هارد های SSD چگونه کار می کنند ؟

در حال حاضر در ExtremeTech، ما اغلب اختلاف بین انواع مختلف ساختار NAND – عمودی NAND در مقابل پلانار یا سلول های چند سطحی (MLC) و سلول های سه سطحی (TLC) را مورد بحث قرار دادیم. در حال حاضر، در مورد سوال اساسی مربوطه بحث می کنیم: چگونه SSD ها در وهله اول کار می کنند، و چگونه آنها را با فناوری های جدیدتر، مانند Intel Optane مقایسه می کنند؟

برای درک چگونگی و چرا SSDsSEEAMAZON_ET_135 دیدن Amazon ET تجارت متفاوت از دیسک های چرخشی است، ما باید کمی در مورد دیسک های سخت صحبت کنید. هارد دیسک دادههای مربوط به یک سری از دیسکهای مغناطیسی چرخان را به نام پلات ها ذخیره می کند. یک دستگیره محرک با سر خواندن و نوشتن متصل به آن وجود دارد. این بازوی هدایت خواندن و نوشتن روی ناحیه صحیح درایو را برای خواندن یا نوشتن اطلاعات قرار می دهد.

از آنجا که سرهای درایو باید به جای خواندن یا نوشتن داده ها (و دیسک دائما چرخش) در یک ناحیه دیسک قرار بگیرند، زمان انتظار غیر صفر قبل از دسترسی به داده ها وجود دارد. درایو ممکن است نیاز به خواندن از مکان های مختلف برای راه اندازی یک برنامه یا بارگذاری یک فایل داشته باشد، به این معنی که ممکن است صبر کنید تا صفحات چندین بار به موقعیت صحیح چرخانده شوند تا بتوان فرمان را تکمیل کرد. اگر درایو در حال خواب است یا در حالت کم قدرت، می تواند چندین ثانیه بیشتر برای دیسک برای چرخش به قدرت کامل و شروع به کار.

از همان ابتدا روشن بود که دیسک های سخت نمی توانند با سرعت هایی که CPU ها می توانند کار کنند مطابقت داشته باشد. زمان وقوع در HDD ها در میلی ثانیه، در مقایسه با نانو ثانیه برای CPU معمولی اندازه گیری می شود. یک میلی ثانیه یک هزار و 000 نانو ثانیه است و به طور معمول یک هارد دیسک 10-15 میلی ثانیه برای پیدا کردن داده ها درایو و شروع به خواندن آن می برد. صنعت هارد دیسک، پلاترهای کوچکتر، حافظه های حافظه روی درایو و سرعت های سریع اسپیندل را برای مقابله با این روند معرفی کرد اما درایوهای بسیار سریع می توانند چرخش کنند. خانواده VelociRaptor 10000 RPM غربی دیجیتال سریعترین مجموعه ای از درایورهای ساخته شده برای بازار مصرف کنندگان است، در حالی که برخی از شرکت ها دارای حداکثر 15،000 دور در دقیقه هستند. مشکل این است که حتی سریعترین درایو چرخشی با بزرگترین انبوهی از انبارها و کوچکترین پلات ها هنوز تا آنجا که CPU شما مربوط نیست، هنوز آهسته است.
SSD ها چگونه متفاوت هستند

“اگر پرسیدم مردم چه می خواستند، آنها اسب های سریع تر را گفتند” – هنری فورد

درایوهای حالت جامد به طور خاص نامیده می شوند، زیرا به قطعات متحرک یا دیسک های چرخشی تکیه نمی کنند. در عوض، داده ها به یک فلاش فلش NAND ذخیره می شود. NAND خود را از آنچه که ترانزیستور دروازه شناور نامیده می شود ساخته شده است. بر خلاف طرح های ترانزیستور مورد استفاده در DRAM، که باید چندین بار در ثانیه تجدید شود، فلاش NAND برای حفظ حالت شارژ خود حتی زمانی که خاموش نیست. این باعث می شود NAND یک نوع حافظه بی ثبات است.

