لفهم كيف ولماذا تختلف محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة SSDs عن الأقراص الدوارة، نحتاج إلى التحدث قليلاً عن محركات الأقراص الثابتة. يخزن محرك الأقراص الثابتة البيانات على سلسلة من الأقراص المغناطيسية الدوارة تسمى الأطباق. هناك ذراع مشغل مع رؤس قراءة / كتابة مرفقة به. يضع هذا الذراع رؤس القراءة والكتابة فوق المنطقة الصحيحة من محرك الأقراص لقراءة المعلومات أو كتابتها.
نظرًا لأنه يجب محاذاة رؤس محركات الأقراص فوق منطقة من القرص لقراءة البيانات أو كتابتها، كما أن القرص يدور باستمرار، فهناك تأخير قبل الوصول إلى البيانات. قد يحتاج محرك الأقراص إلى القراءة من مواقع متعددة لبدء تشغيل برنامج أو تحميل ملف، مما يعني أنه قد يتعين عليه الانتظار حتى تدور الأطباق في الموضع المناسب عدة مرات قبل أن يتمكن من إكمال الأمر. إذا كان محرك الأقراص نائمًا أو في حالة طاقة منخفضة، فقد يستغرق الأمر عدة ثوانٍ أخرى حتى يدور القرص إلى أقصى طاقته ويبدأ في التشغيل.
منذ البداية، كان من الواضح أن محركات الأقراص الثابتة لا يمكن أن تتطابق مع السرعات التي يمكن أن تعمل بها وحدات المعالجة المركزية. يتم قياس زمن الوصول في محركات الأقراص الثابتة بالمللي ثانية، مقارنة بالنانو ثانية لوحدة المعالجة المركزية الخاصة بك. واحد مللي ثانية هو 1000000 نانوثانية، ويستغرق عادةً محرك الأقراص الثابتة من 10 إلى 15 مللي ثانية للعثور على البيانات الموجودة على محرك الأقراص والبدء في قراءتها. قدمت صناعة محركات الأقراص الثابتة أطباق أصغر، وذاكرة تخزين مؤقت على القرص، وسرعات مغزل أسرع faster spindle speeds لمواجهة هذا الاتجاه، ولكن لا يوجد سوى محركات الأقراص السريعة التي يمكنها الدوران. تعد عائلة VelociRaptor من Western Digital التي تبلغ 10000 لفة في الدقيقة أسرع مجموعة محركات تم إنشاؤها على الإطلاق للسوق الاستهلاكية، بينما تدور بعض محركات أقراص الشركات بسرعة تصل إلى 15000 دورة في الدقيقة. تكمن المشكلة في أنه حتى أسرع محرك دوار مع أكبر ذاكرات التخزين المؤقت وأصغر الأطباق لا يزال بطيئًا بشكل مؤلم فيما يتعلق بوحدة المعالجة المركزية.
نظرًا لأنه يجب محاذاة رؤس محركات الأقراص فوق منطقة من القرص لقراءة البيانات أو كتابتها، كما أن القرص يدور باستمرار، فهناك تأخير قبل الوصول إلى البيانات. قد يحتاج محرك الأقراص إلى القراءة من مواقع متعددة لبدء تشغيل برنامج أو تحميل ملف، مما يعني أنه قد يتعين عليه الانتظار حتى تدور الأطباق في الموضع المناسب عدة مرات قبل أن يتمكن من إكمال الأمر. إذا كان محرك الأقراص نائمًا أو في حالة طاقة منخفضة، فقد يستغرق الأمر عدة ثوانٍ أخرى حتى يدور القرص إلى أقصى طاقته ويبدأ في التشغيل.
