Strasznie Szybkie Dyski, czyli historia SSD

Ten tekst jest dopełnieniem zamieszczonego na łamach CD-Action 03/2022 artykułu „Od kart perforowanych do dysków twardych”, w którym bardzo obszernie omówiłem historię pamięci masowej. Można go też jednak traktować jako całkowicie samodzielną opowieść.

Czym jest pamięć flash? Przytoczę definicję z Wikipedii: „To rodzaj pamięci komputerowej (półprzewodnikowej, nieulotnej) (…). Dostęp do danych zapisanych w pamięci flash wykorzystuje stronicowanie pamięci: operacje odczytu, zapisu lub kasowania wykonywane są jednocześnie na ustalonej konstrukcyjnie liczbie komórek, pogrupowanych w strukturę będącą wielokrotnością słowa maszynowego (bajtu). Cechą wyróżniającą pamięć flash jest wykorzystanie technologii komórek wielostanowych”. Ziew… Czytam to sobie, gdy mam problemy z bezsennością. Zawsze pomaga.

Komórki do wynajęcia

To teraz po ludzku. Pamięci tego typu zbudowane są z tranzystorów – każdy odpowiada jednej komórce, w której znajdują się dane. Komórki, ułożone w kolumnach i wierszach, składają się z pary elementów zwanych bramkami, z czego jedna przechowuje ładunek elektryczny oznaczający „1”, a druga odczytuje wartość pierwszej. Ta druga potrafi też skasować ów ładunek, by komórka przyjęła wartość 0, oraz naładować ją ponownie.

Istnieją dwa rodzaje pamięci flash, zwane NOR i NAND. W przypadku NAND nie można skomunikować się z pojedynczymi komórkami – są one odczytywane tylko grupowo, porcjami (zwanymi „stronami”), co czyni ten wariant znacznie szybszym od NOR. NAND daje się też bardziej upakować (ma komórki o 60% mniejsze od NOR), wytrzymuje aż dziesięciokrotnie więcej cykli zapisu/kasowania, oferuje krótszy czas dostępu do danych, a do tego jest tańsza w produkcji. Chyba nie zdziwi was informacja, że większość współczesnych producentów pamięci flash wybiera właśnie odmianę NAND.

Na początku, z uwagi na wysoką cenę i specyfikę, nikt się pamięcią flash specjalnie nie przejmował. Trzeba było niemal dziesięciu lat, by to zmienić. W 1988 roku pamięciami typu NOR zainteresował się Intel. Rok później Toshiba i Samsung rozpoczęły masową produkcję chipów w technologii NAND.

Krótki czas dostępu i zero ruchomych elementów, co eliminuje trapiące wytwórców i użytkowników HDD problemy natury mechanicznej, takie jak rozerwanie wirujących dysków przez siłę odśrodkową, zabrudzenie głowicy, uszkodzenie serwomechanizmów czy unieruchomienie silnika. Nie trzeba też za bardzo przejmować się hermetycznością obudowy. Dodajmy do tego małe rozmiary, a otrzymamy – z punktu widzenia producentów nośników danych – samo dobro. Grzech z takiego rozwiązania nie skorzystać! Stąd pierwszy dysk SSD (ang. solid-state drive), wykorzystujący właśnie pamięć flash, pojawił się już w 1988 roku.

Wyboista droga

W 1976 roku pojawił się Bulk Core firmy Dataram – urządzenie, które można nazwać pośrednim praprzodkiem dysków SSD. Zamiast pamięci flash – ta wtedy jeszcze nie istniała – wykorzystywało ono pamięć ferrytową, zwaną też bąbelkową albo rdzeniową. Jak opisać ją w sposób obrazowy? Było to coś w rodzaju mikroskopijnej… kolczugi utworzonej z miniaturowych ferrytowych pierścieni nawleczonych na specjalny stelaż-kratę (ale nie splecionych ze sobą nawzajem). Wartość bitu (1 lub 0) w tych pierścieniach ustalana była przez kierunek namagnesowania, a ich stan zmieniał się pod wpływem impulsów w przewodach sterujących tworzących wspomniany „stelaż”. Tą samą drogą dokonywano odczytu danych. (Upraszczam okrutnie, ale to nie jest podręcznik z zakresu fizyki).

