Изучение истории дисков — начало пути к пониманию принципов работы твердотельных накопителей. Первая часть нашего цикла статей «Введение в SSD» проведет экскурс в историю и позволит наглядно понять разницу между SSD и его ближайшим конкурентом — HDD.
Несмотря на обилие различных устройств для хранения информации, популярность HDD и SSD в наше время неоспорима. Разница между этими двумя видами накопителей для обывателя очевидна: SSD дороже и быстрее, а HDD дешевле и вместительнее.
Отдельное внимание следует обратить на единицу измерения вместимости накопителей: исторически сложилось, что десятичные приставки, такие как кило- и мега-, в контексте информационных технологий подразумевают как десятая и двадцатая степень двойки. Для исключения путаницы были введены двоичные приставки киби-, меби- и другие. Разница этих приставок становится заметной с увеличением объема: покупая диск на 240 гигабайт, вы можете сохранить на нём 223.5 гибибайта информации.
Погружение в историю
Разработка первого жесткого диска велась с 1952 года компанией IBM. 14 сентября 1956 года был анонсирован итоговый результат разработок — IBM 350 Model 1. Накопитель вмещал 3.75 мебибайт данных при весьма нескромных габаритах: 172 сантиметра в высоту, 152 сантиметра в длину и 74 сантиметра в ширину. Внутри располагались 50 покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм (24 дюйма). Среднее время поиска данных на диске занимало ~600 мс.
Время шло, и IBM уверенно улучшал технологию. В 1961 году представлен IBM 1301 вместимостью 18.75 мегабайт со считывающими головками на каждой пластине. В IBM 1311 появились съемные дисковые картриджи, а с 1970 года в IBM 3330 была внедрена система обнаружения и коррекции ошибок. Спустя три года появился IBM 3340 известный под названием «Winchester».
Винчестер (от англ. Winchester rifle) — общее название для винтовок и ружей, производившихся Winchester Repeating Arms Company в США во второй половине XIX века. Это были одни из первых многозарядных ружей, получивших огромную популярность среди покупателей. Своим названием они были обязаны основателю компании — Оливеру Фишеру Винчестеру (Oliver Fisher Winchester).
IBM 3340 состоял из двух шпинделей по 30 МиБ каждый, из-за чего инженеры называли этот диск «30-30». Это название напоминало о винтовке Winchester Model 1894 с патронами .30-30 Winchester, из-за чего Кеннет Хотон (Kenneth Haughton), руководящий разработкой IBM 3340, сказал «Если это 30-30, то это должен быть Винчестер» («If it's a 30-30, then it must be a Winchester.»). С тех пор «винчестером» называют не только винтовки, но и жесткие диски.
Спустя еще три года вышел IBM 3350 «Madrid» с 14-ти дюймовыми пластинами и временем доступа 25 мс.
Первый SSD-накопитель создан компанией Dataram в 1976 году. Накопитель Dataram BulkCore состоял из шасси с восьмью планками RAM-памяти объемом 256 КиБ каждая. В сравнении с первым жестким диском, BulkCore был крошечным: 50,8 см в длину, 48,26 см в ширину и 40 см в высоту. При этом время доступа к данным в этой модели составило всего 750 нс, что 30000 раз быстрее, чем у самого современного на тот момент HDD-диска.
В 1978 году основана компания Shugart Technology, которая спустя год меняет свое название на Seagate Technology во избежание конфликтов с Shugart Associates. Через два года работы Seagate на свет появляется ST-506 — первый жесткий диск для персональных компьютеров в форм-факторе 5.25 дюйма и вместимостью 5 МиБ.
Помимо появления Shugart Technology, 1978 год запомнился выпуском первого Enterprise SSD от компании StorageTek. StorageTek STC 4305 вмещал 45 МиБ данных. Этот SSD разрабатывался как замена IBM 2305, имел схожие размеры и стоил невероятные 400 000$.
В 1982 году SSD приходит на рынок персональных компьютеров. Компания Axlon специально для Apple II разрабатывает SSD-диск на RAM-чипах под названием RAMDISK 320. Поскольку накопитель создавался на базе энергозависимой памяти, в комплекте поставлялся аккумулятор для поддержания сохранности информации. Емкости аккумулятора хватало на 3 часа автономной работы в случае потери электропитания.
