نگاهی به فناوری های موجود در SSD
 

افزایش حجم ذخیره سازی و کاهش قیمت هاردیسک ها موجب محبوبیت این وسایل در چند سال گذشته شده است، دروصورتی که کارایی پایین، آسیب پذیری در مقابل صدمات فیزیکی، مصرف توان بالا و ابعاد بزرگ از عوامل هستند که موجب شده تا متخصصین راهکار جدیدی برای جبران این نقایص ارائه کنند. درایوهای SSD محصولات جدیدی هستند که عده ای عقیده دارند توسط آن ها می توانند تحول عظیمی در بخش ذخیره سازی اطلاعات کامپیوتر فراهم کنند. از آنجا که SSDها توسط شرکتهای سازنده چیت ست های حافظه عرضه شده اند، بیش دارند. تصور می کنید کدام یک از قطعات کامپیوتر در طی چند سال گذشته شامل کمترین پیشرفت وتحول شده است؟
اگر پاسخ شما فاپی درایو است. باید گفت که فلاپی درایو در مسیر منقرض شدن قدم بر میدارد و شاید در سالهای آینده دیگر نامی از این وسیله نباشد، اما وسیله ای که سیستم های امروزی و قطعاً کامپیوترهای آینده به آن نیازمند هستند و طی چند سال گذشته شامل هیچ گونه تحول بنیادینی نشده، هارددیسک است. افزایش حجم ذخیره سازی تنها فاکتوری بوده که در طی این چند سال شاهد آن بوده ایم، به طوری که اکنون هارددیسکهایی با ظرفیت 1/5 ترابایت تولید میشوند. از طرفی تنها تحول درجهت پیشرفته کارایی این قطعه، حرکت از IDE به SATA بوده که به طور قطع میتوان گفت این پیشرفت نیز موجب تحول چشمگیری در این قطعه کامپیوتری نشده است(هارددیسک های مبتنی بر IDE از نظر کارآیی با نوع SATA تفاوت چشمگیری ندارند).
امروزه هارد دیسکها تبدیل به یک گلوگاه برای کامپیوترها شده اند، زیرا با افزایش کارایی بردازنده ها، حافظه ها و... هنوز شاهد کارایی پایین این وسیله هستیم، اما دنیای ذخیره سازی روزهای حاسی را پیش روی خود دارد. زیرا وسیله ذخیره سازی جدیدی به نام (Solid State Disk) به بازار عرضه نشده که نگاههای بسیاری را به خود معطوف کره است. به طوری که در اذهان علاقمندان به دنیای کامپیوتر این سؤال را تداعی کرده که آیا پایان عمر هارددیسک ها فرا رسیده است؟ ما دراین مقاله قصد داریم به بررسی عمکرد SSDها بپردازیم و آنها را از نظر کارایی با هارددیسک های رایج مقایسه کرده و سپس بهترین SSD رایج در بازار را نیز به شما معرفی کنیم.

 

معرفی
 

برای آشنایی با درایوهای SSD ابتدا لازم است بدانید که این درایوها دو نوع (SLC(Single Level Cell و (MIC(Multi Level Cell تولید میشوند که از نظر ساختار با یکدیگر تفاوت اندکی دارند.
در ادامه مقاله به بررسی تفاوت کلی آن ها خواهیم پرداخت، اما اکنون تنها این نکته را در ذهن خود داشته باشید که SSDها دارای دو نوع مختلف به نامهای SICو MLCهستند (تصویریک)
درایوهای SSD از حافظه های فلش NAND با ماسفتهای N-Channel ساخته میشوند (حافظه هایی که ابتدا در Flash Memoryها به کارگرفته شد و امروزه نیز از آ‹ها در کارتهای حافظه و فلش مموری های USB نیز استفاده میشود). این حافظه ها در حقیقت نوع مشخص از EEPROM یا همان حافظه های فقط خواندنی قابل برنامه ریز و پاک شدن هستند. شکل زیر یک ماسفت N-Channel که کوچکترین جزء سخت افزاری یک SSD است را نشان میدهد.(تصویردو)
هرسلول حافظه شامل یکی از این ترانزیستورها است. نحوه ذخیره سازی اطالاعات دراین ترانزیستورها به این صورت است که با اعمال ولتاژ کافی به پایه گیت، میدان الکتریکی قدرتمندی ایجاد شده و الکترونها از لایه اکسید عبور کرده و به Floating Gate وارد میشوند. در این حالت داده درون یک سلول نوشته میمشود، با حذف ولتاژ، الکترون ها در Floating Gate باقی خواهند ماند. اعمال ولتاژ به کانال (Channel) به جای گیت، بایوس را معکوس خواهد کرد و الکترون ها در جهت مخالف حرکت می کنند به طور کلی ،این روش نحوه عملکرد حافظه فلش است که دروضعیت (0و1) را فراهم می کند و درخلاف حافظه های DRAM که با قطع ولتاژ، داده ها درون آنها پاک میشود. یک سلول حافظه فلش NAND حتی اگر فاقد توان نیز باشد، میتواند داده ها را درخود ذخیره کند.

