فرادرس
هارد SSD چیست و چطور کار می‌کند؟ — به زبان ساده
در این نوشته قصد داریم شما را با مفهوم و تاریخچه هارد SSD آشنا کنیم، پس با ما همراه باشید. در سال 1965 میلادی (1344 خورشیدی) شرکت IBM نخستین درایو هارد دیسک یا HDD خود را در سیستمی به نام RAMAC 305 قرار داد. این درایو از پلاترهای 61 سانتی‌متری استفاده کرده و پنج مگابایت داده را در فضایی به ابعادی بزرگتر از دو یخچال ذخیره می‌کرد. قیمت این هارد دیسک در آن زمان 50 هزار دلار بود که با احتساب تورم، اکنون چیزی حدود 441 هزار دلار می‌شود.
از آن زمان تاکنون هارد درایوها به تدریج کوچک‌تر شده‌اند و ظرفیتشان افزایش یافته است و خوشبختانه دیگر خبری از آن قیمت‌های نجومی هم نیست. برای نمونه هارد دراپو لپ‌تاپی Seagate Momentus با ابعاد 2.5 اینچی که فضای ذخیره‌سازی 750 گیگابایت ارائه می‌کند، قیمتی حدود 50 دلار دارد. اما با وجود انواع فناوری‌های حفاظتی که امروزه هارد دیسک‌ها از آن‌ها بهره می‌گیرند، همچنان این دستگاه‌ها امکان شکستن و آتش‌سوزی دارند و این مسئله داده‌های بعضاً حساسی که روی آن‌ها ذخیره می‌کنیم را دستخوش تهدید می‌کند. برای نمونه زمانی که یک لپ‌تاپ از دست‌تان سقوط می‌کند ممکن است که هد خواندن-نوشتن هارد دیسک با پلاتر تماس پیدا کند و در این حالت خرابی زیادی برای داده‌ها به بار می‌آید.
با این حال خوشبختانه نسل جدیدی از فناوری‌های ذخیره‌سازی معرفی شده است که احتمال بروز خطر را در چنین مواردی بسیار کاهش داده است. این فناوری «درایو حالت جامد» (solid-state drive) یا به اختصار SSD نامیده می‌شود. در این درایو از تراشه‌های نیمه‌رسانا برای ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده می‌شود که تفاوت عمده‌ای با روش ذخیره‌سازی در هارد دیسک‌ها دارد که از رسانه مغناطیسی بهره می‌گیرند.
توجه کنید که عبارت «هارد SSD» عنوان نادرستی است و نام صحیح آن SSD یا «درایو حالت جامد» است. حتی عبارت «درایو SSD» نیز درست نیست، زیرا کلمه درایو در حرف آخر SSD مختصر شده است و لزومی به تکرار کردن آن وجود ندارد. با این حال با توجه به این که عبارت «هارد SSD» در زبان فارسی مصطلح شده است، ما نیز در بقیه این مقاله از همین عبارت برای اشاره به SSD استفاده می‌کنیم.
توجه داشته باشید که همه اجزای رایانه‌ها از تراشه‌های نیمه‌رسانا بهره می‌گیرد. برای نمونه مادربرد و همچنین RAM که حافظه اصلی رایانه را تشکل می‌دهد همگی از یک چنین فناوری بهره می‌گیرند. رایانه‌ها از این حافظه، به نام «حافظه فرّار» (Volatile Memory) یاد می‌کنند زیرا به محض این که رایانه خود را خاموش کنید، این داده‌ها از بین می‌روند. با این حال تراشه‌هایی که در ساخت درایوهای SSD استفاده می‌شوند یک حافظه غیر فرار ایجاد می‌کنند، یعنی داده‌ها حتی با قطع شدن برق هم روی حافظه پابرجا باقی می‌مانند. تراشه‌های SSD روی مادربرد نیز قرار نمی‌گیرند؛ بلکه جایگاه مخصوص خود را در بخش دیگری از رایانه دارند. در واقع شما می‌توانید هارد دیسک سیستم خود را جدا کرده و یک درایو حالت جامد یا همان هارد SSD به جای آن بگذارید، بدون آن که نیاز به تغییر خاصی در اجزای رایانه یا لپ‌تاپ وجود داشته باشد.