Спустя год компания Rodime выпустит первый жесткий диск RO352 на 10 МиБ в привычном для современного пользователя форм-факторе 3.5 дюйма. Несмотря на то, что это первый коммерческий диск в таком форм-факторе, Rodime по сути не сделала ничего инновационного.
Первым продуктом в этом форм-факторе считается флоппи-дисковод, представленный компаниями Tandon и Shugart Associates. Более того, компании Seagate и MiniScribe договорились о принятии промышленного стандарта 3.5 дюйма, «оставив за бортом» Rodime, которую ждала судьба «патентного тролля» и полный выход из индустрии производства накопителей.
В 1980 году, инженер Toshiba, профессор Фудзио Масуока, зарегистрировал патент на новый вид памяти, названный Flash-памятью типа NOR. Разработка заняла 4 года.
NOR-память представляет собой классическую 2D матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке (аналог памяти на магнитных сердечниках).
В 1984 профессор Масуока рассказал о своем изобретении на конференции International Electronics Developers Meeting, где компания Intel быстро оценила перспективность данной разработки. Компания Toshiba, в которой работал профессор Масуока, не считала Flash-память чем-то особенным, а потому удовлетворила просьбу Intel сделать несколько опытных образцов для изучения.
Проявленный компанией Intel интерес к разработке Фудзио, подтолкнул Toshiba выделить пять инженеров в помощь профессору на решение проблемы коммерциализации изобретения. Intel, в свою очередь, бросил три сотни сотрудников на создание собственного варианта Flash-памяти.
Пока Intel и Toshiba вели разработки в области Flash-накопителей, в 1986 произошло два важных события. Во-первых, официально стандартизирован SCSI — набор соглашений для взаимодействия между компьютерами и периферийными устройствами. Во-вторых, разработан интерфейс AT Attachment (ATA), известный под брендовым названием Integrated Drive Electronics (IDE), благодаря которому контроллер диска переместился внутрь диска.
Три года Фудзио Маусока трудился над улучшением технологии Flash-памяти и к 1987 году разработал NAND-память.
NAND-память — та же самая NOR-память, организованная в трехмерный массив. Основным отличием стало то, что алгоритм доступа к каждой ячейке стал сложнее, площадь ячеек стала меньше, а общая емкость значительно увеличилась.
Годом позже компания Intel разработала собственную Flash-память типа NOR, а компания Digipro сделала на ней накопитель под названием Flashdisk. Первая версия Flashdisk в максимальной комплектации вмещала 16 МиБ данных и стоила менее 500$
В конце 80-х и начале 90-х производители жестких дисков соревновались в уменьшении размеров дисков. В 1989 компания PrairieTek выпускает диск PrairieTek 220 на 20 МиБ в форм-факторе 2.5 дюйма. Спустя два года Integral Peripherals создает диск Integral Peripherals 1820 «Mustang» с тем же объемом, но уже 1.8 дюйма. Годом позже Hewlett-Packard сократила размер диска до 1.3 дюйма.
Компания Seagate хранила верность дискам в форм-факторе 3.5 дюйма и делала ставку на увеличение скорости вращения, выпустив в 1992 свою знаменитую модель Barracuda, первый жесткий диск со скоростью вращения шпинделя 7200 оборотов в минуту. Но на этом Seagate не собиралась останавливаться. В 1996 диски линейки Seagate Cheetah достигли скорости вращения 10000 оборотов в минуту, а через четыре года модификация Х15 раскручивалась аж до 15000 оборотов в минуту.
В 2000 году интерфейс ATA стал называться PATA. Виной тому стало появление интерфейса Serial ATA (SATA) с более компактными проводами, поддержкой «горячей замены» и повышенной скоростью передачи данных. Seagate и здесь взяла первенство, выпустив первый жесткий диск с таким интерфейсом в 2002.
Производство Flash-памяти изначально было очень дорогим, но в начале 2000-х стоимость резко снизилась. Этим воспользовалась компания Transcend, в 2003 выпустившая SSD-диски объемом от 16 до 512 МиБ. Через три года к массовому производству подключились компании Samsung и SanDisk. В этом же году IBM продает свое дисковое подразделение компании Hitachi.
