درایو حالت جامد (SSD) چیست و چگونه کار می‌کند؟

درایو حالت جامد (Solid State Drive) یکی از انواع حافظه‌های ذخیره سازی دائمی است. بر خلاف حافظه‌ی رایج دیسک سخت، در درایور حالت جامد (SSD) قطعه ای را نمی‌توان یافت که در حال حرکت باشد. در ادامه با ما باشید تا با این حافظه و نحوه کار آن بیشتر آشنا شوید.

کلمه SSD به چه معناست؟

کلمه SSD مخفف عبارت Solid State Drive به معنای “درایو حالت جامد” است. اولین SSD در سوپر کامپیوترهای شرکت IBM در سال‌های ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰ استفاده می‌شد. دیسک حالت جامد با نام‌های زیر نیز شناخته می‌شود:

• Solid State Drive(درایو حالت جامد)
• Non-volatile memory (حافظه دائمی)
• Electronic Drive(درایو الکتریکی)
• Flash-based Disk (دیسک بر پایه طراحی فلش)
• SSD (اس اس دی)

درایو حالت جامد چیست؟

درایو حالت جامد یا SSD یکی از انواع حافظه‌های خواندنی و نوشتنی دائمی است که طراحی آن بر پایه تراشه‌های فلش (Flash) است.

درایو‌های حالت جامد بر خلاف هارد دیسک‌ها (که از بارهای مغناطیسی برای ذخیره داده‌ها استفاده می‌کنند)، داده‌های خود را در چیپ‌های نیمه هادی بسیار ریزی که داخل تراشه هایش وجود دارد، ذخیره می‌کند. سرعت دسترسی مستقیم به هر کدام از مکان‌های ذخیره سازیِ داده در این نوع حافظه‌ها به طور میانگین ۰.۱ میلی ثانیه (برابر ۰.۰۰۱ ثانیه) و سرعت انتقال داده معمولاً بین ۷۰ تا ۶۰۰ مگابایت بر ثانیه است.

معمولاً این گونه حافظه‌ها از تکنولوژی استاندارد SLC (مخفف Single-level cell به معنای “سلول تک مرحله‌ای”) استفاده می‌کنند که به هر سلول (فضای ذخیره سازی در SSD) اجازه می‌دهد تا فقط دو مقدار (پر یا خالی – یک بیت) در خود ذخیره کند.

 در برخی دیگر از انواع حافظه‌های SSD که از تکنولوژی MLC (مخفف Multi-level cell به معنای “سلول چند مرحله‌ای”) استفاده کرده اند، سلول‌ها می‌توانند چهار نوع حالت مختلف را در خود ذخیره کنند که در این صورت، حافظه می‌تواند دو برابر بیشتر از حافظه‌های SLC، داده ذخیره کند.

درایو حالت جامد چه وظیفه‌ای دارد؟

همانند سایر حافظه های دائمی و جانبی، درایوهای حالت جامد (SSD) نیز یک وظیفه دارند و آن حفظ همیشگی داده‌هاست.

ویژگی‌ها و مزایای درایو حالت جامد چیست؟

در حافظه‌های SSD بر خلاف RAM حتی زمانی که هیچ منبع تغذیه‌ای به آن وصل نیست، داده‌ها را حفظ می‌کند. این نوع حافظه هیچگونه قطعه متحرکی ندارد و بنابراین تقریبا بدون صدا عمل می‌کند. این ویژگی یکی از دلایلی است که لپتاپ‌های امروزی، بجای HDD از SDD استفاده می‌کنند. سرعت خواندن و نوشتن در مقایسه با HDD بسیار زیاد تر است و مقدار مصرف انرژی آن به مراتب کمتر.

