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

آیا تفاوت حافظه SSD با حافظه HDD را می دانید؟ چه چیزی SSD ها را بسیار بهتر از HDD ها می کند و چرا طول عمر بیشتری نسبت به HDD ها دارند؟ در این مقاله ، ما به این س questionsالات پاسخ می دهیم و آناتومی SSD ها را به صورت ساده و مختصر توضیح می دهیم تا درک کلی از ساختار این خاطرات را به شما ارائه دهیم.

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

در این مقاله ، ما به آناتومی SDD ها می پردازیم که از نظر سرعت نسبت به دو نوع حافظه دیگر برتری دارند و بسیار کمتر سازگار هستند. همانطور که ترانزیستورها با سرعت بخشیدن به مدارها برای انجام عملیات ریاضی و جابجایی بین آنها ، کامپیوترها را متحول کردند ، استفاده از وسایل نیمه هادی در ذخیره سازی نیز به یک پیشرفت مهم در صنعت ذخیره سازی داده تبدیل شده است.

اولین گام ها در استفاده از عناصر نیمه هادی در حافظه جمعی توسط توشیبا برداشته شد که در دهه 1980 مفهوم حافظه فلش را مطرح 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 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 یکی از مارک های شناخته شده در زمینه ذخیره سازی است)

امروزه تقریباً همه فلش مموری ، کارت های حافظه و حتی درایوهای SSD خارجی را می شناسند که هر روز آنها را بارها استفاده می کنند. همه این دستگاه ها زیر مجموعه ای از حافظه SSD هستند.

در سمت چپ تصویر بالا تراشه حافظه فلش SanDisk NAND قرار دارد که مانند تراشه SRAM مورد استفاده در رایانه ها و کارت های گرافیک ، میلیون ها سلول از ترانزیستورهای شناور اصلاح شده ساخته شده است. ترانزیستورهای دروازه شناور از ولتاژ بالا برای انتقال جریان به قسمت خاصی از ساختار خود و انتقال آن به قسمت دیگر استفاده می کنند. در مرحله بعد ، با توسعه سلول ، ولتاژ کمی به قسمتی از سلول که ولتاژ بالا را دریافت کرده است 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 از طریق سلول عبور کند. هنگامی که جریانی در سلول وجود ندارد ، سلول در حالت صفر است (حالت 0) ، و هنگامی که جریان دارد و به اصطلاح بار ، در حالت اول است (حالت 1). این ساختار به فلش NAND 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 سلولهای تک سطحی (SLC) نامیده می شود ، تنها یک جریان به قسمت خاصی از ترانزیستور اعمال می شود ، اما سلولها دارای چندین سطح جریان هستند. این نوع ساختار معمولاً به عنوان سلول های چند سطحی (MLC) شناخته می شود. اما در فلش های NAND ، کلمه MLC به چهار سطح جریان اشاره دارد. چندین نوع سلول مشابه با این ساختار وجود دارد ، از جمله سه سطح (TLC) و چهار سطح (QLC) ، هر کدام به ترتیب با 8 و 16 سطح جریان متفاوت.

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

SLC – یک سطح = یک بیت

Jahar در سطح MLC = دو بیت

TLC – هشت سطح = سه بیت

QLC – شانزده سطح = چهار بیت

شما باید فکر کنید که لامپ های QLC بهترین نوع فلاش هستند. متاسفانه، این مورد نیست. جریانهای ایجاد شده توسط چشمک ها بسیار کم بوده و نسبت به نویز الکتریکی بسیار حساس هستند. بنابراین ، برای اینکه سطوح مختلف جریان سلولی به درستی از یکدیگر متمایز شوند ، 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 ، سلول های QLC کمترین سرعت را در مقایسه با دیگر انواع سلول ها دارند. اما از طرف دیگر ، ظرفیت آنها بیشتر از انواع دیگر سلول ها است.

