آشنایی کامل با بخش های مختلف SSD ها

دوستان و همراهان عزیز “تک‌یاران”،
یکی از وظایف مهم ما ارائه مقالات تخصصی در زمینه‌های علمی و فنی است. به همین دلیل، تلاش کرده‌ایم این بخش از فعالیت‌هایمان را تقویت کرده و مقالاتی مفید و تخصصی ارائه دهیم. استقبال گسترده شما از این مطالب، انگیزه ما را برای ارائه محتوای بیشتر در این حوزه دوچندان کرده است. این بار تصمیم گرفته‌ایم برای اولین بار به بررسی بلوک دیاگرام (Block Diagram) درایوهای سالید (SSD) بپردازیم. برای آشنایی بیشتر با دنیای جذاب SSD‌ها، با ما همراه باشید.

درایو سالید (Solid State Drive) دستگاهی پیشرفته و هدفمند است که برای ذخیره اطلاعات به صورت دیجیتالی طراحی و تولید شده است. این درایوها در انواع مختلفی تولید می‌شوند، از جمله مدل‌های رایج 2.5 اینچی، PCIe، M.2 و مدل‌های مخصوص سرورها. البته در این مطلب تمرکز ما بر معرفی انواع این درایوها نیست. اگر مایل به آشنایی با انواع مهم SSD هستید، می‌توانید به مقاله‌ای که درباره آن نوشته‌ایم مراجعه کنید.

نکته قابل توجه این است که الگوریتم عملکرد درایوهای سالید در اکثر مدل‌ها مشابه است. منظور از “اکثر مدل‌ها”، مدل‌های عمومی و کاربری است. در برخی از مدل‌های سرور و صنعتی، به دلیل نیازهای خاص مانند خطایابی و امنیت، ساختار سخت‌افزاری تغییر کرده و به شکل اختصاصی طراحی می‌شود. به همین دلیل، بلوک دیاگرام این مدل‌ها ممکن است با مدل‌های دیگر تفاوت داشته باشد.

با ما همراه باشید تا نگاهی دقیق‌تر به ساختار SSD‌ها بیندازیم.

 

SSDها بدون هیچ قطعه مکانیکی طراحی شده‌اند، به همین دلیل مصرف انرژی بسیار کمی دارند. با این حال، ساختار آن‌ها نسبت به هارد دیسک‌ها (HDD) بسیار پیچیده‌تر است. اگر کابینت یک SSD را باز کنید، شاید در نگاه اول تنها تعدادی قطعه ساده SMD و تراشه‌های NAND به چشم بیایند، اما در واقعیت، این سیستم چنان پیچیده است که می‌توان درباره آن کتابی مفصل نوشت.

تمام درایوهای سالید از تراشه‌های نیمه‌هادی به نام NAND بهره می‌برند. در زمان طراحی SSD‌ها، دو نوع تراشه برای استفاده مطرح بودند: تراشه‌های NOR و NAND. تفاوت اصلی این دو نوع در ساختار گیت و سیستم خواندن اطلاعات آن‌هاست. تراشه‌های NOR معمولاً در بخش‌هایی مانند ROM استفاده می‌شوند، زیرا سلول‌های حافظه در آن‌ها به صورت موازی به یکدیگر متصل هستند. در مقابل، تراشه‌های NAND سلول‌های حافظه را به صورت سری به هم متصل می‌کنند.

اما چرا تراشه‌های NAND انتخاب شدند؟ این تصمیم به دلیل کیفیت پایین NOR نبود؛ بلکه هر نوع تراشه برای کاربرد خاصی طراحی شده است. تراشه‌های NOR به دلیل هزینه تولید بالاتر و سرعت کمتر در خواندن و نوشتن اطلاعات نسبت به NAND، کمتر برای SSD‌ها مناسب بودند. با این حال، NOR‌ها همچنان در تجهیزات دیگری مانند گوشی‌های موبایل، حافظه‌های RAM و ROM استفاده می‌شوند.

بیشتر بخوانید:

• چگونه مطمئن شویم که تمام اطلاعات روی هارد دیسک کامپیوتر پاک شده است
• فرمت کردن هارد دیسک چه کاری انجام می دهد؟
• انواع فضای ذخیره سازی – هارد دیسک، رم، SSD و…

 

انواع تراشه‌های NAND

تراشه‌های NAND نیز به چند گروه تقسیم می‌شوند که عمدتاً شامل سه نوع MLC، TLC و SLC هستند:

