SSD آناتومیک ؛ هر آنچه که باید درباره ساختار آنها بدانید

آیا تفاوت حافظه SSD و حافظه HDD را می دانید؟ چه چیزی باعث می شود SSD ها عملکرد بهتری نسبت به اکثر HDD ها داشته باشند و چرا عمر آنها بیشتر از HDD ها است؟ 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 به دست آوریم.

SSD ها مغناطیسی ، غیر الکترونیکی یا غیر فوتونی نیستند ، اما ساختارهای متفاوتی دارند که آنها را از ساختار انواع مختلف حافظه متمایز می کند. البته همه برای ذخیره اطلاعات ارزشمند 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 ، آناتومی SDD ها را در نظر می گیریم که از نظر سرعت و خطر برای هر دو نوع حافظه بهتر است. 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 برای ذخیره سازی نیز پیشرفت قابل توجهی در صنعت ذخیره سازی داده ها ایجاد کرد.

اولین مراحل استفاده از قطعات نیمه رسانا در حافظه ذخیره سازی توسط توشیبا انجام شد ، که مفهوم حافظه فلش را در دهه 1980 مطرح کرد. چهار سال بعد ، این شرکت اولین واحد حافظه فلش NOR را تولید کرد ، و سپس در سال 1987 ، توشیبا راه اندازی کرد N واحد حافظه فلش

اولین ذخیره سازی تجاری فلش مموری ، که اکنون SSD یا درایوهای حالت جامد نامیده می شود ، در سال 1991 توسط SunDisk ، مارک فعلی SunDisk راه اندازی شد (امروزه ، SanDisk یک برند پیشرو در زمینه ذخیره سازی است).

امروزه تقریباً همه با درایوهای 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 درایو SanDisk NAND وجود دارد که مانند تراشه SRAM مورد استفاده در رایانه ها و کارت های گرافیک ، دارای میلیون ها سلول ساخته شده از ترانزیستورهای اصلاح شده است. ترانزیستورهای استخر از ولتاژ بالا برای انتقال جریان به قسمت خاصی 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 بیشترین ولتاژ را دریافت می کند اعمال می شود.

اگر در مرحله اول جریانی در سلول ایجاد نشود ، ولتاژ پایینی که به سلول وارد می شود باعث می شود که جریان الکتریکی در آن جریان یابد. هنگامی که جریانی در سلول وجود ندارد ، سلول در حالت صفر است (حالت 0) و هنگامی که جریان الکتریکی وجود دارد و به اصطلاح ، در حالت اولیه است (حالت 1). این ساختار به چشمک زن NAND اجازه می دهد تا داده ها را با سرعت بالا بخواند. اما برای خواندن یا حذف داده ها عجله نکنید.

در بهترین نوع نژاد که نوع تک سلولی (SLC) نامیده می شود ، فقط یک جریان برای قسمت خاصی از ترانزیستور اعمال می شود ، اما سلول دارای چندین سطح جریان است. این نوع ساختار معمولاً به عنوان سلول های چند لایه (MLC) شناخته می شود. اما در چشمک زدن NAND ، هزینه MLC تا چهار سطح جریان است. چندین نوع سلول شبیه به این ساختار وجود دارد ، از جمله سه لایه (TLC) و چهار (QLC) ، هر کدام به ترتیب با سطوح جریان متفاوت 8 و 16.

استفاده از انواع سلول های مختلف در حافظه فلش باعث می شود ذخیره اطلاعات حساس در هر یک از این نوع فایل ها متفاوت باشد. قابلیت ذخیره فلش با سلول های مختلف به شرح زیر است:

SLC – Half Level = Twisted Half

سطح MLC Jahar = دو بیت

TLC – هشت سطح = سه بیت

QLC – شانزده سطح = چهار بیت

شما باید فکر کنید که فلش QLC بهترین نوع فلش است. متاسفانه، این مورد نیست. جریان داخلی بسیار کم است و به نویز الکتریکی بسیار حساس است. بنابراین ، برای اینکه سطوح مختلف جریان در سلول ها به درستی متمایز شوند ، 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 برخی از داده ها ، از فضای فیزیکی بیشتری نسبت به سایر انواع سلول ها استفاده می کنند. در مقابل ، سلولهای QLC کمترین سرعت را در مقایسه با انواع دیگر سلولها دارند. از سوی دیگر ، ظرفیت ذخیره سازی آنها بیشتر از سایر گونه ها است.