Bulk Core nie miał żadnych ruchomych części i gwarantował wielokroć krótszy czas dostępu do danych niż dyski twarde – ok. 2 ms. Czemu więc nie zmiótł konkurentów z rynku? Po pierwsze oferował tylko 2 MB pojemności. Po drugie kosztował 9700 dolarów (czyli jakieś 45 000 współczesnych „zielonych”, a to daje mniej więcej 110 000 zł za 1 MB), co okazało się ceną zaporową. Jeśli jednak myślicie, że zniechęciło to konstruktorów, jesteście w błędzie.

W 1982 roku bogaci komputeromaniacy mogli kupić sobie Grid Compass 1100 – high-endowego laptopa, prawdopodobnie pierwszy komputer przenośny z ruchomym ekranem (plazmowym!). W wykonanej ze stopu magnezu obudowie krył się 16-bitowy procesor Intel 8086 (szybszy od modelu 8088 wykorzystywanego w pierwszych pecetach!) oraz wspomniana pamięć bąbelkowa o pojemności 384 KB (acz w roli pamięci operacyjnej, a nie masowej). Cena? Cóż, 8700 dolarów…

W tym samym roku Intel skonstruował dysk o nazwie MPK BubDisk, wykorzystujący tę samą technologię, ale kosztujący zaledwie 895 dolarów (równowartość współczesnych 2500 dolarów). Miał on jednak pojemność zaledwie 128 KB, co wciąż oznaczało mało zachęcające 7160 „zielonych” (dziś byłoby to ok. 20 000 dolarów / 80 000 złotych) za 1 MB…

CZYTAJ DALEJ NA DRUGIEJ STRONIE

Powoli, ale do przodu

W 1988 niezbyt znany amerykański producent komputerów, DigiPro, stworzył pierwszy na świecie dysk SSD, zwany jakże oryginalnie FlashDisk, oparty na pamięci flash NOR Intela. Ów FlashDisk oferował – w zależności od wersji – od 2 do 8 MB pojemności. Ten największy kosztował równe 5000 dolarów, przez co przelicznik 640 „zielonych” za 1 MB (1500 dolarów / 6000 złotych dzisiaj) brzmi już sensowniej. Rzecz jasna, słowa „sensowny” używam w znaczeniu „rozsądniejszy od poprzednich astronomicznych kwot”.

W 1989 roku izraelska firma M-Systems stworzyła prototyp pierwszego w świecie dysku SSD opartego na pamięci flash typu NAND. Uznała jednak, że z uwagi na potencjalnie niewysoki popyt wywołany ceną nie ma sensu rozpoczynać produkcji masowej, i… odłożyła projekt na półkę. Niemniej interes się kręcił; dyski SSD były wytwarzane, choć kupowało je głównie wojsko (któremu bardzo spodobała się szybkość i niezawodność nośników), firmy wykorzystujące kosmicznie drogie stacje robocze i duże serwery oraz niektórzy producenci samolotów (na potrzeby czarnych skrzynek). Z myślą o podobnych klientach firma DEC produkowała aż dwie linie dysków SSD 5,25ʺ. Pierwsza, budżetowa, oferowała pojemności od 107 do 428 MB (i ceny od 14 do 47 tysięcy dolarów). Druga była po prostu szybsza i droższa. Za największy SDD (aż 1 GB!) liczono sobie wtedy… 135 000 dolarów. Tak, takie ceny mieliśmy równo 30 lat temu. (Cały czas muszę sobie przypominać, że lata 90. XX wieku wcale nie były niedawno…).

W 1991 roku SunDisk (znany dziś jako SanDisk) zaoferował model SSD o pojemności 20 MB, jako zamiennik dla HDD w laptopach IBM ThinkPad. Cena? „Zaledwie” 1000 ówczesnych dolarów. W 1995 Izraelczycy z M-System zdjęli z półki zakurzony prototyp swego dysku i skierowali go do produkcji jako Fast Flash Disk (FFD-350). Ten 3,5-calowy SSD mógł zapisywać i odczytywać dane z szybkością 9,7 MB/s. Pierwsza wersja miała tylko 16 MB, kolejne, w miarę jak taniały pamięci flash, rosły aż do 900 MB. Pomimo owych obniżek cen dyski SSD ciągle były jednak koszmarnie drogie. Do komputerów „zwykłych ludzi” zaczęły trafiać mniej więcej dopiero dekadę później.

