研究磁碟的歷史是了解固態硬碟工作原理之旅的開始。 我們系列文章的第一部分「SSD 簡介」將回顧歷史，讓您清楚地了解 SSD 與其最接近的競爭對手 HDD 之間的差異。
儘管用於儲存資訊的各種設備多種多樣，但 HDD 和 SSD 在我們這個時代的流行是不可否認的。 這兩種類型的驅動器之間的區別對於普通人來說是顯而易見的：SSD 更昂貴且更快，而 HDD 更便宜且空間更大。
應特別注意儲存容量的計量單位：歷史上，十進制前綴（例如千和兆）在資訊科技背景下被理解為二的十次方和二十次方。 為了消除混淆，引入了二進位前綴 kibi-、mebi- 等。 隨著容量的增加，這些機上盒之間的差異變得顯而易見：購買 240 GB 的磁碟時，您可以在上面儲存 223.5 GB 的資訊。
潛入歷史
IBM 於 1952 年開始開發第一塊硬碟。 14 年 1956 月 350 日，開發的最終成果公佈了——IBM 1 Model 3.75。該驅動器包含 172 MB 的數據，尺寸非常大：高 152 厘米、長 74 厘米、寬 50 厘米。 裡面有 610 個直徑 24 毫米（600 吋）的純鐵薄圓盤。 在磁碟上搜尋資料的平均時間約為 XNUMX 毫秒。
隨著時間的推移，IBM 穩步改進了技術。 1961年推出 容量為 18.75 MB，每個碟片上都有讀取頭。 在 可移動磁碟盒出現，自 1970 年起，IBM 3330 中引入了錯誤偵測和修正系統。 三年後他出現了 被稱為「溫徹斯特」。
溫徹斯特（來自英國溫徹斯特步槍） - XNUMX世紀下半葉美國溫徹斯特連發武器公司製造的步槍和霰彈槍的總稱。 這是第一批連發霰彈槍之一，在買家中非常受歡迎。 他們的名字來自公司的創辦人奧利佛·費雪·溫徹斯特。
IBM 3340 由兩個每個 30 MiB 的主軸組成，這就是為什麼 工程師將這張光碟稱為“30-30”。 這個名字讓人想起1894-30 溫徹斯特步槍的溫徹斯特30 型步槍，領導IBM 3340 開發的肯尼思·霍頓(Kenneth Haughton) 說：“如果它是30-30，那它一定是溫徹斯特。」30 -30，那麼它一定是溫徹斯特。」）。 從此，不僅步槍，連硬碟也被稱為「硬碟」。
三年後，IBM 3350「馬德里」發布，配備 14 吋盤片，訪問時間為 25 毫秒。
第一個 SSD 驅動器由 Dataram 於 1976 年創建。 Dataram BulkCore 驅動器由一個帶有八個 RAM 記憶棒的底盤組成，每個記憶棒的容量為 256 KiB。 與第一個硬碟相比，BulkCore 很小：長 50,8 公分、寬 48,26 公分、高 40 公分。 同時，該模型的資料存取時間僅為 750 ns，比當時最現代的 HDD 驅動器快 30000 倍。
1978 年，Shugart Technology 成立，一年後更名為 Seagate Technology，以避免與 Shugart Associates 發生衝突。 經過兩年的努力，希捷發布了 ST-506，這是第一款用於個人電腦的 5.25 吋外形、容量為 5 MiB 的硬碟。
除了 Shugart Technology 的出現之外，1978 年還因 StorageTek 發布了第一款企業級 SSD 而被人們銘記。 StorageTek STC 4305 保存了 45 MiB 的資料。 這款 SSD 是作為 IBM 2305 的替代品而開發的，具有相似的尺寸，但價格卻高達 400 萬美元。
1982年，SSD進入個人電腦市場。 Axlon公司正在專門為Apple II開發一款名為RAMDISK 320的RAM晶片上的SSD磁碟。由於該驅動器是在易失性記憶體的基礎上創建的，因此套件中提供了電池以確保資訊的安全。 電池容量足以在斷電情況下自主運作3小時。
一年後，Rodime 將發布首款 RO352 10 MiB 硬碟，採用現代用戶熟悉的 3.5 吋外型。 儘管這是這種外形尺寸的首款商用硬碟，但 Rodime 基本上沒有做任何創新。
這種外形尺寸的第一個產品被認為是 Tandon 和 Shugart Associates 推出的軟碟機。 而且，希捷和MiniScribe同意採用3.5吋行業標準，讓Rodime落後，面臨「專利流氓」和徹底退出硬碟生產行業的命運。
1980年，東芝工程師Fujio Masuoka教授為一種名為NOR快閃記憶體的新型記憶體註冊了專利。 開發歷時4年。
NOR 記憶體是經典的二維導體矩陣，其中一個單元安裝在行和列的交叉處（類似磁芯上的記憶體）。