در سلول های حافظه فلش ، بر خلاف سلول های حافظه SRAM و DRAM ، هنگامی که منبع تغذیه با استفاده از برق قطع می شود ، جریان الکتریکی ثابت می ماند و به آرامی و به تدریج از بین می رود. برای حافظه سیستم ، سلول در عرض چند ثانیه خاموش می شود و باید همیشه شارژ شود.

متأسفانه ، استفاده از ولتاژ ثابت و نگهداری فعلی منجر به آسیب سلول ، فرسایش و از دست رفتن تدریجی حافظه SSD می شود. برای جلوگیری از این مشکل ، فرآیند هوشمند مکرراً برای کاهش فرسایش تدریجی حافظه تکرار می شود.

این فرایندها برای اطمینان از عدم اعمال ولتاژ مکرر به سلول انجام می شود. تراشه ای به نام تراشه این را کنترل می کند. همین کار را با تراشه های LSI مورد استفاده در هارد دیسک انجام می دهد. اما HDD دارای یک تراشه 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 از آنجا که درایوهای فلش USB ارزان طراحی شده اند ، فضای ذخیره سازی زیادی ندارند.

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 استاندارد CrystalDiskMark استفاده کردیم.

در نگاه اول ، نتایج ناامید کننده به نظر می رسد. از آنجا که نتایج پی در پی خواندن و نوشتن و ورود داده های تصادفی توسط حافظه SSD بدتر از نتایج آزمایش HDD است. البته سرعت خواندن داده های تصادفی در حافظه SSD بسیار بهتر است که این مزیت حافظه فلش است. در حافظه فلش ، داده ها با سرعت بالا خوانده می شوند. 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 است. HDD ، از سوی دیگر ، دارای کانکتور SATA 3.0 است که امکان انتقال داده ها را با سرعت حداکثر 10 برابر سرعت فلش این حافظه فراهم می کند. فناوری مورد استفاده در آزمایش حافظه فلش بسیار اساسی است و از سلول های TLC استفاده می کند که به شکل نوارهای بلند مجاور قرار گرفته اند. این نوع چیدمان را قالب بندی دو بعدی یا سطحی می نامند.

درایوهای فلش مورد استفاده در SSD ها دارای سلول های SLC یا MLC هستند. بنابراین ، این نوع حافظه کمی سریعتر از سایر حافظه های مشابه است و بعداً فرسوده می شود. در این خاطرات ، سلولهای تشکیل دهنده سلولها از وسط تا می شوند و به صورت عمودی در طرف مقابل قرار می گیرند ، بنابراین سلولهای این خاطرات به صورت عمودی یا سه بعدی قرار می گیرند.

رابط های 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.

نگاهی به یک طرف درایو با زبانه های تا شده به صورت عمودی در امتداد سلول ها بیندازید. این SSD 6.37 سانتی متر عرض دارد Samsung SSD Samsung 850 pro دارای دیوار و عرض بسیار کوچکتری نسبت به HDD است. وقتی این حافظه را باز می کنیم ، چنین شارژی را تجربه می کنیم

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می کنید ، هیچ دیسک ، بازوی متحرک و آهن ربا در داخل این واحد حافظه دیده نمی شود و تنها چیزی که در پوسته این هارد دیسک وجود دارد ، برد مدار با برخی تراشه ها است. در تصویر زیر می توانید نمای نزدیک کارت حافظه SSD را مشاهده کنید.