منذ البداية، كان من الواضح أن محركات الأقراص الثابتة لا يمكن أن تتطابق مع السرعات التي يمكن أن تعمل بها وحدات المعالجة المركزية. يتم قياس زمن الوصول في محركات الأقراص الثابتة بالمللي ثانية، مقارنة بالنانو ثانية لوحدة المعالجة المركزية الخاصة بك. واحد مللي ثانية هو 1000000 نانوثانية، ويستغرق عادةً محرك الأقراص الثابتة من 10 إلى 15 مللي ثانية للعثور على البيانات الموجودة على محرك الأقراص والبدء في قراءتها. قدمت صناعة محركات الأقراص الثابتة أطباق أصغر، وذاكرة تخزين مؤقت على القرص، وسرعات مغزل أسرع faster spindle speeds لمواجهة هذا الاتجاه، ولكن لا يوجد سوى محركات الأقراص السريعة التي يمكنها الدوران. تعد عائلة VelociRaptor من Western Digital التي تبلغ 10000 لفة في الدقيقة أسرع مجموعة محركات تم إنشاؤها على الإطلاق للسوق الاستهلاكية، بينما تدور بعض محركات أقراص الشركات بسرعة تصل إلى 15000 دورة في الدقيقة. تكمن المشكلة في أنه حتى أسرع محرك دوار مع أكبر ذاكرات التخزين المؤقت وأصغر الأطباق لا يزال بطيئًا بشكل مؤلم فيما يتعلق بوحدة المعالجة المركزية.
كيف تختلف محركات أقراص الحالة الصلبة How SSDs Are Different
"لو سألت الناس عما يريدون، لقالوا خيول أسرع" - Henry Ford
يطلق على محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة Solid-state drives هذا الاسم على وجه التحديد لأنها لا تعتمد على الأجزاء المتحركة أو الأقراص الدوارة. بدلاً من ذلك، يتم حفظ البيانات في مجموعة فلاش NAND. تتكون NAND نفسها مما يسمى ترانزستورات البوابة العائمة. على عكس تصميمات الترانزستور المستخدمة في DRAM، والتي يجب تحديثها عدة مرات في الثانية، تم تصميم فلاش NAND للاحتفاظ بحالة الشحن حتى عند عدم تشغيله. هذا يجعل NAND نوعًا من الذاكرة غير المتطايرة.
يوضح الرسم البياني أعلاه تصميم خلية فلاش بسيط. يتم تخزين الإلكترونات في البوابة العائمة، والتي تُقرأ بعد ذلك على أنها مشحونة 0 أو 1. نعم، في فلاش NAND، يعني الرقم 0 أنه يتم تخزين البيانات في خلية- وهو عكس الطريقة التي نفكر بها عادةً في الصفر أو الواحد. يتم تنظيم فلاش NAND في شبكة. يشار إلى تخطيط الشبكة بالكامل على أنه كتلة، بينما تسمى الصفوف الفردية التي تتكون منها الشبكة بصفحة. أحجام الصفحات الشائعة هي 2K أو 4K أو 8K أو 16K، مع 128 إلى 256 صفحة لكل كتلة. لذلك يتراوح حجم الكتلة عادةً بين 256 كيلوبايت و 4 ميجابايت.
يجب أن تكون إحدى ميزات هذا النظام واضحة على الفور. نظرًا لأن محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة لا تحتوي على أجزاء متحركة، فيمكنها العمل بسرعات أعلى بكثير من سرعات محركات الأقراص الثابتة التقليدية. يوضح الرسم البياني التالي وقت استجابة الوصول لوسائط التخزين النموذجية المحددة بالميكروثانية.
يجب أن تكون إحدى ميزات هذا النظام واضحة على الفور. نظرًا لأن محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة لا تحتوي على أجزاء متحركة، فيمكنها العمل بسرعات أعلى بكثير من سرعات محركات الأقراص الثابتة التقليدية. يوضح الرسم البياني التالي وقت استجابة الوصول لوسائط التخزين النموذجية المحددة بالميكروثانية.
NAND ليست في أي مكان قريب من سرعة الذاكرة الرئيسية، ولكنها أسرع من محرك الأقراص الثابتة. في حين أن زمن انتقال الكتابة أبطأ بشكل ملحوظ بالنسبة لفلاش NAND من زمن انتقال القراءة، إلا أنه لا يزال يفوق وسائط الغزل التقليدية traditional spinning media.
هناك شيئان يجب ملاحظتهما في الرسم البياني أعلاه. أولاً، لاحظ كيف أن إضافة المزيد من وحدات البت لكل خلية في NAND له تأثير كبير على أداء الذاكرة. إنه أسوأ بالنسبة للكتابة على عكس القراءة- وقت الاستجابة النموذجي للخلايا ثلاثية المستوى (triple-level-cell TLC) أسوأ بمقدار 4 مرات مقارنة بخلايا المستوى الواحد (single-level cell SLC) NAND للقراءات، ولكنه أسوأ 6 مرات لعمليات الكتابة. تتأثر فترات استجابة المحو أيضًا بشكل كبير. التأثير ليس نسبيًا أيضًا- TLC NAND بطيئة تقريبًا مرتين مثل MLC NAND، على الرغم من الاحتفاظ ببيانات أكثر بنسبة 50% فقط (ثلاثة بت لكل خلية، بدلاً من اثنين). ينطبق هذا أيضًا على محركات QLC، التي تخزن عددًا أكبر من البتات بمستويات جهد متفاوتة داخل نفس الخلية.