نمودار بالا یک طراحی ساده فلش فلش را نشان می دهد. الکترونی ها در دروازه شناور ذخیره می شوند که سپس به عنوان شارژ “0” یا غیر شارژ “1” خوانده می شوند. بله، در فلش NAND، 0 به این معنی است که داده ها در یک سلول ذخیره می شوند – این مخالف آن است که ما به طور معمول از یک صفر یا یک فلاش NAND در شبکه تنظیم شده است. کل طرح شبکه به عنوان یک بلوک نامیده می شود، در حالی که ردیف های فردی که شبکه را تشکیل می دهند، یک صفحه نامیده می شود. اندازه صفحات معمول 2K، 4K، 8K یا 16K است که از 128 تا 256 صفحه در هر بلوک است. بنابراین اندازه بلوک به طور معمول بین 256KB و 4MB متغیر است.

یک مزیت این سیستم باید بلافاصله آشکار شود. از آنجا که SSD ها قطعات متحرک ندارند، می توانند با سرعت بسیار بالاتر از هارد دیسک معمولی کار کنند. نمودار زیر نشان دهنده تأخیر دسترسی برای رسانه های معمول ذخیره سازی داده شده در میکرو ثانیه است.

NAND تقریبا به همان اندازه به عنوان حافظه اصلی نزدیک نیست، اما سرعت چندین مرتبه سریعتر از هارد دیسک است. در حالی که نوشتن تأخیرها برای فلاش NAND به طور قابل توجهی کندتر از خواندن تأخیرها است، اما هنوز از رسانههای سنتی استفاده میکنند.

دو مورد در نمودار بالا وجود دارد. ابتدا توجه کنید که چگونه اضافه کردن بیت های بیشتر در هر سلول NAND تاثیر قابل توجهی بر عملکرد حافظه دارد. بدیهی است که برای نوشتن به عنوان مخالف می خواند: معمولا زمان تاخیر TLC چهار برابر بدست آمده در مقایسه با سلول تک سلولی (SLC) NAND برای خواندن است، اما برای نوشتن 6 برابر بدتر است. تأخیرهای پاک کردن نیز به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار می گیرند. تأثیر متناسب نیست – TLC NAND تقریبا دو برابر کند به عنوان MLC NAND، با وجود داشتن اطلاعات 50٪ بیشتر (سه بیت در هر سلول، به جای دو).

دلیل اینکه TLC NAND کندتر از MLC یا SLC است با این که چگونه داده ها در داخل و خارج از سلول NAND حرکت می کنند. با SLC NAND، کنترل کننده فقط باید بداند که آیا بیت 0 یا 1 است. با MLC NAND، سلول ممکن است دارای چهار مقدار 00، 01، 10، یا 11 باشد. با TLC NAND، سلول می تواند هشت مقدار داشته باشد . خواندن ارزش مناسب خارج از سلول نیاز به کنترل کننده حافظه برای استفاده از یک ولتاژ دقیق برای اطمینان از اینکه آیا هر سلول خاصی متهم است.
خواندن، نوشتن و پاک کردن

یکی از محدودیت های عملکردی SSD ها این است که آنها می توانند به سرعت به یک درایو خالی خواندن و نوشتن داده ها را انجام دهند، داده های رونویسی بسیار کندتر است. این به این دلیل است که در حالی که SSD ها اطلاعات را در سطح صفحه خوانده می شوند (یعنی از ردیف های فردی در شبکه شبکه NAND) و می توانند در سطح صفحه بنویسند، با فرض سلول های اطراف خالی هستند، آنها تنها می توانند داده ها را در سطح بلوک پاک کنند. این به این دلیل است که عمل پاک کردن فلاش NAND نیاز به مقدار زیادی ولتاژ دارد. در حالی که شما به طور نظری می توانید NAND را در سطح صفحه پاک کنید، مقدار ولتاژ مورد نیاز، سلول های فردی را در اطراف سلول هایی که مجددا نوشته می شوند را تحت تأثیر قرار می دهد. پاک کردن داده ها در سطح بلوک کمک می کند تا این مشکل را کاهش دهد.

