Get best of the week

تشريح محرك الأقراص: SSD

صورة

الجزء 1. تشريح محرك الأقراص: محركات الأقراص الصلبة

صعب مثل الحجر


بنفس الطريقة التي أحدثت بها الترانزستورات ثورة في مجال الكمبيوتر من خلال زيادة سرعة التبديل وأداء العمليات الرياضية ، أدى استخدام أجهزة أشباه الموصلات كأجهزة تخزين إلى نفس النتيجة.

اتخذت شركة توشيبا الخطوات الأولى في هذا الاتجاه ، حيث اقترحت مفهوم الذاكرة المحمولة في عام 1980 . بعد أربع سنوات ، أنشأت ذاكرة NOR ، وفي عام 1987 ، ذاكرة NAND. تم إصدار أول محرك أقراص محمول تجاري ( محرك الأقراص ذو الحالة الصلبة أو SSD) بواسطة SunDisk (التي أعيدت تسميتها لاحقًا SanDisk) في عام 1991.

بدأ معظم الناس معرفتهم بأقراص SSD من ما يسمى بأقراص USB . حتى اليوم ، يشبه هيكلها ككل هيكل معظم أقراص الحالة الصلبة.


على اليسار توجد شريحة ذاكرة SanDisk NAND واحدة. مثل SRAM ، يتم استخدامه في ذاكرة التخزين المؤقت CPU و GPU. وهي مليئة بملايين "الخلايا" التي تم إنشاؤها من ترانزستورات البوابة العائمة المعدلة . يستخدمون الجهد العالي لتسجيل ومحو الشحنة في أقسام فردية من الترانزستور. عند قراءة خلية ، يتم تطبيق جهد مخفض على القسم.

إذا لم يتم شحن الخلية ، فعندما يتم تطبيق جهد منخفض ، يتدفق التيار. هذا يجعل النظام يفهم أن الخلية لديها حالة 0 ؛ في الحالة المعاكسة ، لديها حالة 1 (أي لا تدفقات التيار عند تطبيق الجهد). وبفضل هذا ، القراءة من ذاكرة NAND سريعة جدًا ، لكن كتابة البيانات وحذفها ليس بهذه السرعة.

أفضل خلايا الذاكرة تسمى خلايا الأقران(الخلايا أحادية المستوى ، SLC) ، لديها مقدار واحد فقط من الشحنة التي تم إنشاؤها على موقع الترانزستور ؛ ومع ذلك ، هناك خلايا ذاكرة يمكن أن يكون لها مستويات شحن متعددة. بشكل عام ، يشار إليها جميعًا بخلايا متعددة المستويات ( خلايا متعددة المستويات ، MLC) ، ولكن اختصار الصناعة NAND-MLC memory 4 يشير إلى تكلفة الإنتاج. الأنواع الأخرى لها أسماء متشابهة: ثلاثة مستويات ( مستوى ثلاثي ، TLC) وأربعة مستويات (مستوى رباعي ، QLC) لها ، على التوالي ، 8 و 16 مستويات شحن مختلفة.

يؤثر هذا على مقدار البيانات التي يمكن تخزينها في كل خلية:

  • SLC - 1 مستوى = 1 بت
  • MLC - 4 مستويات = 2 بت
  • TLC - 8 مستويات = 3 بتات
  • QLC - 16 مستوى = 4 بت

إلخ. يبدو أن QLC هي أفضل الخلايا ، أليس كذلك؟ لسوء الحظ ، ليس كذلك. التيارات صغيرة جدًا وحساسة للضوضاء الكهربائية ، لذلك ، لتحديد مستويات الشحن المختلفة للخلية ، تحتاج إلى قراءة القيمة عدة مرات لتأكيدها. باختصار ، SLCs هي أسرع الخلايا ، ولكنها تحتل أكبر مساحة مادية ، QLCs هي الأبطأ ، ولكن مقابل أموالك تحصل على المزيد من البتات.

على عكس SRAM و DRAM ، عند إيقاف تشغيل الطاقة ، يتم حفظ الشحن في ذاكرة الفلاش وتسربها للغايةبطيء. في حالة ذاكرة النظام ، يتم تفريغ الخلايا في نانو ثانية ، وبالتالي يجب تحديثها باستمرار. لسوء الحظ ، فإن استخدام الجهد وإمداد الشحنة يتلف الخلايا ، وبالتالي تتلاشى محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة بمرور الوقت. لمكافحة هذا ، يتم استخدام الإجراءات الصعبة لتقليل معدل التآكل ؛ عادة ما يجعلون استخدام الخلايا أكثر تجانسًا.

