هارد ssd از پیدایش تاکنون ….

معرفی

دستگاه‌هایSSD (Solid-State Drive)که گاهی با نام‌های Flash Disk و یا Electronic Disk نیز شناخته می‌شود، در حقیقت هیچ‌گونه دیسک یا موتوری داخل خود ندارد و این مسأله سبب شده تا علاوه بر کاهش مصرف انرژی و وزن در این دستگاه‌ها نویزهای گردش موتور و صدای ناشی از آن نیز به صورت کامل از بین برود.هارد SSD یک ابزار حافظه است که از تراشه برای دخیره سازی دائم داده‌ها استفاده می‌کند. دستگاه‌های SSD در کوتاهترین زمان توانستند جایگزینی مناسب برای هاردهای HDD شود.

 

در واقع هارد SSD حافظه‌ی مبتنی بر Flash است که در مقایسه با هارد دیسک های قبلی برق کمتری مصرف می‌کند و از مقاومت بیشتری در مقابل شوک‌های فیزیکی و گرد و غبار نیز برخوردار است. علاوه بر اینها حذف تکنولوژی مرسوم دیسک-موتور در این دستگاه‌ها سبب شده تا با کاهش زمان دسترسی به اطلاعات، و افزایش سرعت خواندن و نوشتن، کارایی چشمگیر خود را نسبت به سایر دستگاه‌ها نشان دهد.

اگرچه این نوع درایوها نسبت به همکارهای HDD خود گران قیمت‌تر هستند، اما SSDها هم به لحاظ سرعت عملکرد و هم از نظر میزان مصرف انرژی به مراتب بهتر از HDDها هستند که در نتیجه سبب کاهش مصرف انرژی و افزایش مدت کار با لپ‌تاپ‌هایی می شود که از این دستگاه‌ها به جای هارد‌های مرسوم در خود استفاده می‌کنند. با این حال هنوز SSDها از نظر میزان ذخیره سازی داده‌ها نسبت به HDD ظرفیت کمتری دارد.

بسیاری از هاردهای SSD از رابط‌های توسعه یافته I/O که برای هارد‌ها استفاده می‌شد بهره می‌برند که این امر سبب شده تا به سادگی جایگزین دستگاه‌های رایج شوند.

از سال 2012 تکنولوژی به کار رفته در اس اس دی ها از سمت چیپ‌های “حافظه غیر فرار” (Non-Volatile Memory) یا NVM به سمت چیپ‌های NAND سوق پیدا کرد. این امر سبب شد تا روند رشد درایوهای هیبریدی (SSHD) نیز به شکل جدی توسعه پیدا کند.
درایوهای هیبریدی درایوهایی هستند که از ترکیب یک دیسک سخت و یک مدار جامد تشکیل شده‌اند، و در حقیقت هر دو تکنولوژی را در یک دستگاه در کنار هم دارند، این دستگاه‌ها احتمالاً عملکردی نزدیک به SSD برای بسیاری از برنامه‌ها را ارائه می‌دهند.
تاریخچه

SSD های اولیه با استفاده از RAM و فناوری‌های مشابه

تاریخچه SSDها به دهه 1950 باز می‌گردد، که از دو فناوری “حافظه هسته مغناطیسی” و “صفحات خازنی حافظه فقط خواندنی” (CCROS) تشکیل شده بود این فناوری که در زمان تشکیل “لامپ‌های خلاء” ساخته شده بود دارای سرعت بسیار پایین و زحمت زیاد برای نوشتن بر روی این حافظه‌ها بود.

کارت‌های حافظه فقط خواندنی شرکت CCROS) IBM)

بعدها در دهه های 1970 و 1980 برای اولین بار با استفاده از تکنولوژی نیمه رساناها این ابزارها در ابر کامپیوترهای IBM استفاده شد. با این حال قیمت تمام شده این محصول سبب شد تا از آنها به ندرت استفاده شود.

