SSD حافظه آناتومی ؛ هر آنچه که باید درباره ساختار آنها بدانید

آیا تفاوت حافظه SSD و حافظه HDD را می دانید؟ SSD ها عملکرد بسیار بهتری نسبت به HDD ها دارند و چرا طول عمر بیشتری نسبت به HDD ها دارند؟ در این مقاله ، ما قصد داریم به این سوالات پاسخ دهیم و آناتومی SSD را به صورت ساده و مختصر توضیح دهیم تا به درک کلی از ساختار این خاطرات برسیم.

SSD ها نه مغناطیسی ، نه الکترونیکی و نه فوتونی هستند ، اما ساختار کاملاً متفاوتی دارند که آنها را از ساختار انواع مختلف حافظه متمایز می کند. مطمئناً همه برای ذخیره اطلاعات با ارزش خود به یک حافظه امن و پایدار نیاز دارند. حافظه اصلی به سه نوع HDD ، SSD و حافظه نوری تقسیم می شود.

در این مقاله ، ما قصد داریم به بررسی آناتومی SDD ها بپردازیم که از نظر سرعت نسبت به دو نوع حافظه دیگر برتری دارند و آسیب پذیری بسیار کمی دارند. همانطور که ترانزیستورها با سرعت بخشیدن به مدارها برای انجام عملیات ریاضی و جابجایی بین آنها ، کامپیوترها را متحول کردند ، از وسایل نیمه هادی در ذخیره سازی برای ایجاد چنین پیشرفت بزرگی در صنعت ذخیره سازی اطلاعات استفاده شد.

اولین قدم در استفاده از قطعات نیمه هادی در حافظه ذخیره سازی توسط توشیبا انجام شد که در دهه 1980 مفهوم حافظه فلش را معرفی کرد. چهار سال بعد ، این شرکت اولین حافظه فلش NOR را تولید کرد و سپس در سال 1987 ، توشیبا اولین حافظه فلش NAND را راه اندازی کرد.

اولین حافظه تجاری فلش تجاری ، که اکنون با نام SSD یا درایوهای حالت جامد شناخته می شود ، در سال 1991 توسط SunDisk ، مارک فعلی SunDisk راه اندازی شد (امروزه ، SanDisk Storage یکی از مارک های شناخته شده در فضای ذخیره سازی است).

امروزه تقریباً همه با حافظه های فلش ، کارت های حافظه یا حتی SSD های خارجی آشنا هستند که از آنها در زندگی روزمره خود بارها استفاده می کنند. همه این دستگاه ها زیر مجموعه ای از حافظه SSD هستند.

در سمت چپ تصویر بالا یک تراشه فلش SanDisk NAND وجود دارد ، درست مانند تراشه SRAM که در رایانه ها و کارت های گرافیک استفاده می شود و حاوی میلیون ها سلول با ترانزیستورهای شناور اصلاح شده است. ترانزیستورهای دروازه شناور از ولتاژ بالا برای انتقال جریان به یک قسمت خاص از ساختار خود و انتقال آن به قسمت دیگر استفاده می کنند. در مرحله بعد ، هنگامی که سلول فراخوانی می شود ، ولتاژ کمی به قسمتی از سلول که ولتاژ بالاتر را دریافت می کند اعمال می شود.

اگر در مرحله اول جریانی در سلول ایجاد نشود ، ولتاژ پایینی که به سلول اعمال می شود باعث می شود که جریان در آن جریان یابد. هنگامی که جریانی در سلول وجود ندارد ، سلول در حالت صفر (حالت 0) است و هنگامی که دارای جریان و به اصطلاح بار است ، در حالت اول است (حالت 1). چنین ساختاری به NAND Flash اجازه می دهد تا داده ها را با سرعت بالا بخواند. اما هنگام خواندن یا حذف داده ها خیلی سریع عمل نکنید.