يتم التحكم في هذه الوظيفة عن طريق رقاقة التحكم الموضحة على اليمين. كما أنها تؤدي نفس المهام مثل شريحة LSI المستخدمة في محرك الأقراص الثابتة. ومع ذلك ، تحتوي محركات الأقراص التي تحتوي على أقراص دوارة على شرائح منفصلة لذاكرة التخزين المؤقت DRAM والبرامج الثابتة للفلاش التسلسلي ، ويتم دمج كل من وحدات التحكم في محرك أقراص USB المحمول. ولأنها مصممة لتكون رخيصة ، فلن تحصل على الكثير من الوظائف منها.

ولكن نظرًا لنقص الأجزاء المتحركة ، يمكننا أن نتوقع بثقة أن أداء ذاكرة الفلاش سيكون أعلى من أداء محرك الأقراص الثابتة. دعونا نلقي نظرة على المقاييس باستخدام CrystalDiskMark :


في البداية ، كانت النتائج مخيبة للآمال. تكون سرعات القراءة / الكتابة المتسلسلة والكتابة العشوائية أسوأ بكثير من محركات الأقراص الثابتة التي تم اختبارها ؛ ومع ذلك ، فإن القراءة العشوائية أفضل بكثير ، وهذه هي الميزة التي يوفرها الفلاش. تعد كتابة البيانات وحذفها بطيئة جدًا ، ولكن تتم القراءة عادةً على الفور.

ومع ذلك ، فإن هذا الاختبار له ميزة أخرى غير محسوسة. يوفر اختبار ذاكرة USB اتصال USB 2.0 فقط ، والذي تبلغ سرعة نقله القصوى 60 ميجابايت / ثانية فقط ، واستخدم محرك الأقراص الثابتة منفذ SATA 3.3 ، والذي يوفر 10 أضعاف الإنتاجية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تقنية ذاكرة الفلاش المستخدمة بسيطة للغاية: الخلايا من نوع TLC ومرتبة في خطوط متوازية طويلة ؛ هذا الترتيب يسمى مسطح(مستوي) أو ثنائي الأبعاد (ثنائي الأبعاد).

ذاكرة الفلاش المستخدمة في أفضل محركات أقراص الحالة الصلبة الحديثة هي من نوع SLC أو MLC ، أي أنها تعمل بشكل أسرع قليلاً وتتآكل بشكل أبطأ قليلاً ، وتميل الخطوط إلى نصفين ومبطنة بشكل عمودي ، لتشكيل بنية خلية رأسية أو ثلاثية الأبعاد . كما أنهم يستخدمون واجهة SATA 3.0 ، على الرغم من أنهم يستخدمون بشكل متزايد نظام PCI Express أسرع عبر واجهة NVMe.

دعونا نلقي نظرة على أحد هذه الأمثلة: Samsung 850 Pro ، الذي يستخدم هذه الحيل مع تخطيط عمودي.


على عكس محرك الأقراص Seagate الثقيل 3.5 بوصة ، يبلغ حجم محرك SSD 2.5 بوصة فقط وهو أرق وأخف وزنًا.

دعونا نفتحه (بفضل Samsung لاستخدام مثل مسامير Torx الرخيصة التي انهارت تقريبًا عند تفكيكها ...) ونرى السبب:


لا يوجد شيء تقريبًا في ذلك!

لا أقراص ، ولا أذرع ، ولا مغناطيسات - لوحة دوائر مطبوعة واحدة تتكون من عدة شرائح.


فماذا نرى هنا؟ الرقائق السوداء الصغيرة هي منظمات الجهد ، والباقي يؤدي الوظائف التالية:

  • Samsung S4LN045X01-8030: معالج ثلاثي النواة قائم على ARM Cortex R4 لتعليمات المعالجة والبيانات وتصحيح الأخطاء والتشفير وإدارة التآكل
  • Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 ميجابايت DDR2 SDRAM تستخدم لذاكرة التخزين المؤقت
  • Samsung K9PRGY8S7M: كل شريحة هي 64 جيجا بايت من ذاكرة فلاش MLC من نوع NAND من 32 طبقة (إجمالي 4 شرائح ، يوجد اثنان في الجانب الآخر من اللوحة)

لدينا خلايا ذاكرة فلاش 2 بت والعديد من رقائق الذاكرة والكثير من ذاكرة التخزين المؤقت ، والتي يجب أن توفر أداءً متزايدًا. لماذا ا؟ تذكر أن كتابة البيانات إلى ذاكرة فلاش عملية بطيئة إلى حد ما ، ولكن وجود عدة شرائح فلاش يسمح لك بالتسجيل بالتوازي. لا تحتوي ذاكرة USB على الكثير من الذاكرة العشوائية لتخزين البيانات الجاهزة للتسجيل ، لذلك ستساعدك شريحة منفصلة أيضًا. عودة إلى CrystalDiskMark ...


