كيف تعمل وحدات تخزين SSD، وما هو القادم بعدها؟

كيف تعمل وحدات التخزين SSD، وكيف يمكن مقارنتها مع تقنيات التخزين الجديدة مثل: ذواكر Intel Optane ؟

لفهم أسباب وكيفية اختلاف SSD عن الأقراص الميكانيكية، نحن بحاجة للحديث قليلًا عن الأقراص الصلبة، حيث أنّ القرص الصلب يخزن البيانات على سلسلة من الأقراص المغناطيسية المدورة ويُطلق عليها اسم الأسطوانة، حيث يوجد أداة للتحريك مع رؤوس القراءة والكتابة، وهذه الأداة توقف رأس القراءة، أو الكتابة على الموضع الصحيح من القرص لقراءة أو كتابة البيانات.

فرؤوس الأقراص عليها محاذاة مساحة من القرص من أجل كتابة أو قراءة البيانات (والقرص يدور بشكل مستمر)، وقد يحتاج القراءة من عدة مواقع لتفعيل برنامج أو تحميل ملف، مما يعني أنّه قد تضطر لانتظار دوران الأسطوانات في الموقع الصحيح عدة مرات قبل استكمال الأمر، وفي حال كان القرص في حالة سكون أو استهلاك للطاقة قد يستغرق الأمر عدة ثوان لبدء دورانه ليصل إلى طاقته الكاملة ويشرع بالعمل.

من البداية، كان واضحًا أنّه لا يوجد مجال للمقارنة بين سرعة الأقراص الصلبة وسرعة وحدة المعالجة المركزية (CPU)، حيث يتم قياس الكمون في الأقراص الصلبة (HDDs) بالميلي ثانية مقارنةً مع وحدة المعالجة المركزية النموذجية المقاسة بالنانو ثانية، وقد قدمت صناعة الأقراص الصلبة أسطوانات أصغر، وذواكر مؤقتة على القرص، وسرعة في الدوران، ولكن لايزال هناك الكثير من الأقراص السريعة جدًا، ويمكنها الدوران بسرعة فائقة تصل إلى 10,000 دورة بالدقيقة، وهي أسرع مجموعة أقراص دورانية على الإطلاق. بُنيت من أجل السوق الاستهلاكية، وقد تم تطويرها من قبل شركة ويسترن ديجيتال.

سُميّت أقراص الحالة الصلبة Solid State drive أو SSD اختصارًا بهذا الاسم؛ لأنّها لا تعتمد على الأجزاء المتحركة أو الأقراص الدورانية، وبدلًا من ذلك تحفظ البيانات على مجموعة من ذواكر NAND المصنوعة من ترانزستورات البوابة العائمة على عكس تصاميم الترانزستورات المستخدمة في ذاكرة الوصول العشوائية الديناميكية (DRAM).

يُظهر الرسم البياني أدناه تصميمًا بسيطًا لذاكرة الخلية، حيث يتم تخزين الإلكترونات في البوابة العائمة، وتُقرأ “0” في حال كانت مشحونةً أو “1” عكس ذلك. على عكس الطريقة التي نفكر بها عادةً من الصفر أو الواحد، حيث أنّه في ذواكر NAND الصفر يعني أنّه تمَّ تخزين البيانات في الخلية، ويتم تنظيم ذواكر NAND ضمن شبكة، ويطلق على مخطط الشبكة بأكمله اسم الكتلة، بينما نسمي الصفوف المفردة التي تشكلها الشبكة بالصفحة، وأحجام الصفحات الشائعة هي 4K ،K2 ،K8، أو K16 مع 128 إلى 256 صفحة لكل كتلة، ولذلك يختلف عادةً حجم الكتلة بين 256 كيلوبايت و 4 ميغابايت.

وذاكرة NAND أسرع من القرص الصلب، بينما زمن الوصول في ذاكرة NAND في الكتابة أبطأ بكثير من زمن الوصول في القراءة، وهي لا تزال تتفوق على وسائط الدوران التقليدية.

راجع أيضًا: ما هي الفروقات الجوهرية التي تدفعك إلى الانتقال إلى أقراص SSD ؟

أحد الصعوبات الوظيفية لوحدات التخزين هو أن يمكن قراءة وكتابة البيانات بسرعة كبيرة إلى قرص فارغ؛ لأنّ الكتابة فوق البيانات بطيئة كثيرًا، فعندما تقرأ وحدة التخزين البيانات على مستوى الصفحة (أيّ الصفوف الفردية داخل شبكة الذاكرة NAND) يمكنها الكتابة على مستواها، بافتراض أنّ الخلايا المحيطة فارغة، وكما أنّه من الممكن محو البيانات على مستوى الكتلة، وذلك لأن فعل محو ذاكرة NAND يتطلب كميةً كبيرةً من الجهد، ويساعد محو البيانات على مستوى الكتلة في التخفيف من حدة هذه المشكلة.

والطريقة الوحيدة لتحديث صفحة في وحدة التخزين هو نسخ محتوى الكتلة بأكمله إلى الذاكرة أو محو الكتلة، ومن ثم كتابة محتويات الكتلة القديمة وتحديث الصفحة. في حال كان القرص ممتلئًا ولا يوجد صفحة فارغة متوفرة، يتوجب على وحدة التخزين المسح الضوئي للكتل، ووضع علامة على القسم المحذوف والتي لم تحذف بعد ومسحها، ومن ثم نسخ المحتوى إلى الموقع الذي تم محوه للتو، وهذا هو السبب الذي يجعل وحدة التخزين أبطأ.

فاذا كنت قد استخدمت وحدة التخزين، فإنّه من المرجح أنّك قد سمعت عن ما يسمى “بمجموعة البيانات عديمة النفع”، حيث أنّ هذه المجموعة هي عملية خلفية تسمح للقرص بتقليل أثر تنفيذ البرنامج، والقيام بدورة الحذف عن طريق تنفيذ مهام معينة في الخلفية.

عندما تقوم بحذف ملف من نظام التشغيل من على القرص الصلب. لا يتم حذف الملف فورًا، وبدلًا من ذلك يقوم نظام التشغيل بإعلام القرص الصلب بإمكانية الكتابة فوق المساحة الحرة للقرص، حيث تم تخزين تلك البيانات في المرة التالية التي يحتاج فيها لإجراء عملية الكتابة.

وحده التحكم SSD

ينبغي أن يكون واضحًا الآن أنّ وحدة التخزين تتطلب آليات تحكم أكثر تطورًا من الأقراص الصلبة، وتستخدم بعض الأقراص خوارزميات ضغط البيانات لتقليل إجمالي عدد الكتابات، وتحسين عمر الأقراص.

تقدم الذواكر تحسينات هائلة على الاقراص الصلبة، ومن المتوقع أن تستمر القدرات المحركة والسعر لكل غيغابايت في الارتفاع والانخفاض على التوالي، ولكن هناك فرصةً ضئيلةً أن تواكب وحدات التخزين الأقراص الصلبة في سعرها لكل غيغابايت.

لكن في الوقت الراهن، لا تزال ذواكر Optane جديدة ومكلفة للغاية لمجاراة ذواكر NAND، ولكن هذا يمكن أن يتغير في المستقبل.