نگاهی به ظهور نسل جدید حافظه‌های SSD

حتی با وجود پیشرفت‌های زیاد در زمینه هاردهای مغناطیسی، چرخش‌ و حرکات مداوم صفحات و هد، این هاردها را همیشه در معرض بروز خرابی‌های مختلف قرار می‌دهد.

این امر و مهم‌تر از آن، کندی نسبی هارددیسک‌ها به همان دلیل مکانیکی بودن، زمینه‌ای برای ظهور نسل جدیدی از حافظه‌ها به نام SSD یا حافظه‌های حالت جامد فراهم آورد که امروزه در گوشی‌ها، تبلت‌ها، بسیاری از لپ‌تاپ‌ها و برخی رایانه‌های شخصی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از مغناطیس تا حالت جامد

ممکن است با خود فکر کنید حافظه‌های حالت جامد سابقه‌ای در حد چند سال اخیر دارند، اما در واقع تاریخچه‌ آن به دهه 50 میلادی و ابداع خازن‌های یکبار خواندنی (CCROS) بازمی‌گردد.

این ابداع در زمان رایانه‌های لامپ‌های خلأ بود و بعد از مدت کمی نیز با ظهور حافظه‌های ارزان‌تر مغناطیسی (البته به شکل استوانه‌ای)، دیگر طرفداری پیدا نکرد.

اما ریشه فناوری حافظه‌های SSD امروزی را باید در دهه‌‌های 70 و 80 میلادی جست‌وجو کرد. زمانی که حافظه‌های نیمه‌هادی در ابررایانه‌های IBM یا Cray مورد استفاده قرار گرفت.

در همین زمان، نوع خاصی از حافظه‌های RAM با نام EARAM تولید شد که یک تکنولوژی‌ شبیه حافظه‌های NAND (که بعدها ابداع شد) داشت.

در سال‌های بعد، انواع دیگری از حافظه‌های SSD توسط شرکت‌های مختلف با ظرفیت‌هایی در حدود 128 کیلوبایت و بعد 20 مگابایت نیز برای رایانه‌های آن زمان به تولید رسید.

اما این نوع از حافظه‌ها، یعنی حافظه‌های SSD براساس RAM، دو ایراد اصلی داشتند؛ قیمت بسیار بالا نسبت به حجمشان و نیاز به یک باتری جداگانه برای نگهداشتن اطلاعات هنگام خاموش بودن رایانه. البته مزیت‌ بزرگشان، یعنی سرعت بسیار بالا باعث پیشرفت آنها در سال‌های بعد شد.

ظهور حافظه‌های SSD بر پایه فناوری فلش که تا امروز ادامه پیدا کرده، به سال 1989 و رایانه‌‌های شرکت Psion بر‌می‌گردد که چهار شکاف برای حافظه‌های SSD به شکل کارت داشتند.

پس از آن، شرکت سن‌دیسک (که امروزه نیز از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان SSD به شمار می‌رود) حافظه‌ای SSD با حجم 20 مگابایت تولید کرد که حدود هزار دلار قیمت داشت!

اما سال 1995 و تولید حافظه‌های SSD بر پایه فلش توسط شرکت M-Systems آغازی بر استفاده‌ از این نوع حافظه‌ها در سیستم‌های نظامی و هوافضا بود؛ زیرا این صنایع نیاز به حافظه‌ای داشتند که در مقابل ضربه، لرزش و تغییرات دمایی مقاومت بالایی داشته باشند.

این حافظه‌های تولیدی عملکردی مانند هارددیسک‌های مغناطیسی از لحاظ حفظ اطلاعات برای مدت بسیار طولانی داشتند، ولی با سرعتی بسیار بالاتر.

البته باید توجه داشت سرعت این حافظه‌های بر پایه‌ فلش از حافظه‌های DRAM (همان رم رایانه‌‌) پایین‌تر است.

در سال‌های بعد از آن، پیشرفت‌های مختلفی در این نوع حافظه‌ها اتفاق افتاد که بیشتر از لحاظ کوچک‌تر شدن اندازه و افزایش ظرفیت‌ آن بود.

