بررسی هارد درایور حالت جامد یا Solid State Drive

درایور حالت جامد (Solid State drive) چیست؟

درایور حالت جامد (Solid State drive) یک دستگاه ذخیره سازی حالت جامد است که از مجموعه های مدار مجتمع برای ذخیره دائمی داده ها با یک حافظه فلش مانند به عنوان ذخیره ساز ثانویه در سلسله مراتب ذخیره سازی رایانه استفاده و عمل می کند .گاها به آن یک دستگاه ذخیره سازی نیمه هادی ، یک دستگاه حالت جامد یا یک دیسک حالت جامد نیز گفته می شود.SSD ها فاقد دیسک های چرخان فیزیکی و هدهای خواندن و نوشتن متحرک مورد استفاده در درایو های دیسک سخت HDD  هستند. دیسک های SSDدارای موازی سازی داخلی غنی برای پردازش داده نیز هستند.

SSD های اولیه با استفاده از RAM و فناوری مشابه

دستگاه Storagetek STC 4305 1978 ، یک دستگاه ذخیره سازی نیمه هادی اولیه سازگار با رابط هارد دیسک بود.این دستگاه همچنین یک جایگزین سازگار با پلاگین برای درایو دیسک سرثابت IBM 2305 نیز داراست.در ابتدا از دستگاه های متصل به شارژ (CCD) برای ذخیره سازی استفاده میشد.(بعد ها به DRAM تغییر یافت )و نتیجه ی آن به این صورت گزارش شد که هفت برابر سریع تر از محصول IBM (با نیمی از قیمت) است.قبل از دستگاه StorageTek SSD  و DRAM  هسته های زیادی وجود داشت و محصولات به عنوان جایگزین درایو HDD  فروخته می شدند اما آنها SSD  نبودند و  معمولا دارای رابط حافظه بودند.

درایوهای فلش سازمانی (EFD)

درایوهای فلش سازمانی (EFD) برای برنامه‌هایی طراحی شده‌اند که نیاز به عملکرد ورودی/خروجی بالا (IOPS)، قابلیت اطمینان، کارایی انرژی و اخیراً عملکرد ثابت دارند. در بیشتر موارد، EFD یک SSD با مجموعه ای از مشخصات بهتر در مقایسه با SSD هایی است که معمولاً در رایانه های نوت بوک استفاده می شود. این اصطلاح برای اولین بار توسط EMC در ژانویه 2008 برای شناسایی تولیدکنندگان SSD که محصولاتی مطابق با این استانداردهای بالاتر ارائه می‌کنند، استفاده شد.هیچ نهاد استانداردی وجود ندارد که تعریف EFD ها را به درستی بیان کند ، بنابراین هر سازنده SSD ممکن است ادعا کند که EFD تولید می کند در حالی که در واقع محصول ممکن است الزامات خاصی را برآورده نکند.

نمونه دیگر سری SSD سازمانی توشیبا ، PX02SS است که در سال 2016 معرفی شد و برای استفاده در سرورها و پلتفرم‌های ذخیره‌سازی بهینه شده بود که به استقامت بالا از برنامه‌های فشرده نوشتن مانند ذخیره‌سازی، شتاب I/O و پردازش تراکنش آنلاین (OLTP) نیاز دارد. سری PX02SS از رابط SAS 12 گیگابیت بر ثانیه، دارای حافظه فلش MLC NAND و دستیابی به سرعت نوشتن تصادفی تا 42000 IOPS، سرعت خواندن تصادفی تا 130000 IOPS و رتبه استقامت 30 نوشتن درایو در روز (DWPD) بهره می برد.

ساختار و عملکرد solid state drive

اجزای کلیدی SSD کنترلر و حافظه برای ذخیره داده ها هستند. جزء اصلی حافظه در یک SSD به طور سنتی حافظه فرار DRAM بود، اما از سال 2009، معمولاً حافظه غیر فرار NAND فلش است.

اجزای solid state drive

کنترلر

هر SSD شامل یک کنترلر است که شامل قطعات الکترونیکی است که اجزای حافظه NAND را به کامپیوتر میزبان متصل می کند. کنترلر یک پردازنده تعبیه شده است که کدهای سطح سیستم عامل را اجرا می کند و یکی از مهم ترین عوامل عملکرد SSD است. برخی از عملکردهای انجام شده توسط کنترل کننده عبارتند از:

• نقشه بلوک بد
• خواندن و نوشتن ذخیره سازی
  
• رمزگذاری Crypto-shredding 
• تشخیص و تصحیح خطا از طریق کد تصحیح خطا (ECC) مانند کد BCH
  
• مجموعه زباله

عملکرد یک SSD می تواند با تعداد تراشه های فلش NAND موازی مورد استفاده در دستگاه مقیاس شود. یک تراشه NAND واحد، به دلیل رابط ورودی/خروجی ناهمزمان باریک (8/16 بیت) نسبتاً کند است، ودارای  تأخیر بالای اضافی عملیات اصلی ورودی/خروجی نیز می باشد. هنگامی که چندین دستگاه NAND به صورت موازی در داخل یک SSD کار می کنند، مقیاس پهنای باند، و تأخیرهای بالا را می توان پنهان کرد، تا زمانی که به اندازه کافی عملیات برجسته معلق باشد و بار به طور مساوی بین دستگاه ها توزیع شود.

