دراسة تاريخ محركات الأقراص هي بداية المسار لفهم كيفية عمل محركات الأقراص الصلبة. يمنحك الجزء الأول من سلسلة مقالاتنا "مقدمة إلى SSD" نظرة ثاقبة للتاريخ ويسمح لك بفهم الفرق بين SSD وأقرب منافسيها - HDD بوضوح.
على الرغم من وفرة الأجهزة المختلفة لتخزين المعلومات ، فإن شعبية الأقراص الصلبة ومحرك أقراص الحالة الثابتة في عصرنا لا يمكن إنكارها. الفرق بين هذين النوعين من محركات الأقراص للشخص العادي أمر واضح: محركات الأقراص الصلبة أعلى تكلفة وأسرع ، والأقراص الصلبة أرخص وأسرع.
يجب إيلاء اهتمام خاص لوحدة قياس سعة التخزين: تاريخيا ، البادئات العشرية ، مثل كيلو و ميجا ، في سياق تكنولوجيا المعلومات ، تعني القوة العاشرة والعشرون لاثنين. للتخلص من الالتباس ، تم تقديم بادئات ثنائية kibi- و mebel- وغيرها. يصبح الفرق بين هذه المفاتيح ملحوظًا مع زيادة في الحجم: عند شراء قرص سعة 240 غيغابايت ، يمكنك حفظ 223.5 غيغابايت من المعلومات عليه.
الانغماس في التاريخ
تم تطوير أول محرك أقراص ثابت منذ عام 1952 بواسطة شركة IBM. في 14 سبتمبر 1956 ، تم الإعلان عن نتيجة التطوير النهائية - نموذج IBM 350 1. احتوى محرك الأقراص على 3.75 ميغا بايت من البيانات ذات أبعاد غير متطابقة للغاية: ارتفاع 172 سم وطول 152 سم وعرض 74 سم. في الداخل ، كان هناك 50 قرصًا رقيقًا مطليًا بالحديد ، قطرها 610 مم (24 بوصة). استغرق متوسط وقت البحث عن البيانات على القرص حوالي 600 مللي ثانية.
مر الوقت ، و IBM تحسنت بثقة التكنولوجيا. في عام 1961 ، تم تقديم
IBM 1301 بسعة 18.75 ميغابايت مع رؤوس قراءة على كل لوحة. قدم
IBM 1311 خراطيش الأقراص القابلة للإزالة ، ومنذ عام 1970 ، تم تقديم نظام للكشف عن الأخطاء وتصحيحها في IBM 3330. بعد ثلاث سنوات ، ظهر
IBM 3340 ، المعروف باسم Winchester.
Winchester (من بندقية Winchester الإنجليزية) هو الاسم العام للبنادق والبنادق التي صنعتها شركة Winchester Repeating Arms Company في الولايات المتحدة الأمريكية في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. كانت هذه واحدة من البنادق متعددة الطلقات الأولى التي اكتسبت شعبية هائلة بين المشترين. انهم مدينون باسمهم لمؤسس الشركة ، أوليفر فيشر وينشستر.
يتكون IBM 3340 من مغزلين كل منهما 30 ميجابايت ، ولهذا السبب أطلق المهندسون هذا القرص على "30-30" . كان الاسم يذكرنا ببندقية وينشستر موديل 1894 مع خراطيش وينشستر 30-30 ، ولهذا السبب قال كينيث هاوتون ، مدير تطوير آي بي إم 3340 ، "إذا كان الأمر 30-30 ، فينبغي أن يكون وينشستر". 30-30 ، ثم يجب أن يكون وينشستر. "). منذ ذلك الحين ، لم يتم تسمية البنادق فقط ، ولكن أيضًا محركات الأقراص الصلبة "وينشستر".
بعد ثلاث سنوات ، خرج IBM 3350 Madrid مع رقائق بحجم 14 بوصة ووقت وصول قدره 25 مللي ثانية.
تم إنشاء محرك SSD الأول بواسطة Dataram في عام 1976. يتكون محرك Dataram BulkCore من هيكل مزود بثمانية فتحات ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) سعة 256 كيلوبايت. مقارنةً بأول محرك أقراص صلبة ، كان BulkCore صغيرًا: طوله 50.8 سم وعرضه 48.26 سم وارتفاعه 40 سم. كان وقت الوصول إلى البيانات في هذا النموذج 750 نانو ثانية فقط ، وهو أسرع بـ 30،000 مرة من أحدث محركات الأقراص الثابتة في ذلك الوقت.
في عام 1978 ، تم تأسيس Shugart Technology ، والتي غيرت اسمها بعد عام إلى Seagate Technology لتفادي التعارض مع Shugart Associates. بعد عامين من عمل Seagate ، يظهر ST-506 - أول محرك أقراص ثابت لأجهزة الكمبيوتر الشخصية في عامل الشكل مقاس 5.25 بوصة وبسعة 5 ميجابايت.