در بهترین نوع فلاش ، که سلول تک سطحی (SLC) نامیده می شود ، فقط یک جریان به قسمت خاصی از ترانزیستور اعمال می شود ، اما سلول ها دارای چندین سطح جریان هستند. این نوع ساختار معمولاً به عنوان سلول های چند لایه (MLCs) شناخته می شود. اما در Nand Flash ، عبارت MLC چهار سطح جریان را نشان می دهد. چندین نوع سلول مشابه با این ساختار وجود دارد ، از جمله سطح سه گانه (TLC) و سطح چهارگانه (QLC) که هریک به ترتیب دارای 8 و 16 سطح مختلف جریان هستند.

استفاده از انواع مختلف سلول ها در حافظه فلش ، ذخیره میکروسکوپی داده ها را در هر یک از این نوع فلش ها جدا می کند. ظرفیت ذخیره فلش ها با سلول های مختلف به شرح زیر است:

SLC – یک سطح = یک بیت

سطح سم MLC = دو بیت

TLC – هشت سطح = سه بیت

QLC – شانزده سطح = چهار بیت

باید توجه داشته باشید که فلش های QLC بهترین نوع فلاش هستند. متاسفانه، این مورد نیست. جریانهای ایجاد شده در یک فلاش بسیار کوچک هستند و به نویز الکتریکی بسیار حساس هستند. بنابراین ، برای جدا کردن صحیح سطوح مختلف جریان در سلول ها ، قبل از تأیید داده ها ، سلول ها باید چندین بار خوانده شوند.

به طور خلاصه ، سلولهای SLC سریعترین نوع سلولها هستند. اما برای ذخیره مقدار مشخصی از داده ها ، فضای فیزیکی بیشتری نسبت به سایر انواع سلول ها اشغال می کنند. در مقابل ، سلولهای QLC کمترین سرعت را در مقایسه با انواع دیگر سلولها دارند. اما از طرف دیگر ظرفیت ذخیره سازی آنها بیشتر از انواع دیگر سلول ها است.

در سلول های حافظه فلش ، بر خلاف حافظه های SRAM و DRAM ، هنگامی که منبع تغذیه با اعمال جریان قطع می شود ، جریان ثابت می ماند و به آرامی و به تدریج از بین می رود. در مورد حافظه سیستم ، سلول ها در عرض چند ثانیه تخلیه می شوند و باید به طور مداوم شارژ شوند.

متأسفانه ، استفاده مداوم از ولتاژ و نگهداری جریان منجر به آسیب سلول ، تخریب و از دست رفتن تدریجی حافظه SSD می شود. برای جلوگیری از این مشکل ، فرایندهای هوشمند بارها و بارها تکرار می شوند تا تخریب تدریجی حافظه را به حداقل برسانند.

این فرایندها برای اطمینان از عدم اعمال مکرر ولتاژ به سلول انجام می شود. تراشه ای به نام Chip این را کنترل می کند. این کار را با تراشه LSI مورد استفاده در هارد دیسک انجام می دهد. اما در HDD تراشه های جداگانه ای برای حافظه پنهان DRAM و سیستم عامل حافظه فلش وجود دارد. درایوهای فلش USB حاوی حافظه داخلی DRAM و سیستم عامل حافظه فلش هستند ، اما از آنجا که درایوهای فلش USB ارزان طراحی شده اند ، ظرفیت ذخیره سازی زیادی ندارند.

فلش مموری ها قطعا باید به دلیل نداشتن قطعات متحرک از HDD بهتر عمل کنند. ما برای مقایسه SSD و HDD از معیار CrystalDiskMark استفاده کردیم.

در نگاه اول ، نتایج ناامید کننده به نظر می رسد. از آنجا که نتایج آزمون خواندن و نوشتن مداوم توسط حافظه SSD و نوشتن تصادفی داده ها بسیار بدتر از نتایج به دست آمده از تست HDD است. البته حافظه SSD سرعت خواندن تصادفی بسیار بهتری از داده ها داشت که نسبت به حافظه فلش یک مزیت محسوب می شود. در حافظه فلش ، اطلاعات با سرعت بالا خوانده می شود. اما سرعت نوشتن یا پاک کردن داده ها در این حافظه های ذخیره سازی در مقایسه با حافظه HDD کند است.

