研究磁盘的历史是了解固态硬盘工作原理之旅的开始。 我们系列文章的第一部分“SSD 简介”将回顾历史，让您清楚地了解 SSD 与其最接近的竞争对手 HDD 之间的区别。
尽管用于存储信息的各种设备多种多样，但 HDD 和 SSD 在我们这个时代的流行是不可否认的。 这两种类型的驱动器之间的区别对于普通人来说是显而易见的：SSD 更昂贵且速度更快，而 HDD 更便宜且空间更大。
应特别注意存储容量的计量单位：历史上，十进制前缀（例如千和兆）在信息技术背景下被理解为二的十次方和二十次方。 为了消除混淆，引入了二进制前缀 kibi-、mebi- 等。 随着容量的增加，这些机顶盒之间的差异变得显而易见：购买 240 GB 的磁盘时，您可以在上面存储 223.5 GB 的信息。
深入历史
IBM 于 1952 年开始开发第一块硬盘。 14 年 1956 月 350 日，开发的最终成果公布了——IBM 1 Model 3.75。该驱动器包含 172 MB 的数据，尺寸非常大：高 152 厘米、长 74 厘米、宽 50 厘米。 里面有 610 个直径为 24 毫米（600 英寸）的纯铁薄圆盘。 在磁盘上搜索数据的平均时间约为 XNUMX 毫秒。
随着时间的推移，IBM 稳步改进了技术。 1961年推出 容量为 18.75 MB，每个盘片上都有读头。 在 可移动磁盘盒出现，自 1970 年起，IBM 3330 中引入了错误检测和纠正系统。 三年后他出现了 被称为“温彻斯特”。
温彻斯特（来自英国温彻斯特步枪） - XNUMX世纪下半叶美国温彻斯特连发武器公司制造的步枪和霰弹枪的总称。 这是第一批连发霰弹枪之一，在买家中非常受欢迎。 他们的名字来源于公司的创始人奥利弗·费舍尔·温彻斯特。
IBM 3340 由两个每个 30 MiB 的主轴组成，这就是为什么 工程师将这张光盘称为“30-30”。 这个名字让人想起 1894-30 温彻斯特步枪的温彻斯特 30 型步枪，领导 IBM 3340 开发的肯尼思·霍顿 (Kenneth Haughton) 说：“如果它是 30-30，那它一定是温彻斯特。”30 -30，那么它一定是温彻斯特。”）。 从此，不仅步枪，连硬盘也被称为“硬盘”。
三年后，IBM 3350“马德里”发布，配备 14 英寸盘片，存取时间为 25 毫秒。
第一个 SSD 驱动器由 Dataram 于 1976 年创建。 Dataram BulkCore 驱动器由一个带有八个 RAM 记忆棒的底盘组成，每个记忆棒的容量为 256 KiB。 与第一个硬盘相比，BulkCore 很小：长 50,8 厘米、宽 48,26 厘米、高 40 厘米。 同时，该模型的数据访问时间仅为 750 ns，比当时最现代的 HDD 驱动器快 30000 倍。
1978 年，Shugart Technology 成立，一年后更名为 Seagate Technology，以避免与 Shugart Associates 发生冲突。 经过两年的努力，希捷发布了 ST-506，这是第一款用于个人电脑的 5.25 英寸外形、容量为 5 MiB 的硬盘。
除了 Shugart Technology 的出现之外，1978 年还因 StorageTek 发布了第一款企业级 SSD 而被人们铭记。 StorageTek STC 4305 保存了 45 MiB 的数据。 这款 SSD 是作为 IBM 2305 的替代品而开发的，具有相似的尺寸，但价格却高达 400 美元。
1982年，SSD进入个人电脑市场。 Axlon公司正在专门为Apple II开发一款名为RAMDISK 320的RAM芯片上的SSD磁盘。由于该驱动器是在易失性存储器的基础上创建的，因此套件中提供了电池以保证信息的安全。 电池容量足以在断电情况下自主运行3小时。
一年后，Rodime 将发布首款 RO352 10 MiB 硬盘，采用现代用户熟悉的 3.5 英寸外形。 尽管这是这种外形尺寸的首款商用硬盘，但 Rodime 基本上没有做任何创新。
这种外形尺寸的第一个产品被认为是 Tandon 和 Shugart Associates 推出的软盘驱动器。 而且，希捷和MiniScribe同意采用3.5英寸行业标准，让Rodime落后，面临“专利流氓”和彻底退出硬盘生产行业的命运。
1980年，东芝工程师Fujio Masuoka教授为一种名为NOR闪存的新型存储器注册了专利。 开发历时4年。
NOR 存储器是经典的二维导体矩阵，其中一个单元安装在行和列的交叉处（类似于磁芯上的存储器）。