بالإضافة إلى ظهور Shugart Technology ، تم تذكير عام 1978 لإصداره أول SSD Enterprise ل StorageTek. StorageTek STC 4305 يحتوي على 45 ميجابايت من البيانات. تم تصميم SSD كبديل لجهاز IBM 2305 ، وكان مشابهًا في الحجم وتكلف 400000 دولار أمريكي.
في عام 1982 ، دخلت SSD سوق الكمبيوتر الشخصي. تقوم شركة Axlon خصيصًا لشركة Apple II بتطوير محرك أقراص SSD على شرائح RAM تسمى RAMDISK 320. نظرًا لأن محرك الأقراص تم إنشاؤه على أساس الذاكرة المتقلبة ، فقد تم توفير بطارية للحفاظ على سلامة المعلومات. كانت سعة البطارية كافية لمدة 3 ساعات من عمر البطارية في حالة فقدان الطاقة.
بعد مرور عام ، ستصدر Rodime أول 10 محركات أقراص ثابتة طراز MiB RO352 في عامل شكل 3.5 بوصة مألوف لدى المستخدم الحديث. على الرغم من أن هذا هو أول قرص تجاري في هذا الشكل ، إلا أن Rodime لم يقم بأي شيء مبتكر.
المنتج الأول في عامل الشكل هذا هو محرك الأقراص المرنة الذي توفره شركتي Tandon و Shugart Associates. علاوة على ذلك ، وافقت Seagate و MiniScribe على اعتماد معيار الصناعة 3.5 بوصة ، تاركة Rodime "خارجيًا" ينتظره مصير "troll براءة اختراع" والخروج الكامل من صناعة محرك الأقراص.
في عام 1980 ، قام مهندس Toshiba ، الأستاذ Fujio Masuoka ، بتسجيل براءة اختراع لنوع جديد من الذاكرة يسمى Flash memory type NOR. استغرق التطوير 4 سنوات.
NOR-memory عبارة عن مصفوفة كلاسيكية ثنائية الأبعاد من الموصلات ، حيث يتم تثبيت خلية واحدة عند تقاطع الصفوف والأعمدة (تناظرية الذاكرة على النوى المغناطيسية).
في عام 1984 ، تحدث الأستاذ ماسوكا عن اختراعه في الاجتماع الدولي لمطوري الإلكترونيات ، حيث أعربت Intel عن تقديرها السريع لهذا التطور. توشيبا ، التي عمل فيها الأستاذ ماسوكا ، لم تعتبر ذاكرة الفلاش شيئًا خاصًا ، وبالتالي فقد وافقت على طلب شركة إنتل بإجراء عدة نماذج أولية للدراسة.
دفع اهتمام إنتل بتطوير فوجيو Toshiba إلى تحديد خمسة مهندسين لمساعدة الأستاذ على حل مشكلة تسويق الاختراع. قامت إنتل بدورها بإلقاء ثلاثمائة موظف لإنشاء نسختها الخاصة من ذاكرة الفلاش.
أثناء تطوير Intel و Toshiba لمحركات أقراص Flash ، حدث حدثان مهمان في عام 1986. أولاً ، تم توحيد SCSI رسميًا - مجموعة من الاتفاقيات للتفاعل بين أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الطرفية. ثانياً ، تم تطوير واجهة AT Attachment (ATA) ، والمعروفة باسم العلامة التجارية Integrated Drive Electronics (IDE) ، بفضل نقل وحدة التحكم بالقرص داخل القرص.
لمدة ثلاث سنوات ، عمل Fujio Mausoka على تحسين تقنية Flash ، وبحلول عام 1987 ، طور ذاكرة NAND.
ذاكرة NAND هي نفس ذاكرة NOR المنظمة في صفيف ثلاثي الأبعاد . كان الاختلاف الرئيسي هو أن خوارزمية الوصول لكل خلية أصبحت أكثر تعقيدًا ، وأصبحت مساحة الخلايا أصغر ، وزادت السعة الإجمالية بشكل كبير.
بعد مرور عام ، طورت شركة Intel ذاكرة فلاش NOR من نوعها ، وقامت Digipro ببناء محرك أقراص محمول يسمى Flashdisk. احتوى الإصدار الأول من Flashdisk في التكوين الأقصى على 16 ميجابايت من البيانات وتكلفته أقل من 500 دولار
في أواخر الثمانينات وأوائل التسعينيات ، تنافس مصنعو الأقراص الصلبة في تقليص الحجم. في عام 1989 ، أصدرت PrairieTek قرص PrairieTek 220 20 MiB بعامل شكل 2.5 بوصة. بعد ذلك بعامين ، تخلق Integral Peripherals موستانج Integral Peripherals 1820 بنفس الحجم ، ولكن بالفعل 1.8 بوصة. وبعد مرور عام ، خفضت شركة Hewlett-Packard حجم القرص إلى 1.3 بوصة.
