Привычка — штука въедливая. Вот пока все остальные комплектующие компьютеров изменялись внешне или революционно перетряхивали архитектуру, жёсткие диски всё ещё походили на усовершенствованное оружие древности — эдакую дубину с GPS и голосовым помощником для охоты на мамонтов. Тем удивительнее, что твердотельные накопители пришли на смену предшественникам и стали популярными лишь в XXI веке. Сегодня мы, разберёмся, откуда они вообще пришли в компьютеры, и как смогли перевоплотиться из сателлитов «тарахтелок с блинами» в миниатюрные, сверхскоростные и единственно «правильные» запоминающие устройства.
На заре цифровой эры компьютеры с обильным количеством «подвижного» железа никого не удивляли — хотя бы потому, что вычислительные машины тех лет были размером со шкаф, а полупроводниковая индустрия переживала своё детство. И пусть SSD запомнились нам, как новомодный компонент компьютера, уже начиная с 1970-х годов инженеры колдовали над заменой нерасторопным и «вызывающе механическим» жёстким дискам.
SSD в 1970-1990-х: беспощадно дорогая экзотика
Подобно тому, как друг познаётся в беде — компьютерные технологии сначала обкатываются в корпоративном сегменте, и только потом попадают в крупносерийную технику. Можно завидовать «проклятым капиталистам», которые заполучают классные новшества прежде, чем последние станут доступны рядовому гику, но в случае с ранними моделями SSD такой пафос был полностью оправдан — домашние компьютеры были просто не в состоянии «раскачать» дичайше дорогие и быстрые накопители, в отличие от мейнфреймов со специализированными вычислениями в крупных корпорациях.
Тем паче, что и сами SSD были уже ещё не те — первоначально термин относился к любому накопителю, в котором не было подвижных частей. То есть, задолго до изобретения флеш-памяти в продажу поступали модели, состоящие из нескольких модулей RAM вместо энергонезависимых компонентов для хранения данных. Яркий тому пример — первый в мире SSD «Bulk core» (1976 год!) производства корпорации Dataram: с 8 планками памяти суммарным объёмом 2 Мбайт, ценой порядка $10 тысяч (на эти деньги можно было купить примерно 7 компьютеров Apple) и дизайном элитного мангала.
Первые SSD были набиты модулями RAM и походили на шашлычницу
И ничего — никто не переживал, что такой накопитель слабо подходил для конечного потребителя. Учёные фиксировали на сверхбыстрой памяти требовательные к скорости отклика вычисления, нефтяные компании с помощью передового железа проводили сейсмические исследования, и т.д. Правда, долговечностью RAM-накопители не отличались, и подключались к рабочим станциям/серверам DEC и Data General посредством интерфейса Standard Disk Interconnect. Последователи придерживались примерно этой же концепции, поэтому в стане SSD царил далёкий от потребительского рынка корпоративный «мрак».
За пределы бизнес-сектора твердотельные накопители впервые выглянули в 1982 году, когда компания Axlon выкатила «RAM Disk» для домашних компьютеров Apple II — целых 320 Кбайт на базе RAM-памяти с аккумуляторами на 3 часа работы, чтобы скоропостижно не потерять все эти данные. Стоила новинка едва ли не больше, чем сам компьютер (порядка $1400). А подключалось всё это добро к стандартным слотам расширения и было экзотикой почище, чем сегодня RAID-массивы из накопителей экстремального класса.
Axlon RAM Disk — робкий шаг SSD в сторону домашних ПК
Свой современный облик SSD начали приобретать только в середине 1990-х. Флеш-память, конечно, изобрели на 10 лет раньше, да и Digipro Flashdisk, первый твердотельный накопитель с новаторской памятью на борту, добрался до конвейера в 1989 году, предлагая 16 Мбайт памяти для IBM PC за какие-то $5000. А SSD современного размера (3.5 дюйма, вестимо) вышел в серию только в 1995-м.
Digipro Flashdisk — NAND пришла в твердотельные накопители
Неудивительно, что твердотельные накопители ещё очень долго «созревали» до рыночной цены и поддержки современных интерфейсов. В корпоративных задачах они, правда, становились модными штуковинами — в 1990-х Digital Equipment Corporation выпускали уже вполне современные 5.25-дюймовые модели EZ5x на базе SCSI-1 и SCSI-2. Цены с непривычки повергали в шок (от $14 тысяч за 107 Мбайт до $135 тысяч за 1 Гбайт памяти), но бизнес на то и бизнес, чтобы окупать вложения в железо и прочую инфраструктуру.
И только начиная с 2003 года в свет вышли первые SSD’шки с интерфейсом Parallel ATA, или IDE, если изъясняться расхожими терминами. Как видите, экспансия сверхбыстрых запоминающих устройств мучительно стартовала только в начале XXI века.
«Своими ребятами»твердотельные накопители стали после того, как обзавелись распространенными разъёмами. Например, PATA
2000-2010. Крохотные по объёму SSD пришли в розницу. Первая доза — платно
«Прописка» в стране мечты ещё не означает замечательное в ней трудоустройство. А поддержка распространённого ПК-интерфейса не гарантирует серьёзной конкуренции с жёсткими дисками. В начале 2000-х производители носились с твердотельными накопителями аккурат так же, как сегодня создатели гибких матриц «на всякий случай» гнут смартфоны и телевизоры в новых модельных линейках.
