إنه
مغناطيسي. إنه كهربائي. إنها فوتونية. لا، لن يكون هذا حول ثلاثي خارق جديد
في عالم Marvel. هذا كله يتعلق ببياناتنا الرقمية الثمينة. نحتاج إلى
تخزينه في مكان آمن ومستقر، بطريقة تسمح لنا بالتمسك به وتغييره بشكل أسرع
ما يمكن. ننسى Iron Man و Thor- نحن نتحدث عن محركات أقراص التخزين!
لقد قمنا بتقسيم تشريح التخزين Anatomy of a Storage Drive إلى ثلاثة أجزاء:
- تشريح محركات تخزين الحالة الثابتة Solid State Drives. موضوع مقالنا الحالي.
ثابتة وثابتة كالصخر Solid, solid as a rock
تمامًا كما أحدثت الترانزستورات ثورة في أجهزة الكمبيوتر، من خلال زيادة السرعة التي يمكن للدوائر من خلالها التبديل وإجراء العمليات الحسابية، كان استخدام أجهزة أشباه الموصلات في أجهزة التخزين يهدف إلى تحقيق نفس النتيجة.
تم اتخاذ الخطوات الأولى في هذه العملية من قبل Toshiba، التي اقترحت مفهوم ذاكرة الفلاش flash memory في عام 1980 ثم انتقلت إلى صنع فلاش NOR بعد 4 سنوات ثم فلاش NAND في عام 1987. أول محرك تخزين تجاري يستخدم ذاكرة فلاش، حالة صلبة محرك الأقراص أو SSD، تم إصداره بواسطة SunDisk (سميت لاحقًا SanDisk) في عام 1991.
تعرف معظم الناس على محركات أقراص الحالة الثابتة SSD في شكل ما يسمى بمحركات أقراص فلاش USB، ويعرف أيضًا باسم بطاقات الذاكرة أو محركات القلم. حتى اليوم، فإنها تشكل البنية الأساسية لكيفية تجميع غالبية محركات أقراص الحالة الثابتة معًا.
على اليسار، لدينا شريحة ذاكرة فلاش واحدة من SanDisk NAND. تمامًا مثل استخدام SRAM للتخزين المؤقت في وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU)، فهي مليئة بملايين "الخلايا"، المصنوعة من ترانزستورات البوابة العائمة Floating gate transistors المعدلة. هذه تستخدم جهدًا عاليًا لوضع وإزالة الشحن من / إلى موقع معين في الترانزستور. ثم يتم تطبيق جهد أقل عبر هذا الموقع، عندما تتم قراءة الخلية.
إذا لم يتم شحن الخلية، يتدفق التيار عند تطبيق هذا الجهد المنخفض. هذا يخبر النظام أن الخلية بها حالة 0، ومن ثم يكون العكس صحيحًا بالنسبة لحالة واحدة (أي لا يوجد تيار عند تطبيق الجهد). هذا يجعل قراءة فلاش NAND سريعًا جدًا، ولكن ليس سريعًا في كتابة البيانات أو حذفها.
تعمل أفضل خلايا ذاكرة الفلاش، المسماة خلايا المستوى الأحادي (single level cells SLC)، على تطبيق كمية واحدة فقط من الشحنة على الموقع، ولكن يمكن أن يكون لديك خلايا ذاكرة يمكن أن تحتوي على أكثر من مستوى شحن واحد فقط. تُعرف هذه الخلايا عمومًا بالخلايا متعددة المستويات (multi-level cells MLC) ولكن في صناعة فلاش NAND، يشير MLC إلى 4 مستويات من الشحن. يتم تسمية الأنواع الأخرى بالمثل: المستوى الثلاثي (triple level TLC) والمستوى الرباعي (quad level QLC) لهما 8 و 16 مستوى مختلف من الشحن على التوالي.
يؤثر هذا على مقدار البيانات التي يمكن تخزينها في كل خلية:
إذا لم يتم شحن الخلية، يتدفق التيار عند تطبيق هذا الجهد المنخفض. هذا يخبر النظام أن الخلية بها حالة 0، ومن ثم يكون العكس صحيحًا بالنسبة لحالة واحدة (أي لا يوجد تيار عند تطبيق الجهد). هذا يجعل قراءة فلاش NAND سريعًا جدًا، ولكن ليس سريعًا في كتابة البيانات أو حذفها.