Твердотельные накопители набирали обороты и возникла очевидная проблема: интерфейс SATA был медленнее, чем сами SSD-накопители. Для решения этой проблемы рабочая группа NVM Express Workgroup начала разработку NVMe — спецификацию на протоколы доступа к SSD напрямую по шине PCIe, минуя «посредника» в виде SATA-контроллера. Это бы позволило получать доступ к данным со скоростью шины PCIe. Через два года первая версия спецификации была готова, а еще через год появился первый NVMe-накопитель.
Различия между современными SSD и HDD
На физическом уровне разница между SSD и HDD легко заметна: в SSD отсутствуют механические элементы, а информация хранится в ячейках памяти. Отсутствие подвижных элементов приводит к быстрому доступу к данным в любом участке памяти, однако, существует ограничение на количество циклов перезаписи. Из-за ограниченного количества циклов перезаписи каждой ячейки памяти возникает необходимость в механизме балансировки — выравнивании изношенности ячеек путем переноса данных между ячейками. Эту работу выполняет контроллер диска.
Для проведения балансировки контроллеру SSD необходимо знать, какие ячейки заняты, а какие свободны. Запись данных в ячейку контроллер способен отследить сам, чего нельзя сказать об удалении. Как известно, операционные системы (ОС) не стирают данные с диска, когда пользователь удаляет файл, а помечают соответствующие участки памяти как свободные. Такое решение избавляет от необходимости ожидания дисковой операции при использовании HDD, но совершенно не подходит для работы SSD. Контроллер SSD-диска работает с байтами, а не с файловыми системами, и поэтому требует отдельного сообщения об удалении файла.
Так появилась команда TRIM (англ. — подрезать), с помощью которой ОС уведомляет контроллер SSD-диска об освобождении определенной области памяти. Команда TRIM необратимо стирает данные с диска. Не все операционные системы знают о необходимости отправлять эту команду твердотельным накопителям, а аппаратные RAID-контроллеры в режиме дисковых массивов никогда не отправляют TRIM дискам.
Продолжение следует…
В следующих частях мы расскажем про форм-факторы, интерфейсы подключений и о внутренней организации твердотельных накопителей.
В нашей лаборатории Selectel Lab Вы можете самостоятельно протестировать современные HDD и SSD диски и сделать собственные выводы.
Комментарии (32)
kravtsov_victor
12.11.2019 16:44+1Отличная статья. Не знал, что SSD появились довольно давно.
SSD — это лучшее, что случалось с домашними ПК за последние годы. Ни один апгрейд ПК либо его полная замена не приносили столько эмоций, сколько принёс мой первый SSD — Crucial M4 на 128GB. Который, кстати, вместе с моим вторым SSD (OCZ Vertex 4 256GB) работает уже 7 или 8 лет. Когда 4 года назад купил свой сегодняшний системный блок, то переставил эти диск из предыдущего. Скоро буду опять менять системник — скорее всего OCZ в качестве системного диска перейдёт в уже 3-й компьютер. И куплю ещё один SSD на 512GB-1TB.
Почему два SSD в одном комьютере — один для системы, другой для игр. Игры нынче весят много. Быстрые загрузки игр с SSD — это прекрасно.
Darksa
12.11.2019 18:03Да, да! А еще SSD позволяют держать на домашнем ноутбуке кучу виртуальных машин запущенными, не особо заботясь о том, что дисковая подсистема станет «бутылочным горлышком». Минус SSD только один — чаще всего они умирают внезапно и уносят все содержимое в мир иной без возможности восстановления. HDD же умирают постепенно и зачастую можно успеть спасти данные.
Hait
12.11.2019 21:58я до смерти доводил только 2 диска. Но оба умерли за пару часов (скорость падала почти до 0, потом просто переставали определяться)
fgmatrix
12.11.2019 23:35У меня ssd умер внезапно — синий экран и невозможность загрузки. Но в другом компе определяется, позволяет прочитать файлы, но удалить или записать что-либо невозможно. Не самый худший вариант.
