Ewolucja dysku twardego – od HDD do NVMe (1956 – 2020)

Określenie dysku twardego prawdopodobnie znane jest już każdemu. Najprościej ujmując to miejsce w komputerze do przechowywania danych, aczkolwiek to tylko minimalistyczna wersja definicji. 

Z biegiem lat dyski komputerowe przeszły ogromną ewolucję. Zmieniła się nie tylko ich prędkość, ale także rozmiar, format i wiele innych. W tym jednym artykule, bez zbędnego wysiłku, otrzymasz praktyczną wiedzę w pigułce na ten temat. Warto zatem, żebyś zadał sobie pytanie. Czy chciałbyś w krótką chwilę pogłębić swoją wiedzę na temat dysków komputerowych? A może uważasz, że posiadasz już dostateczne rozeznanie w tej kwestii? W takim razie zainwestuj swój cenny czas i przekonaj się samemu czy wszystko wiedziałeś. 

Dyski HDD, SSD i SSHD – podstawowe różnice

Przed przystąpieniem do dalszej części artykułu, warto byś wiedział, jakie są rodzaje dysków i znał podstawowe różnice między nimi. Należą do nich:

• Dysk typu HDD (Hard Disc Drive) – to rodzaj pamięci masowej, nieulotnej, która przetwarza dane. Składa się z namagnesowanych dysków (talerzy), które obracają się w jego obudowie. Im szybsze tempo obracania, tym szybciej komputer może odczytać z niego informację. W roku 2020 zakres waha się między 5400 a 15 000 obr/min. Za standard przyjęło się 7200 obr/min. Zapis i odczyt danych odbywa się za pomocą głowic elektromagnetycznych, które przypisane są do każdego talerza. Dyski posiadają swoją unikatową pojemność, która zazwyczaj wyrażona jest w GB (gigabajtach) lub TB (terabajtach). Na tym etapie, ważne żebyś miał wyobrażenie “ile to jest?”. Dla przykładu, 1 piosenka waży około 5 MB (megabajtów). 1 TB to 1000 GB lub 1 000 000 MB. Zatem na jednym dysku 1 TB możesz umieścić około 200 000 piosenek.

W pierwszej połowie 2020 roku firma MSERWIS zrezygnowała całkowicie z oferowania dysków HDD w swojej ofercie hostingowej (za wyjątkiem przestrzeni dyskowej przeznaczonej na backup), na rzecz wydajniejszych dysków SSD, w tym w technologii NVMe (więcej o tej technologii w dalszej części artykułu).

• Dysk SSD (Solid State Drive, dysk półprzewodnikowy) – wykorzystuje pamięć NAND flash. W porównaniu do HDD nie ma tutaj pola magnetycznego. Dyski SSD wykorzystują półprzewodniki, które odpowiedzialne są za przechowywanie danych, zmieniając stan elektryczny milionów obwodów wbudowanych w dysk SSD. Przez to, że nie mają one ruchomych części, pracują szybciej i są wytrzymalsze. Dyski SSD występują w trzech odmianach: SLC, TLC, MLC. Każda z nich różni się sposobem zapisywania danych oraz przeznaczeniem: 

• SLC (Single Level Cell), czyli komórka o jednym poziomie. Oznacza to, że każda komórka pamięci na dysku SSD tej technologii przechowuje wyłącznie jeden bit informacji. Pamięci są najwydajniejsze pod względem przechowywania danych, za to charakteryzują się wysoką ceną. 
• TLC (Triple Level Cell) – w jednej komórce pamięci można przechowywać do trzech bitów danych. Przez to w porownaniu do SLC i MLC są tańsze, wolniejsze i podatniejsze na na awarie.
• MLC (Multi Level Cell), czyli w jednej komórce może znajdować się do dwóch bitów danych. MLC najprościej zdefiniować jako kompromis między SLC a TLC – nie są ani najtańsze, ani najwydajniejsze. 

