Speichermedienentwicklung Teil 4: Solid State Drives

Hallo allerseits! Dies ist der letzte Teil unseres Materials zur Entwicklung von Speichermedien. Und heute werden wir über Flash-Speicher und Solid-State-Laufwerke sprechen - über ihre Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft.

Der Flash-Speicher wurde lange vor dem ersten Flash-Laufwerk erstellt. Fujio Masuoka, Ingenieur bei Toshiba, gilt als Vater des Flash-Speichers, dessen Erfindung 1984 auf der IEEE-Konferenz in San Francisco vorgestellt wurde. Der Name „Flash“ wurde übrigens von Masuokas Kollegen Shoji Ariizumi geprägt. Das Löschen von Daten aus einem solchen Speicher erinnerte ihn an einen Blitz (aus dem englischen Blitz - Blitz).

Der Betrieb des Flash-Speichers basiert auf der Änderung und Registrierung einer elektrischen Ladung in einem isolierten Bereich einer Halbleiterstruktur. Es gibt verschiedene Arten von Flash-Speichern. Das erste kommerzielle Produkt war der von Intel entwickelte Flash-Speicher vom Typ NOR. Es geschah 1988.

Das NOR-Flash-Design verwendet eine klassische zweidimensionale Leitermatrix, bei der sich eine Zelle am Schnittpunkt von Zeilen und Spalten befindet. Der Vorteil dieses Entwurfs besteht darin, dass Sie den Status einer bestimmten Zelle sofort lesen können, indem Sie eine positive Spannung an die entsprechende Zeile und Spalte anlegen.

1989 führte Toshiba einen Flash-Speicher vom Typ NAND ein. Der Hauptunterschied zwischen den NAND-Flash- und NOR-Chips bestand darin, dass beim NAND-Design ein dreidimensionales Array und keine zweidimensionale Matrix verwendet wurde. Mit anderen Worten, wenn es in NOR nur eine Zelle am Schnittpunkt von Zeilen und Spalten gab, dann könnte es in NAND mehrere geben.

Natürlich war der Zugriff auf eine bestimmte Zelle genauso einfach wie in NOR, jetzt war es unmöglich und der Algorithmus zum Lesen von Informationen war viel komplizierter. Dieser Ansatz ermöglichte es jedoch, größere Speicherchips zu erzeugen. In modernen Flash-Laufwerken und SSDs wird NAND-Speicher verwendet. Nun, NOR-Chips haben Anwendung in Bereichen gefunden, in denen die Kapazität keine Schlüsselrolle spielt - zum Beispiel in der Automobilelektronik.

Eine Einheitszelle konnte lange Zeit nur ein Informationsbit speichern. Eine solche Zelle wird als Single-Level-Zelle (SLC) bezeichnet. Dann kamen mehrstufige Zellen mit Zwei-Bit-Kapazität (MLC, mehrstufige Zelle). Schließlich wurden dreistufige Zellen entwickelt. Solche Zellen sind in ihren geringen Kosten im Vergleich zu MLC günstig. Die Kosten für 1 GB TLC-Speicher beliefen sich 2015 also nur auf 0,4 USD. Die Kehrseite des Speichers mit dreistufigen Zellen ist seine niedrige Schreibgeschwindigkeit und geringere Ressource im Vergleich zum MLC.

Aber zurück zu Solid State Drives. Seltsamerweise wurde das erste SSD-Gerät 1976 eingeführt - 8 Jahre früher als der Flash-Speicher. Es wurde von Dataram entwickelt und hieß Bulk Core.

Viele Leute glauben fälschlicherweise, dass jede SSD auf Flash-Speicher basiert, aber das ist nicht so. Sie erhielten ihren Namen SSD (Solid State Drive), weil ihr Design keine beweglichen Teile enthielt.

Die Konstruktion des Bulk Core bestand aus einem speziellen Gehäuse mit einer Größe von 19 x 15,75 Zoll und 8 RAM-Steckplätzen mit einer Kapazität von jeweils 256 KB. Somit betrug die Gerätekapazität 2 MB. Der Bulk Core war für 9.700 US-Dollar erhältlich.