به طور خلاصه درایوهای حالت جامد، ویژگی ها و خصوصیات برتری نسبت به هارد دیسک ها دارند از جمله:

• مقاوم بودن در برابر ضربات
• سرعت بالای خواندن و نوشتن
• مصرف کمتر انرژی
• تقریبا بدون سر و صدا هستند
• حافظه‌های SSD نیازی به دیفراگنمت (Defragment) ندارند (بخش نوشتن داده را مطالعه کنید)
• برخلاف هارد دیسک‌ها، در مقابل شوک و ویبره مقاوم هستند.
• این نوع حافظه‌ها معمولاً گرمای زیادی تولید نمی‌کنند.

همین ویژگی‌ها، درایوهای حالت جامد را برتر و بهینه‌ تر از هارد دیسک‌ها می‌کند. بنابراین معمولاً در کامپیوترهای جدیدتر، بجای حافظه‌های HDD از SDD استفاده می‌کنند.

درایو حالت جامد چه معایبی دارد؟

این نوع حافظه‌ها اگر چه مزایای زیادی دارند، اما نباید از معایب آن نیز گذشت:

• قیمت تمام شده این نوع حافظه‌ها در مقایسه با هارد دیسک‌ها زیاد است. بنابراین کاربران هارد دیسک‌ها را به SSDها ترجیح می‌دهند.
• سلول‌ها طول عمری دارند که با هر بار “نوشته شدن” کمتر می‌شود. (البته این مورد جزو معایب همه قطعات الکتریکی است) سلول‌های درایوهایی که از تکنولوژی SLC استفاده می‌کنند، معمولاً قابل نوشته شدن از ۵۰ هزار بار تا ۱۰۰ هزار بار هستند. سلول‌های موجود در درایوهایی که از استاندارد MLC استفاده می‌کنند، می‌توانند بین ۳ هزار تا ۵ هزار بار نوشته شوند. البته این مورد توسط کنترلر (Controller) مدیریت می‌شود و درایو حالت جامد می‌تواند با این محدودیت برای سال‌های زیادی در حالت عادی کار کند.

نکته: درایو حالت جامدهایی که بر پایه DRAM ساخته شده اند، دارای محدودیت “نوشتن سلول‌ها” نمی‌باشند.

دیسک حالت جامد چگونه کار می‌کند؟

نحوه کار حافظه‌های SSD بر پایه تراشه‌ها و چیپ‌های نیمه هادی است.

تعدادی بسیار زیاد و البته با اندازه بسیار کوچک از ترانزیستورها (که Cell (سلول) نیز نامیده میشوند) وظیفه حفظ داده‌ها را دارند.

• درایو حالت جامد با استاندارد Single-Level Cell

 هر یک از سلول‌ها (ترانزیستورها) با نگه داشتن یا نداشتن، داده‌ها را ذخیره می‌کنند. یعنی هر سلول فقط میتواند یک بیت (صفر یا یک) را در خود ذخیره کند.

• درایو حالت جامد با استاندارد Multi-Level Cell

در این استاندارد، هر سلول می‌تواند دو بیت را ذخیره کند. یعنی هر یک از سلول‌ها می‌توانند ۴ حالت مختلف را در خود نگه دارند. این حالت‌ها عبارت اند از ۰۰ ، ۰۱ ، ۱۱ ، ۱۰ (به صورت باینری)

نحوه نوشتن داده‌ها در حافظه‌های درایو حالت جامد:

 در این قسمت با نحوه کار کردن حافظه‌هایی که بر پایه استاندارد NAND ساخته شده اند، آشنا می‌شوید. نوشتن داده بر روی این نوع حافظه‌ها توسط یک کنترلر انجام می‌شود که داده‌های ورودی را در سلول‌هایی در داخل صفحاتی از بلوک‌هایی متشکل از سلول‌ها ذخیره می‌کند.

نکته: معمولاً هر بلوک دارای ۶۴ صفحه (Page) قابل نوشته شدن هستند. و هر صفحه می‌تواند ۴ کیلوبایت داده را در خود ذخیره کند. این بلوک‌ها طی فرایند فرمت و تعیین کردن سیستم فایل ایجاد می‌شوند که اندازه آن‌ها به تنظیمات هنگام فرمت کردن بستگی دارد.  ما برای راحتی درک آن مقیاس کار را کوچکتر کرده‌ایم.