تبين أن التحسين كان كبيرا . أصبحت سرعة القراءة والكتابة أعلى بكثير ، والتأخيرات أقل بكثير. ما هو المطلوب أيضا من أجل السعادة؟ أصغر وأخف وزنا ، لا أجزاء متحركة ؛ تستهلك SSDs أيضًا طاقة أقل من محركات الأقراص الميكانيكية.

بالطبع ، كل هذه المزايا لها سعر ، وهنا يتم استخدام كلمة "السعر" حرفياً: هل تتذكر أنه مقابل 350 دولارًا يمكنك شراء محرك أقراص HDD بسعة 14 تيرابايت ؟ إذا كنت تأخذ SSD ، فستتمكن عند هذا المبلغ من شراء 1 أو 2 تيرابايت فقط . إذا كنت ترغب في قيادة من نفس المستوى ، فإن أفضل شيء يمكنك القيام به حتى الآن هو إنفاق 4300 دولار على محرك أقراص SSD واحد على مستوى المؤسسة بسعة 15.36 تيرابايت!

جعلت بعض الشركات المصنعةمحركات الأقراص الصلبة المختلطة - محركات الأقراص الثابتة القياسية مع القليل من ذاكرة الفلاش على لوحات الدوائر الخاصة بها ؛ يتم استخدامه لتخزين البيانات على الأقراص ، والتي يتم الوصول إليها في كثير من الأحيان. يوجد أدناه لوحة من محرك هجين بسعة 1 تيرابايت من سامسونج (يسمى أحيانًا SSHD ).


في الركن الأيمن العلوي من اللوحة توجد رقاقة NAND ووحدة التحكم الخاصة بها. كل شيء آخر هو تقريبًا كما هو الحال في نموذج Seagate ، الذي فحصناه في مشاركة سابقة.

يمكننا استخدام CrystalDiskMark للمرة الأخيرة لمعرفة ما إذا كان هناك أي فائدة ملموسة من استخدام ذاكرة فلاش كذاكرة تخزين مؤقت ، ولكن المقارنة ستكون غير عادلة ، حيث تدور أقراص هذا المحرك بسرعة 7200 دورة في الدقيقة (ومحرك الأقراص الصلبة WD ، والذي يستخدم للتشريح - فقط من 5400 دورة في الدقيقة):


الأداء أفضل قليلاً ، ولكن السبب في ذلك هو على الأرجح زيادة سرعة الدوران - فكلما أسرع تحرك القرص تحت رؤوس القراءة / الكتابة ، زادت سرعة نقل البيانات. ومن الجدير بالذكر أيضًا أن الخوارزمية لن تتعرف على الملفات التي تم إنشاؤها بواسطة اختبار الأداء على أنها قابلة للقراءة بشكل نشط ، مما يعني أن وحدة التحكم لن تتمكن على الأرجح من استخدام الذاكرة المحمولة بشكل صحيح.

على الرغم من ذلك ، أظهر الاختبار الأفضل تحسنًا في أداء الأقراص الصلبة مع محرك أقراص صلبة مدمج. ومع ذلك ، من المرجح أن تفشل ذاكرة الفلاش الرخيصة بشكل أسرع بكثير من محركات الأقراص الصلبة عالية الجودة ، لذا فإن محركات الأقراص الهجينة ربما لا تستحق اهتمامنا - صناعة محركات الأقراص أكثر اهتمامًا بأقراص SSD.

قبل أن نمضي قدمًا ، تجدر الإشارة إلى أن الذاكرة المحمولة ليست التقنية الوحيدة المستخدمة في محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة. اشتركت Intel و Micron في اختراع نظام يسمى 3D XPoint . بدلاً من كتابة ومحو شحنات الشحنات في الخلايا لإنشاء حالات 0 و 1 ، لتوليد بتات في هذا النظام ، تغير الخلايا مقاومتها الكهربائية.

توصلت Intel إلى هذه الذاكرة الجديدة تحت العلامة التجارية Optane ، وعندما اختبرناها ، كان الأداء رائعًا . مثل سعر النظام ، ولكن بمعنى سيئ. تبلغ تكلفة محرك أقراص Optane بسعة 1 تيرابايت اليوم أكثر من 1200 دولار - أي أربع مرات أكثر من SSD من نفس الحجم بناءً على ذاكرة فلاش.

سيكون محرك الأقراص الثالث والأخير ، الذي سنستكشفه في المقالة التالية ، عبارة عن محركات أقراص ضوئية.

More articles:


All Articles