تطور وسائط التخزين الجزء 4: محركات الأقراص الصلبة

مرحبا بالجميع! هذا هو الجزء الأخير من موادنا حول تطور وسائط التخزين. واليوم سنتحدث عن ذاكرة الفلاش ومحركات الأقراص الصلبة - عن ماضيهم وحاضرهم ومستقبلهم.

تم إنشاء ذاكرة فلاش قبل وقت طويل من أول محرك أقراص محمول. يعتبر فوجيو ماسوكا ، وهو مهندس في توشيبا ، والد الذاكرة المحمولة ، الذي تم تقديم اختراعه في مؤتمر IEEE لعام 1984 في سان فرانسيسكو. بالمناسبة ، صاغ زميل ماسوكا شوجي أريزومي اسم "فلاش". ذكرته عملية حذف البيانات من هذه الذاكرة بفلاش (من الفلاش الإنجليزي - الفلاش).

يعتمد تشغيل الذاكرة المحمولة على تغيير وتسجيل شحنة كهربائية في منطقة معزولة من بنية أشباه الموصلات. هناك عدة أنواع من ذاكرة الفلاش. أول منتج تجاري كان ذاكرة فلاش من نوع NOR ، والتي تم تطويرها بواسطة Intel. حدث ذلك في عام 1988.

يستخدم تصميم NOR-flash مصفوفة ثنائية الأبعاد كلاسيكية من الموصلات ، حيث توجد خلية واحدة عند تقاطع الصفوف والأعمدة. ميزة هذا التصميم هي أنه يسمح لك بقراءة حالة خلية معينة على الفور ، مع تطبيق جهد إيجابي على الصف والعمود المقابل.

في عام 1989 ، قدمت توشيبا ذاكرة فلاش نوع NAND. كان الفرق الرئيسي بين NAND flash ورقائق NOR هو أن تصميم NAND استخدم مصفوفة ثلاثية الأبعاد ، وليس مصفوفة ثنائية الأبعاد. وبعبارة أخرى ، إذا كانت هناك خلية واحدة فقط في NOR عند تقاطع الصفوف والأعمدة ، فقد يكون هناك في NAND عدة خلايا.

بطبيعة الحال ، كان من السهل الوصول إلى خلية معينة كما هو الحال في NOR ، والآن كان ذلك مستحيلًا ، وكانت خوارزمية قراءة المعلومات أكثر تعقيدًا. ومع ذلك ، فإن هذا النهج جعل من الممكن إنشاء رقائق ذاكرة أكثر سعة. في محركات الأقراص المحمولة الحديثة ومحركات أقراص الحالة الثابتة ، يتم استخدام ذاكرة NAND. حسنًا ، وجدت رقائق NOR تطبيقًا في المجالات التي لا تلعب فيها السعة دورًا رئيسيًا - على سبيل المثال ، في إلكترونيات السيارات.

لفترة طويلة ، يمكن لخلية الوحدة تخزين معلومات واحدة فقط. تسمى هذه الخلية خلية أحادية المستوى (SLC). ثم جاءت الخلايا متعددة المستويات بسعة ثنائية (MLC ، خلية متعددة المستويات). وأخيرًا ، تم تطوير خلايا ثلاثية المستوى. هذه الخلايا تقارن بشكل إيجابي مع MLC في تكلفتها المنخفضة. لذا ، بلغت تكلفة 1 جيجابايت من ذاكرة TLC في 2015 0.4 دولار فقط. الجانب الآخر من الذاكرة مع الخلايا ثلاثية المستويات هو سرعة الكتابة المنخفضة والموارد الأقل مقارنة بـ MLC.

ولكن العودة إلى محركات الأقراص الصلبة. من الغريب ، ولكن تم تقديم أول جهاز SSD في 1976 - قبل 8 سنوات من ذاكرة الفلاش. تم تطويره بواسطة Dataram وكان يطلق عليه Core Core.

يعتقد كثير من الناس عن طريق الخطأ أن أي SSD يعتمد على ذاكرة فلاش ، ولكن هذا ليس كذلك. حصلوا على اسمهم SSD (محرك الحالة الصلبة) لأنه لم يكن هناك أجزاء متحركة في تصميمهم.

يتكون بناء الجزء الأساسي من هيكل خاص بقياس 19x15.75 بوصة و 8 فتحات ذاكرة الوصول العشوائي الموجودة عليه بسعة 256 كيلوبايت لكل منهما. وبذلك تكون سعة الجهاز 2 ميجابايت. كان الجزء الأساسي متاحًا مقابل 9700 دولار.