A ceny lecą… lecą… lecą…

Przełom nastąpił po roku 2003, gdy firma Transcend wzbogaciła rynek o pamięci flash wykonane w nieco innej technologii niż dotąd, dzięki czemu dyski były sporo tańsze w produkcji, a każdy moduł mógł mieć nawet 512 MB pojemności. Pamiętam swój pierwszy pendrive kupiony chyba w 2002. Miał jakieś 5 MB pojemności, a okazał się drogi jak cholera. W 2005, nabywając pierwszy aparat cyfrowy, lekką ręką dorzuciłem do niego kartę pamięci 16 MB, która kosztowała nieco ponad 100 zł. Dwa lata po tym miałem już kartę 512 MB, a rok później – 8 i 16 GB. Za tę ostatnią zapłaciłem dość słono, bo blisko 300 zł, ale była za to bardzo szybka. (Po przeliczeniu na dzisiejsze złotówki ceny byłyby o jakieś 20-30% wyższe). Aktualnie mam w smartfonie kartę pamięci 256 GB za bodaj 80 zł…

Pierwszy dysk SSD powstał już w 1988 roku i oferował pojemność od 2 do 8 MB.

A co mówią suche dane statystyczne? W 2003 koszt 1 MB pamięci flash wynosił ok. 25 centów. W 2005 spadł do 5 centów, a 2006 – do 2 centów. Rok później był to już tylko nieco ponad 1 cent, a po dwóch kolejnych latach – 0,2 centa. Pod koniec 2021 cena za 1 MB pamięci NAND wynosiła… 0,008 centa, co daje 8 centów za gigabajt. Prawda, że brzmi to troszkę lepiej niż 135 000 dolarów sprzed 30 lat? Jakieś 337 500 razy lepiej. (Przelicznik z uwzględnieniem inflacji dolara od 1992 roku).

SSD pod strzechy!

Pierwsze dyski SSD w cenach „dla normalnych ludzi” pojawiły się w okolicach 2006 roku. Dysk Samsunga o pojemności 32 GB (2,5ʺ) wystarczał w zasadzie tylko na system operacyjny, ale kosztował stosunkowo rozsądne 669 dolarów. Rok później SanDisk wszedł na rynek z podobnym produktem – modelem SATA 5000. Jeszcze w tym samym roku obie firmy wypuściły SSD o pojemności 64 GB. Za nimi podążył Plextor i inni.

Producenci dysków twardych próbowali kontrować, tworząc modele hybrydowe, czyli HDD wyposażone na przykład w 8 GB pamięci flash na często używane dane. Każdy, kto zobaczył, jak szybko z SSD uruchamia się Windows Vista czy zostaje wczytany kolejny etap gry, marzył jednak tylko o tym, by mieć takie cudo w swoim komputerze. Nic więc dziwnego, iż sprzedaż rosła dynamicznie (ta tendencja utrzymuje się zresztą do dziś), szczególnie że omawiane dyski taniały i jednocześnie obrastały w gigabajty. Obecnie, mimo pandemii i ogólnego zamieszania na rynku elektroniki, standardem są modele o pojemności 1 TB, które można kupić za mniej niż 400 zł (acz za porządny model trzeba dać dwa razy tyle). W 2025 roku SSD powinny już być najpopularniejszym nośnikiem danym w komputerach.

CZYTAJ DALEJ NA TRZECIEJ STRONIE

Co przyniesie przyszłość?

Każda technologia prędzej czy później osiąga szczyt swych możliwości, starzeje się i ustępuje miejsca młodszym rozwiązaniom. Podobnie jest z pamięciami flash. W przypadku NAND ograniczenie stanowi gęstość upakowania komórek zbliżająca się powoli do granicy, której nie da się przesunąć (na przykład dlatego, że komórka pamięci nie może być przecież mniejsza od atomu). Konstruktorzy stają na głowie, wymyślając lepsze sposoby upakowywania danych i opracowując nowe materiały, ale tylko odwlekają nieunikniony zmierzch pamięci flash.