در سلول های حافظه فلش ، بر خلاف SRAM و DRAM ، هنگامی که بعد از اعمال جریان برق قطع می شود ، جریان ثابت می ماند و به آرامی و به تدریج از بین می رود. وقتی صحبت از حافظه سیستم می شود ، سلول ها در چند ثانیه تمام می شوند و باید دائماً شارژ شوند.

متأسفانه ، پشتیبان گیری ولتاژ و جریان ثابت باعث آسیب سلول ، فرسایش و از دست رفتن تدریجی حافظه SSD می شود. برای جلوگیری از این مشکل ، فرایندهای هوشمند مکرراً تکرار می شوند تا فرسایش تدریجی حافظه را به حداقل برسانند.

این فرایندها برای اطمینان از عدم اعمال مکرر ولتاژ به سلول انجام می شود. این توسط تراشه ای به نام تراشه کنترل می شود. این کار را با تراشه LSI مورد استفاده در هارد دیسک ها انجام می دهد. اما تراشه های جداگانه ای در HDD برای حافظه DRAM و نرم افزار حافظه فلش وجود دارد. درایوهای فلش USB دارای حافظه داخلی DRAM و سیستم عامل حافظه فلش هستند ، اما از آنجا که درایوهای فلش USB ارزان هستند ، ظرفیت زیادی ندارند.

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

در نگاه اول ، نتایج ناامیدکننده به نظر می رسد. از آنجا که نتایج آزمونهای خواندن و نوشتن پی در پی و نوشتن تصادفی داده ها توسط حافظه SSD به طور قابل توجهی پایین تر از نتایج به دست آمده از آزمون HDD است. بدیهی است سرعت خواندن داده های تصادفی در SSD بسیار بهتر بود که از مزایای فلش است. در حافظه فلش ، اطلاعات با سرعت بالا خوانده می شود. با این حال ، سرعت نوشتن یا پاک کردن داده ها در این حافظه ها در مقایسه با حافظه های HDD کند است.

برای مقایسه 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 مگابایت بر ثانیه بود. در مقابل ، HDD دارای یک کانکتور SATA 3.0 است که سرعت انتقال داده ها را بیش از 10 برابر سریعتر از سرعت فلش مموری این حافظه امکان پذیر می کند. فناوری مورد استفاده در حافظه فلش مورد آزمایش بسیار اساسی است و از سلول های TLC استفاده می کند که به صورت نوارهای بلند در کنار هم قرار گرفته اند. این نوع چیدمان را آرایش دو بعدی یا سطحی می نامند.

درایوهای فلش مورد استفاده در اکثر SSD ها دارای سلول های SLC یا MLC هستند. بنابراین ، این نوع حافظه کمی سریعتر از سایر خاطرات مشابه است و دیرتر فرسوده می شود. در این خاطرات ، رشته های تشکیل دهنده سلول ها از وسط تا می شوند و به صورت عمودی در کنار یکدیگر قرار می گیرند ، بنابراین سلول ها در این خاطرات به صورت عمودی یا سه بعدی چیده می شوند.

رابط اتصال SATA 3.0 نیز در این حافظه ها استفاده می شود. با این حال ، سیستم اتصال PCI Express از طریق رابط اتصال NVMe به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرد.

بیایید به یکی از دیسک ها با نوار تاشو عمودی از سلول ها نگاه کنیم. این SSD یک SSD سامسونگ 850 پرو با عرض 6.37 سانتی متر است که بسیار نازک تر و نازک تر از هارد دیسک ها است. وقتی این خاطره را باز می کنیم ، با این صحنه روبرو می شویم

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می کنید ، هیچ دیسک ، بازوی متحرک یا آهن ربا در داخل این حافظه وجود ندارد و تنها چیزی که در پوسته این هارد دیسک وجود دارد یک برد مدار با تراشه های زیاد است. در تصویر زیر می توانید نمای نزدیک تر از برد حافظه SSD را مشاهده کنید.