هارد SSD چیست و چه شکلی دارد؟
در زبان رایانه بین «حافظه» و «استوریج» تفاوت وجود دارد. «حافظه با دسترسی تصادفی» یا همان RAM وظیفه نگهداری از برنامه‌های در حال اجرا و هر داده‌ای که با آن کار می‌کنند را روی سیستم بر عهده دارد. RAM مانند حافظه کوتاه مدت یک فرد است که فرّار است و برای تداوم کار به نیروی برق نیاز دارد. از سوی دیگر استوریج یا فضای ذخیره‌سازی همه موارد مرتبط با زندگی دیجیتال شما از قبیل اپلیکیشن‌ها، فایل‌ها، عکس‌ها و موسیقی را نگهداری می‌کند. این موارد حتی در صورت قطع شدن برق و خاموش شدن سیستم هم باقی می‌مانند. هر دو حافظه RAM و استوریج بر اساس تعداد بایت‌هایی از داده که می‌توانند نگهداری کنند مشخص می‌شوند. برای نمونه یک رایانه به طور معمول چیزی بین 4، 6،8 یا 16 گیگابایت رم دارد. استوریج چنین رایانه‌ای نیز معمولاً صد برابر این مقدار است. برای نمونه هارد درایو یک لپ‌تاپ معمولی می‌تواند بین پانصد تا هزار مگابایت داده را ذخیره سازد.
برخی دستگاه‌های ذخیره‌سازی خود را «حافظه فلش» (flash memory) می‌نامند که موجب می‌شود بین ماهیت رم یا استوریج بودن آن‌ها ابهام ایجاد شود. دستگاه‌های دارای حافظه فلش می‌توانند اطلاعات زیادی را در خود جای دهند و این ذخیره‌سازی ربطی به وجود یا قطع برق ندارد. اما برخلاف هارد درایوها که دارای پلاترهای چرخشی و بازوهایی با هدهای خواندن-نوشتن هستند، دستگاه‌های حافظه فلش هیچ جزء مکانیکی ندارند. این حافظه‌ها از ترانزیستور و دیگر اجزایی که روی تراشه‌های رایانه می‌توان یافت، ساخته شده‌اند. در نتیجه می‌توان آن را حالت جامد نامید، زیرا از مشخصه‌های نیمه‌رسانایی بهره می‌گیرند.
دو نوع حافظه فلش وجود دارند که شامل NOR و NAND می‌شود. هر دو نوع این حافظه‌ها حاوی ترانزیستورهای سلولی در یک شبکه هستند، اما نوع اتصال‌های این سلول‌ها متفاوت است. در فلش NOR سلول‌ها به طور موازی به هم وصل می‌شوند. در فلش NAND سلول‌ها به طور سری به هم بسته می‌شوند. از آنجا که سلول‌های NOR شامل سیم‌های بیشتری هستند، بزرگتر و پیچیده‌تر هستند. سلول‌های NAND نیاز به سیم‌های کمتری دارند و می‌توانند در تراکم بالاتری در یک تراشه جمع شوند. در نتیجه فلش NAND ارزان‌تر است و می‌تواند داده‌ها را با سرعت بالاتری بنویسد و بخواند. این امر موجب می‌شود که فلش NAND یک فناوری ایده‌آل برای ذخیره‌سازی (Storage) باشد و به همین جهت است که عمده درایوهای حالت جامد امروزه با این فناوری ساخته می‌شوند. فلش NOR برای کاربردهای با چگالی پایین، سرعت بالا و تنها-خواندنی مانند کاربردهای ذخیره‌سازی کد مناسب است.
با توجه به توضیحاتی که ارائه شد، اکنون می‌توانیم تعریفی دقیق‌تر از درایو حالت جامد ارائه کنیم. درایو حالت جامد دستگاهی است که فلش NAND برای ارائه یک حافظه غیر فرّار و قابل نوشتن استفاده می‌کند. در رایانه‌ها درایو حالت جامد می‌تواند به عنوان دستگاه ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده شود و جایگزین درایو سنتی هارد دیسک شود. در واقع سازندگان SSD-ها را با شکل و ظاهر یک هارد دیسک تولید می‌کنند تا فناوری‌های مرتبط با این دو بتوانند در کنار هم و به جای هم مورد استفاده قرار گیرند. اما تنها شباهت این دو فناوری تنها در همین جنبه ظاهری است. اگر پوسته یک درایو حالت جامد را باز کنید، هیچ پلاتر و یا بازوی هد را در آن مشاهده نمی‌کنید.
