Вивчення історії дисків – початок шляху до розуміння принципів роботи твердотільних накопичувачів. Перша частина нашого циклу статей «Вступ до SSD» проведе екскурс в історію та дозволить наочно зрозуміти різницю між SSD та його найближчим конкурентом – HDD.
Незважаючи на велику кількість різних пристроїв для зберігання інформації, популярність HDD і SSD в наш час незаперечна. Різниця між цими двома видами накопичувачів для обивателя очевидна: SSD дорожчий і швидший, а HDD дешевший і місткіший.
Окрему увагу слід звернути на одиницю виміру місткості накопичувачів: історично склалося, що десяткові приставки, такі як кіло- та мега-, у контексті інформаційних технологій мають на увазі як десятий та двадцятий ступінь двійки. Для виключення плутанини було запроваджено двійкові приставки кібі-, мебі- та інші. Різниця цих приставок стає помітною із збільшенням обсягу: купуючи диск на 240 гігабайт, ви можете зберегти на ньому 223.5 гібібайта інформації.
Занурення в історію
Розробка першого жорсткого диска велася з 1952 компанією IBM. 14 вересня 1956 року був анонсований підсумковий результат розробок - IBM 350 Model 1. Накопичувач вміщував 3.75 мебібайт даних при дуже нескромних габаритах: 172 сантиметри заввишки, 152 сантиметри завдовжки і 74 сантиметри завширшки. Усередині розташовувалися 50 покритих чистим залізом тонких дисків діаметром 610 мм (24 дюйми). Середній час пошуку даних на диску займало 600 мс.
Час минав, і IBM упевнено покращував технологію. У 1961 році представлений місткістю 18.75 мегабайт зі зчитуючими головками на кожній пластині. У з'явилися знімні дискові картриджі, а з 1970 року в IBM 3330 було впроваджено систему виявлення та корекції помилок. Через три роки з'явився відомий під назвою "Winchester".
Вінчестер (від англ. Winchester rifle) — загальна назва для гвинтівок і рушниць Winchester Repeating Arms Company у США в другій половині XIX століття. Це були одні з перших багатозарядних рушниць, що здобули величезну популярність серед покупців. Своєю назвою вони були зобов'язані засновнику компанії – Оліверу Фішеру Вінчестеру (Oliver Fisher Winchester).
IBM 3340 складався з двох шпинделів по 30 МіБ кожен, через що інженери називали цей диск "30-30". Ця назва нагадувала про гвинтівку Winchester Model 1894 з патронами .30-30 Winchester, через що Кеннет Хотон (Kenneth Haughton), керуючий розробкою IBM 3340, сказав: «Якщо це 30-30, то це має бути Вінчестер» («If it's a 30-30, then it must be a Winchester.»). З того часу вінчестером називають не тільки гвинтівки, а й жорсткі диски.
Ще через три роки вийшов IBM 3350 «Madrid» з 14-ти дюймовими пластинами і часом доступу 25 мс.
Перший SSD-накопичувач створений компанією Dataram у 1976 році. Накопичувач Dataram BulkCore складався з шасі з вісьма планками RAM-пам'яті об'ємом 256 КіБ кожна. У порівнянні з першим жорстким диском, BulkCore був крихітним: 50,8 см завдовжки, 48,26 см завширшки і 40 см заввишки. При цьому час доступу до даних у цій моделі становив лише 750 нс, що 30000 разів швидше, ніж у найсучаснішого на той момент HDD-диску.
У 1978 році заснована компанія Shugart Technology, яка через рік змінює свою назву на Seagate Technology, щоб уникнути конфліктів з Shugart Associates. Через два роки роботи Seagate на світ з'являється ST-506 – перший жорсткий диск для персональних комп'ютерів у форм-факторі 5.25 дюйми та місткістю 5 МіБ.