1. SLC (Single-Level Cell):
   هر سلول حافظه در تراشه‌های SLC تنها یک بیت اطلاعات ذخیره می‌کند. این معماری بسیار سریع است، زیرا تنها از یک لایه حافظه استفاده می‌شود. با این حال، ظرفیت ذخیره‌سازی پایین و هزینه تولید بالای SLC باعث شده که این نوع تراشه کمتر مورد استفاده قرار گیرد. در نتیجه، SSD‌هایی که با این نوع معماری تولید می‌شوند، معمولاً حجم و عمر کمتری نسبت به سایر مدل‌ها دارند.
2. MLC (Multi-Level Cell):
   در این معماری، هر سلول می‌تواند چند بیت اطلاعات را ذخیره کند. این ویژگی از طریق استفاده از ولتاژهای مختلف برای شارژ سلول‌ها امکان‌پذیر شده است. گیت‌های شناور نیز در این طراحی نقش مهمی ایفا می‌کنند. MLC به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا ظرفیت و بهره‌وری بیشتری از تراشه‌ها به دست آورند.

با ما همراه باشید تا در ادامه به بررسی عمیق‌تری از این معماری‌ها بپردازیم.

تراکم بالای حافظه در سلول‌های NAND باعث شده است که تراشه‌هایی با ظرفیت ذخیره‌سازی بالا تولید شوند. به بیان ساده، یک تراشه می‌تواند حجم بیشتری از اطلاعات را در خود ذخیره کند. این ویژگی به تولید SSD‌هایی با قیمت مناسب در بازار امروزی کمک کرده است. تراشه‌های TLC نیز از نظر ظرفیت ذخیره‌سازی نسبت به دو معماری دیگر (SLC و MLC) برتری دارند، هرچند این برتری با برخی محدودیت‌ها همراه است. برای بررسی دقیق‌تر نقاط قوت و ضعف هر سه معماری، می‌توان مشخصات آن‌ها را در قالب یک جدول ساده نمایش داد.

 

نوع استاندارد	تعداد تحمل سیکل	نقاط ضعف	نقاط قوت
SLC (Single Layer Cell)	100000	هزینه تمام شده بالا،کمبود ارزش تولید انبوه برای مصارف خانگی،حجم پایین ذخیره سازی	سرعت بالا،عمر بالا به نسبت دیگر معماری ها،مصرف پایین جریان،سرعت نوشتن بالاتر
MLC (Multi Layer Cell)	5000 الی 10000	عمر کمتر به نسبت SLC،عدم استفاده برای ذخیره سازهای تخصصی	هزینه پایین تولید،مقدار ذخیره سازی بالا،مناسب برای محصولات مصرف کننده
TLC (Three Layer Cell)	1000 الی 5000	عمر پایین به نسبت هر دو معماری،سرعت کمتر به نسبت هر دو استاندارد	تراکم بسیار عالی،قابل استفاده برای ذخیره سازهای تخصصی،توانایی استفاده در SSD هایی با حجم بسیار بالا،قیمت تمام شده متعادل

 

این سه استاندارد به طور گسترده در تولید انواع SSD‌ها استفاده می‌شوند. اما با ورود فناوری‌هایی مانند V-NAND شرکت سامسونگ و 3D XPoint از اینتل، بسیاری از مفاهیم و محدودیت‌های پیشین تغییر کرده‌اند. این فناوری‌ها نه‌تنها توان ذخیره‌سازی بیشتری را در یک تراشه NAND فراهم کرده‌اند، بلکه سرعت عملکرد را افزایش داده و مصرف انرژی را کاهش داده‌اند. فناوری لایه‌بندی 3D، که برای اولین بار توسط سامسونگ در SSD‌های خود به کار گرفته شد، انقلابی در این حوزه ایجاد کرده است.

الگوریتم معماری و بلوک دیاگرام

پس از بررسی استانداردهای معماری، به موضوع مهم الگوریتم‌های معماری و بلوک دیاگرام می‌رسیم. همان‌طور که در ابتدای متن اشاره شد، درایوهای سالید در مدل‌های مختلفی تولید می‌شوند، اما شماتیک فنی آن‌ها تقریباً مشابه است. در تصویر اول (تصویر 1) یک بلوک دیاگرام ساده اما جامع از SSD‌ها نمایش داده شده است.

تراشه‌های NAND

در بخش‌های پیشین توضیح دادیم که تراشه‌های NAND بخش اصلی و کلیدی درایوهای سالید هستند. بدون توجه به ظاهر و تعداد، این نیمه‌هادی‌ها مهم‌ترین قطعه یک SSD محسوب می‌شوند. تراشه‌های NAND پایه و اساس عملکرد این دستگاه‌ها را تشکیل می‌دهند و نقش آن‌ها در ذخیره‌سازی اطلاعات بی‌بدیل است.

در ادامه، با بررسی ساختار دقیق بلوک دیاگرام SSD‌ها همراه ما باشید.