MLC وSLC
 

در SSDهای امروزی از نوع فلش NAND استفاده میشود: SLC و MLC. تفاوت بین این دو، در میزان اطالعات ذخیره شده در هر سلول است.
در نوع SLC در هر سلول یک بیت داده ذخیره میشود، درحالی که درحافظه MLC دو بیت در هر سلول قابل ذخیره شده است.
نکته جالب توجه این که SLC و MLC از نظر ابعاد، فضای یکسانی را اشغال می کنند یا به عبارتی از نظر اندازه یکسانی هستند. با این تفاوت که MLC میتواند از فضای قابل استفاده به طور مؤثرتری بهره برده ودو برابر SLC اطلاعات را در خود ذخیره کند. از آنجا که SLCها تنها دارای دو وضعیت (0و1) هستند، به دو ولتاژ نیاز دارند، درحالی که MLCها دارای چهار وضعیت (10،01،00 و 11) هستند این موضوع موجب شده تا سرعت خواندن / نوشتن و همچنین زمان دسترسی بین این دو محصول متفاوت باشد.(تصویرسه)
جدول شماره یک تفاوت کارایی بین SLC وMLC را نمایش میدهد.
مدت زمان صرف شده جهت پاک کردن اطلاعات بین SLC وMLC نسبت به SLC دو برابر و زمان نوشتن آن چهار برابر است. البته مقادیر نشان داده شده در جدول شماره یک با حقیقت تفاوت دارد و آنها را تنها برای روشن شدن موضوع نشان داده ایم، زمان نوشتن نهصد میکروثانیه برای یک MLC خیلی سریع تر از زمان نوشتن یک هارددیسک مکانیکی است.
بزرگ ترین مزیت یک SIC کارایی بالاتر آن نیست، بلکه طول عمر بیشتر آن است.
برای مشخص کردن طول عمر حافظه فلش ابتدا لازم است به بررسی چگونگی سازماندهی آنها دریک درایو ذخیره سازی بپردازیم.

