Estudar a história das unidades é o começo do caminho para entender como as unidades de estado sólido funcionam. A primeira parte de nossa série de artigos “Introdução ao SSD” fornecerá uma visão histórica e permitirá que você compreenda claramente a diferença entre o SSD e seu concorrente mais próximo - o HDD.
Apesar da abundância de vários dispositivos para armazenar informações, a popularidade do HDD e do SSD em nossos dias é inegável. A diferença entre esses dois tipos de unidades para o leigo é óbvia: os SSDs são mais caros e mais rápidos, e os HDDs são mais baratos e mais espaçosos.
Atenção especial deve ser dada à unidade de medida da capacidade de armazenamento: historicamente, prefixos decimais, como quilo e mega, no contexto da tecnologia da informação, significam a décima e a vigésima potência de duas. Para eliminar a confusão, foram introduzidos os prefixos binários kibi-, mebel e outros. A diferença entre esses consoles se torna notável com um aumento no volume: ao comprar um disco de 240 gigabytes, você pode economizar 223,5 gibibytes de informações nele.
Imersão na história
O desenvolvimento do primeiro disco rígido está em andamento desde 1952 pela IBM. Em 14 de setembro de 1956, o resultado final do desenvolvimento foi anunciado - o IBM 350 Modelo 1. A unidade continha 3,75 mebibytes de dados com dimensões muito modestas: 172 centímetros de altura, 152 centímetros de comprimento e 74 centímetros de largura. No interior havia 50 discos finos revestidos de ferro puro com um diâmetro de 610 mm (24 polegadas). O tempo médio para procurar dados em um disco levou ~ 600 ms.
O tempo passou e a IBM melhorou com confiança a tecnologia. Em 1961, o
IBM 1301 foi introduzido com uma capacidade de 18,75 megabytes com cabeçotes de leitura em cada placa.
O IBM 1311 introduziu cartuchos de disco removíveis e, desde 1970, um sistema de detecção e correção de erros foi introduzido no IBM 3330. Três anos depois, o
IBM 3340, conhecido como Winchester, apareceu.
Winchester (do rifle inglês Winchester) é o nome geral dos rifles e rifles fabricados pela Winchester Repeating Arms Company nos EUA na segunda metade do século XIX. Estes foram um dos primeiros rifles multi-shot que ganharam imensa popularidade entre os compradores. Eles deviam seu nome ao fundador da empresa, Oliver Fisher Winchester.
O IBM 3340 consistia em dois eixos de 30 MiB cada, razão pela qual os engenheiros chamaram esse disco de "30-30" . O nome lembrava um fuzil Winchester Modelo 1894 com cartuchos Winchester 30-30, e é por isso que Kenneth Haughton, gerente de desenvolvimento IBM 3340, disse: "Se são 30-30, deve ser Winchester". 30-30, então deve ser um Winchester. ”). Desde então, não apenas os rifles, mas também os discos rígidos são chamados de "Winchester".
Três anos depois, o IBM 3350 Madrid saiu com bolachas de 14 polegadas e um tempo de acesso de 25 ms.
A primeira unidade SSD foi criada pela Dataram em 1976. A unidade Dataram BulkCore consistia em um chassi com oito slots de 256 KiB RAM. Comparado ao primeiro disco rígido, o BulkCore era pequeno: 50,8 cm de comprimento, 48,26 cm de largura e 40 cm de altura. O tempo de acesso a dados neste modelo foi de apenas 750 ns, 30.000 vezes mais rápido que o disco rígido mais moderno da época.
Em 1978, foi fundada a Shugart Technology, que um ano depois muda seu nome para Seagate Technology para evitar conflitos com a Shugart Associates. Após dois anos de trabalho da Seagate, o ST-506 aparece - o primeiro disco rígido para computadores pessoais no formato 5,25 polegadas e com capacidade de 5 MiB.
Além do advento da Shugart Technology, 1978 foi lembrado pelo lançamento do primeiro SSD corporativo da StorageTek. O StorageTek STC 4305 continha 45 MiB de dados. Projetado como um substituto para o IBM 2305, este SSD foi semelhante em tamanho e custou incríveis US $ 400.000.
Em 1982, a SSD entrou no mercado de computadores pessoais. A empresa Axlon especificamente para Apple II está desenvolvendo um drive SSD em chips de RAM chamado RAMDISK 320. Como o drive foi criado com base em memória volátil, uma bateria foi fornecida para manter a segurança das informações. A capacidade da bateria foi suficiente para 3 horas de duração da bateria em caso de perda de energia.
Um ano depois, a Rodime lançará o primeiro disco rígido de 10 MiB RO352 em um formato de 3,5 polegadas, familiar ao usuário moderno. Apesar de este ser o primeiro disco comercial nesse formato, a Rodime não fez nada de inovador.
O primeiro produto nesse formato é a unidade de disquete fornecida pela Tandon e Shugart Associates. Além disso, a Seagate e o MiniScribe concordaram em adotar o padrão da indústria de 3,5 polegadas, deixando Rodime "fora de borda" aguardado pelo destino do "troll de patentes" e completa saída da indústria de discos.
Em 1980, o engenheiro da Toshiba, professor Fujio Masuoka, registrou uma patente para um novo tipo de memória chamado tipo de memória Flash NOR. O desenvolvimento levou 4 anos.
A memória NOR é uma matriz 2D clássica de condutores , na qual na interseção de linhas e colunas uma célula é instalada (uma analogia da memória em núcleos magnéticos).