حافظه‌های SSD سال 1999 از ظرفیتی معادل 18 گیگابایت برخوردار شدند و این ظرفیت سال 2007 به 320 گیگ رسید.

در نمایشگاه Cebit سال 2009 شرکت OCZ که از غول‌های تولید حافظه به شمار می‌آید، حافظه SSD با ظرفیت یک ترابایت را معرفی کرد که مثل کارت‌های گرافیک از واسط PCI Express بهره می‌گرفت.

در همان سال، شرکت میکرون از حافظه‌های SSD پرده برداشت که مانند هاردهای امروزی با کابل ساتای 6Gbits/s به مادربورد متصل می‌شد و از آن پس، این حافظه‌ها عملا به عنوان هاردهای SSD و جایگزینی برای هاردهای مغناطیسی شناخته شد.

در داخل SSD چه خبر است؟

برای بررسی نحوه عملکرد یک حافظه SSD، مقایسه آن با کارکرد یک هارد معمولی یا HDD اجتناب‌ناپذیر به نظر می‌رسد.

در هاردهای مغناطیسی، بیت‌های داده‌ روی صفحات مغناطیسی‌ای ضبط و خواندن/نوشتن آن توسط یک نوک سوزنی بسیار ریز (که به آن «هِد» گفته می‌شود) صورت می‌گیرد.

این هد حرکتی شعاعی دارد و ترکیب این حرکت با چرخش صفحات (یا همان دیسک‌ها) عمل دسترسی به قسمت‌های مختلف هارد را میسر می‌کند.

البته نحوه دقیق کارکرد یک هارد دیسک‌ چندترابایتی امروزی (در حد چند میلیارد دلار مخلوطی از فیزیک کوانتوم و مغناطیس و چند جایزه نوبل فیزیک) پیچیده‌تر از این دو جمله است، اما این توضیح بسیار مختصر برای مقایسه آن با SSD کفایت می‌کند.

در مقابل، حافظه‌های SSD هیچ قسمت متحرکی ندارند و به همین دلیل هم حافظه‌های «حالت جامد» خوانده می‌شوند. فناوری به کار رفته در SSDها، حافظه‌های فلش non-volatile بر پایه فناوری NAND است.

حافظه‌های non-volatile حافظه‌هایی هستند که با خاموش شدن، داده‌هایشان را فراموش نمی‌کنند. (در مقابلِ حافظه‌های DRAM مثل رم رایانه‌‌) اما این فناوری چندان هم فضایی نیست:

حافظه‌های SD (که در موبایل، دوربین‌ و... می‌گذارید)، حافظه‌های CompactFlash) CF) و همچنین فلش درایوهای کوچکی که همه‌روزه استفاده می‌کنید، همگی بر پایه همین فناوری تولید می‌شوند، اما این حافظه‌ها از پیچیدگی بسیار کمتری نسبت به حافظه‌های SSD برخوردارند.

دلیل این پیچیدگی در کاربرد SSDها در رایانه‌‌های خانگی یا سرورهاست که باعث طراحی متفاوت آن می‌شود بنابراین این جمله که هاردهای SSD عملا یک فلش با ظرفیت زیاد هستند، فقط تا اندازه‌ای درست است.

کالبدشکافی SSD

اگر بخواهیم یک حافظه SSD را کالبدشکافی کنیم، باید از اینجا شروع کنیم که SSD مانند HDD و بقیه، از نوع حافظه‌هایی است که به آنها Block Devices یا دستگاه‌های بلاکی می‌گویند.

دلیل این نامگذاری آن است که این دستگاه‌ها داده‌ها را به صورت مجموعه‌ای از بایت‌ها یا بلاک، ذخیره و بازیابی می‌کنند.

هر دستگاه بلاکی از سه قسمت اصلی تشکیل می‌شود: قسمت ذخیره‌‌سازی، کنترلر و یک واسط برای دستیابی به داده‌ها.

در یک SSD، قسمت ذخیره‌سازی از ماتریسی از حافظه‌های کوچک NAND Flash تشکیل می‌شود. در قلب این حافظه‌های کوچک موجودی به نام «ترانزیستور با درگاه شناور» قرار دارد که مسئولیت اصلی عملکرد حافظه به عهده آن است.