هناك شيئان يجب ملاحظتهما في الرسم البياني أعلاه. أولاً، لاحظ كيف أن إضافة المزيد من وحدات البت لكل خلية في NAND له تأثير كبير على أداء الذاكرة. إنه أسوأ بالنسبة للكتابة على عكس القراءة- وقت الاستجابة النموذجي للخلايا ثلاثية المستوى (triple-level-cell TLC) أسوأ بمقدار 4 مرات مقارنة بخلايا المستوى الواحد (single-level cell SLC) NAND للقراءات، ولكنه أسوأ 6 مرات لعمليات الكتابة. تتأثر فترات استجابة المحو أيضًا بشكل كبير. التأثير ليس نسبيًا أيضًا- TLC NAND بطيئة تقريبًا مرتين مثل MLC NAND، على الرغم من الاحتفاظ ببيانات أكثر بنسبة 50% فقط (ثلاثة بت لكل خلية، بدلاً من اثنين). ينطبق هذا أيضًا على محركات QLC، التي تخزن عددًا أكبر من البتات بمستويات جهد متفاوتة داخل نفس الخلية.
السبب في أن TLC NAND أبطأ من MLC أو SLC له علاقة بكيفية انتقال البيانات داخل وخارج خلية NAND. مع SLC NAND، تحتاج وحدة التحكم فقط إلى معرفة ما إذا كانت البتة تساوي 0 أم 1. مع MLC NAND، قد تحتوي الخلية على أربع قيم- 00 أو 01 أو 10 أو 11. مع TLC NAND، يمكن أن تحتوي الخلية على ثماني قيم، و QLC يحتوي على 16. تتطلب قراءة القيمة المناسبة خارج الخلية أن يستخدم جهاز التحكم في الذاكرة جهدًا دقيقًا للتأكد من شحن أي خلية معينة.
يقرأ ويكتب ويمحو Reads, Writes, and Erasure
أحد القيود الوظيفية لمحركات أقراص الحالة الثابتة هو أنه يمكن قراءة البيانات وكتابتها بسرعة كبيرة على محرك أقراص فارغ، إلا أن الكتابة فوق البيانات تكون أبطأ بكثير. هذا لأنه بينما تقرأ محركات أقراص الحالة الصلبة البيانات على مستوى الصفحة (بمعنى من الصفوف الفردية داخل شبكة ذاكرة NAND) ويمكنها الكتابة على مستوى الصفحة، بافتراض أن الخلايا المحيطة فارغة، يمكنها فقط محو البيانات على مستوى الكتلة. وذلك لأن عملية محو فلاش NAND تتطلب قدرًا كبيرًا من الجهد. بينما يمكنك نظريًا محو NAND على مستوى الصفحة، فإن مقدار الجهد المطلوب يضغط على الخلايا الفردية حول الخلايا التي تتم إعادة كتابتها. يساعد مسح البيانات على مستوى الكتلة في تخفيف هذه المشكلة.
الطريقة الوحيدة لمحرك أقراص ذي حالة صلبة (SSD) لتحديث صفحة موجودة هي نسخ محتويات الكتلة بأكملها في الذاكرة، ومسح الكتلة، ثم كتابة محتويات الكتلة القديمة+ الصفحة المحدثة. إذا كان محرك الأقراص ممتلئًا ولا توجد صفحات فارغة متاحة، فيجب على محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة البحث أولاً عن الكتل التي تم وضع علامة عليها للحذف ولكن لم يتم حذفها بعد، ثم قم بمسحها، ثم كتابة البيانات إلى الصفحة التي تم مسحها الآن. هذا هو السبب في أن محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة يمكن أن تصبح أبطأ مع تقدم العمر- محرك الأقراص الفارغ في الغالب مليء بالكتل التي يمكن كتابتها على الفور، ومن المرجح أن يتم فرض محرك أقراص ممتلئ في الغالب خلال تسلسل البرنامج/ المسح بالكامل.