1984 年，增岡教授在國際電子開發者會議上談到了他的發明，而英特爾很快就認識到了這一發展的前景。 增岡教授所在的東芝不認為快閃記憶體有什麼特別的，因此按照英特爾的要求製作了幾台原型機進行研究。
英特爾對Fujio的開發感興趣，促使東芝分配了五名工程師來幫助這位教授解決將發明商業化的問題。 英特爾則投入了 XNUMX 名員工來創建自己的快閃記憶體版本。
當英特爾和東芝在快閃儲存領域進行開發時，1986 年發生了兩件重要事件。 首先，SCSI，一套電腦和周邊設備之間通訊的約定，已經被正式標準化。 其次，開發了 AT 附件 (ATA) 接口，其品牌名稱為整合式驅動電子 (IDE)，因此驅動控制器被移至驅動器內部。
三年來，Fujio Mausoka 致力於改進快閃記憶體技術，並於 1987 年開發了 NAND 記憶體。
NAND記憶體與NOR記憶體相同，組織成三維陣列。 主要區別在於訪問每個小區的演算法變得更加複雜，小區面積變得更小，總容量顯著增加。
一年後，Intel開發了自己的NOR閃存，Digipro在其上製作了名為Flashdisk的驅動器。 第一個版本的 Flashdisk 最大配置包含 16 MiB 數據，成本不到 500 美元
在 80 年代末和 90 年代初，硬碟製造商競相將驅動器做得更小。 1989 年，PrairieTek 發布了 220 英寸外形的 PrairieTek 20 2.5 MiB 驅動器。 兩年後，Integral Peripherals 推出了 Integral Peripherals 1820 “Mustang” 光碟，其體積相同，但尺寸已達到 1.8 吋。 一年後，惠普將磁碟尺寸縮小至 1.3 吋。
希捷仍然忠於 3.5 英寸外形尺寸的硬碟，並依靠提高轉速，於 1992 年發布了著名的 Barracuda 型號，這是第一款主軸速度為 7200 rpm 的硬碟。 但希捷並不打算就此止步。 1996 年，Seagate Cheetah 系列硬碟的轉速達到了 10000 rpm，四年後，X15 改型的轉速達到了 15000 rpm。
2000 年，ATA 介面被稱為 PATA。 原因是串列 ATA (SATA) 介面的出現，該介面具有更緊湊的電線、熱插拔支援和更高的資料傳輸速度。 希捷在這方面也處於領先地位，並於 2002 年發布了第一款具有這種介面的硬碟。
快閃記憶體最初的生產成本非常昂貴，但在 2000 年代初期成本急劇下降。 Transcend 利用這一優勢，於 2003 年推出了容量從 16 MiB 到 512 MiB 的 SSD 驅動器。 三年後，三星和閃迪加入量產。 同年，IBM 將其磁碟部門出售給日立。
固態硬碟正在蓬勃發展，但有一個明顯的問題：SATA 介面比 SSD 本身慢。 為了解決這個問題，NVM Express Workgroup 開始開發 NVMe——一種直接透過 PCIe 匯流排存取 SSD 的協定規範，繞過 SATA 控制器形式的「中介」。 這將允許以 PCIe 總線速度進行資料存取。 兩年後，該規範的第一個版本準備就緒，一年後第一個 NVMe 驅動器出現。
現代 SSD 和 HDD 之間的差異
在物理層面上，SSD 和 HDD 之間的差異很明顯：SSD 沒有機械元件，資訊儲存在儲存單元中。 沒有行動元件導致可以快速存取記憶體任何部分中的數據，但是重寫週期的數量是有限的。 由於每個儲存單元的重寫週期數量有限，因此需要一種平衡機制——透過在單元之間傳輸資料來平衡單元磨損。 這項工作由磁碟控制器執行。
為了進行平衡，SSD控制器需要知道哪些單元被佔用，哪些單元是空閒。 控制器能夠追蹤單元本身的資料記錄，而刪除則無法進行。 如您所知，當使用者刪除檔案時，作業系統（OS）不會刪除磁碟上的數據，而是將相應的記憶體區域標記為空閒。 此方案消除了使用HDD時等待磁碟操作的需要，但完全不適合操作SSD。 SSD 驅動器控制器使用位元組而不是檔案系統，因此在刪除檔案時需要單獨的訊息。
這就是TRIM（英文-trim）指令的出現，作業系統透過這個指令通知SSD磁碟控制器釋放某個記憶體區域。 TRIM 指令會永久刪除磁碟中的資料。 並非所有作業系統都知道要向固態磁碟機發送此命令，磁碟陣列模式下的硬體 RAID 控制器從未向磁碟發送 TRIM。
待續...
在接下來的部分中，我們將討論固態硬碟的外形尺寸、連接介面和內部組織。
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來源： www.habr.com