تنها راه برای SSD برای به روز رسانی یک صفحه موجود، کپی محتوی کل بلوک به حافظه است، بلوک را پاک کرده و سپس محتویات بلوک قدیمی + صفحه به روز شده را بنویسید. اگر درایو پر است و صفحات خالی موجود نیست، SSD ابتدا باید برای بلوک هایی که برای حذف حذف شده اند را اسکن کند، اما هنوز پاک نشده اند، آنها را پاک کنید، و سپس داده ها را به صفحه پاک شده ارسال کنید. به همین علت است که SSD ها می توانند با کاهش سن کاهش پیدا کنند – یک درایو که عمدتا خالی است پر از بلوک هایی است که می تواند بلافاصله نوشته شود؛ بیشتر درایوهای بیشتر به طور کامل از طریق کل برنامه / پاک کردن مجبور هستند.

اگر از SSD ها استفاده می کنید، احتمالا از چیزی به نام “جمع آوری زباله” شنیده اید. جمع آوری زباله یک فرایند پس زمینه است که اجازه می دهد تا با کاهش کارایی برنامه های خاص در پس زمینه، تاثیرات عملکرد برنامه / پاک کردن چرخه را کاهش دهد. مراحل تصویر زیر از طریق فرآیند جمع آوری زباله انجام می شود.

توجه داشته باشید در این مثال، درایو با استفاده از این واقعیت است که می توان آن را با نوشتن مقادیر جدید برای چهار بلوک (A’-D) بسیار سریع برای خالی صفحات نوشت. همچنین دو بلوک جدید E و H. نوشته شده است. بلوک های A-D اکنون علامت زده شده اند، به این معنی که آنها حاوی اطلاعاتی هستند که درایو به عنوان خارج از تاریخ مشخص شده است. در طی یک دوره بیکاری، SSD صفحات تازه را به یک بلوک جدید حرکت می دهد، بلوک قدیمی را حذف می کند و آن را به عنوان فضای آزاد نام گذاری می کند. این بدین معنی است که زمانیکه SSD نیاز به نوشتن داشته باشد، می تواند به جای اجرای چرخه برنامه / پاک کردن، مستقیما به Block X خالی بنویسد.

مفهوم بعدی که می خواهم بحث کنم TRIM است. هنگامی که یک فایل را از ویندوز در هارد دیسک معمولی حذف می کنید، فایل فورا حذف نمی شود. در عوض، سیستم عامل به هارد دیسک می گوید که می تواند سطح فیزیکی دیسک را که در آن داده ها ذخیره می شود، دفعه بعد که نیاز به نوشتن داشته باشد، بازنویسی کند. به همین دلیل امکان بازگردانی فایل ها (و چرا حذف فایل ها در ویندوز به طور معمول فضای دیسک فضای فیزیکی را تا زمانی که بطری بازیافت را خالی نکنید، مشخص نیست). با یک هارد دیسک معمولی، سیستم عامل نیازی به پرداختن به جایی که داده ها در حال نوشتن هستند یا وضعیت نسبی بلوک ها یا صفحات. با SSD، این مهم است.

دستور TRIM اجازه می دهد تا سیستم عامل به SSD بگوید که می تواند بارهای بعدی را دوباره بارگذاری کند. این مقدار کل داده ها را که درایو می نویسد کاهش می دهد و طول عمر SSD را کاهش می دهد. هر دو فلاش NAND را می خواند و می نویسد، اما می نویسد آسیب بیشتری نسبت به خواندن دارد. خوشبختانه، طول عمر بلوک سطح ثابت شده در فلاش NAND مدرن نیست. اطلاعات بیشتر در مورد طول عمر SSD، با حسن نیت ارائه گزارش فنی، را می توان در اینجا یافت.