إذا كنت قد استخدمت محركات أقراص الحالة الصلبة، فمن المحتمل أنك سمعت عن شيء يسمى "جمع البيانات المهملة garbage collection". جمع البيانات المهملة هي عملية في الخلفية تسمح لمحرك الأقراص بتخفيف تأثير أداء دورة البرنامج/ المسح عن طريق أداء مهام معينة في الخلفية. خطوات الصورة التالية خلال عملية جمع البيانات المهملة.
لاحظ في هذا المثال، أن محرك الأقراص قد استفاد من حقيقة أنه يمكنه الكتابة بسرعة كبيرة في الصفحات الفارغة عن طريق كتابة قيم جديدة للكتل الأربع الأولى (A'-D'). كما تمت كتابة كتلتين جديدتين، E و H. تم وضع علامة على الكتل A-D الآن على أنها قديمة، مما يعني أنها تحتوي على معلومات حددها محرك الأقراص على أنها قديمة. خلال فترة الخمول، سينقل SSD الصفحات الجديدة إلى كتلة جديدة، ويمسح الكتلة القديمة، ويضع علامة عليها كمساحة خالية. هذا يعني أنه في المرة التالية التي يحتاج فيها SSD إلى إجراء عملية كتابة، يمكنه الكتابة مباشرة إلى Block X الفارغ الآن، بدلاً من تنفيذ دورة البرنامج / المسح.
المفهوم التالي الذي أريد مناقشته هو TRIM. عند حذف ملف من Windows على محرك أقراص ثابت نموذجي، لا يتم حذف الملف على الفور. بدلاً من ذلك، يخبر نظام التشغيل محرك الأقراص الثابتة أنه يمكنه الكتابة فوق المنطقة الفعلية من القرص حيث تم تخزين هذه البيانات في المرة التالية التي يحتاج فيها إلى إجراء عملية كتابة. هذا هو السبب في أنه من الممكن التراجع عن حذف الملفات (ولماذا لا يؤدي حذف الملفات في Windows عادةً إلى مسح الكثير من مساحة القرص الفعلية حتى تقوم بإفراغ سلة إعادة التدوير recycling bin). باستخدام محرك الأقراص الثابتة التقليدي، لا يحتاج نظام التشغيل إلى الانتباه إلى مكان كتابة البيانات أو الحالة النسبية للكتل أو الصفحات. مع SSD، هذا مهم.
يسمح الأمر TRIM لنظام التشغيل بإخبار SSD أنه يمكنه تخطي إعادة كتابة بيانات معينة في المرة التالية التي يقوم فيها بمسح الكتلة. هذا يقلل من إجمالي كمية البيانات التي يكتبها محرك الأقراص ويزيد من عمر SSD. يقوم كلاهما بالقراءة والكتابة بإتلاف فلاش NAND ، لكن الكتابة تسبب ضررًا أكثر بكثير من القراءة. لحسن الحظ ، لم يثبت طول العمر على مستوى الكتلة أنه مشكلة في فلاش NAND الحديث. يمكن العثور على مزيد من البيانات حول طول عمر SSD ، من باب المجاملة للتقرير التقني ، هنا.
المفهومان الأخيران اللذان نريد التحدث عنهما هما تسوية التآكل وكتابة التضخيم wear leveling and write amplification. نظرًا لأن محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة تكتب البيانات إلى الصفحات ولكنها تمحو البيانات في مجموعات، فإن كمية البيانات التي تتم كتابتها على محرك الأقراص تكون دائمًا أكبر من التحديث الفعلي. إذا قمت بإجراء تغيير على ملف 4KB، على سبيل المثال، يجب تحديث وإعادة كتابة الكتلة الكاملة التي يوجد بها ملف 4K. اعتمادًا على عدد الصفحات في كل كتلة وحجم الصفحات، قد ينتهي بك الأمر بكتابة 4 ميغابايت من البيانات لتحديث ملف 4KB. يقلل جمع القمامة من تأثير تضخيم الكتابة، كما يفعل الأمر TRIM. يمكن أن يؤدي الاحتفاظ بجزء كبير من محرك الأقراص المجاني و/ أو الإفراط في توفير الشركة المصنعة إلى تقليل تأثير تضخيم الكتابة.
