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

آیا تفاوت حافظه SSD و حافظه HDD را می دانید؟ چرا SSD ها بهتر از HDD کار می کنند و چرا عمر بیشتری نسبت به HDD دارند؟ در این مقاله ، ما به این س questionsالات پاسخ می دهیم و فیزیولوژی SSD را به روشی ساده و مختصر توضیح می دهیم تا درک کلی از ساختار این خاطرات به دست آوریم.

SSD ها مغناطیسی ، الکترونیکی یا فوتونی نیستند ، اما ساختار کاملاً متفاوتی دارند که آنها را از انواع مختلف ساختارهای حافظه متمایز می کند. مطمئناً همه برای ذخیره اطلاعات با ارزش خود به یک حافظه ایمن و پایدار نیاز دارند. حافظه های اصلی ذخیره سازی به سه نوع HDD ، SSD و حافظه نوری تقسیم می شوند.

در این مقاله ، ما فیزیولوژی SDD ها را بررسی می کنیم که از نظر سرعت نسبت به دو نوع دیگر حافظه کاملاً برتری دارند و آسیب پذیری آنها بسیار کمتر است. همانطور که ترانزیستورها با سرعت بخشیدن به مدارها برای انجام وظایف ریاضی و جابجایی بین آنها ، کامپیوترها را متحول کردند ، دستگاه های نیمه هادی در ذخیره سازی نیز گام های بلندی در صنعت ذخیره سازی داده ها برداشته اند.

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 ابتدا حافظه فلش NOR را ایجاد کرد و سپس در سال 1987 ، توشیبا اولین حافظه فلش NAND را راه اندازی کرد.

اولین حافظه تجاری فلش مموری تجاری که اکنون با نام SSD یا Solid State Drive شناخته می شود ، توسط Sandisk ، مارک فعلی Sundisk در سال 1991 راه اندازی شد (امروزه Sandisk Storage یکی از برندهای پیشرو در زمینه 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 گروه های ذخیره سازی SSD هستند.

در سمت چپ تصویر بالا یک تراشه فلش SanDisk NAND قرار دارد که مانند تراشه SRAM مورد استفاده در رایانه های شخصی و کارت های گرافیک ، میلیون ها سلول با ترانزیستورهای شناور اصلاح شده ساخته شده است. ترانزیستورهای دروازه شناور از ساختارهای بالاتر 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 بالا را دریافت می کند اعمال می شود.

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

در بهترین نوع فلاش که سلولهای تک سطحی (SLC) نامیده می شود ، فقط یک جریان به قسمت خاصی از ترانزیستور اعمال می شود ، اما سلولها دارای چندین سطح فعلی هستند. این نوع ساختار معمولاً به عنوان سلول چند لایه (MLC) شناخته می شود. اما در فلش NAND ، کلمه 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 هر کدام به ترتیب دارای 8 و 16 لایه متفاوت هستند.

استفاده از انواع مختلف سلول ها در حافظه فلش باعث می شود ذخیره سازی خرد داده ها در هر یک از این انواع فلش متفاوت باشد. ظرفیت ذخیره فلش ها با سلول های مختلف به شرح زیر است:

SLC – یک سطح = یک بیت

سم سطح MLC = دو بیت

TLC – هشت سطح = سه بیت

QLC – شانزده سطح = چهار بیت

باید توجه داشته باشید که فلش QLC بهترین نوع فلاش است. متاسفانه، این مورد نیست. جریانهای ایجاد شده در فلاش بسیار کم هستند و به نویز الکتریکی بسیار حساس هستند. بنابراین ، به منظور تشخیص صحیح سطوح مختلف جریان بین سلول ها ، قبل از تأیید داده ها ، سلول ها باید چندین بار خوانده شوند.

به طور خلاصه ، سلول های SLC سریع ترین نوع سلول 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 SRAM و DRAM ، هنگامی که منبع تغذیه تامین می شود ، منبع تغذیه قطع می شود ، جریان ثابت می ماند و به آرامی و به تدریج از بین می رود. برای حافظه سیستم ، سلول ها فقط در چند ثانیه تمام می شوند و باید دائماً شارژ شوند.

متأسفانه ، استفاده مداوم از نظارت بر ولتاژ و جریان منجر به آسیب سلول ، بخور دادن و از دست دادن تدریجی حافظه SSD می شود. برای جلوگیری از این مشکل ، فرآیندهای هوشمند مکرراً تکرار می شوند تا به تدریج از دست دادن حافظه را کاهش دهند.

این روشها برای اطمینان از عدم اعمال مکرر ولتاژ در سلول انجام می شود. تراشه ای به نام تراشه این را کنترل می کند. این کار را با تراشه LSI مورد استفاده در HDD انجام می دهد. اما HDD دارای تراشه های جداگانه برای حافظه پنهان DRAM و سیستم عامل حافظه فلش است. درایوهای فلش USB دارای حافظه داخلی DRAM و سیستم عامل حافظه فلش هستند ، اما ظرفیت ذخیره سازی بالایی ندارند زیرا درایوهای فلش USB ارزان طراحی شده اند.

درایوهای فلش به دلیل عدم وجود قطعات متحرک قطعاً باید عملکرد بهتری نسبت به HDD ها داشته باشند. ما برای مقایسه SSD و HDD از معیار CrystalDiskmark استفاده کردیم.