دو مفهوم دیگر که ما می خواهیم در مورد آن صحبت کنیم، یکنواختی و تقویت نوشتن است. از آنجا که SSD ها داده ها را به صفحات می نویسند اما داده ها را در بلوک ها پاک می کنند، مقدار داده هایی که به دیسک نوشته می شود همیشه بزرگتر از بروز رسانی واقعی است. برای مثال، اگر یک فایل 4 کیلوبایت را تغییر دهید، کل بلوکی که فایل 4K در آن قرار دارد باید به روز شود و بازنویسی شود. بسته به تعداد صفحات در هر بلوک و اندازه صفحات، شما می توانید 4 مگابایت داده را برای به روز رسانی یک فایل 4 کیلو بایت به پایان برسانید. جمع آوری زباله اثر تقویت نوشتن را کاهش می دهد، همانطور که دستور TRIM نیز انجام می شود. نگه داشتن یک تکه مهم از درایو آزاد و / یا تولید کننده بیش از حد فراهم می شود همچنین می تواند تاثیر تقویت نوشتن را کاهش دهد.

تسطیح پوشیدن اشاره به تمرین حصول اطمینان از اینکه برخی از بلوک های NAND بیشتر از سایرین نوشته شده و پاک نمی شوند. در حالی که یکنواختن لباس، امید به زندگی و استقامت رانندگی را با نوشتن به NAND به طور مساوی افزایش می دهد، در واقع می تواند تقویت نوشتن را افزایش دهد. در غیر این صورت برای انتشار مجلات روی دیسک به طور مساوی، گاهی لازم است برنامه ها و پاک کردن بلوک ها حتی اگر محتوای آنها واقعا تغییر نکرده باشد. یک الگوریتم نوردی پوششی خوب می خواهد این اثرات را متعادل سازد.
کنترل کننده SSD

در حال حاضر SSD ها باید واضح باشند؛ اما مکانیزم های کنترل پیچیده تر از دیسک های سخت را به کار می گیرند. این به رسانه های مغناطیسی نیست – من واقعا فکر می کنم HDD ها احترام بیشتری نسبت به آنها دارند. چالش های مکانیکی که در برهم زدن چندین نوشتن خواندن نوشتن نانومترها در بالای دستگاه های پلاستیکی که در 5400 تا 10،000 دور در دقیقه چرخش دارند، چیزی نیست که به آن عطسه کند. واقعیت این است که هارددیسکها این چالش را در پیشبرد روشهای جدید ضبط به رسانههای مغناطیسی انجام میدهند و در نهایت فروش فروش را با 3-5 سانتیمتر در هر گیگابایت کاهش میدهد.

با این وجود، کنترل کننده های SSD در کلاس خود قرار دارند. آنها اغلب دارای یک استخر حافظه DDR3 برای کمک به مدیریت NAND خود هستند. بسیاری از درایوها همچنین یک کلاهبرداری سلولی تک سطحی را به کار می اندازند که به عنوان بافر عمل می کنند و عملکرد نرمافزاری را با تخصیص NAND سریع به چرخه خواندن / نوشتن افزایش می دهد. از آنجا که NAND فلش در یک SSD به طور معمول از طریق یک سری از کانال های حافظه موازی به کنترل کننده متصل می شود، شما می توانید از کنترل کننده درایو به عنوان انجام بعضی از همان کار متعادل کننده بار به عنوان یک آرایه ذخیره سازی بالا پایان – SSD ها گسترش RAID داخلی اما پوشیدن سطوح، جمع آوری زباله و مدیریت کش کشویی SLC همگی در جهان بزرگ آهن وجود دارد.

برخی از درایوها همچنین از الگوریتم های فشرده سازی داده ها برای کاهش تعداد کل نوشته ها و بهبود طول عمر درایو استفاده می کنند. کنترل کننده SSD تصحیح خطا را مدیریت می کند و الگوریتم هایی که برای خطاهای تک بیت کنترل می شوند، زمانیکه گذشت، پیچیده تر می شوند.