Крім появи Shugart Technology, 1978 запам'ятався випуском першого Enterprise SSD від компанії StorageTek. StorageTek STC 4305 містив 45 МіБ даних. Цей SSD розроблявся як заміна IBM 2305, мав схожі розміри і коштував неймовірні 400 000 $.
У 1982 році SSD приходить на ринок персональних комп'ютерів. Компанія Axlon спеціально для Apple II розробляє SSD-диск на RAM-чіпах під назвою RAMDISK 320. Оскільки накопичувач створювався на базі енергозалежної пам'яті, в комплекті поставлявся акумулятор для збереження інформації. Місткості акумулятора вистачало на 3 години автономної роботи у разі втрати електроживлення.
Через рік компанія Rodime випустить перший жорсткий диск RO352 на 10 МіБ у звичному для сучасного користувача форм-факторі 3.5 дюйми. Незважаючи на те, що це перший комерційний диск у такому форм-факторі, Rodime насправді не зробила нічого інноваційного.
Першим продуктом у цьому форм-факторі вважається флоппі-дисковод, представлений компаніями Tandon та Shugart Associates. Більш того, компанії Seagate та MiniScribe домовилися про прийняття промислового стандарту 3.5 дюйма, «залишивши за бортом» Rodime, на яку чекала доля «патентного тролю» та повний вихід з індустрії виробництва накопичувачів.
У 1980 році інженер Toshiba, професор Фудзіо Масуока, зареєстрував патент на новий вид пам'яті, названий Flash-пам'яттю типу NOR. Розробка зайняла 4 роки.
NOR-пам'ять є класичною 2D матрицею провідників., В якій на перетині рядків і стовпців встановлено по одному осередку (аналог пам'яті на магнітних сердечниках).
У 1984 році професор Масуока розповів про свій винахід на конференції International Electronics Developers Meeting, де компанія Intel швидко оцінила перспективність даної розробки. Компанія Toshiba, в якій працював професор Масуока, не вважала Flash-пам'ять чимось особливим, а тому задовольнила прохання Intel зробити кілька дослідних зразків для вивчення.
Проявлений компанією Intel інтерес до розробки Фудзіо, підштовхнув Toshiba виділити п'ять інженерів на допомогу професору вирішення проблеми комерціалізації винаходу. Intel, у свою чергу, покинув три сотні співробітників на створення власного варіанта Flash-пам'яті.
Поки Intel і Toshiba вели розробки в області Flash-накопичувачів, у 1986 відбулися дві важливі події. По-перше, офіційно стандартизовано SCSI - набір угод для взаємодії між комп'ютерами та периферійними пристроями. По-друге, розроблено інтерфейс AT Attachment (ATA), відомий під брендовою назвою Integrated Drive Electronics (IDE), завдяки якому контролер диска перемістився всередину диска.
Три роки Фудзіо Маусока працював над покращенням технології Flash-пам'яті та до 1987 року розробив NAND-пам'ять.
NAND-пам'ять — та сама NOR-пам'ять, організована в тривимірний масив. Основною відмінністю стало те, що алгоритм доступу до кожного осередку став складнішим, площа осередків стала меншою, а загальна ємність значно збільшилася.
Через рік компанія Intel розробила власну Flash-пам'ять типу NOR, а компанія Digipro зробила на ній накопичувач під назвою Flashdisk. Перша версія Flashdisk у максимальній комплектації вміщала 16 МіБ даних і коштувала менше 500 $
Наприкінці 80-х і на початку 90-х виробники жорстких дисків змагалися у зменшенні розмірів дисків. У 1989 році компанія PrairieTek випускає диск PrairieTek 220 на 20 МіБ у форм-факторі 2.5 дюйма. Через два роки Integral Peripherals створює диск Integral Peripherals 1820 Mustang з тим же обсягом, але вже 1.8 дюйма. Роком пізніше Hewlett-Packard скоротила розмір диска до 1.3 дюйми.