تعمل أفضل خلايا ذاكرة الفلاش، المسماة خلايا المستوى الأحادي (single level cells SLC)، على تطبيق كمية واحدة فقط من الشحنة على الموقع، ولكن يمكن أن يكون لديك خلايا ذاكرة يمكن أن تحتوي على أكثر من مستوى شحن واحد فقط. تُعرف هذه الخلايا عمومًا بالخلايا متعددة المستويات (multi-level cells MLC) ولكن في صناعة فلاش NAND، يشير MLC إلى 4 مستويات من الشحن. يتم تسمية الأنواع الأخرى بالمثل: المستوى الثلاثي (triple level TLC) والمستوى الرباعي (quad level QLC) لهما 8 و 16 مستوى مختلف من الشحن على التوالي.
يؤثر هذا على مقدار البيانات التي يمكن تخزينها في كل خلية:
SLC - 1 level = 1 bit
MLC - 4 levels = 2 bits
TLC - 8 levels = 3 bits
QLC - 16 levels = 4 bits
MLC - 4 levels = 2 bits
TLC - 8 levels = 3 bits
QLC - 16 levels = 4 bits
وهكذا. يبدو أن QLC هو الأفضل، أليس كذلك؟ للاسف لا. تدفقات التيار صغيرة جدًا وحساسة للضوضاء الكهربائية، لذلك للتمييز بشكل صحيح بين حالات الشحن المختلفة في الخلية، يجب قراءتها عدة مرات قبل تأكيد القيمة. باختصار، SLC هو الأسرع ولكنه يشغل أكبر قدر من المساحة المادية لمقدار معين من تخزين البيانات، QLC هو الأبطأ ولكنك تحصل على المزيد من القطع مقابل دولاراتك.
على عكس SRAM والدرهم، وبمجرد إزالة السلطة، وإقامة تهمة حيث هو، وإلا تسرب بعيدا جدا ببطء. في حالة ذاكرة النظام، تستنزف الخلايا في نانوثانية ويجب أن "تُشغل باستمرار''. لسوء الحظ، يؤدي استخدام الجهد الكهربائي وشحنة الدفع إلى إتلاف الخلايا، وتتآكل محركات أقراص الحالة الثابتة بمرور الوقت. للمساعدة في مكافحة هذا، يتم استخدام إجراءات ذكية لتقليل معدل التآكل، وعادةً ما تضمن عدم إصابة نفس الخلايا مرارًا وتكرارًا.
تتم إدارة هذه الوظيفة بواسطة شريحة التحكم، كما هو موضح على اليمين، والتي تتعامل أيضًا مع نفس الوظائف مثل شريحة LSI التي رأيناها في محرك الأقراص الثابتة. ولكن حيث تحتوي محركات الأقراص الدوارة على شرائح منفصلة لذاكرة التخزين المؤقت DRAM والبرامج الثابتة Serial Flash، فإن وحدات التحكم في عصا ذاكرة USB تحتوي على كلاهما مضمنين فيه. ونظرًا لأنها مصممة لتكون رخيصة، فلن تحصل على الكثير منها أيضًا.
ولكن مع عدم وجود أجزاء متحركة، فمن المؤكد أنك تتوقع أن يكون الأداء أفضل من محرك الأقراص الثابتة. دعنا نلقي نظرة باستخدام CrystalDiskMark:
للوهلة الأولى، يبدو الأمر مخيبًا للآمال حقًا. تعد معدلات القراءة / الكتابة المتسلسلة والكتابة العشوائية أسوأ بكثير من محركات الأقراص الثابتة المختبرة ؛ ومع ذلك، فإن القراءة العشوائية أفضل كثيرًا، وهذه هي الميزة التي توفرها ذاكرة الفلاش. إنه بطيء جدًا في كتابة البيانات وحذفها، لكن القراءة سريعة بشكل عام.