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

• تراشه سامسونگ: S4LN045X01-8030 ARM Cortex R4 تراشه 3 هسته ای که 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 DDR2 SDRAM است که به عنوان ذخیره سازی استفاده می شود.
• تراشه سامسونگ: K9PRGY8S7M این تراشه دارای فلش مموری NAND 64 گیگابایتی با 32 لایه سلولی عمودی است. تعداد تراشه های این واحد حافظه 4 عدد است ، دو عدد روی برد و دو واحد دیگر در پشت برد نصب شده است.

این واحد حافظه دارای دو سلول بیتی ، چند تراشه حافظه و تعداد زیادی حافظه نهان است. ساختار نشان دهنده عملکرد خوب حافظه است. زیرا ، همانطور که گفتیم ، تایپ داده ها در حافظه فلش بسیار کند است. اما با استفاده از فلش چند تراشه ، می توان داده ها را به طور همزمان در حافظه های متعدد نوشت.

درایو فلش USB DRAM زیادی برای نوشتن داده ندارد. بنابراین ، برای سرعت بخشیدن به روند نوشتن ، باید از تراشه های جداگانه استفاده شود. بیا ، نگاهی بینداز و لذت ببر!

همانطور که می بینید ، نتایج بهتر از قبل از آزمایش است. هم سرعت خواندن و هم سرعت نوشتن به میزان قابل توجهی بیشتر از آزمایش قبلی بود و تأخیر به میزان قابل توجهی کاهش یافت. SSD ها علاوه بر سرعت خواندن و نوشتن سریعتر از هارد دیسک ها ، نازک تر ، کوچکتر و از قدرت کمتری استفاده 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 نیم ترابایت یا در نهایت دو ترابایت خریداری کنید. اگر قصد خرید SSD 14 ترابایتی دارید ، باید بدانید که بهترین SSD با ظرفیت فعلی 15.36 دلار 4300 دلار است!

اخیراً ، برخی از تولیدکنندگان حافظه های ذخیره سازی ، نوع جدیدی از حافظه های ذخیره سازی را به نام حافظه ترکیبی HDD راه اندازی کرده اند. این نوع حافظه یک نوع هارد دیسک استاندارد است که شامل چند واحد حافظه فلش است که معمولاً برای ذخیره اطلاعات روی یک هارد دیسک استفاده می شود. تصویر زیر متعلق به مجموعه HDD ترکیبی است. در برخی منابع ، به این نوع حافظه ها حافظه SSHD گفته می شود.

در این حافظه ، تراشه NAND و کنترل کننده آن در قسمت بالا سمت راست برد قابل مشاهده است و بقیه آن مشابه حافظه معمولی HDD است. ما همچنین این درایو را با CrystalDiskMark آزمایش کردیم تا ببینیم آیا استفاده از حافظه پنهان به عنوان نوع کش عملکرد آن را تغییر داده است یا خیر. البته این مقایسه منصفانه نیست. زیرا سرعت چرخش دیسک مورد استفاده در این واحد حافظه 7200 دور در دقیقه است و سرعت عادی چرخش HDD مورد استفاده در این تست تنها 5400 دور در دقیقه است.

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

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

البته ، آزمایشات نشان داده است که HDD های ترکیبی با SSD های داخلی عملکرد بهتری نسبت به HDD های معمولی دارند. البته ، نباید فراموش کنیم که فلش مموری ارزان قیمت عملکرد بسیار ضعیف تری نسبت به HDD های با کیفیت دارد. لازم به ذکر است که HDD های ترکیبی نسبت به بسیاری از SSD ها کمتر مورد توجه قرار می گیرند.

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

اینتل این واحد حافظه را با نام تجاری Optane راه اندازی کرده است و در آزمایشات عملکرد ، کارآمدترین آن مشخص شد. البته این نوع حافظه هنوز بسیار گران است و ظرفیت یک ترابایت 1200 دلار به فروش می رسد که چهار برابر قیمت SSD با همان ظرفیت فلش مموری است!