Компанія Seagate зберігала вірність дискам у форм-факторі 3.5 дюйма і робила ставку на збільшення швидкості обертання, випустивши у 1992 році свою знамениту модель Barracuda, перший жорсткий диск зі швидкістю обертання шпинделя 7200 обертів на хвилину. Але на цьому Seagate не збиралася зупинятися. У 1996 диски лінійки Seagate Cheetah досягли швидкості обертання 10000 оборотів за хвилину, а через чотири роки модифікація Х15 розкручувалась аж до 15000 оборотів за хвилину.
У 2000 році інтерфейс ATA став називатися PATA. Виною тому стала поява інтерфейсу Serial ATA (SATA) з компактнішими проводами, підтримкою «гарячої заміни» та підвищеною швидкістю передачі даних. Seagate і тут взяла першість, випустивши перший жорсткий диск із таким інтерфейсом у 2002 році.
Виробництво Flash-пам'яті спочатку було дуже дорогим, але на початку 2000-х ціна різко знизилася. Цим скористалася компанія Transcend, яка в 2003 випустила SSD-диски обсягом від 16 до 512 МіБ. Через три роки до масового виробництва підключилися компанії Samsung та SanDisk. У цьому року IBM продає свій дискове підрозділ компанії Hitachi.
Твердотілі накопичувачі набирали обертів і виникла очевидна проблема: інтерфейс SATA був повільнішим, ніж самі SSD-накопичувачі. Для вирішення цієї проблеми робоча група NVM Express Workgroup розпочала розробку NVMe - специфікацію на протоколи доступу до SSD безпосередньо по шині PCIe, минаючи "посередника" у вигляді SATA-контролера. Це дозволило б отримувати доступ до даних зі швидкістю шини PCIe. Через два роки перша версія специфікації була готова, а через рік з'явився перший NVMe-накопичувач.
Відмінності між сучасними SSD та HDD
Фізично різниця між SSD і HDD легко помітна: у SSD відсутні механічні елементи, а інформація зберігається в осередках пам'яті. Відсутність рухомих елементів призводить до швидкого доступу до даних у будь-якій ділянці пам'яті, однак існує обмеження на кількість циклів перезапису. Через обмежену кількість циклів перезапису кожного осередку пам'яті виникає необхідність у механізмі балансування — вирівнюванні зношеності осередків шляхом перенесення даних між осередками. Цю роботу виконує контролер диска.
Для балансування контролеру SSD необхідно знати, які осередки зайняті, а які вільні. Запис даних у комірку контролер здатний відстежити сам, чого не можна сказати про видалення. Як відомо, операційні системи (ОС) не стирають дані з диска, коли користувач видаляє файл, а позначають відповідні ділянки пам'яті як вільні. Таке рішення позбавляє необхідності очікування дискової операції при використанні HDD, але зовсім не підходить для роботи SSD. Контролер SSD-диска працює з байтами, а не файловими системами, і тому вимагає окремого повідомлення про видалення файлу.
Так з'явилася команда TRIM (англ. - підрізати), за допомогою якої ОС повідомляє контролер SSD-диска про звільнення певної області пам'яті. Команда TRIM незворотно стирає дані з диска. Не всі операційні системи знають необхідність відправляти цю команду твердотільних накопичувачів, а апаратні RAID-контролери в режимі дискових масивів ніколи не відправляють TRIM дискам.
Далі буде ...
У наступних частинах ми розповімо про форм-фактори, інтерфейси підключень та про внутрішню організацію твердотільних накопичувачів.
У нашій лабораторії Ви можете самостійно протестувати сучасні HDD та SSD диски та зробити власні висновки.
Тільки зареєстровані користувачі можуть брати участь в опитуванні. , будь ласка.
Як Ви вважаєте, SSD зможе витіснити HDD?
-
71.2%Так, за SSD майбутнє396
-
7.5%Ні, попереду епоха магнітооптичних HDD42
-
21.2%Переможе гібридний варіант HDD + SSD118
Проголосували 556 користувачів. Утрималися 72 користувача.
Джерело: habr.com