آناتومی حافظه SSD ؛ هر آنچه که باید درباره ساختار بدانید

آیا تفاوت حافظه SSD و حافظه HDD را می دانید؟ چه چیزی باعث می شود SSD عملکرد بهتری نسبت به HDD داشته باشد و چرا طول عمر بیشتری نسبت به HDD دارد؟ در این مقاله ، ما به این س questionsالات پاسخ می دهیم و آناتومی SSD را به روشی ساده و مختصر توضیح می دهیم تا به درک کلی از ساختار این خاطرات برسیم.

SSD ها مغناطیسی ، الکترونیکی و فوتونی نیستند ، اما ساختارهای بسیار متفاوتی دارند که آنها را از ساختار انواع مختلف حافظه متمایز می کند. البته همه افراد برای ذخیره اطلاعات ارزشمند به یک حافظه امن و پایدار نیاز دارند. حافظه های اصلی ذخیره سازی به سه نوع HDD ، SSD و حافظه نوری تقسیم می شوند.

در این مقاله ، به بررسی آناتومی SDD می پردازیم که از نظر سرعت و آسیب پذیری کمتر از دو نوع حافظه دیگر برتری دارد. همانطور که ترانزیستورها با سرعت بخشیدن به مدارها برای انجام عملیات ریاضی و جابجایی بین آنها ، رایانه سازی می کنند ، استفاده از وسایل نیمه هادی در ذخیره سازی نیز پیشرفت بزرگی در صنعت ذخیره سازی داده ها ایجاد می کند.

اولین مراحل استفاده از قطعات نیمه هادی در حافظه ذخیره سازی توسط توشیبا انجام شد ، که مفهوم حافظه فلش را در دهه 1980 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 تجاری فلش تجاری ، که اکنون به عنوان SSD یا درایو حالت جامد شناخته می شود ، در سال 1991 توسط SunDisk ، مارک فعلی SunDisk راه اندازی شد (امروزه ، SanDisk یکی از شناخته شده ترین مارک ها در زمینه ذخیره سازی است)

امروزه تقریباً همه فلش مموری ، کارت های حافظه یا حتی SSD های خارجی را می شناسند که اغلب در زندگی روزمره آنها استفاده می شود. همه این دستگاه ها زیر مجموعه ای از حافظه SSD هستند.

در سمت چپ تصویر بالا یک تراشه فلش SanDisk NAND قرار دارد که مانند تراشه های SRAM مورد استفاده در رایانه های شخصی و کارت های گرافیک ، دارای میلیون ها سلول با ترانزیستورهای شناور اصلاح شده است. ترانزیستورهای دروازه شناور از ولتاژ بالا برای ارسال جریان به قسمتهای خاصی از سازه و حرکت به قسمتهای دیگر استفاده می کنند. در مرحله بعدی ، 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 وجود نداشته باشد ، ولتاژ کم اعمال شده بر روی سلول باعث می شود که جریان در داخل سلول جریان یابد. هنگامی که هیچ سلول در سلول وجود ندارد ، سلول در حالت صفر است (حالت 0) و اگر در حال حاضر دارای بار است و به آن شارژ می گویند ، در حالت اول (حالت 1) قرار دارد. چنین ساختاری به چشمک های NAND اجازه می دهد تا داده ها را با سرعت بالا بخوانند. 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 دارای چندین سطح جریان است. 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 شبیه به این ساختار وجود دارد ، از جمله سطح سه گانه (TLC) و سطح چهارگانه (QLC) ، هر کدام با 8 و 16 نرخ جریان متفاوت.

استفاده از انواع سلول های مختلف در حافظه فلش باعث می شود ذخیره اطلاعات 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

نرخ جهار MLC = دو بیت

TLC – هشت سطح = سه بیت

QLC – شانزده سطح = چهار بیت

باید فکر کنید که فلش های QLC بهترین نوع فلاش هستند. متأسفانه این اتفاق نیفتاد. جریان ایجاد شده در فلاش بسیار کوچک است و نسبت به تداخل الکتریکی بسیار حساس است. بنابراین ، برای اینکه سطوح مختلف جریان در یک سلول از یکدیگر متمایز شوند ، قبل از تأیید داده ها ، سلول باید چندین بار خوانده شود.