المفهوم التالي الذي أريد مناقشته هو TRIM. عند حذف ملف من Windows على محرك أقراص ثابت نموذجي، لا يتم حذف الملف على الفور. بدلاً من ذلك، يخبر نظام التشغيل محرك الأقراص الثابتة أنه يمكنه الكتابة فوق المنطقة الفعلية من القرص حيث تم تخزين هذه البيانات في المرة التالية التي يحتاج فيها إلى إجراء عملية كتابة. هذا هو السبب في أنه من الممكن التراجع عن حذف الملفات (ولماذا لا يؤدي حذف الملفات في Windows عادةً إلى مسح الكثير من مساحة القرص الفعلية حتى تقوم بإفراغ سلة إعادة التدوير recycling bin). باستخدام محرك الأقراص الثابتة التقليدي، لا يحتاج نظام التشغيل إلى الانتباه إلى مكان كتابة البيانات أو الحالة النسبية للكتل أو الصفحات. مع SSD، هذا مهم.
يسمح الأمر TRIM لنظام التشغيل بإخبار SSD أنه يمكنه تخطي إعادة كتابة بيانات معينة في المرة التالية التي يقوم فيها بمسح الكتلة. هذا يقلل من إجمالي كمية البيانات التي يكتبها محرك الأقراص ويزيد من عمر SSD. يقوم كلاهما بالقراءة والكتابة بإتلاف فلاش NAND ، لكن الكتابة تسبب ضررًا أكثر بكثير من القراءة. لحسن الحظ ، لم يثبت طول العمر على مستوى الكتلة أنه مشكلة في فلاش NAND الحديث. يمكن العثور على مزيد من البيانات حول طول عمر SSD ، من باب المجاملة للتقرير التقني ، هنا.
المفهومان الأخيران اللذان نريد التحدث عنهما هما تسوية التآكل وكتابة التضخيم wear leveling and write amplification. نظرًا لأن محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة تكتب البيانات إلى الصفحات ولكنها تمحو البيانات في مجموعات، فإن كمية البيانات التي تتم كتابتها على محرك الأقراص تكون دائمًا أكبر من التحديث الفعلي. إذا قمت بإجراء تغيير على ملف 4KB، على سبيل المثال، يجب تحديث وإعادة كتابة الكتلة الكاملة التي يوجد بها ملف 4K. اعتمادًا على عدد الصفحات في كل كتلة وحجم الصفحات، قد ينتهي بك الأمر بكتابة 4 ميغابايت من البيانات لتحديث ملف 4KB. يقلل جمع القمامة من تأثير تضخيم الكتابة، كما يفعل الأمر TRIM. يمكن أن يؤدي الاحتفاظ بجزء كبير من محرك الأقراص المجاني و/ أو الإفراط في توفير الشركة المصنعة إلى تقليل تأثير تضخيم الكتابة.
يشير ضبط مستوى التآكل إلى ممارسة ضمان عدم كتابة بعض كتل NAND ومسحها أكثر من غيرها. في حين أن تسوية التآكل تزيد من متوسط العمر المتوقع والقدرة على التحمل من خلال الكتابة إلى NAND بالتساوي، إلا أنها يمكن أن تزيد من تضخيم الكتابة. في حالات أخرى لتوزيع عمليات الكتابة بالتساوي عبر القرص، من الضروري أحيانًا برمجة الكتل ومسحها على الرغم من أن محتوياتها لم تتغير بالفعل. تسعى خوارزمية تسوية التآكل الجيدة إلى موازنة هذه التأثيرات.
The SSD Controller
يجب أن يكون واضحًا الآن أن محركات أقراص الحالة الثابتة تتطلب آليات تحكم أكثر تعقيدًا مما تتطلبه محركات الأقراص الثابتة. هذا لا يخالف الوسائط المغناطيسية- أعتقد في الواقع أن محركات الأقراص الصلبة تستحق الاحترام أكثر مما تُمنح. التحديات الميكانيكية التي ينطوي عليها موازنة عدة رؤوس للقراءة والكتابة نانومترية فوق الأطباق التي تدور بسرعة 5400 إلى 10000 دورة في الدقيقة ليست شيئًا للعطس. حقيقة أن محركات الأقراص الصلبة تؤدي هذا التحدي أثناء ريادتها لطرق جديدة للتسجيل على الوسائط المغناطيسية وفي نهاية المطاف بيع محركات الأقراص بسعر 3-5 سنتات لكل جيجابايت أمر لا يصدق ببساطة.