2 Jahre nach dem Erscheinen von Bulk Core folgte ein Gerät namens STC 4305. Das Laufwerk wurde von StorageTek entwickelt. Der STC 4305 hatte die Größe eines ganzen Raums und konnte 45 MB an Informationen speichern. Die Bandbreite betrug 1,5 MB / s und war damit etwa siebenmal höher als die der IBM 2305-Festplatte. Der Preis für das innovative SSD-Laufwerk war jedoch angemessen: Der STC 4305 wurde auf 400.000 US-Dollar geschätzt.

1982 führte Axlon eine Reihe von Solid-State-Laufwerken ein, die für die Verwendung mit Apple-Computern entwickelt wurden. Die Geräte heißen Apple II RAMDisk. Aus dem Namen wird deutlich, dass diese Laufwerke RAM-Speicher verwendeten. Ihre Kapazität war nicht so beeindruckend: Die Version mit 320 KB Speicher wurde die beliebteste. Um Informationsverlust zu vermeiden, wurde dem Laufwerk übrigens ein Akku mitgeliefert.

1988 stellte Intel die ersten kommerziellen NOR-Flash-Speicherchips vor. Sie wurden in der ersten Flash-Laufwerk-SSD - Flashdisk verwendet, die von Digipro entwickelt und Ende 1988 veröffentlicht wurde. Flashdisk war für die Verwendung auf IBM PC-Computern vorgesehen und konnte bis zu 16 MB Daten speichern. Zu diesem Zeitpunkt betrugen die Kosten für das Laufwerk 5000 US-Dollar.

Ein Jahr später stellte das israelische Unternehmen M-Systems auch eine NOR-Flash-SSD vor, die jedoch nur ein Prototyp war. Israelische Ingenieure haben das Gerät lange Zeit modifiziert, und erst 1995 gelang es dem Unternehmen, ein kommerzielles SSD-Laufwerk herauszubringen. Es war das FFD-350-Modell (Fast Flash Disk), das im üblichen 3,5-Zoll-Formfaktor hergestellt wurde. Die maximale Speicherkapazität betrug 896 MB, obwohl sogar 16-Megabyte-Versionen hergestellt wurden. Der FFD-350 arbeitete über die SCSI-Schnittstelle. Die Kosten hierfür Da das Gerät mehrere Zehntausend Dollar erreichte, wurde der FFD-350 nur in der Luftfahrt- und Militärindustrie eingesetzt. In den nächsten zehn Jahren erweiterte M-Systems sein Angebot an FFD-Geräten um neue Laufwerke mit verbesserter Leistung.

Flash-Speicher waren lange Zeit ein ziemlich teures Vergnügen. Anfang der 2000er Jahre sanken die Produktionskosten jedoch erheblich. Dies wurde von Transcend verwendet, das 2003 Flash-Speichermodule herausbrachte, die über die parallele ATA-Schnittstelle verbunden waren. Die Kapazität eines solchen Laufwerks lag zwischen 16 und 512 MB. Die Preise für diese Geräte begannen bei rund 50 US-Dollar, was Transcend-Modelle für normale Benutzer erschwinglich machte.

Samsung begann sein schnelles Wachstum im Solid-State-Laufwerksmarkt mit der Veröffentlichung eines 2,5-Zoll-Laufwerks mit einer Kapazität von 32 GB und Kosten von 699 US-Dollar im Jahr 2006. SanDisk folgte mit einem 2,5-Zoll-Laufwerk mit 32 GB und SATA-Schnittstelle.

Darüber hinaus war es 2006-2007 endlich möglich, das Problem einer geringen Anzahl von Überschreibungen des Flash-Speichers zu lösen. Dies ermöglichte es uns, Solid-State-Laufwerke als vollständige Alternative zu Festplatten zu betrachten.

In den folgenden Jahren hat sich der Markt für SSDs rasant entwickelt. Eine große Anzahl von Herstellern hat die Freigabe von Geräten aufgenommen. So zeigte OCZ Anfang 2008 erstmals auf der CES seine eigenen Solid-State-Laufwerke.

