Evolução da mídia de armazenamento Parte 4: Unidades de estado sólido

Olá pessoal! Esta é a parte final do nosso material sobre a evolução da mídia de armazenamento. E hoje falaremos sobre memória flash e unidades de estado sólido - sobre seu passado, presente e futuro.

A memória flash foi criada muito antes da primeira unidade flash. Fujio Masuoka, engenheiro da Toshiba, é considerado o pai da memória flash, cuja invenção foi apresentada em 1984 na conferência do IEEE em San Francisco. A propósito, o nome "flash" foi cunhado pelo colega de Masuoka, Shoji Ariizumi. O processo de exclusão de dados dessa memória o lembrou de um flash (do flash inglês).

A base da memória flash é a alteração e o registro de uma carga elétrica em uma região isolada da estrutura do semicondutor. Existem vários tipos de memória flash. O primeiro produto comercial foi a memória flash do tipo NOR, desenvolvida pela Intel. Isso aconteceu em 1988.

O design do flash NOR usa uma matriz bidimensional clássica de condutores, na qual uma célula está localizada na interseção de linhas e colunas. A vantagem desse design é que ele permite que você leia instantaneamente o estado de uma célula específica, aplicando uma tensão positiva à linha e coluna correspondentes.

Em 1989, a Toshiba lançou a memória flash do tipo NAND. A principal diferença entre o flash NAND e os chips NOR era que o design do NAND usava uma matriz tridimensional e não uma matriz bidimensional. Em outras palavras, se na NOR houvesse apenas uma célula na interseção de linhas e colunas, na NAND poderia haver várias.

Naturalmente, era tão fácil acessar uma célula específica como na NOR, agora era impossível, e o algoritmo para ler informações era muito mais complicado. No entanto, essa abordagem tornou possível criar chips de memória mais espaçosos. Nas modernas unidades flash e SSDs, é usada a memória NAND. Bem, os chips NOR encontraram aplicação em áreas onde a capacidade não desempenha um papel fundamental - por exemplo, na eletrônica automotiva.

Por um longo tempo, uma célula unitária pode armazenar apenas um bit de informação. Essa célula é chamada de célula de nível único (SLC). Então vieram células de vários níveis com capacidade de dois bits (MLC, célula de vários níveis). Finalmente, células de nível triplo foram desenvolvidas. Tais células se comparam favoravelmente à MLC em seu baixo custo. Portanto, o custo de 1 GB de memória TLC em 2015 foi de apenas US $ 0,4. O outro lado da memória com células de três níveis é sua baixa velocidade de gravação e menor recurso em comparação com o MLC.

Mas voltando às unidades de estado sólido. Curiosamente, mas o primeiro dispositivo SSD foi introduzido em 1976 - 8 anos antes da memória flash. Foi desenvolvido pela Dataram e foi chamado de Bulk Core.

Muitas pessoas acreditam erroneamente que qualquer SSD é baseado em memória flash, mas não é assim. Eles receberam o nome de SSD (Solid State Drive) porque não havia partes móveis em seu design.

A construção do Bulk Core consistia em um chassi especial medindo 19x15,75 polegadas e 8 slots de RAM localizados nele, com uma capacidade de 256 KB cada. Assim, a capacidade do dispositivo era de 2 MB. O núcleo em massa estava disponível por US $ 9.700.

Dois anos após o advento do Bulk Core, seguiu-se um dispositivo chamado STC 4305. A unidade foi desenvolvida pela StorageTek. O STC 4305 era do tamanho de uma sala inteira e podia armazenar 45 MB de informações. A largura de banda era de 1,5 MB / s, o que era cerca de 7 vezes maior que o do disco rígido IBM 2305. Mas o preço do inovador disco SSD era apropriado: o STC 4305 foi estimado em US $ 400 mil.

Em 1982, a Axlon lançou uma linha de unidades de estado sólido projetadas para uso com computadores Apple. Os dispositivos são chamados de Apple II RAMDisk. A partir do nome, fica claro que essas unidades usavam memória RAM. Sua capacidade não era tão impressionante: a versão com 320 KB de memória se tornou a mais popular. A propósito, para evitar a perda de informações, uma bateria recarregável foi fornecida com a unidade.

Em 1988, a Intel lançou os primeiros chips de memória flash NOR comerciais. Eles foram usados ​​no primeiro flash drive SSD - Flashdisk, desenvolvido pela Digipro e lançado no final de 1988. O Flashdisk foi projetado para uso em computadores IBM PC e pode armazenar até 16 MB de dados. Naquela época, o custo da unidade era de US $ 5000.

Um ano depois, a empresa israelense M-Systems também introduziu um SSD NOR flash, mas era apenas um protótipo. Por um longo tempo, os engenheiros israelenses modificaram o dispositivo e somente em 1995 a empresa conseguiu lançar um disco SSD comercial. Era um modelo FFD-350 (Fast Flash Disk), fabricado no formato usual de 3,5 ". A capacidade máxima de armazenamento era de 896 MB, embora tenham sido produzidas mesmo versões de 16 megabytes. O FFD-350 funcionou através da interface SCSI. Como o dispositivo atingiu várias dezenas de milhares de dólares, o FFD-350 foi usado apenas nas indústrias aeronáutica e militar e, na década seguinte, a M-Systems expandiu sua gama de dispositivos FFD com novas unidades com desempenho aprimorado.