اما در اواخر دهه 1970 تکنولوژی تراشه‌هایEPROMرونق گرفت، تراشه هایی که توسط جریان الکتریکی قابل برنامه ریزی (خواندن و نوشتن) بودند. در حقیقت می‌توان این تراشه‌ها را مادرSSDهای امروزی دانست.در همان سال‌ها شرکت “General Instruments” تولید حافظه‌های الکتریکی گردش‌پذیر (EAROM) را آغاز کرد که تا حدودی شبیه حافظه‌های ناند فلش عمل می‌کردند ولی متاسفانه این تکنولوژی یک دهه بیشتر عمر نکرد و بسیاری از شرکت‌ها این فناوری را رها کردند.

در سال 1976 شرکت DATARam محصول جدید خود به نام “Bulk Core” را به بازار عرضه کرد که قابلیت ذخیره سازی اطلاعات، تا 2 مگابایت را دارا بود، در سال 1978 شرکت Texas Memory Systems درایو حالت جامد خود را در ظرفیت 16 کیلوبایت به سفارش شرکت‌های نفتی جهت استفاده در دستگاه‌های لرزه نگاری به تولید انبوه رساند.
یک سال بعد یعنی در سال 1979شرکت StorageTek اولین RAM را با این تکنولوژی ساخت.

در سال 1983 شرکت SHARP با ارائه محصول جدید خود “شارپ PC-5000” که یک ماشین تحریر دیجیتال به حساب می‌آمد، از نسل جدیدی از حافظه‌ها موسوم به “Bubble Memory” که از نژاد حافظه‌های غیر فرار بود، رونمایی کرد.

تنها پس از سپری شدن یک سال یعنی در سال 1984 شرکت Tallgrass Technologies Corporation توانست برای اولین بار با استفاده از 2 حافظه 20 مگابایتی، 40 مگابایت اطلاعات را از یک نوار بکاپ (Tape Backup) ذخیره کند. به خاطر داشته باشید که این مقدار حافظه می‌توانست به جای یک هارد مورد استفاده قرار گیرد.

در سپتامبر 1986 شرکتSanta Clara Systems مموری “BatRam“خود را معرفی کرد، BatRam یک مموری ماژول بود که از تکنولوژی فلش‌ها یعنی “مس استوریج” (Mass Storage) استفاده می‌کرد، و دارای ظرفیت 4 مگابایت بود، از ویژگی‌های این قطعه قابلیت رسیدن به سقف حجمی 20 مگابایت با استفاده از ماژول‌های 4 مگابایتی بود. این بسته شامل یک باطری قابل شارژ نیز بود که وظیفه آن نگهداری از اطلاعات تراشه حافظه‌ها در زمانی بود که برقی (نیرویی) به ماژول نمی‌رسید. در سال 1987 شاهد بودیم که شرکت EMC Corporation با عرضه دیسک‌های مخصوص کامپوترهای کوچک (Mini-Copmuters) وارد عرصه SSDها شد، با این حال این شرکت نیز در سال 1993 از این چرخه تولید کناره‌گیری کرد. تکنولوژی ابداعی این شرکت که همان دیسک‌های حافظه مبتنی بر نرم‌افزار (Software-Based RAM Disks) است. علیرغم اینکه حافظه‌های مبتنی بر RAM از منابع  CPUاستفاده می‌کنند و هزینه آنها بر اساس هر گیگابایت بسیار زیاد خواهد شد ولی از سال 2009 مجدداً به کارگیری این نمونه حافظه‌ها تا به امروز به این دلیل که هنوز هم سریع‌تر از سریع‌ترینSSDها هستند، رایج شد.

SSDهای مبتنی بر فلش

در سال 1994 شرکت STec با خرید امتیاز ساخت کنترلر فلش به شرکتش این امکان را داد تا وارد بازار فلش مموری برای محصولات الکترونیکی شود.