Die Eigenschaften von Antrieben wuchsen ebenfalls schnell: Sie wurden immer geräumiger und schneller. In diesem Zusammenhang denken viele Hersteller darüber nach, auf eine schnellere Schnittstelle umzusteigen. So entstanden die ersten PCI Express-SSDs, insbesondere das Fusion-io ioDrive Duo.

Die Frage nach der Schnittstelle ist heute besonders akut. Das Hauptproblem bei der SATA-Schnittstelle besteht darin, dass die Leistung moderner SSDs so hoch geworden ist, dass die Bandbreite dieses Busses (und 600 MB / s) einfach nicht ausreicht, um das Potenzial von SSD-Geräten voll auszuschöpfen. Zum Vergleich: Nur zwei PCI Express 3.0-Lanes bieten einen effektiven Durchsatz von 1560 MB / s, was fast dreimal höher ist als bei demselben SATA.

Neben der Änderung der Schnittstelle ist geplant, auf das neue NVMe-Protokoll umzusteigen, das das veraltete AHCI ersetzen soll. Die Verwendung von NVMe verringert die Latenz und bietet eine schnellere Reaktion des Laufwerks auf Befehle, da das Protokoll ursprünglich für die Multithread-Arbeit mit Daten „geschärft“ wurde.

Viele erwarteten, dass es 2015 zu einem massiven Übergang von SATA zu PCI Express kommen würde, aber dies geschah nicht. Bei der Einführung neuer Technologien bevorzugten die Hersteller den Preiskampf, der zu einem Rekordtief von 1 GB Flash-Speicher führte - 0,4 US-Dollar.

Das Jahr 2015 war auch der Beginn des Übergangs zur 3D-V-NAND-Technologie (Vertical NAND). Seine Essenz liegt in der Tatsache, dass Speicherzellen nicht nur planar, sondern auch in Schichten angeordnet sind. Auf diese Weise können Sie die Kapazität erhöhen, ohne die individuellen Größen der Speicherzellen zu ändern. Eine interessante Tatsache ist, dass für die Herstellung von 3D-V-NAND-Flash-Speichern nicht die neuesten technologischen Verfahren erforderlich sind. Zum Beispiel verwendet Samsung einen 40-nm-3D-V-NAND-Herstellungsprozess. Das Volumen der Samsung-Chips erreicht 256 Gbit / s, während sich die Zellen in 48 Schichten befinden.

Leider ist Samsung heute das einzige Unternehmen, das über ein Arsenal von Solid-State-Laufwerken verfügt, die diese Technologie verwenden. Trotzdem wird das südkoreanische Unternehmen im kommenden Jahr sicherlich Konkurrenten haben. Die Allianz von Micron und Intel, SK Hynix und Toshiba gaben ihre Pläne für 3D-V-NAND-Speicher bekannt. Darüber hinaus wird Toshiba bei der Herstellung von mehrschichtigen DC-Flash-Speichern eine eigene 3D-BiCS-NAND-Technologie (Bit Cost Scalable) verwenden, mit der die Chips kleiner und billiger als die Konkurrenz werden.

Vergessen Sie außerdem nicht, dass 2016 die neue 3D XPoint-Technologie, die von derselben Micron Intel-Allianz entwickelt wurde, das Licht der Welt erblicken sollte. Es gibt noch nicht viele Informationen über Technologie.

Laut den Entwicklern basiert die Technologie auf einer Änderung des Widerstands des Materials zwischen den Leitern, wodurch der Speicher eine ultrahohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit erhält. Sie versprechen unter anderem, dass der 3D-XPoint-Speicher 1000-mal verschleißfester ist und bei Verwendung des PCI Express- und NVMe-Protokolls eine 10-mal geringere Latenz als der NAND-Flash-Speicher aufweist. Geräte mit 3D-XPoint-Speicher werden als Intel Optane bezeichnet und in Rechenzentren verwendet.

Damit ist unsere Artikelserie zur Entwicklung der Speichermedien abgeschlossen. Aber es werden noch viele weitere interessante Dinge vor uns liegen! Bleib dran.

Source: https://habr.com/ru/post/de389043/