هناك ما هو أكثر من هذا الاختبار مما تراه العين أيضًا. لا يوفر اختبار شريحة ذاكرة USB سوى اتصال USB 2.0، والذي يبلغ الحد الأقصى لمعدل النقل 60 ميجابايت / ثانية فقط، بينما كان محرك الأقراص الثابتة في منفذ SATA 3.3، وهو قادر على إنتاج 10 مرات أكثر. وتقنية ذاكرة الفلاش المستخدمة أساسية تمامًا: الخلايا هي TLC ويتم وضعها في شرائح طويلة جنبًا إلى جنب، في ما يسمى بالترتيب المستوي أو ثنائي الأبعاد.
تستخدم ذاكرة الفلاش المستخدمة في أفضل محركات أقراص الحالة الثابتة اليوم SLC أو MLC، مما يعني أنها تعمل بشكل أسرع قليلاً وتتلاشى بشكل أبطأ، ويتم طي الشرائح إلى نصفين ومكدسة في وضع مستقيم، مما يؤدي إلى إنشاء ترتيب رأسي أو ثلاثي الأبعاد Vertical or 3D للخلايا. يستخدمون أيضًا واجهة SATA 3.0، على الرغم من أن المزيد والمزيد يستخدمون نظام PCI Express الأسرع عبر واجهة NVMe .
دعنا نلقي نظرة على أحد الأمثلة: Samsung 850 Pro، الذي يستخدم هذه الخدع المطوية رأسياً.
هناك ما هو أكثر من هذا الاختبار مما تراه العين أيضًا. لا يوفر اختبار شريحة ذاكرة USB سوى اتصال USB 2.0، والذي يبلغ الحد الأقصى لمعدل النقل 60 ميجابايت / ثانية فقط، بينما كان محرك الأقراص الثابتة في منفذ SATA 3.3، وهو قادر على إنتاج 10 مرات أكثر. وتقنية ذاكرة الفلاش المستخدمة أساسية تمامًا: الخلايا هي TLC ويتم وضعها في شرائح طويلة جنبًا إلى جنب، في ما يسمى بالترتيب المستوي أو ثنائي الأبعاد.
تستخدم ذاكرة الفلاش المستخدمة في أفضل محركات أقراص الحالة الثابتة اليوم SLC أو MLC، مما يعني أنها تعمل بشكل أسرع قليلاً وتتلاشى بشكل أبطأ، ويتم طي الشرائح إلى نصفين ومكدسة في وضع مستقيم، مما يؤدي إلى إنشاء ترتيب رأسي أو ثلاثي الأبعاد Vertical or 3D للخلايا. يستخدمون أيضًا واجهة SATA 3.0، على الرغم من أن المزيد والمزيد يستخدمون نظام PCI Express الأسرع عبر واجهة NVMe .
دعنا نلقي نظرة على أحد الأمثلة: Samsung 850 Pro، الذي يستخدم هذه الخدع المطوية رأسياً.
على عكس محرك الأقراص Seagate 3.5 " الثقيل لدينا، يبلغ عرض محرك الأقراص الثابتة 2.5 بوصة فقط وهو أقل حجمًا وأخف وزنًا.
افتحها (شكرًا لك Samsung على استخدام مسامير Torx الرخيصة التي كادت تقطع نفسها قبل الخروج ...) ويمكنك معرفة السبب:
افتحها (شكرًا لك Samsung على استخدام مسامير Torx الرخيصة التي كادت تقطع نفسها قبل الخروج ...) ويمكنك معرفة السبب:
لا يكاد يوجد أي شيء فيه!
لا توجد أقراص، ولا أذرع مشغل، ولا مغناطيس- مجرد لوحة دائرة كهربائية واحدة، بها حفنة من الرقائق.
لا توجد أقراص، ولا أذرع مشغل، ولا مغناطيس- مجرد لوحة دائرة كهربائية واحدة، بها حفنة من الرقائق.