در نگاه اول ، نتایج ناامیدکننده به نظر می رسند. این به این دلیل است که نتایج آزمون های خواندن و نوشتن متوالی و نوشتن تصادفی داده ها از طریق حافظه SSD به طور قابل توجهی بدتر از نتایج به دست آمده از آزمایش HDD است. البته سرعت خواندن تصادفی داده ها در حافظه SSD بسیار بهتر بود که از مزایای حافظه فلش است. در حافظه فلش ، اطلاعات با سرعت بالا خوانده می شود. اما سرعت نوشتن یا حذف داده ها در این حافظه های ذخیره سازی کندتر از حافظه های HDD است.

برای مقایسه این دو نوع حافظه ، باید بیشتر آزمایش کنید. حافظه فلش مورد استفاده در این آزمایش دارای اتصال USB 2.0 با حداکثر سرعت انتقال داده 60 مگابیت بر ثانیه بود. در مقابل ، HDD دارای یک کانکتور SATA 3.0 است که اجازه می دهد انتقال داده ها برای این حافظه 10 برابر سریعتر از حافظه فلش باشد. فناوری مورد استفاده در حافظه فلش مورد آزمایش یک فناوری بسیار اساسی است و آنها از سلول های TLC استفاده می کنند که به صورت نوارهای بلند در مقابل یکدیگر قرار گرفته اند. 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 خاطرات کمی سریعتر از سایر خاطرات مشابه هستند و سپس ناپدید می شوند. در این خاطرات ، نوارهایی که سلول ها را تشکیل می دهند از وسط تا شده و در کنار یکدیگر قرار می گیرند ، بنابراین سلول ها در این خاطرات به صورت عمودی یا سه بعدی ارائه می شوند.

رابط اتصال SATA 3.0 نیز در این حافظه ها استفاده می شود. با این حال ، استفاده از سیستم اتصال PCI Express از طریق رابط اتصال NVMe در حال افزایش است.

بیایید به درایو با نوار تاشو عمودی از سلول ها نگاه کنیم. این SSD از نوع SSD سامسونگ 850 Pro با عرض 6.37 سانتی متر با ضخامت و عرض بسیار کوچکتر از HDD است. وقتی این حافظه را باز می کنیم ، چنین صحنه ای را می بینیم

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می کنید ، هیچ دیسک ، دست در حال حرکت و آهن ربا در این حافظه دیده نمی شود و تنها چیزی که در پوسته این هارد دیسک وجود دارد ، برد مدار با تراشه های زیاد است. در تصویر زیر ، می توانید نمای دقیق تری از برد حافظه SSD را مشاهده کنید.

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

• تراشه سامسونگ: تراشه سه هسته ای S4LN045X01-8030 ARM Cortex R4 برای اطلاع رسانی ، 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 32 گیگابایت حافظه فلش NAND با 32 لایه سلولی عمودی است. تعداد این تراشه ها 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 طرحی 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 در چندین حافظه موازی نوشت.

بسیاری از DRAM ها آماده نوشتن داده ها بر روی درایو فلش USB نیستند. بنابراین ، برای سرعت بخشیدن به نوشتن باید از یک تراشه جداکننده بزرگ استفاده کرد. بیایید دوباره یک آزمایش معیار انجام دهیم.

همانطور که می بینید ، نتایج بسیار بهتر از آزمایش قبلی است. هم سرعت خواندن داده ها و هم سرعت نوشتن آن به میزان قابل توجهی بیشتر از آزمایش های قبلی است و تاخیر تا حد زیادی کاهش می یابد. SSD ها علاوه بر اینکه سرعت خواندن و نوشتن بیشتری نسبت به HDD دارند ، سبک تر ، کوتاهتر و انرژی کمتری مصرف می کنند.

متاسفانه SSD ها بسیار گرانتر از HDD ها هستند. شما می توانید یک هارد دیسک 14 ترابایتی با قیمت 350 خریداری کنید. اما با این پول می توانید فقط 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!

به تازگی ، برخی از تولید کنندگان حافظه های ذخیره سازی ، نوع جدیدی از حافظه های ذخیره سازی را به نام Hybrid HDD Memory معرفی کرده اند. این نوع حافظه یک نوع هارد دیسک استاندارد است که شامل تعداد کمی بیت حافظه فلش است که معمولاً برای ذخیره اطلاعات روی هارد دیسک استفاده می شود. تصویر زیر مربوط به برد HDD ترکیبی 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 می توانند در سمت راست بالای صفحه ظاهر شوند و سایر قسمت های آن شبیه به حافظه های معمولی HDD هستند. 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. این به این دلیل است که 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 ، آمار HDD ترکیبی کمی بهتر است. البته سرعت خواندن و نوشتن HDD هیبریدی بیشتر ممکن است به دلیل سرعت بیشتر چرخش دیسک باشد. هرچه سرعت انتقال داده بیشتر باشد ، هارد دیسک زیر سربرگ برای خواندن و نوشتن داده ها سریعتر می شود.

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 حافظه فلش به درستی استفاده کند.

البته ، آزمایش نشان داد که HDD های ترکیبی با SSD های داخلی عملکرد بهتری نسبت به HDD های سنتی دارند. البته ، نباید فراموش کنیم که کیفیت فلش مموری ارزان بسیار بدتر از HDD است. همچنین باید توجه داشت که HDD هیبریدی بسیار کمتر از SSD مورد توجه قرار گرفته است.

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

اینتل این حافظه را با نام تجاری Opten عرضه کرده است و یک تست عملکرد نشان داد که عملکرد بسیار خوبی دارد. البته این نوع حافظه نیز بسیار گران است و ظرفیت یک ترابایتی آن 1200 فروخته می شود که چهار برابر SSD با حافظه فلش با همان ظرفیت است!