حافظه SSD چیست و چگونه کار می‌کند؟

به طور حتم نام حافظه SSD را شنیده‌اید و می‌دانید از بسیاری جهات بهتر از هارد دیسک‌های مکانیکی است. ممکن است به فکر ارتقا رایانه یا لپ‌تاپ خود باشید و قصد تهیه یک اس‌اس‌دی جهت بهبود سرعت آن‌را داشته باشید. ما در این مقاله سعی کرده‌ایم به شرح کامل حافظه جامد یا همان SSD ها بپردازیم و نحوه عملکرد، مزایا و معایب، فرم فاکتور و عوامل شکل گیری SSD را شرح دهیم. چنانچه قصد تکمیل اطلاعات خود در رابطه با اس‌اس‌دی‌ها را دارید، تا انتهای این مطلب با مجله اعتبارکالا همراه باشید.

حافظه SSD ‌چیست؟

درایو حالت جامد یا SSD نوعی ابزار ذخیره سازی اطلاعات است که در رایانه‌ها استفاده می‌شود. این ابزار ذخیره سازی غیرفرار، داده‌های پایدار را روی حافظه فلش حالت جامد ذخیره می‌کند. اس‌اس‌دی‌ها جایگزین هارد دیسک‌های مکانیکی یا همان HDD در رایانه‌ها شده که همان عملکردهای اولیه هارد دیسک را انجام می‌دهند. اما SSD ها در مقایسه با HDD ها به طور قابل توجهی سریعتر هستند. با SSD، سیستم عامل دستگاه با سرعت بیشتری بوت می‌شود، برنامه‌ها سریعتر بارگیری می‌شوند و فایل‌ها سریع‌تر ذخیره می‌شوند.

یک هارد دیسک سنتی شامل یک دیسک چرخان با هد خواندن/ نوشتن بر روی یک بازوی مکانیکی به نام actuator است. یک HDD داده‌ها را به صورت مغناطیسی می‌خواند و می‌نویسد. با این حال، خواص مغناطیسی می‌تواند منجر به خرابی‌های مکانیکی شود.

در مقایسه، SSD هیچ قطعه متحرکی برای شکستن یا چرخش به سمت بالا یا پایین ندارد. دو جزء کلیدی در یک SSD، کنترلر فلش و تراشه‌های حافظه فلش NAND هستند. این پیکربندی برای ارائه بهتر عملکرد خواندن/ نوشتنی که در بالا به شرح آن پرداختیم در داده‌های متوالی و تصادفی بهینه شده است.

اس‌اس‌دی‌ها در هر جایی که هارد دیسک قابل نصب باشد استفاده می‌شود. به عنوان مثال، آن‌ها در رایانه های شخصی (PC)، لپ‌تاپ، کنسول‌های بازی، دوربین‌های دیجیتال، پخش کننده‌های موسیقی دیجیتال، گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها استفاده می‌شوند. البته باید در نظر داشته باشید که SSD ها به مراتب از HDD ها گران‌تر هستند.

کسب‌وکارهایی که نیاز به سرعت بالا برای ورودی/ خروجی بالاتر (I/O) دارند، به SSD ها روی آورده‌اند و این استقبال منجر به توسعه این حافظه‌های جامد شده است. از آنجایی که SSD ها تاخیر کمتری نسبت به هارد دیسک‌ها دارند، می‌توانند به طور کارآمدی هم بارهای کاری سنگین و هم تصادفی را مدیریت کنند. این تاخیر کمتر از توانایی یک SSD فلش برای خواندن مستقیم و فوری داده‌ها از داده‌های ذخیره شده ناشی می‌شود.

سرورهای با کارایی بالا، لپ‌تاپ‌ها، رایانه‌های رومیزی یا هر برنامه‌ای که نیاز به ارائه اطلاعات در مدت زمان بسیار کوتاه دارد، می‌توانند از فناوری درایو حالت جامد بهره ببرند. این ویژگی‌ها SSD های سازمانی را برای بارگیری از پایگاه‌های داده‌های سنگین مناسب می‌کند.

اس‌اس‌دی‌ها چگونه کار می‌کنند؟

یک SSD داده‌ها را روی تراشه‌های حافظه فلش متصل به هم که از سیلیکون ساخته شده‌اند می‌خواند و می‌نویسد. سازندگان، SSD ها را با قرار دادن تراشه‌ها در یک شبکه برای دستیابی به تراکم‌های مختلف می‌سازند.