در سال 1995 M-System درایوهای حالت جامد مبتنی بر فلش معرفی کرد، درایو‌هایی که برای نگهداری از داده‌های موجود در حافظه نیاز به استفاده از باطری در آنها نبود، اما نقطه ضعف این درایوها این بود که به اندازه درایوهای مبتنی بر دی رم DRAM-Based)) سریع نبودند.

از آن زمان به بعد اس اس دی ها، با موفقیت به عنوان هاردها جایگزین شدند. جایگزینی مناسب از آن جهت که SSDها در مقابل شوک‌های فیزیکی بسیار مقاوم‌تر از HDDهای متداول بودند، پس بلافاصله جایگزینی عالی برای صنایع نظامی، فضایی، هوا-فضا و همچنین برنامه‌های عملیات‌های نجات شناخته شدند. در سال 1999 شرکت BiTMICRO با ترکیب چندین تراشه توانست به فضای 18 گیگابایتی برسد. این شرکت همه این تراشه ها را در یک قاب 3.5 اینچی قرار داد و بدینصورت اولین هارد دیسک SSD شکل گرفت. البته هزینه این SSD بسیار گران تمام شده و فقط جهت استفاده در صنایع فضایی توجیه اقتصادی داشت. در سال 2007 شرکت Fusion-io اعلام کرد که درایوی را مبتنی بر PCIe تولید کرده است که می‌تواند تا 000،100 ورودی/خروجی عملیات را در هر ثانیه (IOPS) را پشتیبانی کند و عملکرد هر یک از این کارت‌ها می‌تواند تا 320 گیگابایت باشد.

در نمایشگاه Cebit 2009 شرکت OCZ درایو 1 ترابایتی اس‌اس‌دی خود، که بر پایه PCiExpress 8X مبتنی بود را رونمایی کرد. این درایو توانست سرعت 654 مگابایت در ثانیه را برای نوشتن و سرعت 712 مگابایت در ثانیه را برای خواندن به ثبت برساند. در دسامبر 2009 شرکت Micron Technology اعلام کرد که اولین SSD جهان با رابط SATA با سرعت 6 گیگابیت در ثانیه را ساخته است. شرکت Virident Systems در سال 2012 نسل دوم SSDهای مبتنی بر فلش را با نام “FlashMAX II” به دنیای تکنولوژی عرضه کرد. این بسته بالاترین ظرفیت ذخیره سازی را تنها در یک قالب کوچک که فقط نیمی از طول و نیمی از ارتفاع رایج را دارا بود، قرار داده بود. پس از آن هر سرور اجازه داشت تا 2.2 ترابایت اطلاعات را در هر یک از این کارت‌ها داشته باشد. حتی با چنین اندازه کوچکی این کارت می‌تواند پهنای باند خواندن را در پایین‌ترین مشخصات سیستم تا 2.7 گیگابایت بر ثانیه یا 1.5 میلیون IOPS، پشتیبانی کند.

 

کاربری Enterprise Flash Drives (EFD)

حافظه‌های “فلش درایو‌های سازمانی” برای برنامه‌هایی که نیاز به ورودی و خروجی بالایی دارند ساخته شده‌اند. قابلیت‌های اطمینان در نگهداری داده‌ها، بهره وری از حداقل انرژی و اخیراً، عملکرد پایدار در اکثر موارد سبب محبوبیت این حافظه شده است.
در حقیقت EFD یک SSD با مشخصات بالاتر است. در ژانویه سال 2008 عبارت EFD برای تشخیص آن در مقایسه با SSDهایی که به صورت معمول در نوت‌بوک‌ها استفاده می‌شود، به کارگیری شد. در مورد این کالاها هیچ استانداری وجود ندارد و بنابراین هر سازنده SSD ممکن است ادعا کند که EFD را تولید کرده است.
در سه ماهه چهارم سال 2012 شرکت INTEL اس‌اس‌دی خود موسوم به “DC S3700” را معرفی کرد. تمرکز اینتل در ساخت DC S3700 به “دستیابی به عملکرد مداوم” معطوف شده بود، موردی که قبلاً مورد توجه چندان قرار نگرفته بود، اما اینتل ادعا کرد که این مورد نقش بسزایی در بازار سرمایه گذاری دارد. همچنین اینتل مدعی شده است که این تکنولوژی نه تنها IOPS تغییر نمی‌کند بلکه در اکثر مواقع 10 الی 15 درصد و در برخی مواد تا ٩٩ درصد تمام خواندن‌ها و نوشتن‌های تصادفی با حجم ٤ کیلو بایت را در کمتر از 500 میکرو ثانیه انجام می‌دهد.
ساختار داخلی و عملکرد