تراشه های سیاه کوچک تنظیم کننده ولتاژ هستند و تراشه های باقی مانده عبارتند از:

• تراشه سامسونگ: تراشه S4LN045X01-8030 3 هسته ای ARM Cortex R4 که برای آموزش ، مدیریت داده ، تشخیص خطا و تصحیح داده ها ، رمزگذاری و مدیریت فرسایش استفاده می شود.
• تراشه سامسونگ: K4P4G324EQ-FGC2 این تراشه دارای 512 مگابایت DDR2 SDRAM است که به عنوان حافظه پنهان استفاده می شود.
• تراشه سامسونگ: K9PRGY8S7M این تراشه شامل 64 گیگابایت فلاش NAND با 32 لایه عمودی سلول 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 دارای سلول های دو بیتی ، چندین تراشه حافظه و تعداد زیادی حافظه نهان است. این ساختار نشان دهنده عملکرد خوب حافظه است. زیرا همانطور که گفتیم نوشتن اطلاعات روی فلش بسیار کند است. اما با استفاده از چند تراشه فلش ، می توان اطلاعات را به طور همزمان به چندین حافظه نوشت.

درایوهای فلش USB DRAM های زیادی برای نوشتن داده ها ندارند. بنابراین ، برای سرعت بخشیدن به تایپ ، باید از یک تراشه بزرگ جداگانه استفاده شود. بیایید دوباره یک آزمایش مقایسه ای انجام دهیم.

همانطور که می بینید ، نتایج بسیار بهتر از آزمایش قبلی است. هم سرعت خواندن داده ها و هم سرعت نوشتن داده ها به میزان قابل توجهی بیشتر از آزمایش قبلی است و تأخیر به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. SSD ها علاوه بر سرعت خواندن و نوشتن به میزان قابل توجهی بیشتر از HDD ها ، سبک تر ، کوچکتر و حتی مصرف انرژی کمتری دارند.

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

اخیراً ، برخی از تولید کنندگان حافظه های ذخیره سازی ، نوع جدیدی از حافظه را به نام HDD ترکیبی معرفی کرده اند. این نوع حافظه یک نوع هارد دیسک استاندارد است که دارای تعداد کمی بیت حافظه فلش است که برای ذخیره داده هایی که به طور معمول در هارد دیسک ها یافت می شوند استفاده می شود. تصویر زیر یک برد هارد ترکیبی را نشان می دهد. از این نوع حافظه در برخی منابع به عنوان حافظه SSHD نیز یاد می شود.

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

همانطور که می بینید ، اطلاعات مربوط به هارد دیسک های هیبریدی کمی بهتر است. بدیهی است که سرعت خواندن و نوشتن بیشتر هارد ترکیبی ممکن است به دلیل سرعت بیشتر چرخش درایو باشد. هر چه هارد دیسک زیر سرفصل ها 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 در هر زمان بتوان از راه دور به آنها دسترسی پیدا کرد ، بنابراین بعید است که کنترلر از حافظه فلش به درستی استفاده کند.

البته ، آزمایش نشان داد که هارد ترکیبی با SSD داخلی عملکرد کلی بهتری نسبت به هارد معمولی دارد. البته ، نباید فراموش کنیم که فلش مموری ارزان قیمت در مقایسه با هارد دیسک های باکیفیت عملکرد بسیار قابل توجهی دارد. همچنین باید توجه داشت که هارد دیسک های هیبریدی به میزان قابل توجهی کمتر از SSD ها مورد توجه قرار می گیرند.

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 متحد شده اند که در آن سلولها مقاومت الکتریکی خود را برای تولید این بیتها تغییر می دهند ، نه اینکه جریان را به داخل و خارج سلولها ایجاد کرده و حالت صفر یک ایجاد کنند.

اینتل این حافظه را با نام تجاری Optane معرفی کرد و در آزمایش عملکرد مشخص شد که عملکرد فوق العاده خوبی دارد. البته این نوع حافظه ها نیز بسیار گران هستند و ظرفیت یک ترابایتی آن 1200 دلار به فروش می رسد که چهار برابر یک SSD با فلش مموری با همین ظرفیت است!