اس‌اس‌دی‌ها داده‌ها را روی مجموعه‌ای از تراشه‌های حافظه فلش متصل به هم می‌خوانند و می‌نویسند. این تراشه‌ها از ترانزیستورهای دروازه شناور (FGT) برای نگه داشتن بار الکتریکی استفاده می‌کنند که SSD را قادر می‌سازد تا داده‌ها را حتی زمانی که به منبع تغذیه متصل نیست ذخیره کند. هر FGT حاوی یک بیت داده است که به عنوان ۱ برای یک سلول با بار الکتریکی یا ۰ در صورتی که سلول فاقد بار الکتریکی باشد، تعیین می‌شود.

هر بلوک داده با سرعت ثابت قابل دسترسی است. با این حال، SSD ها فقط می‌توانند در بلوک‌های خالی بنویسند. اگرچه SSD ها ابزارهایی برای دور زدن این موضوع دارند، اما این احتمال وجود دارد که عملکرد آن در طول زمان کند شود.

اس‌اس‌دی‌ها از سه نوع حافظه اصلی استفاده می‌کنند؛ سلول‌های تک سطحی، چند سطحی و سه سطحی. سلول‌های تک سطحی می‌توانند یک بیت داده صفر یا یک را در یک زمان نگه دارند. سلول‌های تک سطحی (SLC) گران‌ترین شکل SSD هستند، اما همچنین سریع‌ترین و بادوام‌ترین آن‌ها هستند. سلول‌های چند سطحی (MLC) می‌توانند دو بیت داده را در هر سلول نگه دارند و فضای ذخیره سازی بیشتری در همان مقدار فضای فیزیکی SLC دارند.

با این حال، MLC ها سرعت نوشتن پایین تری دارند. سلول‌های سه سطحی (TLC) می‌توانند سه بیت داده را در یک سلول نگه دارند. اگرچه TLC ها ارزان‌تر هستند، اما سرعت نوشتن پایین‌تری نیز دارند و نسبت به سایر انواع حافظه دوام کمتری دارند. اس‌اس‌دی‌های مبتنی بر TLC ظرفیت بیشتری را ارائه می‌دهند و نسبت به MLC یا SLC هزینه کم‌تری دارند، البته به دلیل داشتن هشت حالت در سلول، احتمال از بین رفتن بیت‌ها بیشتر است.

ویژگی‌های اصلی SSD چیست؟

چندین ویژگی طراحی یک SSD را مشخص می‌کند. از آنجایی که SSD قطعات متحرک ندارد، در معرض خرابی‌های مکانیکی مشابهی نیست که در هارد دیسک‌ها رخ می‌دهد. اس‌اس‌دی‌ها نیز کم صداتر هستند و انرژی کم‌تری مصرف می‌کنند و از آنجایی که SSD ها وزن کمتری نسبت به هارد دیسک دارند، برای لپ‌تاپ و موبایل مناسب هستند.

همچنین، نرم‌افزار کنترل‌کننده SSD شامل تجزیه و تحلیل‌های پیش‌بینی‌کننده است که می‌تواند کاربر را قبل از خرابی احتمالی درایو، آگاه کند.

مزایای استفاده از SSD چیست؟

• سرعت خواندن/ نوشتن بیشتر؛ اس‌اس‌دی‌ها می‌توانند به سرعت به فایل‌های حجیم دسترسی پیدا کنند.
• زمان بوت سریع‌تر و عملکرد بهتر؛ از آنجایی که درایو نیازی به چرخش مانند یک هارد دیسک ندارد، پاسخگو تر است و عملکرد بارگذاری بهتری را ارائه می‌دهد.
• دوام بالاتر؛ اس‌اس‌دی ها در برابر ضربه مقاوم تر هستند و بهتر از HDD ها می توانند گرما را تحمل کنند زیرا قطعات متحرک ندارند.
• مصرف برق کم‌تر؛ SSD ها به دلیل نداشتن قطعات متحرک نسبت به هارد دیسک‌ها به انرژی کم‌تری برای کار نیاز دارند.
• بی‌صداتر؛ SSD ها صدای کمتری تولید می‌کنند زیرا هیچ قطعه متحرک یا چرخشی وجود ندارد.
• ابعاد کوچک‌تر؛ SSD ها به فرم فاکتورهای مختلفی تولید می‌شوند در حالی که اندازه هارد دیسک محدود است.

معایب استفاده از SSD چیست؟

• قیمت بالا؛ SSD ها نسبت به هاردهای معمولی گران‌تر هستند.
• کاهش کارایی به مرور زمان؛ محدودیت در تعداد چرخه‌های نوشتن باعث می‌شود عملکرد SSD ها در طول زمان کاهش یابد.
• بازیابی اطلاعات تقریبا غیرممکن؛ این فرآیند زمان‌بر می‌تواند گران باشد، زیرا داده‌های تراشه‌های آسیب‌دیده ممکن است قابل بازیابی نباشند.