توضیح دقیق نحوه عملکرد این ترانزیستور نیاز به مقاله‌ای در فیزیک کوانتوم دارد، اما به طور ساده، این ترانزیستور چیزی شبیه یک قفس (همان درگاه شناور) درست می‌کند که الکترون‌ها را با روش خاصی در آن حبس می‌کند.

این کارکرد پایه خوبی برای یک حافظه تک‌بیتی است: اگر سلولی دارای الکترون باشد، یک و اگر خالی از آن باشد، صفر در نظر گرفته می‌شود.

حال اگر تعداد زیادی از این ترانزیستور‌ها را کنار هم بچینیم، به یک حافظه فلش NAND می‌رسیم. (NAND به نحوه چیدمان و معماری آنها اشاره دارد)

کنترلر یک SSD را می‌توان مغز آن در نظر گرفت و تفاوت‌ در برندهای مختلف SSD نیز در اصل تفاوت در کنترلر است. کنترلر SSD عملا یک رایانه کوچک است که عموما با طراحی SoC یا سیستم روی تراشه ساخته می‌شود.

کنترلر در داخل خود دارای یک یا چند هسته پردازشی، کش، رم و حتی در SSDهای سطح بالاتر، خازن‌هایی برای پشتیبانی از داده است.

از یک دیدگاه، ترکیب کنترلر و حافظه‌های ذخیره‌گر شبیه به ساختار یک تلفن همراه است که در آن عملیات پردازشی همگی در یک تراشه و ذخیره‌‌سازی روی تراشه‌های NAND انجام می‌گیرد.

در حافظه SSD، تمام عملیات مدیریت داده‌ها و دیگر اعمال به‌‌عهده کنترلر است. اما قسمت سوم یک SSD، واسط آن است که امروزه اغلب به صورت SATA دیده می‌شود.

این امر سبب می‌شود SSDها از نظر اتصال دقیقا مانند هارد عادی باشند و کاربران بتوانند به‌راحتی آنها را نصب کنند، اما علاوه بر SATA، SSDهایی نیز وجود دارند که با واسط PCIe به مادربورد متصل می‌شوند که سرعت بسیار بیشتری نسبت به کابل SATA خواهد داشت.

SSD یا HDD؛ مساله این است

در کنار تمام این مسائل، سوال اصلی اینجاست که آیا خرید SSD به صرفه است؟ در پاسخ این سوال، باید تمام جوانب را در نظر گرفت.

از نظر قیمت، SSDها هنوز گران هستند؛ یک هارد یک ترابایتی حدود 70 دلار قیمت دارد، در حالی‌که برای یک SSD یک ترابایتی باید حداقل دو برابر یعنی 150 دلار بپردازید.

ظرفیت این هاردها هم تا حد زیادی تحت تاثیر قیمت بالای آن قرار می‌گیرد. اکنون هاردهای SSD تا چهار ترابایت وجود دارد، اما به دلیل قیمت بالا، بیشتر کاربران ترجیح می‌دهند ظرفیت‌هایی در حد 256 یا 500 گیگابایت خریداری کنند.

از نظر فراوانی برندها هم HDDها برنده هستند. شرکت‌های تولیدکننده هارد خیلی بیشتر از معدود شرکت‌های سازنده SSD هستند.

اما سرعت، زمینه‌ای است که SSDها در آن می‌درخشند. یک رایانه SSD در حد چند ثانیه کامل بوت می‌شود و برنامه‌ها (به‌خصوص بازی‌ها) با سرعت بسیار بیشتری اجرا می‌شوند.

SSDها مزایای دیگری نیز دارند که می‌توان به مقاومت بیشتر، کارکرد کاملا ساکت و اندازه کوچک‌تر اشاره کرد.

بنابراین اگر این موارد برایتان اهمیت دارد و البته مشکلی با قیمت SSDها ندارید، می‌توانید یک SSD در رایانه‌‌تان (یا لپ‌تاپ‌تان) نصب کنید و از سرعت بالای آن لذت ببرید.

محمود صادقی - ضمیمه کلیک