هارد SSD داده‌ها را چطور ذخیره می‌کند؟
درایوهای حالت جامد از بیرون دقیقاً شبیه هارد دیسک دیده می‌شوند. شکل مستطیلی دارند و در یک قالب فلزی و با ابعاد استاندارد هارد درایوها ساخته می‌شوند که معمولاً 2.5 و 3.5 اینچی است. اما در پس این ظاهر بیرونی، یک آرایه از تراشه‌ها دیده می‌شود که به طور منظم روی یک بورد چیده شده‌اند و هیچ رسانه مغناطیسی یا نوری در آن وجود ندارد. اغلب این اجزا را می‌توان در قالب بسیار کوچک‌تری نیز جای داد، اما سازندگان هارد SSD این اجزا را در یک قالب بزرگتر جای می‌دهند تا مطمئن شوند که در اسلات‌های درایو لپ‌تاپ‌ها و رایانه‌های دسکتاپ جای می‌گیرند.
محتوای داخلی یک هارد دیسک در مقایسه با سادگی بی‌پیرایه یک هارد SSD شبیه به معجونی پرهیاهو از حرکت و صدا و فعالیت است. پلاترهای گرد روی یک محور چیده شده‌اند و می‌توانند با سرعتی تا 7200 دور بر دقیقه بچرخند. یک بازوی مکانیکی که دارای چندین هد خواندن-نوشتن است روی پلاترها با سرعتی بسیار زیاد که قابل مشاهده نیست، حرکت می‌کند. این بازو به یک بلوک راه‌اندازی وصل است که دستورالعمل‌های جابجایی هدهای خواندن و نوشتن را ارسال می‌کند. این دستورالعمل‌ها گاهی اوقات با سرعت 50 بار در ثانیه صادر می‌شوند و بازو از یک سو به چرخش می‌افتد و هد را به نقطه مورد نظر روی پلاتر می‌برد. زمانی که هد به موقعیت مورد نظر روی پلاتر رسید، یک آهنربای الکتریکی میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که با دامنه‌های حامل داده در ترک زیر خودش هم‌راستا است. هر دامنه می‌تواند در یکی از دو جهت ممکن 1 یا 0 باشد. زمانی که این راستاها تغییر می‌یابند، الگوهایی را تشکیل می‌دهند که متناظر با بسته‌های اطلاعات دیجیتالی هستند.
از سوی دیگر روش ذخیره‌سازی داده‌ها در فلش NAND حافظه حالت جامد متفاوت است. به یاد بیاورید که فلش NAND ترانزیستورهایی داشت که در شبکه‌ای از ستون‌ها و ردیف‌ها چیده شده‌اند. اگر یک زنجیره از ترانزیستورها جریان را هدایت کنند مقدار 1 را می‌گیرند. اگر جریان را هدایت نکنند مقدار 0 را می‌گیرد. در ابتدا همه ترانزیستورها روی مقدار 1 تنظیم شده‌اند. اما زمانی که عملیات ذخیره آغاز شود، جریان در برخی ترانزیستورها به دام می‌افتد و آن‌ها را به حالت 0 می‌برد. دلیل وقوع این امر به شیوه چیدمان ترانزیستورها وابسته است. در هر تقاطع ستون و ردیف از ترانزیستورها، دو ترانزیستور وجود دارند که یک سلول را تشکیل می‌دهند. یکی از ترانزیستورها به نام «گیت کنترل» و دیگری به نام «گیت شناور» نامیده می‌شوند. زمانی که جریان به گیت کنترل برسد، الکترون‌ها وارد گیت شناور می‌شوند و یک بار مثبت ایجاد می‌کند که گردش جریان را متوقف می‌کند. با اعمال ولتاژ دقیق روی ترانزیستورها می‌توان الگوهای یکتای 1 و 0 را در آن‌ها ایجاد کرد.