برای مقایسه این دو نوع حافظه باید آزمایش های بیشتری انجام دهیم. حافظه فلش مورد استفاده در این آزمایش دارای اتصال USB 2.0 با حداکثر سرعت انتقال داده 60 مگابیت بر ثانیه بود. در مقابل ، هارد دیسک ها دارای کانکتور SATA 3.0 هستند که امکان انتقال اطلاعات برای این حافظه را با بیش از 10 برابر سرعت حافظه فلش فراهم می کند. فناوری مورد استفاده در حافظه فلش مورد آزمایش یک فناوری بسیار اساسی است و از سلول های TLC که به صورت نوارهای بلند در کنار یکدیگر قرار گرفته اند استفاده می کند. به این نوع چیدمان چیدمان دو بعدی یا سطحی می گویند.

درایوهای فلش مورد استفاده در اکثر SSD ها دارای سلول های SLC یا MLC هستند. بنابراین ، این نوع حافظه کمی سریعتر از سایر حافظه های مشابه است و بعداً پاک می شود. در این خاطرات ، نوارهایی که سلول ها را تشکیل می دهند ، از وسط تا می شوند و به صورت عمودی در کنار یکدیگر قرار می گیرند ، بنابراین سلول های این خاطرات به صورت عمودی یا سه بعدی مرتب می شوند.

این حافظه ها همچنین از رابط اتصال SATA 3.0 استفاده می کنند. با این حال ، استفاده از سیستم های اتصال PCI Express از طریق رابط اتصال NVMe به سرعت در حال افزایش است.

بیایید به یکی از درایوها با نوار تاشو عمودی سلول نگاه کنیم. این SSD 6.37 سانتی متر عرض SSD سامسونگ 850 Pro با ضخامت و عرض بسیار کوچکتر از HDD دارد. وقتی این خاطره را باز می کنیم ، صحنه ای پیش روی ما قرار می گیرد

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می کنید ، هیچ دیسک ، هیچ بازوی متحرک و هیچ آهنربا در داخل این حافظه دیده نمی شود و تنها چیزی که در پوسته این هارد دیسک وجود دارد برد مدار شامل چندین تراشه است. در تصویر زیر ، می توانید نگاهی دقیق تر به برد حافظه SSD بیندازید.

تراشه های سیاه کوچک تنظیم کننده ولتاژ هستند و سایر تراشه ها به شرح زیر است:

• تراشه سامسونگ: تراشه S4LN045X01-8030 ARM Cortex R4 3 هسته ای برای آموزش ، مدیریت داده ها ، تشخیص خطاها و تصحیح داده ها ، رمزگذاری و مدیریت فرسایش استفاده می شود.
• تراشه سامسونگ: K4P4G324EQ-FGC2 این تراشه دارای 512 مگابایت حافظه ذخیره سازی DDR2 SDRAM است که به عنوان کش استفاده می شود.
• تراشه سامسونگ: K9PRGY8S7M این تراشه دارای 64 گیگابایت حافظه فلش NAND با 32 لایه سلولی عمودی است. تعداد این تراشه در این حافظه 4 عدد است که دو عدد از آنها روی برد و دو تای دیگر در پشت برد نصب شده است.

این حافظه شامل سلولهای دو بیتی ، چندین تراشه حافظه و تعداد زیادی حافظه نهان است. چنین ساختاری نشان دهنده عملکرد خوب حافظه است. زیرا همانطور که گفتیم ، نوشتن اطلاعات روی فلش مموری بسیار کند انجام می شود. اما با استفاده از چند تراشه فلش ، می توان اطلاعات را به طور همزمان به حافظه های متعدد نوشت.

درایوهای فلش USB DRAM زیادی برای نوشتن داده ها ندارند. بنابراین باید از تراشه جداگانه بزرگتری برای سرعت بخشیدن به نوشتن استفاده شود. بیایید دوباره یک آزمایش معیار انجام دهیم.