إذن ماذا لدينا هنا بالفعل؟ الرقائق السوداء الصغيرة هي منظمات للجهد، لكن الباقي كالتالي:
Samsung S4LN045X01-8030: a 3 core ARM Cortex R4-based processor,
that handles instructions, data, error correction, encryption, and wear
management
Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 MB of DDR2 SDRAM, used for cache
Samsung K9PRGY8S7M: each chip is 64 GB of MLC 32-layer vertical NAND flash memory (4 chips in total, two are on the other side of the board)
Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 MB of DDR2 SDRAM, used for cache
Samsung K9PRGY8S7M: each chip is 64 GB of MLC 32-layer vertical NAND flash memory (4 chips in total, two are on the other side of the board)
لدينا 2bit من خلايا فلاش وشرائح ذاكرة متعددة والكثير من ذاكرة التخزين المؤقت، والتي يجب أن تترجم إلى أداء أفضل. لماذا؟ تذكر أن كتابة البيانات على ذاكرة فلاش بطيئة للغاية، لكن شرائح الفلاش المتعددة تسمح للكتابة بالتوازي. لا تحتوي عصا USB على الكثير من الذاكرة الحيوية لتخزين البيانات الجاهزة للكتابة، لذلك يجب أن تساعد شريحة منفصلة كبيرة أيضًا. العودة إلى CrystalDiskMark ثم ...
هذا تحسن كبير. كل من معدل نقل القراءة والكتابة أعلى بشكل ملحوظ، كما أن زمن الانتقال أصغر بكثير. ما الذي لا يعجبك؟ أصغر حجمًا وأخف وزنًا، مع عدم وجود أجزاء متحركة لإدارتها، تستهلك محركات أقراص الحالة الثابتة أيضًا طاقة أقل من محركات الأقراص الميكانيكية.
هناك، بالطبع، ثمن يجب دفعه مقابل كل هذه المزايا وهو سعر حرفي: تذكر أن 350 دولارًا يمكن أن تشتري لك 14 تيرابايت من تخزين الأقراص الصلبة؟ مع محركات أقراص الحالة الثابتة، يمنحك ذلك 1 أو 2 تيرابايت فقط . إذا كنت تريد نفس المستوى من التخزين، فإن أفضل ما يمكنك فعله الآن هو إنفاق 4300 دولار على محرك أقراص SSD واحد بحجم 15.36 تيرابايت على مستوى المؤسسة!
أنتجت بعض الشركات المصنعة محركات أقراص صلبة هجينة - محرك أقراص ثابت قياسي يحتوي على القليل من ذاكرة الفلاش على لوحة الدوائر، ويستخدم لتخزين البيانات التي يتم الوصول إليها بشكل شائع على الأقراص. يوجد أدناه لوحة من محرك هجين Samsung 1 تيرابايت (يسمى أحيانًا SSHD).
هناك، بالطبع، ثمن يجب دفعه مقابل كل هذه المزايا وهو سعر حرفي: تذكر أن 350 دولارًا يمكن أن تشتري لك 14 تيرابايت من تخزين الأقراص الصلبة؟ مع محركات أقراص الحالة الثابتة، يمنحك ذلك 1 أو 2 تيرابايت فقط . إذا كنت تريد نفس المستوى من التخزين، فإن أفضل ما يمكنك فعله الآن هو إنفاق 4300 دولار على محرك أقراص SSD واحد بحجم 15.36 تيرابايت على مستوى المؤسسة!
أنتجت بعض الشركات المصنعة محركات أقراص صلبة هجينة - محرك أقراص ثابت قياسي يحتوي على القليل من ذاكرة الفلاش على لوحة الدوائر، ويستخدم لتخزين البيانات التي يتم الوصول إليها بشكل شائع على الأقراص. يوجد أدناه لوحة من محرك هجين Samsung 1 تيرابايت (يسمى أحيانًا SSHD).
يمكنك رؤية شريحة NAND ووحدة التحكم الخاصة بها في أعلى يمين اللوحة. الباقي يشبه إلى حد كبير طراز Seagate الذي نظرنا إليه.