رابط ارتباطی (Interface)

این بخش مشخص‌کننده پروتکل ارتباطی SSD است. رابط‌های ارتباطی می‌توانند شامل USB، PCIe، SATA و موارد مشابه باشند. استاندارد M.2 نیز از دو پروتکل PCIe و SATA پشتیبانی می‌کند. در مادربردهای جدید، بیشتر ارتباطات M.2 از طریق باس PCIe برقرار می‌شود، هرچند رسیدن به حداکثر سرعت حتی در نسل سوم SATA نیز کمتر اتفاق می‌افتد. در چیپست‌های جدید، به لطف آدرس‌دهی گسترده HSIO، مشکلی در اختصاص مسیر به این حافظه‌ها وجود ندارد. حتی چیپست‌های متوسطی مانند B150 توانایی آدرس‌دهی تا 18 مسیر HSIO را دارند.

SMART

فناوری SMART (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology) در اکثر SSDهای مدرن وجود دارد. این قابلیت اطلاعات مختلفی از جمله سوابق استفاده، درصد چرخه مقاومت، تخمین عمر باقی‌مانده و وضعیت کلی درایو را نظارت می‌کند.

Wear Leveling

همان‌طور که می‌دانید، تمامی تراشه‌های NAND طول عمر مشخصی دارند که بر اساس تعداد چرخه‌های خواندن و نوشتن (سیکل) تعیین می‌شود. اگر برخی سلول‌ها مکرراً در چرخه استفاده قرار گیرند، زودتر خراب خواهند شد. وظیفه Wear Leveling مدیریت الگوریتم ذخیره‌سازی است تا سلول‌های حافظه به صورت یکنواخت در چرخه استفاده قرار گیرند و طول عمر کلی SSD افزایش یابد.

بیشتر بخوانید:

• ابزارهای تشخیص سلامت سخت افزار در ویندوز
• ۱۰ تا از بهترین ابزارهای نرم افزاری پارتیشن دیسک (Partition Disk) رایگان
• بهترین ابزارهای ارزیابی سلامت سخت افزار کامپیوتر

موتور رمزگذاری و رمزگشایی (Encrypt & Decrypt Engine)

حفظ امنیت اطلاعات در SSD‌ها ضروری است. بخشی از این امنیت توسط موتورهای رمزگذاری و رمزگشایی تأمین می‌شود که ترکیبی از سخت‌افزار و نرم‌افزار هستند. یکی از روش‌های پیشرفته رمزگذاری مورد استفاده، استاندارد AES256 است که امنیت بالایی را فراهم می‌کند.

حافظه کش و بافر (Buffer/Cache)

مانند پردازنده‌ها و بسیاری از تراشه‌های دیگر، SSD‌ها نیز از حافظه‌های نهان (Cache) استفاده می‌کنند. این حافظه‌ها که اغلب SRAM/DRAM هستند، بر اساس ظرفیت SSD تنظیم می‌شوند و به بهبود عملکرد دستگاه کمک می‌کنند.

پردازنده یا کنترلر (Processor/Controller)

پردازنده یا کنترلر در SSD نقش اساسی دارد و وظایف مهمی مانند پردازش اطلاعات، مدیریت نوع ذخیره‌سازی و تعیین سرعت عملکرد را بر عهده دارد. این تراشه مغز متفکر SSD محسوب می‌شود.

موتور ECC (Error-Correcting Code)

موتور ECC برای تشخیص و اصلاح خطاهای موجود در SSD طراحی شده است. با وجود این موتور، احتمال کرش داخلی کاهش یافته و قابلیت اطمینان و عملکرد پایدار افزایش می‌یابد.

Write Abort

این ویژگی لایه‌ای امنیتی است که در مواقعی مانند قطع ناگهانی برق یا اختلالات دیگر، از دست رفتن اطلاعات را به حداقل می‌رساند. Write Abort به عنوان یک سوپاپ اطمینان عمل کرده و از آسیب جدی به اطلاعات جلوگیری می‌کند.

Miscellaneous I/O

این بخش وظایفی ساده اما ضروری دارد، مانند کنترل پین‌های NAND و تسهیل برنامه‌نویسی.

رابط حافظه NAND (NAND Memory Interface)

این رابط برای ارتباط بین تراشه‌های NAND و سیستم دیجیتال اصلی طراحی شده است. بسته به نوع NAND‌ها، ممکن است بین یک تا ده یا حتی بیشتر کانال ارتباطی وجود داشته باشد که هر کانال بخشی از NAND را مدیریت کند.

مدیریت نقص (Defect Management)

یکی از چالش‌های SSD‌ها، خرابی ترانزیستورها یا بلوک‌هایی از تراشه‌های NAND است. در چنین مواقعی، بخش معیوب از چرخه خارج یا با بخشی از حافظه یدکی که در برخی SSD‌ها تعبیه شده است، جایگزین می‌شود. این فرآیند از اختلال در عملکرد دستگاه جلوگیری می‌کند.