فلش NAND بر اساس شیوه ذخیره‌سازی 1 و 0 در هر سلول به دو نوع عمده تقسیم می‌شوند. NAND با سلول تک سطحی (SLC) یک بیت را در هر سلول ذخیره می‌کند که می‌تواند 1 یا 0 باشد. فلش NAND سلول چند سطحی (MLC) در هر سلول دو بیت را ذخیره می‌کند. فلش MLC ظرفیت بالاتری ارائه می‌کند اما زودتر فرسوده می‌شود. با این حال قیمت فلش‌های NAND در مقیاس گیگابایت ارزان‌تر از SLC است و در نتیجه در اغلب SSD-های مصرفی از آن استفاده می‌شود.
هزینه یکی از بزرگ‌ترین موانع توسعه حافظه‌های فلش و متعاقباً درایوهای SSD است. اما در سال‌های اخیر هزینه‌ها به طرز چشمگیری کاهش یافته‌اند. هم‌زمان پیشرفت‌ها در توسعه فلش NAND موجب بهبود چشمگیری در این فناوری شده است. در بخش بعدی به بررسی مزیت‌های هارد SSD می‌پردازیم.
مزیت هارد SSD
فرض کنید یک لپ‌تاپ بالاتر از متوسط با هارد درایو 500 گیگابایتی خریده‌اید و عملکردی عالی دارد. شما همه تصاویر و ویدئوها و کل کتابخانه موسیقی خود را به همراه پنج زمان نیمه‌تمام و اپلیکیشن‌های مختلف روی این درایو ذخیره کرده‌اید. خب چرا باید برای خرید هارد SSD هزینه کنید؟ آیا نشنیده‌اید سری که درد نمی‌کند را دستمال نمی‌بندند؟
شاید کسی که ضرب‌المثل فوق را ساخته است، هرگز هارد درایو نداشته است. واقعیت بدیهی آن است که هارد دیسک‌ها ممکن است از کار بیفتند و بسیار فراوان‌تر از آنچه مشخصات فنی‌شان ادعا می‌کند، از کار می‌افتند. برای نمونه سازندگان هارد دیسک میزان پایداری محصولات خود را با استفاده از مقیاسی به نام «میانگین بین زمان خرابی‌ها» (mean time between failures) یا به اختصار MTBF می‌سنجند.
یک هارد درایو معمولی دارای نرخ MTBF حدود پانصد هزار ساعت است یعنی از بین درایوهای نمونه تست شده پس از پانصد هزار ساعت تست یک درایو از کار افتاده است که خب آمار بسیار خوبی به نظر می‌رسد. این به آن معنی است که یک هارد درایو پس از 57 سال کارکرد از کار افتاده است. اما متأسفانه نمرات MTBF گمراه‌کننده هستند. این اعداد و ارقام بر مبنای اندازه نمونه کوچک و زمان محدود به دست آمده است. در واقعیت، شما باید گارانتی و عمر سرویس یک هارد دیسک معمولی را که بین سه تا پنج سال است در کنار نمره‌های MTBF در نظر بگیرید. از آنجا که هارد SSD هیچ قطعه متحرکی ندارد، می‌تواند پایداری بهتری ارائه کند. این نوع از هاردها می‌توانند تا 2.5 میلیون ساعت MTBF داشته باشند که در عمل به این معنی است که چند سال بیشتر از همتایان مکانیکی خود عمر می‌کنند.
نکته مهم دیگری که باید توجه داشت، عملکرد درایوهای SSD در قیاس با HDD است. هارد SSD بدون وجود هدهای متحرک و پلاترهای چرخان می‌تواند همه بخش‌های دادها با سرعت یکسانی مورد دسترسی قرار دهد، هر چند این دو بلوک از داده‌ها در مجاورت هم نیز نباشند. این سرعت بالای هارد SSD خود را همه وظایف مرتبط با CPU نشان می‌دهد که از بوت شدن نرم‌افزار سیستم تا باز کردن فایل‌ها و نوشتن و خواندن داده‌ها را شامل می‌شود. در لیست زیر سرعت SSD و HDD در اجرای وظایف این چنینی مقایسه شده است.