يمكننا استخدام CrystalDiskMark، للمرة الأخيرة، لمعرفة ما إذا كانت هناك أي فائدة ملحوظة لاستخدام ذاكرة الفلاش كشكل من أشكال ذاكرة التخزين المؤقت، لكنها مقارنة غير عادلة، حيث تدور الأقراص في محرك الأقراص هذا بسرعة 7200 دورة في الدقيقة (بينما استخدمنا WD في كان تشريح محرك الأقراص الصلبة 5400 دورة في الدقيقة فقط):
يمكننا استخدام CrystalDiskMark، للمرة الأخيرة، لمعرفة ما إذا كانت هناك أي فائدة ملحوظة لاستخدام ذاكرة الفلاش كشكل من أشكال ذاكرة التخزين المؤقت، لكنها مقارنة غير عادلة، حيث تدور الأقراص في محرك الأقراص هذا بسرعة 7200 دورة في الدقيقة (بينما استخدمنا WD في كان تشريح محرك الأقراص الصلبة 5400 دورة في الدقيقة فقط):
الأرقام أفضل قليلاً، ولكن ربما يرجع ذلك إلى معدل الدوران الأسرع - فكلما كان القرص يتحرك بشكل أسرع أسفل رؤوس القراءة / الكتابة، يمكن نقل البيانات بشكل أسرع. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن الملفات التي تم إنشاؤها في اختبار معياري لن يتم تمييزها في خوارزمية على أنها يتم الوصول إليها بشكل روتيني بمرور الوقت، لذلك من غير المرجح أن تستخدم وحدة التحكم ذاكرة الفلاش بشكل صحيح.
ومع ذلك، اقترح الاختبار الأفضل تحسنًا عامًا في أداء محرك الأقراص الثابتة باستخدام محرك أقراص الحالة الصلبة المدمج. ومع ذلك، من المحتمل أن يفشل الفلاش الرخيص قبل وقت طويل من فشل محرك الأقراص الصلبة عالي الجودة، لذلك ربما لا تستحق محركات الأقراص الهجينة الاهتمام - صناعة التخزين مهتمة أكثر بكثير بمحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة، على أي حال.
قبل المضي قدمًا، تجدر الإشارة إلى أن ذاكرة الفلاش ليست هي التقنية الوحيدة المستخدمة في محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة. اخترعت Intel و Micron نظامًا يسمى 3D XPoint. بدلاً من صدم الشحنة داخل وخارج الخلايا لإنشاء حالات 0 و 1، تغير الخلايا مقاومتها الكهربائية لتوليد البتات.
قامت Intel بتسويق هذه الذاكرة الجديدة تحت العلامة التجارية Optane وعندما اختبرناها، كان الأداء استثنائيًا. هكذا كان السعر، ولكن ليس بطريقة جيدة. أقل بقليل من 1 تيرابايت من تخزين Optane سيعيدك حاليًا إلى ما يزيد عن 1200 دولار، أي أربعة أضعاف تكلفة محرك أقراص الحالة الثابتة ذي الحجم المماثل المستند إلى فلاش.
ومع ذلك، اقترح الاختبار الأفضل تحسنًا عامًا في أداء محرك الأقراص الثابتة باستخدام محرك أقراص الحالة الصلبة المدمج. ومع ذلك، من المحتمل أن يفشل الفلاش الرخيص قبل وقت طويل من فشل محرك الأقراص الصلبة عالي الجودة، لذلك ربما لا تستحق محركات الأقراص الهجينة الاهتمام - صناعة التخزين مهتمة أكثر بكثير بمحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة، على أي حال.
قبل المضي قدمًا، تجدر الإشارة إلى أن ذاكرة الفلاش ليست هي التقنية الوحيدة المستخدمة في محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة. اخترعت Intel و Micron نظامًا يسمى 3D XPoint. بدلاً من صدم الشحنة داخل وخارج الخلايا لإنشاء حالات 0 و 1، تغير الخلايا مقاومتها الكهربائية لتوليد البتات.
قامت Intel بتسويق هذه الذاكرة الجديدة تحت العلامة التجارية Optane وعندما اختبرناها، كان الأداء استثنائيًا. هكذا كان السعر، ولكن ليس بطريقة جيدة. أقل بقليل من 1 تيرابايت من تخزين Optane سيعيدك حاليًا إلى ما يزيد عن 1200 دولار، أي أربعة أضعاف تكلفة محرك أقراص الحالة الثابتة ذي الحجم المماثل المستند إلى فلاش.