The SSD Controller
يجب أن يكون واضحًا الآن أن محركات أقراص الحالة الثابتة تتطلب آليات تحكم أكثر تعقيدًا مما تتطلبه محركات الأقراص الثابتة. هذا لا يخالف الوسائط المغناطيسية- أعتقد في الواقع أن محركات الأقراص الصلبة تستحق الاحترام أكثر مما تُمنح. التحديات الميكانيكية التي ينطوي عليها موازنة عدة رؤوس للقراءة والكتابة نانومترية فوق الأطباق التي تدور بسرعة 5400 إلى 10000 دورة في الدقيقة ليست شيئًا للعطس. حقيقة أن محركات الأقراص الصلبة تؤدي هذا التحدي أثناء ريادتها لطرق جديدة للتسجيل على الوسائط المغناطيسية وفي نهاية المطاف بيع محركات الأقراص بسعر 3-5 سنتات لكل جيجابايت أمر لا يصدق ببساطة.
ومع ذلك، فإن وحدات تحكم SSD موجودة في فئة بمفردها. غالبًا ما يكون لديهم تجمع ذاكرة DDR3 أو DDR4 للمساعدة في إدارة NAND نفسها. تشتمل العديد من محركات الأقراص أيضًا على ذاكرة تخزين مؤقت للخلايا أحادية المستوى تعمل كمخازن مؤقتة، مما يزيد من أداء محرك الأقراص من خلال تخصيص دورات NAND السريعة لقراءة/ كتابة الدورات. نظرًا لأن فلاش NAND في SSD متصل عادةً بوحدة التحكم من خلال سلسلة من قنوات الذاكرة المتوازية، يمكنك التفكير في وحدة التحكم في محرك الأقراص على أنها تؤدي بعضًا من نفس أعمال موازنة التحميل مثل مجموعة تخزين متطورة- لا تفعل محركات الأقراص الثابتة SSD نشر RAID داخليًا ولكن تسوية التآكل وجمع القمامة وإدارة ذاكرة التخزين المؤقت SLC جميعها لها أوجه تشابه في عالم الحديد الكبير.
تستخدم بعض محركات الأقراص أيضًا خوارزميات ضغط البيانات لتقليل العدد الإجمالي لعمليات الكتابة وتحسين عمر محرك الأقراص. تعالج وحدة تحكم SSD تصحيح الأخطاء، وأصبحت الخوارزميات التي تتحكم في أخطاء أحادية البت معقدة بشكل متزايد مع مرور الوقت.
لسوء الحظ، لا يمكننا الخوض في الكثير من التفاصيل حول وحدات تحكم SSD لأن الشركات تحجز مرقها السرية المتنوعة lock down their various secret sauces. يتم تحديد الكثير من أداء NAND flash بواسطة وحدة التحكم الأساسية، ولا ترغب الشركات في رفع الغطاء بعيدًا عن كيفية القيام بما تفعله، خشية أن تمنح منافسًا ميزة.
تستخدم بعض محركات الأقراص أيضًا خوارزميات ضغط البيانات لتقليل العدد الإجمالي لعمليات الكتابة وتحسين عمر محرك الأقراص. تعالج وحدة تحكم SSD تصحيح الأخطاء، وأصبحت الخوارزميات التي تتحكم في أخطاء أحادية البت معقدة بشكل متزايد مع مرور الوقت.
لسوء الحظ، لا يمكننا الخوض في الكثير من التفاصيل حول وحدات تحكم SSD لأن الشركات تحجز مرقها السرية المتنوعة lock down their various secret sauces. يتم تحديد الكثير من أداء NAND flash بواسطة وحدة التحكم الأساسية، ولا ترغب الشركات في رفع الغطاء بعيدًا عن كيفية القيام بما تفعله، خشية أن تمنح منافسًا ميزة.
الواجهات Interfaces
في البداية، استخدمت محركات أقراص الحالة الصلبة منافذ SATA، تمامًا مثل محركات الأقراص الثابتة. في السنوات الأخيرة، شهدنا تحولًا إلى محركات الأقراص M.2- محركات أقراص رفيعة جدًا، يبلغ طولها عدة بوصات، والتي تدخل مباشرة في اللوحة الأم (أو، في حالات قليلة، في شريحة تركيب على بطاقة رفع PCIe. سامسونج يظهر محرك 970 EVO Plus أدناه).