К быстрым накопителям с отличными от HDD принципами работы рынок был настолько же не готов, как коммунальщики не готовы 1 декабря к зиме, или застенчивая девушка к активному развитию событий после свидания с парнем. Покупатели ходили вокруг да около и спрашивали «а что это за флешки такие дорогие (свыше $200 за 512 Мбайт в 2003 году, $700 за 32 Гбайт в 2006-м), и как на них вместить операционную систему?». Да и сами системы (уж Windows XP и Vista так точно), в свою очередь, не ведали об этих ваших SSD, поэтому беззастенчиво индексировали-кэшировали данные, увеличивая счетчик циклов записей и укорачивая тем самым жизнь накопителя.
Ёмкость SSD росла с каждым годом, но в качестве системного диска они ещё не годились. Apple и Microsoft не спешили внедрять полномасштабную поддержку новых накопителей в свои системы, хотя линуксоиды имели возможность смонтировать SSD-кэш чуть раньше пользователей остальных систем. Впрочем, неработающая в большинстве случаев «система самообслуживания» накопителя TRIM радости не вызывала ни у кого.
Зато и многие свершения из разряда «ну наконец-то!» приходятся на период между 2000 и 2010 годом. Например, первый SATA-SSD (1 Гбит/с — это вам не шутки, товарищ!) в 2004-м, или первые 2,5-дюймовые ноутбукоугодные SSD ёмкостью 32 Гбайт в 2006 году — примерно тогда твердотельные накопители перевоплотились из дорогостоящих игрушек «не пришей к системе кэш» в пригодные для повседневного использования комплектующие.
2004 год — первый SATA-SSD. Правда, не для пользовательских ПК и с ценой вплоть до $11,200...
В это же самое время стартовала всяческая стандартизация и ликвидация «детских болезней» накопителей. Начиная с преобладания на рынке нескольких типов памяти (о чём мы писали чуть раньше) и продолжая унификацией интерфейсов накопителей — после долгих лет, когда инженеры городили «велосипеды» всяк на свой лад, стараниями Intel большинство производителей SSD озадачились стандартизацией своих моделей (ликвидировать проблемы совместимости и снижать затраты на разработку было давно пора).
Как результат — в 2006 году консорциум из Intel-Micron, Hynix и Spectek «родил» универсальный интерфейс для микросхем флеш-памяти — ONFi (Open NAND Flash interface). Скорость ONFi 1.0 составляла смешные 50 Мбайт/с на канал, однако современный ONFi 3.0 «раскочегарили» уже до 400 Мбайт/с. А вот Samsung, Toshiba и SanDisk выступили за создание более подходящего к их памяти интерфейса – Toggle Mode уже год спустя. Альтернативный интерфейс существует в двух вариациях — Toggle Mode 1.0 (166 Мбайт/с) и 2.0 (400 Мбайт/с). Что любопытно — «архаичные» варианты интерфейсов были приняты в коротком промежутке между 2006 и 2007 годом, а новейшие ревизии интерфейсов одновременно вышли на рынок в 2011-м.
Нетбуки превратили SSD в действительно массовые и полезные для конечного покупателя накопители
Но все эти новшества были нацелены на осознанный выбор покупателя, который по-прежнему с бОльшим воодушевлением поглядывал на растущие в объёмах жёсткие диски. Поэтому «звёздный час» для SSD открылся вместе с бумом нетбуков — в 2007-2008 году крохотный ASUS Eee PC 700 и 900 серии щеголяли твердотельными накопителями взамен HDD, и наглядно показывали, что ноутбук может обходиться без хруста французской булки паркующихся головок и проблем с ударопрочностью (нетбуки же — самые походные устройства!). Кстати, ASUS для своих дебютных устройств пришлось разработать специальный разъём под названием Flash Connector — эдакая модификация MiniPCI-E в эпоху, когда для потребителей существовали только PATA и SATA. Впрочем, на рубеже 2009-2011 годов в народ пошли стандартизированные миниатюрные накопители в форм-факторе mSATA, которые энтузиасты с радостью «колхозили» для совместимости со своими нетбуками — разъём, разработанный ASUS отличался незначительно и несколько перерезанных контактов превращали накопитель в совместимую с Eee PC модель.
ASUS одним из первых научил SSD загружать операционные системы в массовых ПК. Расплачиваться за это пришлось своеобразным разъёмом
Ещё одним «звоночком» стал выпуск первого компьютера Apple с SSD (скандально тощий и смелый MacBook Air, если кто забыл). От первоначального размера 1,8 дюйма и модифицированного интерфейса SATA компания перешла к более компактным аналогам на базе PCIe.
И в 2009-м, когда покупатели поняли суть новых накопителей, а эти самые SSD доросли до вменяемой ёмкости, на рынок ворвались первые накопители Kingston.