بعد عامين من ظهور Bulk Core ، تبع ذلك جهاز يسمى STC 4305 ، وتم تطوير محرك الأقراص بواسطة StorageTek. كانت STC 4305 بحجم غرفة كاملة ويمكنها تخزين 45 ميغابايت من المعلومات. عرض النطاق الترددي كان 1.5 ميغا بايت / ثانية ، وهو أعلى بنحو 7 أضعاف من محرك الأقراص الصلبة IBM 2305 ، ولكن سعر محرك SSD المبتكر كان مناسبًا: تم تقدير STC 4305 بـ 400 ألف دولار.

في عام 1982 ، قدم Axlon مجموعة من محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة المصممة للاستخدام مع أجهزة كمبيوتر Apple. تسمى الأجهزة Apple II RAMDisk. يتضح من الاسم أن محركات الأقراص هذه تستخدم ذاكرة RAM. لم تكن سعتهم مثيرة للإعجاب: أصبحت النسخة التي تحتوي على 320 كيلوبايت من الذاكرة الأكثر شيوعًا. بالمناسبة ، لمنع فقدان المعلومات ، تم تزويد بطارية قابلة لإعادة الشحن مع محرك الأقراص.

في عام 1988 ، قدمت Intel أول رقائق ذاكرة فلاش تجارية NOR. تم استخدامها في محرك الأقراص المحمول الأول SSD - Flashdisk ، الذي تم تطويره بواسطة Digipro وتم إصداره في أواخر عام 1988. تم تصميم Flashdisk للاستخدام على أجهزة كمبيوتر IBM PC ويمكنه تخزين ما يصل إلى 16 ميغابايت من البيانات. في ذلك الوقت ، كانت تكلفة محرك الأقراص 5000 دولار.

بعد ذلك بعام ، قدمت شركة M-Systems الإسرائيلية أيضًا محرك أقراص NOR flash SSD ، ولكنه كان مجرد نموذج أولي. لفترة طويلة ، قام المهندسون الإسرائيليون بتعديل الجهاز ، وفي عام 1995 فقط تمكنت الشركة من إطلاق محرك أقراص SSD تجاري. كان نموذج FFD-350 (Fast Flash Disk) ، تم تصنيعه في عامل الشكل المعتاد 3.5 بوصة. كانت السعة التخزينية القصوى 896 ميجابايت ، على الرغم من أنه تم إنتاج إصدارات 16 ميغا بايت. يعمل FFD-350 من خلال واجهة SCSI. تكلفة هذا نظرًا لأن الجهاز وصل إلى عشرات الآلاف من الدولارات ، فقد تم استخدام FFD-350 فقط في صناعات الطيران والعسكرية ، وخلال العقد التالي ، وسعت M-Systems نطاقها من أجهزة FFD بمحركات جديدة ذات أداء محسن.

لفترة طويلة كانت ذاكرة الفلاش متعة باهظة الثمن. ومع ذلك ، في أوائل 2000s ، انخفضت تكلفة إنتاجها بشكل ملحوظ. تم استخدام هذا من قبل Transcend ، الذي أطلق في عام 2003 وحدات ذاكرة فلاش متصلة عبر واجهة Parallel ATA. تراوحت سعة هذا المحرك من 16 إلى 512 ميجابايت. بدأت أسعار هذه الأجهزة عند حوالي 50 دولارًا ، مما جعل طرازات Transcend في متناول المستخدمين العاديين.

بدأت سامسونج النمو السريع لسوق محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة ، حيث أطلقت محرك 2.5 بوصة بسعة 32 جيجا بايت وبتكلفة 699 دولارًا في عام 2006. وتلاه سانديسك محرك أقراص 32 جيجا بايت 2.5 بوصة مع واجهة SATA.

بالإضافة إلى ذلك ، في 2006-2007 ، كان من الممكن أخيرًا حل مشكلة عدد صغير من عمليات الكتابة فوق الذاكرة المحمولة. سمح لنا ذلك بالنظر إلى محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة كبديل كامل لمحركات الأقراص الثابتة.

في السنوات اللاحقة ، تطورت سوق محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة بسرعة. تولى عدد كبير من الشركات المصنعة إطلاق الأجهزة. لذا ، أظهرت OCZ لأول مرة محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة الخاصة بها في CES في أوائل عام 2008.