• SSHD (Solid-State Hybrid Drive) to hybryda dysków SSD i HDD. W dysku umieszczono moduł pamięci flash, ale jego pojemność zazwyczaj jest znacznie mniejsza niż w przypadku SSD. Starsze technologie tych dysków działały na zasadzie Express Cache – niemożliwe było instalowanie czegokolwiek, ponieważ to oprogramowanie dysku decydowało o danych tam przetrzymywanych. Rozwiązanie SSHD ma na celu zapewnienie pamięciom masowym osiągów zarezerwowanych dla napędów SSD przy jednoczesnym zachowaniu granicy cenowej dysków HDD. Obecnie z uwagi na spadek cen pamięci SSD dyski hybrydowe przestają być popularne.

Rodzaje interfejsów w dyskach HDD i SSD  

Znając już podstawowe różnice między dyskami HDD a SSD, możemy przejść do krótkiego omówienia interfejsów dysków. Interfejs, nazywany często złączem to element umożliwiający połączenie ze sobą dwóch różnych urządzeń, które bez niego nie mogłyby ze sobą współgrać. 

Z postępem lat złącza dysków zmieniały się, oferując coraz to nowsze możliwości. Jedną z nich była prędkość transferu danych, czyli ilość informacji transmitowana w jednostce czasu przez dany kanał komunikacyjny. Do 2020 roku powstało wiele różnych standardów, a każdy z nich różnił się swoimi indywidualnymi parametrami. Do popularniejszych interfejsów zaliczały się m.in.:

• Złącza krawędziowe – to jeden z pierwszych interfejsów sięgający czasów Commodore (lata 60). Podłączano do nich nośniki danych z trwale zapisanym oprogramowaniem – kartridżem.
• SCSI (Small Computer Systems Interface) – interfejs powstały w 1986 roku, służący głównie do transportu danych pomiędzy serwerami. Pierwsza wersja standardu pozwalała na transfer z “zawrotną” prędkością do 5 MB/s na odległość 6 m.
• ATA (Advanced Technology Attachment) – interfejs powstały w 1986 roku pod pierwszą nazwą IDE. Przeznaczony był do komunikacji z dyskami twardymi. Na początku umożliwiał on przekaz danych z szybkością do 4 MB/s. Ostatecznie górna granica możliwości złącza zatrzymała się na poziomie do 133 MB/s. Od 2003 roku określany jako PATA – Parallel ATA.
• SATA (Serial Advanced Technology Attachment) – interfejs służący do podłączenia dysków twardych i urządzeń typu odtwarzarka DVD. Do podłączenia urządzenia wykorzystuje się dwa przewody – do zasilania oraz transmisji danych. Interfejs występuje w trzech wersjach: SATA I z 2002 roku oferująca transfer do 150 MB/s, SATA II z 2004 roku – do 300 MB/s oraz SATA III z 2009 roku – do 600 MB/s. W między czasie powstało eSATA, czyli złącze o maksymalnej przepustowości do 300 MB/s, przeznaczone do podłączania zewnętrznych pamięci masowych – nie będących bezpośrednio dostępnych dla procesora. 

• SAS (Serial attached SCSI) – to następca interfejsu z lat 80, powstały w 2005 roku. Stosowany przede wszystkim w serwerach. Pierwsza wersja umożliwiała transmisję danych do 300 MB/s, druga z 2009 roku do 300 MB/s zaś trzecia z 2013 roku do 1200 MB/s. 
• mSATA (mini-SATA) – interfejs z 2009 roku. Powstał na skutek postępującej miniaturyzacji pamięci masowych, np. dla dysków w rozmiarze 1.8”. Jego maksymalna przepustowość wynosiła do 600 MB/s. 
• PCI-Express (Peripheral Component Interconnect Express) – standard zapoczątkowany w 2004 roku, pozwalający na przesyłanie danych z dużą prędkością. Główną zaletą interfejsu jest transmisja dwukierunkowa, dzięki której wymiana danych odbywa się jednocześnie w dwie strony. Złącze dostępne jest w różnych rozmiarach (liczba zajmowanych torów w gnieździe – x1, x2, x4, x8, x16) oraz w różnych wersjach (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0). Każda z kombinacji zapewnia unikatową przepustowość, która przedstawiona jest w tabelce.