سلسله مراتب فلش و آسب دیدن داده ها
 

دربخش قبل اشاره کردیم که یک سلول فلش می تواند یک یا دو بیت داده را باتوجه به این که SLC باشد یا MLC درخود ذخیره کند با درکنار یکدیگر قرار دادن تعدادی از این سلولها، صفحه (Page) تشکیل میشود یک «صفحه» کوچکترین بخش یک فلش NAND است که میتوان اطلاعات را درون آن نوشت. اندازه هر صفحه در MLCها برابربا چهار کیلوبایت است. با قراردادن تعدادی از این صفحات در کنار یکدیگریک بلوک (Block) ایجاد میشود به طور کلی، بلوکهای SSD امروزی دارای 128 صفحه هستند بنابراین حجم هر بلوک برابر با 512 کیلوبایت است (128صفحه x چهار کیلوبایت روی SSDها نوشته میشوند. درحالی که در زمان پاک کردن، داده ها به صورت 512 کیلوبایتی از SSD پاک میشوند. اکنون دلیل اختلاف کارایی بین زمان نوشتن و پاک کردن داده ها را متوجه شده اید. در ادامه در مورد نحوه پاک کردن داده ها از SSD توضیحات بیشتری را ارائه خواهیم کرد(تصویر چهار).
بلوک ها درون Planeها گروه بندی میشود و هسته فلش NAND شامل چندین Plane است.( تصویرپنج) هر چیپ ست NAND می تواند شامل یک، دو یا چهار هسته باشد و در نهایت نیز از ترکیب این چیپ ست ها، SSD به وجود می آید، اما اکنون اجازه دهید به این موضوع بپردازیم که هنگام پاک کردن داده ها از SSD چه اتفاقی می افتد.
برای نوشتن داده ها روی حافظه فلش ابتدا میدان الکتریکی ایجاد میشود و پس از عبور از الکترون ها از سد لایه اکسید، داده ها درون ترانزیستور ذخیره میشوند. برای پاک کردن داده ها نیز دقیقاً همین اتفاقات رخ میدهد، اما در حهت معکوس. مشکلی که اینجا وجود دارد این است که بعد از چندین مرتبه نوشتن و پاک کردن داده از یک سلول، لایه اکسید خاصیت خود را به تدریج از دست میدهد و دیگر نمی تواند از ورود الکترون ها به لایه گیت جلوگیری کند. به عبارت ساده تر، دیگر قادر به نوشتن داده جدیدی در سلول نخواهید بود در فلش های MCL تقریباً بعد از ده هزار مرتبه نوشتن و پاک کردن هر سلول، لایه اکسید خاصیت خود را از دست میدهد. در فلش های SLC این زمان بعد از حدود صد هزار مرتبه فرا میرسد. از آنجا که طول عمر SSDها محدود است. فرآیند نوشتن و پاک کردن هر سلول باید به دقت کنترل شود. توجه کنید که تعداد دفعات خواندن سلول ها به هیچ عنوان روی طول عمر آنها تأثیر نمی گذارد و تنها عملیات نوشتن و پاک کردن است که موجب کاهش طول عمر میشود.
البته این نکته را در نظر داشته باشید، هنگامی که در محیط سیستم عامل، داده ای را از روی SSD پاک می کنید در حقیقت داده از روی SSD پاک نمی شود و تنها بلوک های مربوط به آن در فهرست بلوک های قابل نوشتن قرار می گیرند. داده ها زمانی از بلوک پاک میشوند که قصد نوشتن مجدد در ان بلوک را داشته باشید. همه SSDها از روش یکسانی برای پاک کردن داده ها استفاده نمی کنند. این که چطور و چه زمانی داده ها درون یک بلوک پاک میشود، توسط ضریب نوشتن SSD مشخص میشود. به عنوان مثال، اگر قصد داشته باشید یک فایل شانزده کیلوبایتی را درون SSD بنویسید، کنترلر کل یک بلوک درون SSD را میخواند، چهار صفحه آن را تغیر می دهد، بلوک را از SSD پاک می کند، سپس بلوک جدید را با چهار صفحه تغییر یافته می نویسد. با توجه به اندازه بلوک ها و صفحات در SSDهای شرکت اینتل، به این معنی است که برای نوشتن بعنوان مثال یک فایل شانزده کیلوبایتی ، عملاً باید 512 کیلوبایت روی SSD نوشته شود- یک ضریب نوشتن 22 در 0 باتوجه به این که اندازه بلوک ها در سازندگان مختلف متفاوت است، این ضریب نیز در محصولات آن ها تغییرمی کند.
حال تصور کنید یک فایل هشت کیلوبایتی درون SSD کپی (نوشته) شده است. این فایل درون دو صفحه قرار میگیرد. هنگامی که قصد دارید این فایل ها را پاک کنید، SSD این دو صفحه را به عنوان غیر فعلا مشخص میکند، اما عملاً محتویات درون آنها را پاک نمی کند، در حقیقت SSD منتظر خواهد ماند تا درصدی از صفحات درون یک بلوک به عنوان غیرفعال مشخص شود ( به عنوان مثال هشتاد صفحه). سپس داده های درون بلوک پاک خواهند شد و داده های جدید روی صفحات آن نوشته میشوند. SSD توسط این عمل تعداد دفعاتی که یک بلوک پاک میشود را محدود کرده و به این صورت طول عمر SSD افزایش پیدا می کندو(تصویر شش)
درابتدای مقاله گفتیم که SSDها دارای سرعت نوشتن پایین هستند، اما اکنون اجازه دهید یبکار دیگر مراحل نوشتن داده ها دروین یک SSD را با یکدیگر بررسی کنیم، برای نوشتن داده ها در SSD ابتدا باید بلوک خوانده شود، سپس بلوک مورد نظر پاک شده و بعد از آن بلوک جدید همراه با داده های جدید نوشته شود. اگر هریک از این مراحل به زمان نیاز داشته باشند. مدت زمانی طول خواهد کشید تا داده ها روی SSD نوشته شوند. بنابراین اکنون دلیل سرعت پایین نوشتن در SSDها برایتان مشخص شده است.
متأسفانه ما هیچ گونه اطلاعاتی از کنترلر دیگر سازندگان SSDها ندارمی، اما اینتل اظهار می کند که کلیه SSDهای این شرکت دارای ضریب نوشتن بین بیست الی چهل هستند که موجب افزایش طول عمر درایوها میشود.
همان طور که گفتیم بلوک های واقع شده روی فلش ها را به تعداد دفعات محدودی میتوان نوشت و بعد از آن، بلوک توانایی ذخیره سازی داده ها را از دست میدهد SSDها تا حدی هوشمند هستندو از الگوریتم محافظت از فرسودگی استفاده می کنند. این درایوها تا هنگامی که تمامی بلوک های آن ها نوشته نشود، هیچ داده ای را پاک نخواهد کرد. بعنوان مثال، فرض کنید کاربری یک فایل دو مگابایتی را از اینترنت روی درایو SSD که تا به حال از آن استفاده نشده، دانلود میکند. در این هنگام داده ها فرضاً در بلوهای 10، 11، 12 و13 قرار میگیرند، اما بعد از مشاهده فایل دانلود شده، کاربر متوجه میشود که فایل مذکور اشتباها دانلود شده و آن را از SSD پاک می کند ویک فایل دو مگابایتی دیگر را دوباره دانلود می کند. اکنون کنترلر این فایل را در ادامه بلوک های قبلی می نویسد. یعنی بلوک های 14، 15، 16 و17، در واقع بلوک های ابتدایی (10،11،12و 13) تا هنگامی که تمامی بلوک ها یکبار نوشته نشوند، بار دیگر استفاده نخواهند شد. بنابراین درحالی که MLCها یک طول عمر ده هزار سیکل دارند، به واسطه الگوریتمهای محافظت از فرسودگی سال های زیادی عمر خواهند کرد.
از آنجا که حداکثر زمان ضمانت برای هارددیسک ها پنج سال است، اینتل ادعا می کند که اگر به طور روزانه بیست گیگابایت داده روی SSDهای این شرکت نوشته شود، آنها حداقل پنج سال عمر خواهند کرد. همچنین وعده داده که در اینده نزدیک این میزان را به پنج برابر برساند یا به عبارتی میتوان روزانه صد گیگابایت داده را روی یک MLC SSD بنویسید و مطمئن باشید که در طی پنج سال هیچ گونه صدمه ای نخواهند دید. درایوهای اینتل و دگیر سازندگان، حداکثر سه سال ضمانت خواهند داشت اما بعید به نظر میرسد کاربری به طور روزانه صد گیگابایت داده را روی SSD خود بنویسد.