Em 1984, o professor Masuoka falou sobre sua invenção no International Electronics Developers Meeting, onde a Intel rapidamente apreciou a promessa desse desenvolvimento. A Toshiba, na qual o professor Masuoka trabalhava, não considerava a memória Flash algo especial e, portanto, concedeu o pedido da Intel para fazer vários protótipos para estudo.
O interesse da Intel em desenvolver o Fujio levou a Toshiba a identificar cinco engenheiros para ajudar o professor a resolver o problema de comercializar a invenção. A Intel, por sua vez, contratou trezentos funcionários para criar sua própria versão da memória Flash.
Enquanto a Intel e a Toshiba estavam desenvolvendo drives Flash, dois eventos importantes ocorreram em 1986. Primeiro, o SCSI é oficialmente padronizado - um conjunto de acordos para a interação entre computadores e dispositivos periféricos. Em segundo lugar, a interface AT Attachment (ATA), conhecida sob o nome de marca Integrated Drive Electronics (IDE), foi desenvolvida, graças à qual o controlador de disco se moveu dentro do disco.
Por três anos, Fujio Mausoka trabalhou na melhoria da tecnologia Flash e, em 1987, havia desenvolvido memória NAND.
A memória NAND é a mesma memória NOR organizada em uma matriz tridimensional . A principal diferença foi que o algoritmo de acesso para cada célula ficou mais complicado, a área das células ficou menor e a capacidade total aumentou significativamente.
Um ano depois, a Intel desenvolveu sua própria memória flash do tipo NOR, e a Digipro construiu uma unidade flash chamada Flashdisk. A primeira versão do Flashdisk na configuração máxima continha 16 MiB de dados e custa menos de US $ 500
No final dos anos 80 e início dos 90, os fabricantes de discos rígidos competiam no downsizing. Em 1989, a PrairieTek lançou o disco PrairieTek 220 20 MiB em um formato de 2,5 polegadas. Dois anos depois, a Integral Peripherals cria o Mustang Integral Peripherals 1820 com o mesmo volume, mas já com 1,8 polegadas. Um ano depois, a Hewlett-Packard reduziu o tamanho do disco para 1,3 polegadas.
A Seagate permaneceu fiel às suas unidades de 3,5 polegadas e confiou no aumento da velocidade ao lançar seu famoso modelo Barracuda em 1992, o primeiro disco rígido com velocidades de eixo de 7200 rpm. Mas a Seagate não ia parar por aí. Em 1996, os discos da linha Seagate Cheetah atingiram uma velocidade de 10.000 rpm e, quatro anos depois, a modificação do X15 girou até 15.000 rpm.
Em 2000, a interface ATA ficou conhecida como PATA. O motivo disso foi o surgimento da interface Serial ATA (SATA) com cabos mais compactos, suporte para "hot swap" e maior velocidade de transferência de dados. A Seagate assumiu a liderança aqui, lançando o primeiro disco rígido com essa interface em 2002.
A produção de memória flash era inicialmente muito cara, mas no início dos anos 2000, o custo caiu acentuadamente. A Transcend aproveitou isso, em 2003, lançou discos SSD em volumes de 16 a 512 MiB. Três anos depois, a Samsung e a SanDisk ingressaram na produção em massa. No mesmo ano, a IBM vendeu sua divisão de discos para a Hitachi.
Os SSDs estavam ganhando força e havia um problema óbvio: a interface SATA era mais lenta que os próprios SSDs. Para resolver esse problema, o NVM Express Workgroup começou a desenvolver o NVMe - uma especificação para protocolos de acesso a SSDs diretamente via barramento PCIe, ignorando o "intermediário" na forma de um controlador SATA. Isso permitiria o acesso aos dados em uma velocidade de barramento PCIe. Dois anos depois, a primeira versão da especificação estava pronta e, um ano depois, a primeira unidade NVMe apareceu.
Diferenças entre SSDs modernos e HDDs
No nível físico, a diferença entre SSDs e HDDs é facilmente perceptível: não há elementos mecânicos nos SSDs e as informações são armazenadas nas células da memória. A ausência de elementos móveis leva ao acesso rápido aos dados em qualquer parte da memória; no entanto, há um limite no número de ciclos de reescrita. Devido ao número limitado de ciclos de reescrita para cada célula da memória, é necessário um mecanismo de equilíbrio - suavizando a deterioração das células pela transferência de dados entre as células. Este trabalho é feito pelo controlador de disco.
Para o balanceamento, o controlador SSD precisa saber quais células estão ocupadas e quais estão livres. O controlador é capaz de rastrear a gravação de dados na própria célula, o que não pode ser dito sobre a exclusão. Como você sabe, os sistemas operacionais (SO) não apagam os dados do disco quando o usuário exclui o arquivo, mas marcam as seções correspondentes da memória como livres. Esta solução elimina a necessidade de aguardar a operação do disco ao usar o HDD, mas é completamente inadequada para o SSD. O controlador SSD trabalha com bytes, não com sistemas de arquivos e, portanto, requer uma mensagem separada sobre a exclusão do arquivo.
Assim, o comando TRIM apareceu (por exemplo - trim), com o qual o SO notifica o controlador SSD da liberação de uma determinada área da memória. O comando TRIM apaga permanentemente os dados do disco. Nem todos os sistemas operacionais estão cientes da necessidade de enviar esse comando para SSDs, e os controladores RAID de hardware no modo de matriz de disco nunca enviam TRIM para discos.
Para continuar ...
Nas partes a seguir, falaremos sobre fatores de forma, interfaces de conexão e a organização interna de unidades de estado sólido.
Em nosso laboratório Selectel, você pode testar independentemente os HDDs e SSDs modernos e tirar suas próprias conclusões.