في البداية، استخدمت محركات أقراص الحالة الصلبة منافذ SATA، تمامًا مثل محركات الأقراص الثابتة. في السنوات الأخيرة، شهدنا تحولًا إلى محركات الأقراص M.2- محركات أقراص رفيعة جدًا، يبلغ طولها عدة بوصات، والتي تدخل مباشرة في اللوحة الأم (أو، في حالات قليلة، في شريحة تركيب على بطاقة رفع PCIe. سامسونج يظهر محرك 970 EVO Plus أدناه).
تقدم محركات أقراص NVMe أداءً أعلى من محركات SATA التقليدية لأنها تدعم واجهة أسرع. محركات أقراص الحالة الصلبة التقليدية المرفقة عبر SATA أعلى سرعة تصل إلى 550 ميجابايت/ ثانية من حيث سرعات القراءة/ الكتابة العملية. تتميز محركات أقراص M.2 بالقدرة على أداء أسرع بكثير في نطاق 3.2 جيجابت/ ثانية.
الطريق للأمام The Road Ahead
يوفر NAND flash تحسينًا هائلاً على محركات الأقراص الثابتة، ولكنه لا يخلو من العيوب والتحديات الخاصة به. من المتوقع أن تستمر سعات محرك الأقراص وسعر الجيجابايت في الارتفاع والانخفاض على التوالي، ولكن هناك فرصة ضئيلة لمحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة في التقاط محركات الأقراص الثابتة بسعر الجيجابايت. يمثل تقلص عقد العملية تحديًا كبيرًا لفلاش NAND- بينما تتحسن معظم الأجهزة مع تقلص العقدة، تصبح NAND أكثر هشاشة. تكون أوقات الاحتفاظ بالبيانات وأداء الكتابة أقل جوهريًا لـ 20 نانومتر NAND مقارنة بـ 40 نانومتر NAND، حتى لو تم تحسين كثافة البيانات والسعة الإجمالية بشكل كبير. حتى الآن، رأينا محركات أقراص بها ما يصل إلى 96 طبقة في السوق، ويبدو أن 128 طبقة مقبولة في هذه المرحلة. بشكل عام، ساعد التحول إلى 3D NAND في تحسين الكثافة دون تقليص عقد العملية أو الاعتماد على القياس المستوي.
حتى الآن، قدم مصنعو SSD أداءً أفضل من خلال تقديم معايير بيانات أسرع، والمزيد من النطاق الترددي، والمزيد من القنوات لكل وحدة تحكم- بالإضافة إلى استخدام ذاكرات التخزين المؤقت SLC التي ذكرناها سابقًا. ومع ذلك، على المدى الطويل، من المفترض أن يتم استبدال NAND بشيء آخر.
ما سيبدو عليه هذا الشيء الآخر لا يزال مفتوحًا للنقاش. قدمت كل من ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية وذاكرة تغيير الطور نفسيهما كمرشحين، على الرغم من أن كلا التقنيتين لا تزالان في مراحل مبكرة ويجب التغلب على التحديات الكبيرة للتنافس فعليًا كبديل لـ NAND. ما إذا كان المستهلكون سيلاحظون الفرق هو سؤال مفتوح. إذا قمت بالترقية من NAND إلى SSD ثم قمت بالترقية إلى SSD أسرع، فمن المحتمل أنك تدرك أن الفجوة بين محركات الأقراص الثابتة ومحركات SSD أكبر بكثير من فجوة SSD إلى SSD، حتى عند الترقية من محرك متواضع نسبيًا. إن تحسين أوقات الوصول من ميلي ثانية إلى ميكروثانية أمر مهم للغاية، ولكن تحسينها من ميكروثانية إلى نانوثانية قد يكون أقل مما يمكن أن يدركه البشر حقًا في معظم الحالات.
Optane Retrenches in the Enterprise Market
من عام 2017 حتى أوائل عام 2021، قدمت Intel ذاكرة Optane الخاصة بها كبديل لفلاش NAND في السوق الاستهلاكية. في أوائل عام 2021، أعلنت الشركة أنها لن تبيع محركات Optane بعد الآن في مساحة المستهلك، باستثناء محرك H20 الهجين. يجمع H20 بين QLC NAND وذاكرة التخزين المؤقت Optane لتعزيز الأداء العام مع تقليل تكلفة القيادة. على الرغم من أن H20 منتج مثير للاهتمام وفريد من نوعه، إلا أنه لا يقدم نفس النوع من محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة عالية الأداء التي توفرها Optane SSD.