همانطور که می بینید ، نتایج بسیار بهتر از آزمایش قبلی است. سرعت خواندن داده ها و نوشتن روی آن هر دو بسیار بیشتر از آزمایش قبلی است و تأخیر بسیار کاهش می یابد. SSD ها علاوه بر اینکه سرعت خواندن و نوشتن بسیار بالاتری نسبت به HDD دارند ، سبک تر ، کوچکتر و حتی انرژی کمتری مصرف می کنند.

متاسفانه SSD ها بسیار گرانتر از HDD ها هستند. می توانید یک هارد دیسک 14 ترابایتی با قیمت 350 دلار خریداری کنید. اما با این پول تنها می توانید یک ترابایت SSD یا در نهایت دو ترابایت خریداری کنید. اگر قصد خرید SSD 14 ترابایتی دارید ، باید بدانید که بهترین SSD با ظرفیت 15.36 در حال حاضر 4300 دلار است!

اخیراً ، برخی از تولیدکنندگان حافظه های ذخیره سازی ، نوع جدیدی از حافظه های ذخیره سازی را به نام حافظه HDD ترکیبی راه اندازی کرده اند. این نوع حافظه ، نوع استاندارد هارد دیسک است که شامل تعداد کمی بیت حافظه فلش است که برای ذخیره داده هایی که معمولاً روی هارد دیسک هستند ، استفاده می شود. تصویر زیر مربوط به برد هیبرید HDD است. در برخی منابع ، به این نوع حافظه ها حافظه SSHD نیز گفته می شود.

در این حافظه ، یک تراشه NAND و کنترل کننده آن در سمت راست بالای برد دیده می شود و سایر قسمت های آن مشابه حافظه معمولی HDD است. ما همچنین این درایو را با CrystalDiskMark آزمایش کردیم تا ببینیم آیا استفاده از حافظه فلش به عنوان یک نوع حافظه پنهان عملکرد آن را تغییر داده است یا خیر. البته ، این مقایسه ناعادلانه است. زیرا سرعت چرخش دیسک مورد استفاده در این حافظه 7200 دور در دقیقه است و سرعت چرخش دیسک حافظه HDD معمولی مورد استفاده در این آزمایش تنها 5400 دور در دقیقه است.

همانطور که می بینید ، ارقام HDD ترکیبی کمی بهتر هستند. البته سرعت خواندن و نوشتن بیشتر HDD های ترکیبی ممکن است به دلیل سرعت بیشتر چرخش دیسک ها باشد. هرچه دیسک سخت دیسک زیر عنوان برای خواندن و نوشتن داده ها سریعتر باشد ، سرعت انتقال داده ها سریعتر است.

لازم به ذکر است که فایلهای ایجاد شده در این بنچمارک در الگوریتم مشخص نشده اند تا بتوان در هر زمان از راه دور به آنها دسترسی داشت ، بنابراین بعید است که کنترلر از فلش مموری به درستی استفاده کند.

البته ، آزمایش نشان داد که HDD های ترکیبی با SSD داخلی عملکرد کلی بهتری نسبت به HDD های سنتی دارند. البته ، نباید فراموش کنیم که فلش مموری ارزان قیمت عملکرد بسیار بدتری نسبت به HDD با کیفیت دارد. همچنین باید توجه داشت که به HDD های ترکیبی بسیار کمتر از SSD ها توجه شده است.

لازم به ذکر است که حافظه فلش تنها فناوری مورد استفاده در SSD ها نیست. میکرون و اینتل برای ایجاد سیستمی به نام 3D XPoint با یکدیگر همکاری کرده اند که در آن سلول ها مقاومت الکتریکی خود را برای ایجاد این بیت ها تغییر می دهند ، به جای تزریق جریان به داخل و خارج سلول ها برای ایجاد حالت صفر یک.

اینتل این حافظه را با نام تجاری Optane راه اندازی کرده است و یک تست عملکرد نشان داد که عملکرد بسیار خوبی دارد. البته این نوع حافظه نیز بسیار گران است و یک ترابایت ظرفیت آن 1200 دلار فروخته می شود که چهار برابر SSD با فلش مموری با همین ظرفیت است!