Przyszłością może być pamięć nieulotna nowego rodzaju, opracowana w 2015 roku wspólnie przez firmy Intel i Micron, zwana 3D XPoint. Od 2017 jest ona dostępna w sprzedaży pod nazwą Optane i zamiast tranzystorów wykorzystuje bliżej nieokreślony materiał o zmiennej rezystancji. Pozwala – w przeciwieństwie do NAND – na niezależne adresowanie i przenoszenie danych pomiędzy pojedynczymi komórkami bez konieczności organizowania ich w bloki. Optane jest odczuwalnie szybsza od swojej poprzedniczki (oparte na niej dyski SSD cechują się większą wydajnością od tych z flashem, choć różnica na pewno nie jest aż tak wielka, jak twierdzi Intel). Tyle że dysk SSD Intel Optane SSDPED1D480GAX1 o pojemności 480 GB kosztuje obecnie 3300 zł, a model 1,5 TB – ponad 20 000 zł! Oczywiście z czasem ceny – podobnie jak kiedyś z pamięcią NAND – na pewno spadną. Jak długo trzeba będzie jednak czekać? I czy po drodze nie pojawi się coś całkowicie nowego? Alternatywy są bowiem nader interesujące.

Sięgamy po DNA

Microsoft od kilku lat eksperymentuje ze stosowaniem w komputerach pamięci wykorzystującej… DNA. „Sądzimy, że nadszedł czas, by poważnie rozważyć nośniki pamięci oparte na DNA i zbadać ich implikacje w obszarze projektów systemów i architektury” – twierdzi jeden z naukowców zaangażowany w to przedsięwzięcie. Biologiczna pamięć w komputerach? Brzmi jak science fiction.

Cóż, na razie udało się stworzyć prototypowy chip o pojemności 1 GB. Nie pytajcie o koszty, bo Microsoft milczy na ten temat jak grób. Gra jest jednak warta świeczki, gdyż technologia ta pozwala na upakowanie jednego eksabajta (10^18 bajtów, czyli milion terabajtów) na… 1 mm² wytworzonych syntetycznie łańcuchów DNA. Chip o takiej pojemności miałby rozmiar kostki do gry, a miejsca na nim starczyłoby do zapisania CAŁEGO internetu… i to ze sto razy. To jednak dość odległa przyszłość.

Szybciej niż myślicie…

Jak bardzo odległa? Cóż, w 1973 roku w czasopiśmie Młody Technik pewien autor snuł wizję, w której każdy mógłby połączyć się z kimkolwiek na całym świecie za pomocą czegoś w rodzaju przenośnego odbiornika radiowego, na przykład noszonego na ręku jak zegarek. Słusznie twierdził, iż taka technologia zrewolucjonizuje świat. Po czym westchnął, fantazjując, że może kiedyś takie cuda będą możliwe – za jakieś 100-200 lat. Pisał to w roku, w którym istniał już ARPANET (bezpośredni przodek internetu), a Motorola zaprezentowała pierwszy telefon komórkowy (ważący 2 kg, ale mieszczący się w dłoni). Wystarczyło kilka dekad, by ta bardzo futurystyczna wówczas wizja stała się codziennością. Gdyby ludziom z 1956 pokazać dzisiejsze komputery i zapytać, kiedy ich zdaniem ludzkość osiągnie taki poziom rozwoju technologicznego, to pewnie strzelaliby, że patrzą na sprzęt z XXIII wieku…

1 GB pojemności w technologii SSD kosztował w 1992 roku 135 000 dolarów. Dzisiaj wart jest jakieś 8 centów.

Myślę, że nie doceniamy tempa postępu, i prorokuję, że jeśli wcześniej sami się nie załatwimy – czy to jakąś wojenką, czy wskutek katastrofy klimatycznej – to całkiem spora część tych, którzy to czytają, postawi na domowych biurkach komputery kwantowe z pamięcią liczoną w eksabajtach i będzie oglądać na nich śmieszne koty. Bo technologia zmienia się bardzo szybko, ale ludzie – niekoniecznie. I tylko żal mi, że nie zobaczę, jak będą wyglądać gry działające na takim sprzęcie.