Dimasmir0
13.11.2019 14:25Блокировка на запись с одной стороны позволяет спасти свои файлы, с другой — ставит в неловкое положение при замене диска по гарантии. Вряд-ли кому-то в сервисном центре нужны мои файлы, но неприятно думать, что кто-то может начать копаться в моих документах.
ns3230
12.11.2019 20:46+1Аналогично. Пока был старый комп с древним (еще IDE) HDD Seagate на 200 ГБ, как-то не парился за накопители, вставляя «что бог подаст». Бывало, и по 5 мелких накопителей (на 80-200 ГБ) в системе жужжало. В начале 2016 сей винт сдох, а я начал думать о поэтапной сборке нового ПК. В числе первого железа был куплен Transcend SSD370S на 128 ГБ, как необходимый (системный то винт сдох) и универсальный (совместим с любым ПК) элемент. Вот это реально был прирост быстродействия. Не какая-то загрузка компа за 15 секунд, а общая отзывчивость. Запуск софта, сохранение документов, работа файла подкачки и все такое заметно ускорились. С тех пор не могу без SSD и когда меня спрашивают помощи в апгрейде — первым делом советую SSD, если его нет. Потому что реально, с SSD, даже бюджетным, условный старенький Q6600 или Xeon под 775 ведут себя намного отзывчивее, чем новый Core или Ryzen с системой на HDD. Ноут на базе i5-3317u или каком-то подобном проце прям на глазах преобразился после замены HDD на SSD.
А диск этот (SSD370S) у меня уже почти 4 года успешно трудится, будучи включенным 24/7. И родная прога (SSD Scope) показывает еще около 90% остаточного ресурса. Хотя никаких вредных советов, продлевающих жизнь (но зачастую уменьшающих преимущества SSD), типа переноса Program Files и файла подкачки на HDD, я не слушал. Вот что значит MLC животворящая.
dissection
13.11.2019 11:24Не понял, у Вас IDE винт до 2016 года дожил?
mikelavr
13.11.2019 11:44А почему нет? Вот буквально вчера вынул из компьютера жены ST3500630A, 500GB, PATA (Barracuda 7200.10). Полностью исправен, кстати (дата выпуска 2007-09-25). Просто перестало хватать места под бэкап.
Но да, это последний домашний компьютер с parallel ATA, и он стоит первым в очереди на следующий апгрейд. Сейчас там Intel Core 2 Quad Q9650 3000 MHz + 8GB DDR2-800, этого еще хватает, но уже видно подтормаживания в браузере.dissection
13.11.2019 12:38Просто не самый быстрый вариант, как для 2016 года. У меня, кстати, тоже где-то на балконе со сих пор лежит старый системник с тех годов. С Core 2 Duo и 8GB оперативки, только там козырная материнка, которая умеет в DDR2 или DDR3 на выбор, только не уверен, что IDE на ней есть. Да и в целом странно, если не ошибаюсь, IDE как раз в 2006-2007 годах начали массово выпиливать из новых на те времена железок.
ns3230
13.11.2019 13:08только не уверен, что IDE на ней есть.
IDE с мамок только этак в 2012 начали массово выпиливать. До этого он был не везде, но очень часто.
ns3230
13.11.2019 13:05Да. Пережил хз сколько сборок) Перовй сборкой его (по крайней мере, тот комп я так брал б/у) были Athlon 3000+ s754, 1 ГБ DDR-400, GeForce 6600GT 128 МБ, последней — Athlon II x4 630, 8 ГБ DDR3-1333, Radeon HD 7700 1 ГБ.
Был еще WD на 160 ГБ, с SATA1, тот тоже долго жил, только шумный очень со временем стал. Но он кажется, как и другие, ушел на продажу в какой-то сборке.
Я года до 2014 «подшабашивал» тем, что выискивал дешевую б/у комплектуху, параллельно и себя апгрейдил, и собирал системники, чтобы продать и копеечку наварить.