به طور خلاصه ، سلول های SLC سریع ترین نوع سلول هستند. اما برای ذخیره داده های خاص ، از فضای فیزیکی بیشتری نسبت به انواع دیگر سلول ها استفاده می کند. در مقابل ، سلولهای QLC کمترین سرعت را در مقایسه با انواع دیگر سلولها دارند. اما از طرف دیگر ، ظرفیت ذخیره سازی آن بسیار بیشتر از سلول های دیگر است.

در سلول های حافظه فلش ، بر خلاف حافظه های SRAM و DRAM ، در صورت خاموش شدن منبع تغذیه هنگام اعمال ، جریان ثابت می ماند و به آرامی و به تدریج از بین می رود. در مورد حافظه سیستم ، سلول تنها در چند ثانیه منقضی می شود و باید به طور مداوم شارژ شود.

متأسفانه ، استفاده از ولتاژ و نگهداری مداوم منجر به آسیب سلول ، فرسایش و از دست رفتن تدریجی حافظه SSD می شود. برای جلوگیری از این مشکل ، اغلب فرایندهای هوشمند تکرار می شوند تا فرسایش حافظه را به تدریج کاهش دهند.

این فرایند برای اطمینان از عدم اعمال ولتاژ مکرر به سلول انجام می شود. تراشه ای به نام تراشه کنترل برای این کار. مشابه تراشه LSI مورد استفاده در HDD ها نیست. اما در HDD یک تراشه جداگانه برای حافظه پنهان DRAM و سیستم عامل حافظه فلش وجود دارد. درایوهای فلش USB دارای حافظه کش DRAM و همچنین سیستم عامل حافظه فلش هستند ، اما از آنجا که درایوهای فلش USB ارزان طراحی شده اند ، ظرفیت ذخیره سازی آنها زیاد نیست.

درایوهای فلش قطعا باید از HDD ها بهتر باشند زیرا قطعات متحرک وجود ندارد. ما برای مقایسه SSD و HDD از معیار CrystalDiskMark استفاده می کنیم.

در نگاه اول ، نتایج ناامیدکننده به نظر می رسند. از آنجا که نتایج آزمایشات خواندن و نوشتن متوالی و نوشتن داده های تصادفی با حافظه SSD بدتر از نتایج به دست آمده از آزمایشات HDD است. البته سرعت خواندن داده های تصادفی در حافظه SSD بهتر است 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 ذخیره سازی در مقایسه با حافظه های HDD کند است.

برای مقایسه دو نوع حافظه باید بیشتر تلاش کنیم. حافظه فلش مورد استفاده در این آزمایش دارای اتصال USB 2.0 با حداکثر سرعت انتقال داده 60 مگابیت بر ثانیه است. در مقابل ، HDD دارای یک کانکتور SATA 3.0 است که امکان انتقال داده ها را با سرعتی بیش از 10 برابر سریعتر از حافظه فلش برای این حافظه فراهم می کند. فناوری مورد استفاده در حافظه فلش مورد آزمایش یک فناوری بسیار اساسی بود و از سلول های TLC به شکل نوارهای بلند در کنار آنها استفاده می کرد. این نوع چیدمان را طرح دو بعدی یا سطحی می نامند.

درایوهای فلش مورد استفاده در اکثر SSD ها دارای سلول های SLC یا MLC هستند. از این رو ، این نوع حافظه سریعتر از حافظه های مشابه است و دیرتر از بین می رود. در این خاطرات ، نوار سازنده سلول به دو قسمت تا شده و به صورت عمودی در کنار آن قرار می گیرد ، بنابراین سلول ها را در حافظه به صورت عمودی یا سه بعدی در حافظه قرار می دهد.