متاسفانه، ما نمی توانیم جزئیات بیشتری در مورد کنترل کننده های SSD، زیرا شرکت ها سس های مختلف مخفی خود را قفل می کنند. بخش عمده ای از عملکرد فلش NAND توسط کنترل کننده اصلی تعیین می شود و شرکت ها تمایل ندارند که تا حد زیادی بر روی چگونگی انجام کارهای خود بپردازند تا بتوانند مزیت رقابتی خود را به دست آورند.
راه پیش رو

فلش NAND باعث پیشرفت بسیار زیادی نسبت به هارد درایوها می شود، اما بدون اشکالات و چالش های خاص خود نیست. انتظار می رود ظرفیت های رانندگی و قیمت هر گیگا بایتی به طور مستمر افزایش و کاهش یابد، اما SSD ها کمی احتمال می گیرند که هارد درایو در قیمت هر گیگابایت باشد. گره های فرآیند کاهش یافته یک چالش مهمی برای فلاش NAND هستند – در حالی که اکثر سخت افزار ها به دلیل کاهش گره، NAND شکننده تر می شود. زمان نگهداری داده ها و عملکرد نوشتن به طور ذاتی برای NAND 20 نانومتر از 40 Nm NAND پایین تر است حتی اگر تراکم داده ها و ظرفیت کل به طور قابل توجهی بهبود یافته باشد.

تا کنون، تولید کنندگان SSD با ارائه استانداردهای داده سریعتر، پهنای باند بیشتر و کانال های بیشتر در هر کنترلر، به همراه استفاده از حافظه های SLC که قبلا ذکر شده، عملکرد بهتر را ارائه می دهند. با این وجود، در دراز مدت، فرض بر این است که NAND با چیز دیگری جایگزین خواهد شد.

آنچه که آن چیز دیگری به نظر می رسد هنوز برای بحث و گفتگو است. هر دو حافظه مغناطیسی و حافظه تغییر فاز خود را به عنوان نامزد معرفی کرده اند، هرچند هر دو تکنولوژی هنوز در مراحل اولیه هستند و باید از چالش های مهمی برای رقابت به عنوان جایگزینی برای NAND برخوردار شوند. این که مصرف کنندگان تفاوت را متوجه شوند، یک سوال باز است. اگر شما از NAND به SSD ارتقا یافته و سپس به SSD سریعتر ارتقا دهید، احتمالا شکاف بین HDD ها و SSD ها را بسیار بزرگتر از شکاف SSD-to-SSD می دانید، حتی در هنگام ارتقاء از درایو نسبتا کم. بهبود زمان های دسترسی از میلی ثانیه به میکروس ثانیه ها بسیار مهم است، اما بهبود آنها از چند میکرو ثانیه تا نانو ثانیه می تواند پایین تر از آنچه انسان ها واقعا می توانند در بیشتر موارد درک کنند.

3D XPoint اینتل (به عنوان اینتل Optane به بازار عرضه شده است) به عنوان یک رقیب بالقوه برای فلاش NAND و تنها تکنولوژی جایگزین فعلی در تولید اصلی تولید شده است. SSD های Optane عملکرد مشابهی را برای درایوهای فعلی NAND ارائه می دهند، اما عملکرد بسیار جالبی در صف های رانندگی کم دارند. تاخیر درایو نیز تقریبا نیمی از فلاش NAND (10 میکروثانیه، در مقابل 20) و استقامت بسیار بالاتر است (30 درایو کامل در روز می نویسد، در مقایسه با 10 درایو کامل در روز برای SSD بالا Intel می نویسد).

اولین SSD های Optane به عنوان افزودنی های عالی برای دریاچه کبیر و کافی شاپ عرضه شده است. SEEAMAZON_ET_135 به Amazon ET Commerce مراجعه کنید. با این حال، Optane هنوز هم برای گرفنت فلش NAND مناسب است که از مقادیر قابل توجهی در مقیاس برخوردار است، اما در آینده می تواند تغییر کند. NAND پادشاه تپه حداقل برای 3-4 سال آینده خواهد ماند. اما گذشته از آن، ما می توانیم شروع به جایگزینی Optin در حجم آن کنیم، با توجه به این که چگونه اینتل و Micron در زمینه تکنولوژی و چگونگی سهولت پخش فلش NAND 3D (لایه های سلولی NAND از 64 لایه از چند بازیکن پخش می شوند)، با نقشه های جغرافیایی برای 96 و حتی 128 لایه در افق.

منبع :extremetech