ستظل Optane في السوق في قطاع خادم المؤسسة. في حين أن مدى وصولها محدود، إلا أنه لا يزال أقرب شيء إلى منافس تمتلكه NAND. لا تستخدم أقراص Optane SSDs NAND- فقد تم تصميمها باستخدام ذاكرة غير متطايرة يُعتقد أنها يتم تنفيذها بشكل مشابه لذاكرة الوصول العشوائي المتغيرة المرحلي- ولكنها تقدم أداء تسلسليًا مشابهًا لمحركات أقراص NAND المحمولة الحالية، وإن كان ذلك بأداء أفضل في قوائم انتظار محركات الأقراص المنخفضة. كما أن زمن انتقال محرك الأقراص هو أيضًا ما يقرب من نصف ذاكرة فلاش NAND (10 ميكروثانية، مقابل 20) وقدرة تحمل أعلى إلى حد كبير (30 عملية كتابة كاملة لمحرك الأقراص يوميًا، مقارنة بـ 10 عمليات كتابة كاملة لمحرك الأقراص يوميًا لمحرك أقراص Intel SSD المتطور).
من عام 2017 حتى أوائل عام 2021، قدمت Intel ذاكرة Optane الخاصة بها كبديل لفلاش NAND في السوق الاستهلاكية. في أوائل عام 2021، أعلنت الشركة أنها لن تبيع محركات Optane بعد الآن في مساحة المستهلك، باستثناء محرك H20 الهجين. يجمع H20 بين QLC NAND وذاكرة التخزين المؤقت Optane لتعزيز الأداء العام مع تقليل تكلفة القيادة. على الرغم من أن H20 منتج مثير للاهتمام وفريد من نوعه، إلا أنه لا يقدم نفس النوع من محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة عالية الأداء التي توفرها Optane SSD.
ستظل Optane في السوق في قطاع خادم المؤسسة. في حين أن مدى وصولها محدود، إلا أنه لا يزال أقرب شيء إلى منافس تمتلكه NAND. لا تستخدم أقراص Optane SSDs NAND- فقد تم تصميمها باستخدام ذاكرة غير متطايرة يُعتقد أنها يتم تنفيذها بشكل مشابه لذاكرة الوصول العشوائي المتغيرة المرحلي- ولكنها تقدم أداء تسلسليًا مشابهًا لمحركات أقراص NAND المحمولة الحالية، وإن كان ذلك بأداء أفضل في قوائم انتظار محركات الأقراص المنخفضة. كما أن زمن انتقال محرك الأقراص هو أيضًا ما يقرب من نصف ذاكرة فلاش NAND (10 ميكروثانية، مقابل 20) وقدرة تحمل أعلى إلى حد كبير (30 عملية كتابة كاملة لمحرك الأقراص يوميًا، مقارنة بـ 10 عمليات كتابة كاملة لمحرك الأقراص يوميًا لمحرك أقراص Intel SSD المتطور).
يتوفر Optane في العديد من تنسيقات محركات الأقراص وكبديل مباشر للذاكرة الحيوية. تدعم بعض وحدات المعالجة المركزية Xeon المتطورة من Intel عمليات نشر Optane متعددة تيرابايت وتدعم مزيجًا من DRAM و Optane الذي يوفر للخادم ذاكرة وصول عشوائي (RAM) أكبر بكثير مما يمكن للذاكرة DRAM وحدها، على حساب زمن الوصول العالي.
أحد الأسباب التي واجهت Optane صعوبة في اختراق مساحة المستهلك هو أن أسعار NAND انخفضت بشكل كبير في عام 2019 وظلت منخفضة حتى عام 2020، مما يجعل من الصعب على Intel المنافسة بفعالية.
أحد الأسباب التي واجهت Optane صعوبة في اختراق مساحة المستهلك هو أن أسعار NAND انخفضت بشكل كبير في عام 2019 وظلت منخفضة حتى عام 2020، مما يجعل من الصعب على Intel المنافسة بفعالية.