- زمان بوت شدن سیستم (ویندوز 7): در SSD بیست و دو ثانیه و در HDD چهل ثانیه
- سرعت خواندن-نوشتن داده‌ها: در SSD پانصد و ده تا 550 مگابایت بر ثانیه و در HDD پنجاه تا 150 مگابایت بر ثانیه.
- سرعت باز کردن فایل اکسل: در SSD چهار ثانیه و در HDD چهارده ثانیه.
وقتی همه این نکات و موارد را کنار هم قرار می‌دهیم، متوجه می‌شویم که حتی یک کاربر معمولی نیز در زمان استفاده از رایانه‌ای مجهز به SSD شاهد عملکرد بسیار بالاتری خواهد بود. اما این تفاوت برای یک کاربر پیشرفته بسیار چشمگیرتر است. طراحان بازی، انیماتورها و دیگر کاربرانی که فایل‌های خروجی بزرگی را رندر می‌گیرند نخستین کاربران هارد SSD بودند، زیرا زمان مجموعی که صرف خواندن و نوشتن چنین فایل‌های حجیمی می‌شود بسیار بهبود می‌یابد. امروزه گیمرها، عکاسان و هر کسی که به کار ویرایش فایل‌های ویدئویی و گرافیک مشغول است می‌تواند از سرعت بالاتر درایوهای حالت جامد کاملاً منتفع شود.
در نهایت SSD-ها توان بسیار کمتری در قیاس با هارددیسک‌های سنتی مصرف می‌کنند که به معنی بهبود عمر باتری دستگاه و خنک‌تر ماندن است. از طریق دیگر SSD-ها صدای بسیار کمتری دارند و دیگر از سروصداهای اجزای مکانیکی مختلف هارد دیسک خبری نیست. در صورتی که به طور دائم در سفر هستید و یا عادت دارید لپ‌تاپ خود را روی پاهایتان بگذارید این خصوصیت بسیار برای شما مفید است، اما حتی در صورتی که لپ‌تاپ را معمولاً روی یک استند می‌گذارید هم یک دستگاه آرام‌تر و خنگ‌تر تفاوت قابل ملاحظه‌ای در آسایش محل کار شما ایجاد می‌کند.
البته بدیهی است که هیچ فناوری بی‌نقص نیست و SSD-ها هم به هر حال عیوبی دارند. در بخش بعدی معایب فلش‌های NAND را بررسی کرده و بیان می‌کنیم چرا ترکیبی از فناوری‌های مختلف می‌تواند بهترین گزینه باشد.
معایب هارد SSD
با توضیحاتی که تا به اینجای مقاله دادیم، شاید اکنون جایگزینی هارد دیسک با هارد SSD یک گزینه بسیار عالی به حساب آید، اما تا زمانی که این کار را انجام نداده‌اید با محدودیت‌های SSD-ها آشنا نمی‌شوید. قیمت یکی از بزرگ‌ترین مشکلات هارد SSD است. حتی با این که قیمت این نوع از درایوها به مقدار قبل ملاحظه‌ای کاهش یافته است، اما حافظه فلش NAND همچنان گران‌قیمت است. برای نمونه در حال حاضر شما برای خرید یک استوریج 240 گیگابایتی باید رقمی بالاتر از یک میلیون تومان هزینه کنید، در حالی که با این هزینه می‌توانید یک هارد دیسک یک ترابایتی (فضای 4 برابر) خریداری کنید.
از سوی دیگر مشکل طول عمر نیز وجود دارد. فلش NAND که در هارد SSD به کار می‌رود تنها برای تعداد محدودی عملیات نوشتن کاربرد دارد. زیرا هارد SSD هر بار حتی در صورت نیاز به نوشتن یک بیت اطلاعات باید اقدام به پاک کردن و سپس بازنویسی بلوک بزرگی از داده‌ها بکند. هر بار که یک سلول وارد چرخه پاک شدن می‌شود، مقداری بار در ترانزیستور گیت شناور باقی می‌ماند که مقاومتان را تغییر می‌دهد. زمانی که این مقاومت افزایش یابد، مقدار جریان مورد نیاز برای تغییر گیت افزایش می‌یابد. در نهایت گیت کلاً نمی‌تواند عوض شود و از کار می‌افتد. این فرایند زوال روی ظرفیت خواندن هارد SSD تأثیری ندارد زیرا عملیات خواندن داده‌ها صرفاً نیازمند بررسی است و تغییری در ولتاژ سلول ایجاد نمی‌شود. در نتیجه فلش NAND در نهایت به یک درایو فقط-خواندنی بدل می‌شود.