1984 年，增冈教授在国际电子开发者会议上谈到了他的发明，英特尔很快就认识到了这一发展的前景。 增冈教授所在的东芝并不认为闪存有什么特别的，因此按照英特尔的要求制作了几台原型机进行研究。
英特尔对Fujio的开发感兴趣，促使东芝分配了五名工程师来帮助这位教授解决将该发明商业化的问题。 英特尔则投入了 XNUMX 名员工来创建自己的闪存版本。
当英特尔和东芝在闪存存储领域进行开发时，1986 年发生了两件重要事件。 首先，SCSI，一套计算机和外围设备之间通信的约定，已经被正式标准化。 其次，开发了 AT 附件 (ATA) 接口，其品牌名称为集成驱动电子 (IDE)，因此驱动控制器被移至驱动器内部。
三年来，Fujio Mausoka 致力于改进闪存技术，并于 1987 年开发出了 NAND 存储器。
NAND存储器与NOR存储器相同，组织成三维阵列。 主要区别在于访问每个小区的算法变得更加复杂，小区面积变得更小，总容量显着增加。
一年后，Intel开发出了自己的NOR闪存，Digipro在其上制作了名为Flashdisk的驱动器。 第一个版本的 Flashdisk 最大配置包含 16 MiB 数据，成本不到 500 美元
在 80 年代末和 90 年代初，硬盘驱动器制造商竞相将驱动器做得更小。 1989 年，PrairieTek 发布了 220 英寸外形的 PrairieTek 20 2.5 MiB 驱动器。 两年后，Integral Peripherals 推出了 Integral Peripherals 1820 “Mustang” 光盘，其体积相同，但尺寸已达到 1.8 英寸。 一年后，惠普将磁盘尺寸缩小至 1.3 英寸。
希捷仍然忠于 3.5 英寸外形尺寸的硬盘，并依靠提高转速，于 1992 年发布了著名的 Barracuda 型号，这是第一款主轴速度为 7200 rpm 的硬盘。 但希捷并不打算就此止步。 1996 年，Seagate Cheetah 系列硬盘的转速达到了 10000 rpm，四年后，X15 改型的转速达到了 15000 rpm。
2000 年，ATA 接口被称为 PATA。 其原因是串行 ATA (SATA) 接口的出现，该接口具有更紧凑的电线、热插拔支持和更高的数据传输速度。 希捷在这方面也处于领先地位，于 2002 年发布了第一款具有这种接口的硬盘。
闪存最初的生产成本非常昂贵，但在 2000 年代初成本急剧下降。 Transcend 利用这一优势，于 2003 年推出了容量从 16 MiB 到 512 MiB 的 SSD 驱动器。 三年后，三星和闪迪加入量产。 同年，IBM 将其磁盘部门出售给日立。
固态硬盘正在蓬勃发展，但有一个明显的问题：SATA 接口比 SSD 本身慢。 为了解决这个问题，NVM Express Workgroup 开始开发 NVMe——一种直接通过 PCIe 总线访问 SSD 的协议规范，绕过 SATA 控制器形式的“中介”。 这将允许以 PCIe 总线速度进行数据访问。 两年后，该规范的第一个版本准备就绪，一年后第一个 NVMe 驱动器出现。
现代 SSD 和 HDD 之间的差异
在物理层面上，SSD 和 HDD 之间的区别很明显：SSD 没有机械元件，信息存储在存储单元中。 没有移动元件导致可以快速访问存储器任何部分中的数据，但是重写周期的数量是有限的。 由于每个存储单元的重写周期数量有限，因此需要一种平衡机制——通过在单元之间传输数据来平衡单元磨损。 这项工作由磁盘控制器执行。
为了进行平衡，SSD控制器需要知道哪些单元被占用，哪些单元空闲。 控制器能够跟踪单元本身的数据记录，而删除则无法进行。 如您所知，当用户删除文件时，操作系统（OS）不会删除磁盘上的数据，而是将相应的内存区域标记为空闲。 该方案消除了使用HDD时等待磁盘操作的需要，但完全不适合操作SSD。 SSD 驱动器控制器使用字节而不是文件系统，因此在删除文件时需要单独的消息。
这就是TRIM（英文-trim）命令的出现，操作系统通过该命令通知SSD磁盘控制器释放某个内存区域。 TRIM 命令会永久删除磁盘中的数据。 并非所有操作系统都知道向固态驱动器发送此命令，并且磁盘阵列模式下的硬件 RAID 控制器从不向磁盘发送 TRIM。
待续...
在接下来的部分中，我们将讨论固态硬盘的外形尺寸、连接接口和内部组织。
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来源： habr.com