• M.2 – interfejs początkowo określany jako Next Generation Form Factor, NGFF. Pierwsza specyfikacja złącza powstała pod koniec 2013 roku. M.2 to następca mSATA, umożliwiający jeszcze większą miniaturyzację dysku. Standard może wykorzystywać interfejs SATA III lub PCI Express (maksymalnie cztery tory). Przykładem urządzenia, które używa interfejsu M.2 jest XBOX Series X z 2020 roku.
• U.2 (wcześniej SFF-8639) – specyfikacja interfejsu powstała w 2011 roku, zaś oficjalna nazwa U.2 zadebiutowała w 2015 roku. To standard złącza komputera służący do podłączania dysków SSD do komputera. Podobnie jak M.2 używa magistrali PCIe x4. Oznacza to, że ma taką samą potencjalną przepustowość, na jaką pozwala interfejs, czyli do 32GB/s. Przykładem wykorzystania tego interfejsu są hostingi firmy MSERWIS z linii Ultra.

Historia dysków – od 1956 do 2020 roku (istotniejsze daty)

Za początek ery dysków przyjmuje się rok 1956, kiedy to właśnie powstał pierwszy napęd dyskowy wyprodukowany przez przedsiębiorstwo IBM – IBM 350. Model miał wbudowane 5 MB pojemności, wykorzystywał 50 talerzy magnetycznych, które obracały się z prędkością 1200 obr / min. Przetwarzanie danych zajmowało mu bardzo dużo czasu i wart był na tamte czasy około 1 miliona dolarów. Dysk ważył tonę, a obudowa jednostki miała 152 cm długości, 172 cm wysokości i 74 cm szerokości. Współczesne dyski twarde działają na tej samej zasadzie co IBM 350. Maksymalny czas dostępu (czas między wysłaniem żądania a otrzymaniem odpowiedzi) wynosił 0,8 sekundy.

Z roku na rok ewolucja napędów dyskowych znacząco postępowała. Przedstawiamy istotniejsze daty wraz z krótkim opisem o postępie technologicznym, jaki wtedy nastąpił:

W 1961 roku przedsiębiorstwo wprowadziło model IBM 1301. Mieścił on 28 MB danych na 25 osobnych talerzach z dedykowaną głowicą, dzięki której skrócono czas dostępu do 180 ms (milisekund).

W 1965 roku IBM wyprodukował kolejny moduł dyskowy IBM 2310, który korzystał z wymiennych kartridżów (nośników danych) o pojemności 1 MB mieszczących się w walizce.

W 1970 roku pojawił się dysk kolejnej generacji – IBM 3300. Jego wymienne paczki dyskowe oferowały pojemność 100 MB, a w 1974 roku już 200 MB. Dyski można było ze sobą łączyć, wskutek czego, po raz pierwszy możliwe było osiągnięcie gigabajtowych pojemności. Fenomenem wprowadzonym w modelu 3330 było zastosowanie korekcji błędów, dzięki której ​​dyski stały się bardziej niezawodne i możliwe było zredukowanie kosztów ich eksploatacji.

W 1976 rok powstał pierwszy dysk SSD i to właśnie wtedy dyski magnetyczne spotkały się z pierwszą realną konkurencją, w postaci modelu Bulk Core od firmy Dataram. Rozwiązanie na tamte czasy było zbyt kosztowne, a przez co mało praktyczne.

W 1980 firma Shugart Technology (Seagate) stworzyła pierwszy kompaktowy i możliwy do samodzielnego przetransportowania dysk ST-506. Co prawda oferował on jedynie 5 MB pojemności, za to miał format 5,25 cala i ważył tylko 3,2 kg. Po raz pierwszy możliwe stało się umieszczenie go w obudowach komputerów PC.

W 1983 powstał pierwszy 10 MB dysk HDD Rodime RO352 w rozmiarze 3,5 cala i prędkości obrotowej 3600 (RPM). 

W 1988 roku powstał pierwszy 2,5-calowy dysk HDD – PrairieTek 220 o pojemności 20 MB. 

W 1991 roku firma SunDisk (SanDisk) sprzedała firmie IBM pierwszy na świecie 2,5-calowy dysk flash SSD o pojemności 20 MB.