Durante muito tempo, a memória flash foi um prazer bastante caro. No entanto, no início dos anos 2000, o custo de sua produção caiu significativamente. Isso foi usado pela Transcend, que em 2003 lançou módulos de memória flash conectados via interface Parallel ATA. A capacidade dessa unidade variava de 16 a 512 MB. Os preços desses dispositivos começaram em cerca de US $ 50, o que tornou os modelos da Transcend acessíveis a usuários comuns.

A Samsung iniciou seu rápido crescimento no mercado de unidades de estado sólido com o lançamento de uma unidade de 2,5 "com capacidade de 32 GB e um custo de US $ 699 em 2006. A SanDisk seguiu com uma unidade de 32GB de 2,5" com interface SATA.

Além disso, em 2006-2007, finalmente foi possível resolver o problema de um pequeno número de substituições de memória flash. Isso nos permitiu considerar as unidades de estado sólido como uma alternativa completa aos discos rígidos.

Nos anos seguintes, o mercado de SSDs se desenvolveu rapidamente. Um grande número de fabricantes adotou o lançamento de dispositivos. Portanto, a OCZ mostrou pela primeira vez suas próprias unidades de estado sólido na CES no início de 2008.

As características das unidades também estavam crescendo rapidamente: elas se tornaram cada vez mais espaçosas e rápidas. Nesse sentido, muitos fabricantes estão pensando em mudar para uma interface mais rápida. Foi assim que os primeiros SSDs PCI Express apareceram, em particular, o Fusion-io ioDrive Duo.

Hoje, a questão da interface é particularmente aguda. O principal problema com a interface SATA é que o desempenho dos SSDs modernos se tornou tão alto que a largura de banda desse barramento (e é de 600 MB / s) simplesmente não é suficiente para liberar totalmente o potencial dos dispositivos SSD. Para comparação: apenas duas pistas PCI Express 3.0 fornecem uma taxa de transferência efetiva de 1560 MB / s, quase três vezes maior que o mesmo SATA.

Juntamente com a mudança de interface, também está planejado mudar para o novo protocolo NVMe, que deve substituir o AHCI desatualizado. O uso do NVMe reduzirá a latência e fornecerá uma resposta mais rápida da unidade aos comandos, já que o protocolo foi originalmente "aprimorado" para o trabalho multithread com dados.

Muitos esperavam que em 2015 houvesse uma transição maciça do SATA para o PCI Express, mas isso não aconteceu. Com a introdução de novas tecnologias, os fabricantes preferiram a guerra de preços, cujo resultado foi a conquista de um baixo custo recorde de 1 GB de memória flash - US $ 0,4.

O ano de 2015 também marcou o início da transição para a tecnologia 3D V-NAND (Vertical NAND). Sua essência está no fato de que as células de memória estão localizadas não apenas planarmente, mas também em camadas. Isso permite aumentar a capacidade sem alterar os tamanhos individuais das células de memória. Um fato interessante é que a produção da memória flash 3D V-NAND não requer o uso dos mais recentes processos tecnológicos. Por exemplo, a Samsung usa um processo de fabricação de 40nm 3D V-NAND. O volume de chips da Samsung atinge 256 Gbps, enquanto as células estão localizadas em 48 camadas.

Infelizmente, hoje a Samsung é a única empresa que possui em seu arsenal de unidades de estado sólido usando essa tecnologia. No entanto, no próximo ano, a empresa sul-coreana certamente terá concorrentes. A Alliance of Micron e Intel, SK Hynix e Toshiba anunciaram seus planos para a memória 3D V-NAND. Além disso, na produção de memória flash TLC multicamada, a Toshiba usará sua própria tecnologia 3D BiCS NAND (Bit Cost Scalable), que tornará os chips menores e mais baratos que os concorrentes.

Além disso, não esqueça que em 2016 a nova tecnologia 3D XPoint, desenvolvida pela mesma aliança Micron Intel, deve ver a luz. Ainda não há muita informação sobre tecnologia.

Segundo os desenvolvedores, a tecnologia será baseada em uma mudança na resistência do material localizado entre os condutores, o que proporcionará à memória uma velocidade ultra-alta de leitura e gravação. Entre outras coisas, eles prometem que a memória 3D XPoint será 1000 vezes mais resistente ao desgaste e, ao usar os protocolos PCI Express e NVMe, terá 10 vezes menos latência que a memória flash NAND. Os dispositivos com memória 3D XPoint serão chamados Intel Optane e serão usados ​​em data centers.

Isso conclui nossa série de artigos sobre a evolução da mídia de armazenamento. Mas haverá muitas coisas mais interessantes pela frente! Fique atento.

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