 80 e início dos anos 90, os fabricantes de discos rígidos competiam para torná-los menores. Em 1989, a PrairieTek lançou o drive PrairieTek 220 de 20 MiB em um formato de 2.5 polegadas. Dois anos depois, a Integral Peripherals cria o disco Integral Peripherals 1820 “Mustang” com o mesmo volume, mas já com 1.8 polegadas. Um ano depois, a Hewlett-Packard reduziu o tamanho do disco para 1.3 polegadas.
A Seagate permaneceu fiel aos discos no formato de 3.5 polegadas e confiou no aumento da velocidade de rotação, lançando seu famoso modelo Barracuda em 1992, o primeiro disco rígido com velocidade de rotação de 7200 rpm. Mas a Seagate não iria parar por aí. Em 1996, os discos da linha Seagate Cheetah atingiram uma velocidade de rotação de 10000 rpm e, quatro anos depois, a modificação X15 girou até 15000 rpm.
Em 2000, a interface ATA ficou conhecida como PATA. A razão para isso foi o surgimento da interface Serial ATA (SATA) com fios mais compactos, suporte hot-swap e maior velocidade de transferência de dados. A Seagate também assumiu a liderança aqui, lançando o primeiro disco rígido com essa interface em 2002.
A produção da memória flash foi inicialmente muito cara, mas os custos caíram drasticamente no início dos anos 2000. A Transcend aproveitou isso, lançando unidades SSD com capacidades variando de 2003 a 16 MiB em 512. Três anos depois, Samsung e SanDisk ingressaram na produção em massa. No mesmo ano, a IBM vendeu sua divisão de discos para a Hitachi.
Os Solid State Drives estavam ganhando força e havia um problema óbvio: a interface SATA era mais lenta que os próprios SSDs. Para resolver esse problema, o NVM Express Workgroup começou a desenvolver o NVMe - uma especificação para protocolos de acesso para SSDs diretamente no barramento PCIe, contornando o “intermediário” na forma de um controlador SATA. Isso permitiria o acesso a dados em velocidades de barramento PCIe. Dois anos depois, a primeira versão da especificação estava pronta e um ano depois apareceu o primeiro drive NVMe.
Diferenças entre SSDs e HDDs modernos
No nível físico, a diferença entre um SSD e um HDD é facilmente perceptível: um SSD não possui elementos mecânicos e as informações são armazenadas em células de memória. A ausência de elementos móveis leva ao acesso rápido aos dados em qualquer parte da memória, porém, há um limite no número de ciclos de reescrita. Devido ao número limitado de ciclos de reescrita para cada célula de memória, há necessidade de um mecanismo de equilíbrio - nivelando o desgaste da célula através da transferência de dados entre células. Este trabalho é executado pelo controlador de disco.
Para realizar o balanceamento, o controlador SSD precisa saber quais células estão ocupadas e quais estão livres. O controlador é capaz de rastrear a gravação de dados na própria célula, o que não pode ser dito sobre a exclusão. Como você sabe, os sistemas operacionais (SO) não apagam os dados do disco quando o usuário exclui um arquivo, mas marcam as áreas de memória correspondentes como livres. Esta solução elimina a necessidade de esperar pela operação do disco ao usar um HDD, mas é completamente inadequada para operar um SSD. O controlador da unidade SSD funciona com bytes, não com sistemas de arquivos e, portanto, requer uma mensagem separada quando um arquivo é excluído.
Foi assim que surgiu o comando TRIM (inglês - trim), com o qual o SO notifica o controlador de disco SSD para liberar uma determinada área de memória. O comando TRIM apaga permanentemente os dados de um disco. Nem todos os sistemas operacionais sabem enviar este comando para unidades de estado sólido, e os controladores RAID de hardware no modo de matriz de disco nunca enviam TRIM para os discos.
Para ser continuado ...
Nas partes seguintes falaremos sobre fatores de forma, interfaces de conexão e organização interna de unidades de estado sólido.
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Fonte: habr.com