بقيت Seagate وفية لمحركات الأقراص 3.5 بوصة واعتمدت على زيادة السرعة من خلال إطلاق طراز Barracuda الشهير في عام 1992 ، وهو أول محرك أقراص ثابت بسرعات دوران تبلغ 7200 دورة في الدقيقة. لكن سيجيت لن تتوقف عند هذا الحد. في عام 1996 ، وصلت محركات خط Seagate Cheetah بسرعة 10000 دورة في الدقيقة ، وبعد أربع سنوات ، تم تعديل X15 بسرعة تصل إلى 15000 دورة في الدقيقة.
في عام 2000 ، أصبحت واجهة ATA معروفة باسم PATA. كان السبب في ذلك ظهور واجهة Serial ATA (SATA) مع أسلاك أكثر إحكاما ، ودعم "تبادل سريع" وزيادة سرعة نقل البيانات. احتلت Seagate موقع الصدارة هنا ، حيث أطلقت أول محرك أقراص ثابت بهذه الواجهة في عام 2002.
كان إنتاج ذاكرة الفلاش باهظ التكلفة في البداية ، ولكن في أوائل العقد الأول من القرن العشرين ، انخفضت التكلفة بشكل حاد. استغل Transcend هذا ، في عام 2003 أصدر أقراص SSD بأحجام من 16 إلى 512 ميجابايت. بعد ثلاث سنوات ، انضمت Samsung و SanDisk إلى الإنتاج الضخم. في نفس العام ، باعت شركة IBM قسم القرص لشركة هيتاشي.
كانت محركات أقراص الحالة الصلبة تكتسب زخماً وكانت هناك مشكلة واضحة: كانت واجهة SATA أبطأ من محركات أقراص الحالة الصلبة نفسها. لحل هذه المشكلة ، بدأت NVM Express Workgroup في تطوير NVMe - وهي مواصفات لبروتوكولات الوصول إلى محركات الأقراص الصلبة مباشرة عبر ناقل PCIe ، متجاوزة "الوسيط" في شكل وحدة تحكم SATA. هذا سيسمح بالوصول إلى البيانات بسرعة ناقل PCIe. بعد عامين ، كان الإصدار الأول من المواصفات جاهزًا ، وبعد مرور عام ، ظهر أول محرك أقراص NVMe.
الاختلافات بين محركات الأقراص الصلبة الحديثة والأقراص الصلبة
على المستوى المادي ، يمكن ملاحظة الفرق بين SSD و HDD بسهولة: لا توجد عناصر ميكانيكية في SSD ، ويتم تخزين المعلومات في خلايا الذاكرة. يؤدي غياب العناصر المنقولة إلى الوصول السريع إلى البيانات في أي جزء من الذاكرة ، ومع ذلك ، هناك حد لعدد دورات إعادة الكتابة. نظرًا للعدد المحدود من دورات إعادة الكتابة لكل خلية ذاكرة ، هناك حاجة إلى آلية موازنة - لتدهور تدهور الخلايا عن طريق نقل البيانات بين الخلايا. يتم هذا العمل من قبل وحدة تحكم القرص.
لتحقيق التوازن ، تحتاج وحدة تحكم SSD إلى معرفة الخلايا التي تكون مشغولة وأيها مجانية. وحدة التحكم قادرة على تتبع تسجيل البيانات في الخلية نفسها ، والتي لا يمكن أن يقال عن الحذف. كما تعلم ، فإن أنظمة التشغيل (OS) لا تمحو البيانات من القرص عندما يقوم المستخدم بحذف الملف ، ولكن يتم تمييز الأقسام المقابلة من الذاكرة على أنها مجانية. يلغي هذا الحل الحاجة إلى انتظار تشغيل القرص عند استخدام محرك الأقراص الثابتة ، ولكنه غير مناسب تمامًا لمحرك أقراص الحالة الصلبة. تعمل وحدة التحكم SSD مع وحدات البايت وليس أنظمة الملفات ، وبالتالي تتطلب رسالة منفصلة حول حذف الملف.
لذا ظهر الأمر TRIM (eng. - trim) ، والذي يقوم نظام التشغيل بإخطار وحدة تحكم SSD بإطلاق منطقة معينة من الذاكرة. يقوم الأمر TRIM بمسح البيانات من القرص نهائيًا. ليست جميع أنظمة التشغيل على دراية بالحاجة إلى إرسال هذا الأمر إلى محركات أقراص الحالة الثابتة ، ولا ترسل وحدات تحكم RAID للأجهزة في وضع صفيف القرص TRIM إلى الأقراص.
أن تستمر ...
في الأجزاء التالية ، سنتحدث عن عوامل النموذج ، واجهات الاتصال ، والتنظيم الداخلي لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة.
في Selectel Lab لدينا ، يمكنك اختبار محركات الأقراص الصلبة ومحركات أقراص الحالة الصلبة الحديثة واستخلاص استنتاجاتك الخاصة.