W 1992 roku nastąpił podwójny przełom dla dysków HDD. Firma Seagate zaprezentowała model Barracuda z talerzami wirującymi z prędkością 7200 RPM (najpowszechniejsza prędkość w 2020 roku) i pojemnością 2,1 GB. 

W 1996 roku firma Seagate wyprodukowała pierwszy dysk HDD – Cheetah, z talerzami wirującymi z prędkością 10000 RPM.

Cztery lata później powstał model Cheetah X15, który osiągnął zawrotną prędkość obracających się talerzy na poziomie 15000 RPM – najszybsza prędkość do 2020 roku.

Pod koniec 2002 roku po raz pierwszy zadebiutował dysk HDD z interfejsem SATA (SATA I 150 MB/s) – Barracuda ATA V produkcji Seagate. 

W 2004 roku miały miejsce premiery SATA II i PCIe w wersji 1.0. Ponadto zadebiutował pierwszy dysk SATA SSD – A25FB firmy Adtron, który miał 40 GB pojemności i stałą prędkość 40 MB/s.

W 2007 roku firmy Seagate i Samsung wprowadziły na rynek dwa 2,5-calowe modele dysków hybrydowych (SSHD). Dyski dostępne były z pamięcią do 256 MB (nastawione na energooszczędność) i nie zdobyły powszechnego uznania. W tym samym roku przedsiębiorstwo Hitachi przekroczyło barierę pojemnościową dysków HDD wynoszącą 1 TB.

W 2009 roku miała miejsce premiera SATA III oraz przedsiębiorstwo Pilant Technology przedstawiło pierwszy dysk SAS SSD.

W 2010 roku powstał kolejny 2,5-calowy dysk hybrydowy SSHD – Seagate Momentus XT. Pamięć SSD była niewystarczająca, aby zainstalować system operacyjny, więc działała wyłącznie na zasadzie pamięci podręcznej dla najczęściej odczytywanych danych. W tym samym roku premierę miał pierwszy dysk SSD SATA 600 MB/s – Plextor M2S.

W 2011 powstała pierwsza specyfikacja NVMe (NMVe 1.0). Natomiast rok później ukazał się chipset w wersji 1.1.

Od 2012 roku w świecie dysków HDD rozpoczęła się “walka pojemnościowa”. Firma TDK wyprodukowała wtedy pierwszy 2 TB dysk 3,5 cala. Kolejno w 2013 marka HGST stworzyła dysk 6 TB. Natomiast w 2020 roku największy dostępny dysk HDD posiada pojemność nawet do 18 TB przy prędkości obrotowej 7200 obr./min (WD Gold Enterprise-Class).

W 2013 roku powstał pierwszy “skuteczny” 2,5-calowy SSHD – WD Black2. Tym razem na 120 GB dysku SSD można było zainstalować dane, które wymagają szybkiego dostępu – system operacyjny wraz z oprogramowaniem. 

Na początku 2014 roku na rynku zadebiutował pierwszy dysk w wersji NVMe 1.0 – Samsung XS1715. Oferował on prędkość odczytu do 3 GB/s i pojemność dysku do 1,6 TB. W tym samym roku powstała specyfikacja NVMe 1.2. Następnie po niej w 2017 roku wyszła specyfikacja 1.3 oraz 1.4 w 2019 roku. Każda z wersji posiadała coraz to nowsze funkcje, które usprawniały pracę dysków.

Protokoły obsługi dysków – hosting oparty o najszybsze dyski NVMe

Oprócz rodzaju dysku i złącza, jakie posiada, duże znaczenie w działaniu dysku odgrywa używany przez niego protokół – sposób komunikacji między kontrolerem a systemem operacyjnym. Przez większość lat, bo aż od 2003 roku, większość dysków wykorzystuje protokół AHCI (Advanced Host Controller Interface). Na pierwsze lata całkowicie spełniał on swoje zadanie i pozwalał na wykorzystanie pełni możliwości ówczesnych dysków. Jednak z biegiem czasu do masowej produkcji trafiły dyski SSD. Od tego momentu możliwości protokołu stawały się zbyt ubogie i niewystarczające. Na potrzeby nowszego rynku, w 2013 roku powstał jego następca, czyli protokół NVMe (Non-Volatile Memory Express). 