در ابتدای کار فرض کنید حافظه SSD به طور کامل خالی است:

برای شروع، فرض کنید یک فایل ۴ بایتی (مثلا حاوی عبارت “Byte”) داریم :

قصد داریم تا این فایل ۴ بایتی را بر روی حافظه SSD ذخیره کنیم :

(مقیاس فضاها بزرگتر شده اند) هر بایت از فایل مورد نظر در یکی از صفحات اولین بلوک خالی ذخیره می‌شود:

حال یک فایل دیگر با حجم ۸ کیلوبایت را در نظر بگیرید:

این فایل ۸ بایتی را نیز روی حافظه ذخیره می‌کنیم :

مشاهده می‌کنید که صفحات مربوط به فایل دوم در کنار صفحات فایل اول قرار گرفته اند (توجه کنید که در فرایند اصلی، داده‌های فایل‌ها در Clusterهای جداگانه ذخیره می‌شوند. برای اطلاعات بیشتر به پست سیستم فایل مراجعه کنید):

حال می‌خواهیم فایلی را از روی حافظه درایو حذف کنیم. به دلیل این که کنترلر درایو حالت جامد نمی‌تواند صفحات را تک به تک حذف کند، بنابراین برای حذف یک مقدار(مثلا داده های فایل اول) باید بلوک‌های مربوط به آن‌ را به کلی پاک کنید.

چون فقط قصد داریم فایل اول را حذف کنیم، بنابراین داده‌های فایل دوم (که قصد پاک کردنش را نداریم) به بلوک خالی بعدی منتقل می‌شوند:

در این حالت تنها داده‌های فایل اول در یک بلوک هستند و کنترلر می‌تواند به راحتی با حذف کردن کل بلوک اول، داده‌های فایل اول را حذف کند:

مشاهده می‌کنید که کل بلوک اول حذف شده است:

حال قصد داریم تا چندین فایل دیگر را نیز بر روی حافظه ذخیره کنیم.

یک فایل ۱۲ بیتی ذخیره میکنیم :

می‌بینید که کنترلر داده‌ها را بعد از آخرین صفحه پر شده ذخیره می‌کند.

سپس یک فایل دیگر با حجم مثلا ۱۶ بیت ذخیره میکنیم :

حال شما می‌توانید آرایش سه فایل را در یک درایو حالت جامد (SSD) ببینید.

 اگر قصد حذف کردن فایل دوم (بنفش) را داشته باشیم، باید تمام داده‌های آن را در بلوک‌ها تنها بگذاریم. پس داده‌هایی که همراه با داده‌های فایل سوم در یک بلوک هستند را به یک بلوک خالی (یا انتهای بلوکی که جای خالی داشته باشد) می‌بریم:

حال کنترلر بلوک‌های دوم و سوم را به کلی پاک می‌کند :

می‌توانید ببینید که فایل سوم (بنفش) به طور کامل پاک شده و سایر فایل ها در سر جای خود هستند :

نحوه نوشتن داده‌ها در حافظه‌های SSD به این صورت است که مشاهده کردید. البته همانطور که گفته شد مقیاس‌ها برای راحتی کار و درک بهتر تغییر کرده‌اند.

خواندن داده‌ها از روی درایوهای حالت جامد:

خواندن داده‌ها به سختی نوشتن و حدف یا تغییر دادن آن نیست. کنترلر دسترسی مستقیم به داده‌های مورد نظر دارد بنابراین می‌تواند به راحتی داده‌ها را استخراج کرده و آن‌ها را به عنوان یک خروجی برگرداند.

برخی از تولید کنندگان SSD

در این قسمت تعدادی از مهمترین تولیدکنندگان درایوهای SSD لیست شده اند که عبارت اند از:

• Fusion-io
• IBM
• LSI
• SanDisk
• Seagate
• HGST