مولفه‌های کلیدی یک SSD یک تراشه کنترلر و تعدادی تراشه حافظه جهت ذخیره سازی اطلاعات است. حافظه‌های اولیه استفاده شده در SSDها از نوع “حافظه فرار DRAM” بود، اما از اوایل سال 2009 که معمولاً از “حافظه‌ غیر فرار  NAND” استفاده می‌شود، سایر اجزا نقش قابل توجی را در بهره‌وری از SSD بازی نمی‌کنند. این باعث شده تا تولید کنندگان این محصول نگاه خود را بر روی NAND‌ها متمرکز نگه دارند.

در تصویر فوق منطقه آبی رنگ نشان‌دهنده تراشه‌های حافظه و منطقه قرمز رنگ نشان‌دهنده تراشه کنترلر است

١)  کنترلر

 

هر هارد SSD مانند سایر دستگاه‌های این خانواده (Mass Storages) شامل یک تراشه کنترلر است که علاوه بر وظیفه شناسایی SSD به دستگاه، پلی میان اجزای حافظه NAND و سیستم میزبان است. پردازنده جاسازی شده در این چیپ وظیفه‌ی اجرای کد سطح-فریمور “Firmware-Level” را در سیستم عامل دارد و یکی از مهم‌ترین عوامل عملکرد SSD است.

برخی از مهم‌ترین وظایف کنترلر عبارتند از:

• تصحیح خطا (Error Correction Code (ECC
• تراز کردن پوشش اطلاعات
• نقشه برداری از “بلوک‌های بد” (Bad-Block)
• مدیریت خواندن یکنواخت و خواندن پراکنده
• خواندن و نوشتن حافظه موقت کش (Cach)
• جمع‌آوری اطلاعات زاید
• رمزگذاری

 