Określenie „Non-Volatile” oznacza, że ​​pamięć nie jest kasowana po ponownym uruchomieniu komputera, natomiast „Express” odnosi się do faktu, że dane są przesyłane przez interfejs PCI Express na płycie głównej komputera. NVMe to bardzo wydajny, zoptymalizowany i wysoce skalowalny protokół pamięci masowej, który został zaprojektowany od podstaw dla nieulotnych nośników pamięci (pamięć NAND flash). Charakteryzuje się małymi opóźnieniami i pozwala na wykonywanie większej liczby operacji na sekundę przy mniejszym użyciu procesora. Korzysta z dużej liczby prostych, nieskomplikowanych poleceń. Dzięki czemu jest mniej wymagający pod względem liczby transferów do pamięci operacyjnej. Ponadto protokół NVMe posiada możliwość korzystania z kilku kanałów komunikacji w tym samym czasie, przez co jest w stanie zapewnić niesłychanie szybkie przesyłanie danych.

W 2020 roku najszybszymi dyskami SSD są nośniki z protokołem NVMe korzystające z interfejsu PCI Express (U.2 lub M.2). 

W związku z tym, iż MSERWIS stawia na maksymalną wydajność hostingu, w pierwszej połowie 2020 roku, wprowadziliśmy do swojej oferty linię serwerów Ultra, w której zapewniamy dyski NVMe na magistrali PCIe. Każdy pojedynczy dysk ma pojemność blisko 4 TB oraz prędkość odczytu do 3100 MB/s. Dzięki takiemu rozwiązaniu Twoja rozbudowana strona internetowa, obszerne bazy danych i poczta e-mail, mogą działać jeszcze szybciej.

Czy w ofercie serwerów może być coś mocniejszego od dysków NVMe korzystających z interfejsu PCIe? 

Przekroczenie możliwości, jakie oferuje pojedynczy dysk NVMe jest praktycznie nierealne. Niemniej jednak realne jest połączenie kilku dysków NVMe w jedną macierz. Sposób takiego połączenia nosi nazwę RAID (Redundand Array of Independent Disks). Dzięki temu połączone ze sobą dyski są w stanie zapewnić dodatkową funkcjonalność w porównaniu z oddzielnie podłączonymi pojedynczymi nośnikami. Sposób ten zapewnia zwiększenie: 

• odporności na awarie, 
• wydajności transmisji danych, 
• przestrzeni dostępnej jako jedna całość.

Istnieje kilka rodzajów macierzy, a do najczęściej spotykanych należą: RAID – 0, 1, 4, 5, 6 1+0 (10). Każdy rodzaj (poziom) macierzy charakteryzuje się odmiennym sposobem zapisu danych na dyskach – różnymi właściwościami. RAID 0 wykorzystuje minimum 2 dyski. Charakteryzuje się zwiększoną prędkością zapisu i odczytu, ale mniejszą odpornością na awarie. Natomiast jego “przeciwieństwem” jest RAID 1 – zwiększona odporność, ale kosztem prędkości dysku. Pozostałe macierze skupiają się głównie na wykorzystaniu minimum 3 dysków, ale nie są w stanie dorównać osiągom RAID 0. Spośród wszystkich wymienionych opcji najefektywniejszą jest RAID 10. Jest ona kompromisem, w postaci połączenia dwóch macierzy – RAID 1 i 0. W efekcie macierz może osiągnąć szybkość RAID 0 przy jednoczesnym zachowaniu odporności na awarie.

Macierze RAID 10 są powszechnie stosowane w rozwiązaniach serwerowych MSERWIS. Gwarantują prawie podwójne zwiększenie prędkości zapisu/odczytu oraz dodatkową odporność na awarie dysków. Dzięki temu Twój hosting może osiągnąć maksymalną wydajność i jest mniej podatny na przerwy w działaniu.