انواع حافظه‌های SSD غیر فرار چیست؟

مدار NAND و NOR در نوع گیت منطقی که استفاده می‌کنند متفاوت است. دستگاه‌های NAND از دسترسی سریال هشت پین به داده‌ها استفاده می‌کنند. در همین حال، حافظه فلش NOR معمولاً در تلفن‌های همراه استفاده می شود که از دسترسی تصادفی ۱ بایت پشتیبانی می‌کند.

در مقایسه با NAND، فلش NOR زمان خواندن سریع را ارائه می‌دهد، اما به طور کلی یک فناوری حافظه گران‌تر است. فناوری NOR داده‌ها را در تکه‌های بزرگ می‌نویسد، به این معنی که پاک کردن و نوشتن داده‌های جدید بیشتر طول می‌کشد. از قابلیت‌های دسترسی تصادفی NOR برای اجرای کد استفاده می‌شود، در حالی که NAND flash برای ذخیره سازی در نظر گرفته شده است. اکثر گوشی‌های هوشمند از هر دو نوع حافظه فلش پشتیبانی می‌کنند، از NOR برای راه اندازی سیستم‌‍‌عامل و از کارت‌های NAND قابل جابجایی برای افزایش ظرفیت ذخیره سازی دستگاه استفاده می‌کنند.

انواع SSD چیست؟

1. درایوهای حالت جامد؛ SSD های پایه کم‌ترین عملکرد را ارائه می‌دهند. اس‌اس‌دی‌ها دستگاه‌های فلشی هستند که از طریق SATA یا SCSI SAS به دستگاه متصل می‌شوند و اولین قدم مقرون به صرفه را برای ورود به دنیای حالت جامد فراهم می‌کنند. برای بسیاری از محیط‌ها، افزایش عملکرد در سرعت خواندن متوالی از SATA یا SAS SSD کافی است.

2. فلاش مبتنی بر PCIe؛ فلاش مبتنی بر اتصال اجزای جانبی گام بعدی در عملکرد است. در حالی که این دستگاه‌ها معمولاً توان عملیاتی بیشتر و عملیات ورودی/ خروجی بیشتری را در هر ثانیه ارائه می‌دهند، تاخیر بسیار کمتری نسبت به نوع قبل دارد.

3. فلش DIMM؛ ماژول‌های حافظه درون خطی دوگانه فلش، تأخیر را کاهش می‌دهند و از کارت‌های فلش PCIe فراتر می‌روند و اختلافات بالقوه گذرگاه PCIe را از بین می‌برند. آن‌ها به درایورهای سفارشی منحصر به فرد برای فلش DIMMS، با تغییرات خاص در سیستم I/O فقط خواندنی روی مادربرد نیاز دارند.

4. اس‌اس‌دی‌های NVMe؛ این SSD ها از مشخصات رابط حافظه غیر فرار (NVMe) استفاده می‌کنند که سرعت انتقال داده را از طریق یک گذرگاه PCIe تسریع می‌کند. اس‌اس‌دی‌های NVMe برای ذخیره سازی غیر فرار با کارایی بالا طراحی شده‌اند و برای تنظیمات بسیار سخت و محاسباتی بسیار مناسب هستند.

5. فلش NVMe-oF؛ پروتکل NVMe over Fabrics انتقال داده‌ها را بین یک کامپیوتر میزبان و یک دستگاه ذخیره سازی حالت جامد هدف امکان پذیر می‌کند. این پروتکل داده‌ها را از طریق روش‌هایی مانند اترنت، کانال فیبر یا InfiniBand منتقل می‌کند.

6. حافظه فلش DRAM هیبریدی. این پیکربندی کانال حافظه با دسترسی تصادفی پویا (DRAM) فلش و DRAM سرور را ترکیب می‌کند. این دستگاه‌های ذخیره سازی فلش هیبریدی محدودیت مقیاس نظری DRAM را برطرف می‌کنند و برای افزایش توان بین نرم‌افزار کاربردی و ذخیره سازی استفاده می‌شوند.

عوامل شکل گیری فرم فاکتور SSD ها

سازندگان SSD فاکتورهای شکل متنوعی را ارائه می‌دهند. رایج‌ترین فرم فاکتور، SSD 2.5 اینچی است که در ارتفاع‌های متعدد موجود بوده و از پروتکل‌های SAS، SATA و NVMe پشتیبانی می‌کند.

ابتکار ذخیره سازی حالت جامد، پروژه‌ای از انجمن صنعت شبکه‌های ذخیره سازی، سه عامل اصلی شکل SSD زیر را شناسایی کرد.

1. اس‌اس‌دی‌هایی که به صورت فاکتورهای HDD سنتی عرضه می‌شوند و در همان اسلات‌های SAS و SATA در سرور قرار می‌گیرند.