برخی سازندگان SSD از چیزی به نام «تسطیح فرسایش» (wear-leveling) استفاده می‌کند تا با فرایند زوال فلش NAND مقابله کنند. در این تکنیک، نوشتن داده‌ها روی همه بلوک‌ها توزیع می‌شود تا مطمئن شویم که حافظه فلش به طور یکسانی فرسایش می‌یابد. اما حتی در این حالت هم هارد SSD همچنان در طی زمان فرسوده می‌شود. حافظه فلش NAND از نوع سلول تک سطحی به طور معمول پنجاه هزار چرخه برنامه‌ریزی/نوشتن را تحمل می‌کند. فلش‌های از نوع سلول چند سطحی که در محصولات مصرفی استفاده می‌شوند در چرخه‌هایی حدود پنج هزار بار نوشتن فرسایش می‌یابند.
به همین جهت بسیاری از دیتاسنترها و شرکت‌های فناوری از ترکیبی از SSD و HDD استفاده می‌کنند. یک رویکرد آن است که از درایو حالت جامد دریک لپ‌تاپ و از یک هارد درایو سنتی به عنوان حافظه اکسترنال برای نگهداری موسیقی، عکس‌ها و دیگر فایل‌ها استفاده کنیم. به این ترتیب از مزیت هر دو فناوری بهره‌مند می‌شویم. سرعت بالا و دسترسی تصادفی به داده‌ها در SSD و هزینه کمتر و ظرفیت بالای HDD در کنار هم در اختیار ما خواهد بود. اگر این وضعیت برای شما مطلوب است، می‌توانید هم اینک اقدام به خرید یک هارد SSD بکنید. اغلب شرکت‌های بزرگ فناوری مانند سامسونگ، سیگیت، سان دیسک، پی‌ا‌ن‌وای، توشیبا و اُسی‌زی از این فناوری استفاده می‌کنند. شرکت اینتل نیز خط تولید متنوعی از درایوهای SSD را دارد و همچنین چند ابزار برای کمک به انتخاب فناوری مناسب و محاسبه زمان و پولی که در زمان استفاده از این نوع هارد صرفه‌جویی می‌شود ارائه کرده است.
معرفی فیلم آموزش ذخیره و بازیابی اطلاعات
بسیاری از ساعات ما روزمره در دنیای دیجیتال سپری می‌شود. این دنیا به حدی توسعه و گسترش یافته است که اغلب وقایع زندگی ما، تصاویر، ویدئوها، خاطرات، نوشته‌ها و تقریباً همه جنبه‌های زندگی ما اکنون به شکل دیجیتال و بر روی حافظه‌های رایانه‌ای ذخیره می‌شوند. در این نوشته با یکی از جدیدترین فناوری‌های ذخیره‌سازی داده‌ها یعنی «درایو حالت جامد» (SSD) آشنا شدیم. اگر مایل هستید در خصوص روش ذخیره‌سازی و بازیابی داده‌ها اطلاعات بیشتری کسب کنید، می‌توانید از آموزش زیر بهره بگیرید. در این آموزش جناب مهندس شیرافکن در طی هشت ساعت به توضیح جوانب مختلف ذخیره و بازیابی داده‌ها می‌پردازند.
- برای مشاهده فیلم آموزش ذخیره و بازیابی اطلاعات + اینجا کلیک کنید.
سخن پایانی
چنان که در ابتدای این مقاله اشاره کردیم «هارد SSD» یک عبارت نادرست است و نام این فناوری «درایو حالت جامد» است که به اختصار صرفاً “SSD” نامیده می‌شود. با این حال با توجه به مصطلح بودن این عبارت در متن این نوشته نیز برای تسهیل خوانایی و مباحث سئو از عبارت هارد SSD استفاده شده است. در طی این نوشته با مفهوم، ماهیت و معایب و مزایای SSD آشنا شدیم و فناوری مورد استفاده در آن به تفصیل توضیح داده شده و با هارددیسک‌های سنتی مقایسه شد.