Podsumowanie

Pierwszy napęd dyskowy stworzyła firma IBM w 1956 roku i był to początek ewolucji technologicznej. Co prawda napęd ważył tonę i miał pojemność 5 MB, ale wydarzenie nadało tempo dalszemu postępowi. Z biegiem lat, w 1983 roku powstał (używany do teraz) 3,5-calowy, 10 MB dysk HDD – wykorzystujący nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Kolejno po nim w 1991 zadebiutował dysk SSD – napęd półprzewodnikowy zbudowany w oparciu o pamięć flash. Miał on 2,5 cala (najpowszechniejszy rozmiar dysku SSD) i pojemność 20 MB. Dalszym następstwem były hybrydy tych dwóch dysków – SSHD, a w późniejszym czasie znaczący postęp w miniaturyzacji, pojemności dysków (w 2020 roku dyski HDD mają po 18 TB) i prędkości zapisu i odczytu danych, które się na nim znajdują.

W międzyczasie, oprócz rozwoju rodzajów dysków, ewoluowały ich interfejsy – urządzenia pozwalające na połączenie ze sobą dysku i komputera, tak żeby mogły ze sobą współpracować. Najstarszymi z nich są kartridże (znane z czasów Commodore). Później do popularniejszych zaliczyć można SCSI, ATA, SATA (w 3 różnych wersjach o różnych przepustowościach), SAS oraz PCI Express, który jest najnowszym standardem w 2020 roku. Interfejs ciągle się rozwija i jest w stanie osiągnąć maksymalną prędkość odczytu – 31,508 GB/s. Dla porównania SATA III, która również dostępna jest na rynku, osiąga maksymalną prędkość 600 MB/s. 

Ostatnim uefektywnieniem w “dyskowym świecie” jest wdrażanie (które trwa od kilka lat) nowego protokołu komunikacyjnego NVMe – to sposób komunikacji między kontrolerem a systemem operacyjnym. Jego poprzednikiem jest AHCI, które powstało w 2003 roku, ale na skutek intensywnemu rozwojowi technologii SSD, możliwości tego protokołu stały się niewystarczające. NVMe to rozwiązanie dedykowane pamięciom flash, a litera “e” odnosi się do “express”, czyli do tego, że dane przesyłane są przez interfejs PCI Express na płycie głównej komputera.

W firmie MSERWIS stawiamy na maksymalną wydajność hostingu, dlatego w pierwszej połowie 2020 roku, wprowadziliśmy do swojej oferty linię serwerów Ultra, w której zapewniamy dyski NVMe na magistrali PCIe. Każdy pojedynczy dysk ma pojemność blisko 4 TB oraz prędkość odczytu do 3100 MB/s. Dzięki takiemu rozwiązaniu Twoja rozbudowana strona internetowa, obszerne bazy danych i poczta e-mail, mogą działać znacznie szybciej.

Jan Bim

Już od kilku lat zajmuję się planowaniem, koordynacją i realizacją działań marketingowych w MSERWIS.pl i Domeny.tv. Jestem odpowiedzialny za promowanie usług, produktów i oprogramowań mojej firmy. Aby jak najlepiej zrozumieć ich funkcje i zalety współpracuję z zespołem programistów i Biurem Obsługi Klienta. Wykorzystuję różnorodne taktyki i kanały marketingowe, żeby dotrzeć do potencjalnych klientów i przekonać ich do zakupu lub subskrypcji. Moje działania obejmują m.in. tworzenie kampanii marketingowych, pisanie materiałów marketingowych, zarządzanie mediami społecznościowymi oraz marketingiem e-mailowym i analizowanie rynku w celu zrozumienia potrzeb i preferencji docelowych odbiorców. Rozumiem technologię i potrafią przekazywać złożone koncepcje techniczne odbiorcom nietechnicznym. Mam doświadczenie w obszarach takich jak content marketing, SEO i generowaniu leadów. Potrafię skutecznie mierzyć i analizować wyniki działań marketingowych, aby stale ulepszać swoje strategie.

• Redis Object Cache w MSERWIS.pl w ramach AccelerateWP - przyspiesz swoją stronę
• Nowe, wydajne serwery w MSERWIS.pl - ulepszyliśmy hostingi ULTRA i BIZNES
• 21 ciekawych statystyk dotyczących phishingu, które warto znać w 2024 roku
• Różnice między certyfikatami OV i EV - dlaczego warto wybrać EV?