А что скорости касается — то я как-то внимания не обращал особо. Смотрел только на линейные показатели, а они у IDE и старых SATA не сильно отличались, где-то 80 МБ/с.
jedai
13.11.2019 11:24Не стоит уже переносить этого динозавра в третий раз. У SSD ограниченной количество циклов записи\стирания, и постоянное чтение в один локейшен ему пользы не принесет. А отвалится он, как уже сказали, — внезапно.
fgmatrix
13.11.2019 12:37С сентября 2012 года мой домашний купленный на CU vertex 4 на 128 Гб работает круглосуточно и помирать вообще не собирается, при этом ничего не оптимизировано, не перенесено, не убрано и не отключено из кэшей, свопов и временных папок. 97% ресурса осталось. Умели раньше делать — тяжёлый, железный. Это сейчас они по 30 грамм весят. И с чтением у ссд вообще никаких проблем, износ идёт по записи, при ресурсе в 100tbw вообще не задумываюсь. По личному опыту из пары сотен ссд отказало 2 — один сразу, второй через год, по хдд статистика печальнее.
По поводу внезапных отказов — не всегда они внезапные, просто не следит никто. Программа мониторинга s.m.a.r.t. умеет такое предсказывать по росту количества сбойных секторов. И есть варианты отказа — просто дохляк или уход в рид-онли.
DrPass
12.11.2019 18:13Первый SSD-накопитель создан компанией Dataram в 1976 году. Накопитель Dataram BulkCore состоял из шасси с восьмью планками RAM-памяти объемом 256 КиБ каждая
Мне кажется, его не совсем корректно называть SSD. Всё-таки это не накопитель, а вполне обычный для ЭВМ той эпохи блок памяти на ферритовых кольцах. Вот StorageTek STC 4305 уже заметно ближе к SSD, хотя по сути, это RAM-диск с батарейками. Но
а) самый что ни на есть твердотельный
б) с дисковым интерфейсом
… значит, SSD :)
kikiwora
12.11.2019 21:21Думаю что будущее за гибридом SSD и HDD, но не в том виде как сейчас, а в виде некоторого куба или коллекции кубов из специального материала, на которые будет в виде 3х-мерной матрицы записываться некоторая информация. Сделать это можно будет не только в бинарном виде, но и в любом другом.
При этом, по сути, он не будет ни механическим, ни электрическим, т.е., не стыкуется с современным понятием HDD/SSD, хотя по сути будет являться твердотельным.
Уверен что первые реализации уже есть, с помощью света / лазера. Наиболее подходящие название — световые кубы. Уверен что уже даже многоразовая запись возможна.
Но на ближайшее будущее лучшим вариантом является гибрид HDD + SSD.
Сам пользовался Fusion Drive и пришёл к выводу что это идел — комбинация скорости SSD с ёмкость HDD. На macOS реализовано превосходно.
Но будущее за световыми кубами. Они не подвержены электромагнитному и механическому воздействию, только воздействию высоких энергий, что де-факто позволит сохранять данные на тысячи и миллионы лет.
saboteur_kiev
13.11.2019 01:49Думаю что будущее за гибридом SSD и HDD
Будущее домашних устройств за SSD
HDD, если SSD не обскачет его по цене, останется в облачных датацентрах как медленный и дешевый накопитель.
DrPass
13.11.2019 02:35У меня такое впечатление, что вот это всё, что вы написали, вам инопланетяне нашептали. Я угадал?
wormball
13.11.2019 13:56Ну почему же сразу инопланетяне? Журнал «юный техник» это ещё 30 лет назад предсказывал.
serbod
13.11.2019 14:28В 1997 даже готовились к производству, а я в то время обучался в техникуме для работы на том самом заводе, и нам показывали, как это работает на примере голографических сувениров, выжженых лазером в акриле.
Мировой рынок готовится к появлению нового поколения информационных носителей DVD. Массовый их выпуск ожидается весной. Тем временем в России разворачивается проект, который в случае успеха сделает DVD технологией вчерашнего дня. Проект под названием «Трехмерная память» попал под контроль правительства РФ: с подачи Егора Строева Виктор Черномырдин подписал распоряжение о промышленном производстве в России сначала опытных образцов, а затем и серийном выпуске принципиально нового носителя информации — трехмерной оптико-электронной памяти. Производство должно развернуться на родине Егора Строева — в Орле.
185.147.37.91/doc/171853
serbod
13.11.2019 14:16Microsoft и Warner Bros. представили новую технологию хранения фильмов, которые теперь могут быть записаны на кварцевое стекло размером 75x75 мм и толщиной 2 мм. Первым фильмом, который был использован для создания кварцевой и почти вечной копии, стал оригинальный «Супермен» 1978 года. Данная технология является частью Project Silica от Microsoft Research, в ней используются специальные лазеры и искусственный интеллект для создания элемента хранения данных в кварцевом стекле.