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

بیایید به یکی از درایوها با سلول تاشو عمودی نگاه کنیم. این SSD یک SSD سامسونگ 850 پرو با عرض 6.37 سانتی متر با ضخامت و عرض کوچکتر از HDD است. وقتی این حافظه را باز می کنیم ، با صحنه ای شبیه آن روبرو می شویم

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

تراشه سیاه کوچک تنظیم کننده ولتاژ است و سایر تراشه ها عبارتند از:

• تراشه سامسونگ: تراشه S4LN045X01-8030 3 هسته ARM Cortex R4 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 شامل 64 گیگابایت حافظه فلش NAND با 32 لایه سلولی عمودی است. تعداد این تراشه ها در این حافظه 4 عدد است ، دو عدد روی برد و دو تای دیگر در پشت برد نصب شده است.

این حافظه دارای سلول های دو بیتی ، چندین تراشه حافظه و حافظه پنهان کافی است. چنین ساختاری نشان دهنده عملکرد خوب حافظه است. زیرا همانطور که گفتم ، نوشتن اطلاعات در مورد حافظه فلش بسیار کند انجام می شود. اما با استفاده از چند تراشه فلش می توان اطلاعات را در چندین حافظه به صورت موازی نوشت.

درایوهای فلش USB DRAM آماده برای نوشتن داده ها ندارند. بنابراین برای سرعت بخشیدن به نوشتن باید از یک تراشه بزرگ جداگانه استفاده کرد. بیایید دوباره معیار را امتحان کنیم.

همانطور که می دانید ، نتایج بهتر از آزمایش های قبلی است. سرعت خواندن و نوشتن داده ها بیشتر از آزمایش قبلی بود و تاخیر کاهش یافت. SSD ها علاوه بر اینکه سرعت خواندن و نوشتن بیشتری نسبت به HDD دارند ، سبک تر ، کوچکتر و حتی انرژی کمتری مصرف می کنند.

متاسفانه SSD ها گرانتر از HDD ها هستند. می توانید یک هارد دیسک 14 ترابایتی با قیمت 350 دلار خریداری کنید. اما با این پول 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 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 کردند. این نوع حافظه یک نوع هارد دیسک استاندارد است که دارای چندین بیت حافظه فلش برای ذخیره داده هایی است که به طور معمول در هارد دیسک وجود دارد. تصویر زیر شامل یک برد HDD ترکیبی است. در برخی منابع ، به این نوع حافظه ها حافظه SSHD نیز گفته می شود.

در این حافظه ، تراشه و کنترل NAND در سمت راست بالای برد و قسمت های دیگر مانند حافظه های معمولی HDD دیده می شود. ما همچنین این درایو را با CrystalDiskMark آزمایش کردیم تا ببینیم آیا استفاده از حافظه فلش به عنوان نوع حافظه پنهان عملکرد 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 در این تست تنها 5400 دور در دقیقه است.

همانطور که می دانید ، رقم HDD ترکیبی بهتر است. البته سرعت بیشتر خواندن و نوشتن HDD های ترکیبی ممکن است به دلیل سرعت بیشتر چرخش دیسک باشد. هرچه درایو دیسک زیر سربرگ برای خواندن و نوشتن داده ها سریعتر باشد ، سرعت انتقال داده ها سریعتر است.

لازم به ذکر است که فایلهای ایجاد شده در این معیار در الگوریتم مشخص نشده است که در هر زمان از راه دور به آنها دسترسی داشته باشد ، بنابراین امکان استفاده صحیح از فلش مموری برای کنترل کننده وجود ندارد.

البته ، این آزمایش ها نشان می دهد که HDD های ترکیبی با SSD های داخلی به طور کلی عملکرد بهتری نسبت به HDD های معمولی دارند. البته فراموش نکنید که فلش مموری ارزان قیمت در مقایسه با HDD های با کیفیت بالا عملکرد ضعیف تری دارد. همچنین باید توجه داشت که HDD های ترکیبی بسیار کمتر از SSD ها قابل توجه هستند.

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 مقاومت الکتریکی خود را برای ایجاد بیت تغییر می دهد ، به جای تزریق جریان سلول به خارج سلول برای ایجاد حالت صفر.

اینتل این حافظه را با نام تجاری Optane عرضه کرد و در آزمایشات عملکرد مشخص شد که عملکرد فوق العاده ای دارد. البته این نوع حافظه نیز بسیار گران است و یک ترابایت ظرفیت آن 1200 دلار به فروش می رسد که چهار برابر SSD با حافظه فلش با همان ظرفیت است!