هنگام که یک SSD صدمه می بیند، چه اتفاقی می افتد؟
 

هنگامی که یک هارددیسک صدمه می بیند، همه می دانند که چه اتفادقی می افتد. شما یک روز کامپیوترتان را روشن می کنید و می بینید سیستم عامل بوت نمی شود و در برخی مواقع نیز حتی هارددیسک توسط کامپیوتر شناسایی نمی شود، اما طول عمر درایوهای SSD قابل پیش بینی تر است و برخلاف هارددیسک به سادگی میتوان تشخیص داد که صول عمر این درایوها رو به اتمام است. بنابراین هنگامی که طول عمر یک درایو SSD به پایان می رسد، چه اتفاقی می افتد؟ یک SSD خوب دارای الگوریتم محافظت از فرسودگی خوب است و این امکان را فراهم می کند که همه بلوک ها درون درایو به طور یکسان استفاده شوند. بنابراین آنها تقریباً دریک زمان صدمه می بینند. درایوهای SSDطوری طراحی شده اند که درصورتی که یک سلول آن ها صدمه ببیند، دگیر قابل پاک شدن نخواهند بود. بنابراین هیچگاه کاربرد اطلاعات درون SSD خود را از دست نمی دهد و تنها اتفاقی که می افتد این است که دیگر قادر به نوشتن اطلاعات درون آن نیست و پیغمای توسط سیستم عامل مبنی بر این که عملیات نوشتن به طور کلی انجام نگرفته، ظاهر می شود. در شماره بعد به بررسی فنی تعداد از SSDهای موجود در بازار و مقایسه کارایی آنها خواهیم پرداخت.
منبع:نشریه عصر شبکه شماره 89