В новом способе хранения данных Microsoft использует последние открытия в области сверхбыстрой лазерной оптики и искусственного интеллекта для хранения данных на кварцевом стекле. Лазер кодирует данные в стекле, создавая слои трехмерных наноразмерных решеток и деформаций на разных глубинах и под разными углами. Алгоритмы машинного обучения считывают записанные данные, декодируя узоры, которые создает поляризованный свет, проходящий через кварцевое стекло.
habr.com/ru/news/t/474616
varnav
13.11.2019 00:46Но ведь SSD уже вытеснили HDD.
EvGenius1900
13.11.2019 16:10в некоторых крупных фирмах админы до сих пор боятся SSD за то что те могут внезапно выйти из строя. Забывая что такое может случиться и с HDD
onegreyonewhite
13.11.2019 05:06Думаю всё же будущее за разумным подходом.
В ноутбуках 100% нужен SSD, чтобы меньше волноваться за механическое воздействие.
В PC и серверных решениях неплохо живут RAID'ы с writeback-кешем на SSD. В бюджетных решениях — lvmcache. Так получается производительность SSD, а предсказуемость HDD.
В различных "холодных" хранилищах могут даже ленточные накопители встречаться, но HDD сейчас там самое место.
Я надеюсь LVM доработают, чтобы можно было держать резервный SSD, чтобы при выходе из строя одного, данные писались на резервный. Тогда вообще идеально будет.
Sergery8205
13.11.2019 15:16Спасибо за справку. Оказывается SSD уже 4 десятка лет. Сам SSD держку только как область быстрой загрузки и различных кэшей. Все ценные данные линками файловой системы держу на обычных HDD. Такой вот гибридный вариант. Если умрет ОС — не жалко — новый SSD и восстановление из бэкапа. Если область с софтиной с игрушками — переустановить в два счета. Эти два подхода хранения данных не конкуренты друг другу, а взаимное дополнение. Очень, кстати, удачное.
Alexey-nla
13.11.2019 16:08Вопрос к автору: где взяли такое странное сокращение МиБ, КиБ? МегаБайты, КилоБайты, ГигаБайты сокращаются МБ (MB), КБ (KB), ГБ (GB), соответственно (в скобках английское написание) — это общемировой стандарт. Смысл, конечно понятен, но читая в общем-то неплохой текст постоянно «спотыкаешься» глазами об это.
Firemoon Автор
13.11.2019 16:10+1Это двоичные приставки. Предлагаемые Вами десятичные приставки на больших объёмах данных имеют значительное отклонение. Более подробно здесь: здесь.
Alexey-nla
14.11.2019 10:16Простите, но сами ссылку читали?
Позволю себе процитировать:
наименование и обозначение единицы количества информации «байт» (1 байт = 8 бит) применяются с двоичными приставками «Кило», «Мега», «Гига», которые соответствуют множителям 210, 220 и 230 (1 Кбайт = 1024 байт, 1 Мбайт = 1024 Кбайт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт). Указанные приставки пишутся с заглавной буквы[6].
допускается применение и международного обозначения единицы информации с приставками «K» «M» «G» (KB, MB, GB, Kbyte, Mbyte, Gbyte).
Там и таблица есть, где приписано, что применительно к объемам данных и по нашему стандарту, и по стандарту JEDEC применяются не десятичные множители, а двоичные — 2 в степени 10, 20, 30 и т.д.
И пишется все это все же без буквы «и». Это костыль, сродни программному.
EvGenius1900
13.11.2019 16:20В теории да — HDD надежней. НО, на практике ситуация другая: все зависит от производителя и линейки. У многих производителей болезнь одна: HDD выходит из строя в проде через 2-4 года, даже не сыпля СМАРТы.
SSD же хоть и имеют циклы перезаписи, но в проде работают не меньше, а порой и дольше. Проблемой остается только объем диска. Какие-нибудь 2 тб твердотела стоят столько же как топовый HDD с 6 тб.
Думаю твердотел вытеснит HDD в тот момент, когда появятся диски гб по 12-14, не по цене крыла от самолета.
tewak
Годно