2. کارت‌های حالت جامد که از فاکتورهای شکل کارت افزودنی استاندارد استفاده می‌کنند، مانند کارت‌هایی که دارای کارت پورت سریال PCIe هستند. یک SSD متصل به PCIe برای ارسال دستورات به آداپتورهای گذرگاه میزبان شبکه نیاز ندارد، که عملکرد ذخیره سازی را سرعت می‌بخشد. این دستگاه‌ها شامل SSD های U.2 هستند که به طور کلی جایگزین نهایی درایوهای مورد استفاده در لپ‌تاپ‌های نازک در نظر گرفته می‌شوند.

3. ماژول‌های حالت جامد که در یک ماژول حافظه DIMM یا کوچک قرار دارند، طرح کلی دوگانه حافظه درون خطی دارند و ممکن است از یک رابط استاندارد HDD مانند SATA استفاده کنند. این دستگاه‌ها به کارت‌های DIMM غیر فرار (NVDIMM) معروف هستند.

دو نوع رم در یک سیستم کامپیوتری استفاده می‌شود؛ DRAM که با قطع برق، داده‌ها را از دست می‌دهد و رم استاتیک؛ NVDIMM ها فضای ذخیره سازی پایداری را که کامپیوتر برای بازیابی داده‌ها نیاز دارد، فراهم می‌کند. آن‌ها فلش را نزدیک مادربرد قرار می‌دهند، اما عملیات در DRAM انجام می‌شود. جزء فلش برای پشتیبان گیری در حافظه با کارایی بالا در یک گذرگاه حافظه قرار می‌گیرد.

هر دو SSD و RAM دارای تراشه‌های حالت جامد هستند، اما عملکرد دو نوع حافظه در یک سیستم کامپیوتری متفاوت است.

دو فاکتور شکل جدیدتر که قابل ذکر است عبارتند از M.2 و U.2 SSD. طول یک SSD M.2 متفاوت است و معمولاً از ۴۲ میلی‌متر تا ۱۱۰ میلی‌متر متغیر بوده و از طریق NVMe یا SATA مستقیما به مادربرد متصل می‌شود. اندازه کوچک M.2 سطح را برای اتلاف گرما محدود می‌کند که به مرور زمان عملکرد و پایداری آن را کاهش می‌دهد. در فضای ذخیره سازی سازمانی، SSD های M.2 اغلب به عنوان دستگاه بوت استفاده می‌شوند.

یک SSD U.2 یک SSD 2.5 اینچی PCIe را توصیف می‌کند. این دستگاه‌های فرم فاکتور کوچک قبلا با نام SFF-8639 شناخته می‌شدند. رابط U.2 این امکان را فراهم می‌کند که SSD های PCIe مبتنی بر NVMe با سرعت بالا بدون نیاز به خاموش کردن سرور و ذخیره سازی در برد مدار کامپیوتر قرار داده شوند.

 عواملی که هنگام خرید SSD باید در نظر گرفته شوند

• دوام؛ هر ضمانت SSD تعداد محدودی از چرخه‌های درایو را پوشش می‌دهد که بر اساس نوع فلش NAND تعیین می‌شود. یک SSD که فقط برای خواندن استفاده می‌شود به استقامت یک SSD که برای نوشتن در نظر گرفته شده نیاز ندارد.
• فرم فاکتور؛ فرم فاکتور مشخص می‌کند که آیا یک SSD جایگزین با فضای ذخیره سازی موجود و تعداد SSD هایی که می‌توانند در یک شاسی قرار بگیرند کار می‌کند یا خیر.
• رابط؛ این امر حداکثر توان عملیاتی و حداقل آستانه تأخیر و همچنین قابلیت‌های گسترش SSD را تعیین می‌کند. سازندگان، SSD های خود را برای NVMe، SAS و SATA واجد شرایط می‌کنند.
• مصرف برق؛ رابط درایو همچنین حداکثر توان یک SSD را مشخص می‌کند، اگرچه بسیاری از SSD های سازمانی طوری طراحی شده‌اند که در حین کار تنظیم شوند.

سخن پایانی

اکنون تمام اطلاعات مفید و مورد نیازی که پیش از خرید یک اس‌اس‌دی باید بدانید را در اختیار دارید. بنابراین می‌دانید که کدام نوع از SSD برای شما مفید بوده و یا اصلا نیازی به ارتقا حافظه داخلی سیستم خود به اس‌اس‌دی را دارید یا خیر. در هر صورت خرید یک اس‌اس‌دی و ارتقای رایانه یا لپ‌تاپ به یک حافظه پر سرعت، می‌تواند تجربه بسیار هیجان انگیزی بویژه برای آن دسته از کاربرانی باشد که کارهای گرافیکی سنگین مانند بازی و یا گرفتن رندرهای سه بعدی، انجام می‌دهند.