٢)حافظه

        ٢-١) حافظه‌های مبتنی بر فلش
اکثر تولید کنندگان SSD از حافظه‌های غیر-فرار NAND به دلیل  هزینه پایین‌تر در مقایسه با DRAM همچنین توانایی حفظ داده‌ها بدون استفاده از منبع قدرت ثابت و نیز حصول اطمینان از تداوم داده‌ها در صورت قطع برق ناگهانی، در تولید SSDهای‌شان استفاده می‌کنند.
SSDهای مبتنی بر حافظه فلش از SSDهای مبتنی بر حافظه دی رم کند‌تر هستند. حتی برخی از تولیدات اولیه سرعتی پایین‌تر از هارد‌ دیسک‌ها داشتند اما این مشکل با ارائه یک کنترلر جدید برای سال‌های 2009 و بعد از آن حل شد.
این دسته از حافظه‌ها بیشتر برای دستگاه‌هایی استفاده می‌شود که می‌بایست دارای فاکتورهای استاندارد برای ابعادشان باشند (مانند هاردهای 3.5، 2.5 و 1.8 اینچی). همچنین به دلیل کوچک بودن این حافظه‌ها، می‌توان از آنها در ابزارهای کوچک و آن دسته از ابزارهایی که دارای فشردگی ظاهری هستند استفاده کرد.
درایوهای قیمت پایین معمولاً از حافظه‌های فلش مبتنی بر سلول‌های چند سطحی “Multi-Level Cell (MLC)” ساخته می‌شوند که نسبت به حافظه‌های فلش مبتنی بر سلول‌های تک سطحی “Single-Level Cell (SLC)” آهسته‌تر بوده و کمتر می‌توان به آنها اعتماد کرد.
        ٢-٢) حافظه‌های مبتنی بر DRAM
SSDهای مبتنی بر حافظه فرار مانند DRAM، توسط دسترسی فوق‌سریع به داده‌ها (که به صورت کلی کمتر از 10 میکروثانیه طول می‌کشد)، مشخص می‌شوند و در درجه اول برای سرعت بخشیدن به برنامه‌های کاربردی استفاده می‌شود.
این ابزارها معمولاً از ترکیب یک باتری یا آداپتور AC/DC خارجی و سیستم پشتیبان‌گیری از داده‌های ذخیره شده تشکیل شده است. این ترکیب برای اطمینان از تداوم داده‌ها در زمان نبودن منبع تغذیه و یا قطع ناگهانی جریان برق در نظر گرفته شده است.
اگر جریان برق قطع شود، باتری نیروی لازم را برای کپی کردن تمام اطلاعات را حافظه دسترسی تصادفی (RAM) به ذخیره سازی عادی، تامین می‌کند و هنگامی که جریان برق مجدداً تامین شد، اطلاعات از ذخیره سازی به به RAM کپی شده و SSD به عملیات عادی خود باز می‌گردد. (شبیه به عملکرد خواب زمستانی (Hibenate) که درسیستم‌های امروزی شاهد آن هستیم).
        ٢-٣) سایر حافظه‌ها
برخی از SSDها از حافظه‌های مقاومت مغناطیسی استفاده می‌کنند و برخی دیگر از ترکیب حافظه‌های DRAM و FLASH استفاده می‌کنند بدین‌صورت که وقتی SSD فاقد منبع تغذیه شود، تمام داده‌ها زا از DRAM به قسمت FLASH خود کپی می‌کند و در هنگامی که نیرو مجدداً تامین می‌شود، SSD تمام داده‌ها را از قسمت FLASH به DRAM منتقل می‌کند.
لازم به ذکر است که بعضی از درایوها از ترکیبی شامل دیسک‌های گردان و حافظه‌های فلش استفاده می‌کنند که به درایوهای دوگانه یا Hybrid معروف هستند.
٣) رابط (InterFace)

رابط همان‌گونه که از نامش پیداست نوع درگاهی است که SSD با آن به سیستم میزبان متصل شده و ارتباط برقرار می‌کند.

دستگاه‌های SSD از رابط‌های متفاوتی استفاده می‌کنند که رایج‌ترین آنها عبارتند از:

• رابط اسکازی یا Serial attached SCSI (SAS) که به صورت کلی بر روی سرور‌ها استفاده می‌شود با حداکثر سرعت 3.0 Gbit/s
• رابط ساتا (درگاه سریال) یا Serial ATA (SATA) با حداکثر سرعت 1.5 Gbit/s
• رابط پی‌سی‌آی اکسپرس یا PCI Express با حداکثر سرعت 2.0 Gbit/s
• رابط کانال فیبری یا Fibre Channel  که معمولاً روی سرورها استفاده می‌شود با حداکثر سرعت 200 Mbit/s
• رابط یو‌اس‌بی یا Universal Serial Bass (USB) با حد اکثر سرعت 1.5 Mbit/s
• رابط پاتا (درگاه موازی) یا Parallel ATA (IDE) که معمولاً با رابط SATA جایگزین می‌شود با حداکثر سرعت 26.4 Mbit/s
• رابط اسکازی موازی یا Parallel SCSI که اکثرا بر روی سرور‌ها یافت می‌شود و از سال 2004 به بعد با رابط SAS جایگزین شد. حد اکثر سرعت 40 Mbit/s
• رابط بی‌سیم یا Wifi با حداکثر سرعت 5 Gbit/s
• رابط تاندربولت یا Thunderbolt با حداکثر سرعت 20Gbit/s