كانت خصائص محركات الأقراص تنمو أيضًا بسرعة: فقد أصبحت أكثر قوة وسرعة. في هذا الصدد ، يفكر العديد من الشركات المصنعة في الانتقال إلى واجهة أسرع. هذه هي الطريقة التي ظهرت بها محركات أقراص PCI Express SSD الأولى ، على وجه الخصوص ، Fusion-io ioDrive Duo.

اليوم ، مسألة الواجهة حادة بشكل خاص. تكمن المشكلة الرئيسية في واجهة SATA في أن أداء محركات أقراص الحالة الثابتة الحديثة أصبح مرتفعًا جدًا لدرجة أن عرض النطاق الترددي لهذا الناقل (وهو 600 ميجابايت / ثانية) لا يكفي ببساطة لإطلاق العنان الكامل لإمكانات أجهزة SSD. للمقارنة: يوفر مساران PCI Express 3.0 فقط إنتاجية فعالة تبلغ 1560 ميجابايت / ثانية ، وهو ما يقرب من 3 أضعاف نفس SATA.

إلى جانب تغيير الواجهة ، من المخطط أيضًا التبديل إلى بروتوكول NVMe الجديد ، والذي يجب أن يحل محل AHCI القديم. سيؤدي استخدام NVMe إلى تقليل وقت الاستجابة وتوفير استجابة محرك أسرع للأوامر ، حيث تم "شحذ" البروتوكول في الأصل للعمل متعدد الخيوط مع البيانات.

توقع الكثير أنه في عام 2015 سيكون هناك انتقال هائل من SATA إلى PCI Express ، لكن هذا لم يحدث. إدخال التقنيات الجديدة ، فضل المصنعون حرب الأسعار ، وكانت النتيجة تحقيق تكلفة منخفضة قياسية من 1 غيغابايت من الذاكرة المحمولة - 0.4 دولار.

شهد عام 2015 أيضًا بداية الانتقال إلى تقنية V-NAND (Vertical NAND) ثلاثية الأبعاد. يكمن جوهرها في حقيقة أن خلايا الذاكرة لا توجد مستوية فحسب ، بل أيضًا في طبقات. هذا يسمح لك بزيادة السعة دون تغيير الأحجام الفردية لخلايا الذاكرة. حقيقة مثيرة للاهتمام هي أن إنتاج ذاكرة فلاش 3D V-NAND لا يتطلب استخدام أحدث العمليات التكنولوجية. على سبيل المثال ، تستخدم شركة Samsung عملية تصنيع 40nm 3D V-NAND. يصل حجم رقائق سامسونج إلى 256 جيجابايت في الثانية ، بينما توجد الخلايا في 48 طبقة.

لسوء الحظ ، تعد Samsung اليوم الشركة الوحيدة التي لديها ترسانة من محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة التي تستخدم هذه التقنية. ومع ذلك ، في العام المقبل ، سيكون لدى الشركة الكورية الجنوبية بالتأكيد منافسين. أعلن تحالف Micron و Intel و SK Hynix و Toshiba عن خططهم لذاكرة V-NAND ثلاثية الأبعاد. علاوة على ذلك ، في إنتاج ذاكرة فلاش TLC متعددة الطبقات ، ستستخدم توشيبا تقنية 3D BiCS NAND الخاصة بها (بت تكلفة قابلة للتحجيم) ، والتي ستجعل الرقائق أصغر وأرخص من المنافسين.

بالإضافة إلى ذلك ، لا تنس أنه في عام 2016 ، يجب أن ترى تقنية 3D XPoint الجديدة ، التي طورها نفس تحالف Micron Intel ، الضوء. لا يوجد الكثير من المعلومات حول التكنولوجيا حتى الآن.

وفقًا للمطورين ، ستعتمد التكنولوجيا على تغيير في مقاومة المواد الموجودة بين الموصلات ، مما سيوفر للذاكرة سرعة عالية جدًا في القراءة والكتابة. من بين أمور أخرى ، يعدون بأن الذاكرة ثلاثية الأبعاد XPoint ستكون أكثر مقاومة للتلف 1000 مرة ، وعند استخدام بروتوكول PCI Express و NVMe ، سيكون زمن الوصول أقل 10 مرات من ذاكرة فلاش NAND. ستسمى الأجهزة ذات الذاكرة ثلاثية الأبعاد XPoint Intel Optane وسيتم استخدامها في مراكز البيانات.

بهذا نختتم سلسلة مقالاتنا حول تطور وسائط التخزين. ولكن سيكون هناك الكثير من الأشياء الأكثر إثارة للاهتمام في المستقبل! ترقبوا.

Source: https://habr.com/ru/post/ar389043/