Apple MacBook Air — твердотельные накопители приходят в элитную компьютерную технику
2010-2016. Не роскошь, а самые массовые накопители
С тех пор индустрия SSD переживает свой расцвет и растёт, как тесто на дрожжах. А главное — постепенно сбрасывает с себя наследие механических дисков.
Одной из главных проблем массовых SSD стало падение скорости накопителя по мере того, как в нём уменьшалось количество свободного места. Всё потому, что твердотельные накопители «размазывают» работу с данными на многочисленные блоки и страницы, и работают из соображения равного износа всех ячеек памяти, а не так, как завещает им файловая система. Поэтому там, где соседствуют нужный и бесполезный файл, при удалении последнего его «сосед» перемещается в новую ячейку, а старое «место жительства» контроллер SSD очищает решительно и полностью — в лучших традициях сноса нелегальных пунктов торговли.
Но чтобы такая замысловатая «миграция» была возможна, накопителю нужно свободное пространство, а оно не всегда есть. В условиях тесноты накопитель начинает расселять своих «квартирантов» не в соседние блоки, а куда получится. Соответственно, от «накладных расходов» падает и скорость работы SSD. С тех пор вошло в традицию оставлять на твердотельном накопителе хотя бы 10% места не занятым, чтобы продлить срок его службы и не потерять в скорости работы. И, хотя в современных моделях порядочное количество места «откусывается» переквалифицируют в служебную область уже на этапе изготовления, немало пользователей до сих пор оставляют часть ёмкости накопителя неразмеченной для перестраховки.
После того, как в архаичном параллельном интерфейсе ATA (IDE) были задействованы все доступные каналы и выжата вся скорость, накопители (жёсткие диски в своём подавляющем большинстве) перебрались на последовательный SATA, который со своим протоколом AHCI замечательно стыковался с неповоротливыми HDD, но с твердотельными накопителями стал провоцировать задержки в выполнении команд.
А ещё раньше встал вопрос о том, что дань истории — это, конечно, хорошо, но SSD давно пора перестать «эмулировать» жёсткие диски габаритами, и хорошо бы уменьшить твердотельные накопители до приемлемых для мобильной техники габаритов.
Сказано — сделано! В 2009 году на свет появился компромиссный вариант — миниатюрные накопители форм-фактора mSATA, которые, при скромных габаритах, не требовали разработки новых протоколов для взаимодействия с SSD и просто «эффективно похудели» в сравнении со своими предшественниками. Да, скорость работы таких накопителей ограничивалась возможностями набившего энтузиастам оскомину SATA-III, а скорость последовательной передачи данных уже стала упираться в реальный максимум (не 6 Гбит/с, а чуть более приземленные цифры) интерфейса и грозила стать «бутылочным горлышком» на пути развития SSD.
mSATA не были техническим прорывом, но принцип «тех же щей, да побольше поменьше» замечательно прижился в тонких ноутбуках
Была ли возможность обойти ограничения SATA в былые времена? В настольных компьютерах — ещё как была! Накопители на базе интерфейса PCI-Express x2, x4 или x8 во всю «зажигали» в высокоскоростных системах на пиковых скоростях свыше 1 Гбайт/с.
Впрочем, «бутылочное горлышко» в виде SATA-III досаждало не всем, а теория с цифрами в замерах последовательной записи/чтения и реальное повышение отзывчивости накопителей — таки две большие разницы. Это как замерять крутизну автомобиля по разметке на спидометре. Мало какой мальчишка не судил машины по максимально возможной скорости, но со временем все понимают — в транспортных средствах есть гораздо более важные вещи. Словом, за 4 года яркой жизни mSATA поселился в большинстве тощих и вообще премиальных ноутбуков, а иногда и планшетов.
До внедрения протокола NVMe самые быстрые SSD представляли собой RAID-массив в переходнике на PCI-Express
Только двигаться дальше всё равно было необходимо, поэтому с 2013 года вершится новейшая история SSD. На свет появился самый современный и прогрессивный формат — M.2. Он, по своей сути, является «достойным сыном» привычного нам PCI-Express: некоторые накопители «переходного периода» для десктопов состояли из модуля SSD в форм-факторе M.2 (с классическим протоколом AHCI во главе), упакованного в переходник PCI Express x2 2.0/x4 2.0. Современные материнские платы нередко обходятся без таких полумер и располагают «родным» разъёмом под SSD в форм-факторе M.2. Для всех остальных случаев нужно помнить о трех возможных размерностях таких накопителей (80, 60 и 42 мм длины печатной платы соответственно) и помнить, что самыми прогрессивными по части скорости и минимальных задержек будут накопители, работающие по протоколу NVMe, который пришёл на смену разработанному для жёстких дисков AHCI.
SSD формата M.2 — модно, стильно, производительно
Где матчасть и леденящие душу подробности?
Теперь, когда мы разобрались в этапах становления SSD, не грех вникнуть в принципы работы таких накопителей и оценить, как развивалась начинка новаторских компьютерных комплектующих. Оставайтесь с нами, и уже скоро мы подадим вам «жареные» железные факты под легко усваивающимся «соусом»!
To be continued, товарищи!
Автор: Kingston Technology