Micron و Intel در ابتدا SSD های سریع تری را با اجرای نوار داده (شبیه RAID 0) و interleaing در معماری خود ساختند. این امر در سال 2009 ،  باعث ایجاد SSD با سرعت خواندن/نوشتن موثر 250 مگابایت بر ثانیه با رابط SATA 3 گیگابیت بر ثانیه شد. دو سال بعد، SandForce به استفاده از این اتصال موازی فلاش ادامه داد و کنترلرهای SSD 6 گیگابیت بر ثانیه SATA را که از سرعت خواندن/نوشتن 500 مگابایت بر ثانیه پشتیبانی می‌کردند، منتشر کرد. کنترلرهای SandForce داده ها را قبل از ارسال به حافظه فلش فشرده می کند. این فرآیند ممکن است منجر به نوشتن کمتر و توان عملیاتی منطقی بالاتر، بسته به قابلیت فشرده‌سازی داده‌ها شود.

اکثر سازندگان SSD از حافظه فلش NAND غیر فرار در ساخت SSD های خود استفاده می کنند، زیرا هزینه کمتری نسبت به DRAM دارند و توانایی نگهداری داده ها بدون منبع تغذیه ثابت و  تضمین پایداری داده ها از طریق قطع برق ناگهانی را دارا می باشند. SSD های فلش مموری در ابتدا کندتر از راه حل های DRAM بودند و برخی از طراحی های اولیه حتی پس از استفاده مداوم از هارد دیسک کندتر شدند. این مشکل توسط کنترلرهایی که در سال 2009 و بعد از آن معرفی شدند، حل شد.

SSD های مبتنی بر فلش داده ها را در تراشه های مدار مجتمع فلز-اکسید-نیمه هادی (MOS) که حاوی سلول های حافظه شناور دروازه شناور غیرفرار هستند، ذخیره می کنند. راه حل های مبتنی بر حافظه فلش معمولاً در فاکتورهای فرم درایو دیسک استاندارد (1.8-، 2.5- و 3.5 اینچ) بسته بندی می شوند، اما همچنین در فرم فاکتورهای کوچکتر فشرده تر، مانند ضریب فرم M.2، که توسط فرم های کوچک ( اندازه فلش مموری )ممکن شده است، بسته بندی می شوند. 

DRAM

SSD های مبتنی بر حافظه فرار مانند DRAM با دسترسی بسیار سریع به داده ها، معمولاً کمتر از 10 میکروثانیه، مشخص می شوند و عمدتاً برای سرعت بخشیدن به برنامه هایی استفاده می شوند که در غیر این صورت با تأخیر SSD های فلش یا HDD های سنتی متوقف می شوند.

SSD های مبتنی بر DRAM معمولاً دارای یک باتری داخلی یا یک آداپتور AC/DC خارجی و سیستم های ذخیره سازی پشتیبان هستند تا از ماندگاری داده ها اطمینان حاصل کنند در حالی که هیچ برقی از منابع خارجی به درایو نمی رسد. اگر برق قطع شود، باتری در حالی که تمام اطلاعات از حافظه دسترسی تصادفی (RAM) به ذخیره سازی پشتیبان کپی می شود، انرژی را تامین می کند. هنگامی که برق بازیابی می شود، اطلاعات از حافظه پشتیبان به رم کپی می شود و SSD کار عادی خود را از سر می گیرد.

SSDهای این نوع معمولاً با ماژول‌های DRAM از همان نوع مورد استفاده در رایانه‌های شخصی و سرورهای معمولی نصب می‌شوند که می‌توان آن‌ها را تعویض و با ماژول‌های بزرگ‌تر جایگزین کرد.

در حالی که قیمت DRAM همچنان در حال کاهش است، قیمت حافظه فلش با سرعت بیشتری کاهش می یابد. نقطه تقاطع “فلش ارزان تر از DRAM می شود” تقریباً در سال 2004 رخ داد.

3D XPoint

 عیب و نقص solid state drive چیست؟

SSD ها حالت های خرابی بسیار متفاوتی با هارد دیسک های مغناطیسی سنتی دارند. از آنجایی که درایوهای حالت جامد فاقد قطعات تحرک هستند، معمولاً در معرض خرابی مکانیکی نیستند. در عوض، انواع دیگری از خرابی ممکن است این درایو هارا تهدید کند. (به عنوان مثال، نوشتن ناقص یا ناموفق به دلیل قطع برق ناگهانی می‌تواند مشکل‌تر از هارد دیسک‌ها باشد، و اگر یک تراشه از کار بیفتد، تمام داده‌های روی آن از بین می‌رود.) با این حال، در کل، مطالعات نشان داده اند که SSD ها عموماً بسیار قابل اعتماد هستند و اغلب به کار خود بسیار فراتر از طول عمر مورد انتظار همانطور که توسط سازنده آنها بیان شده است ادامه می دهند.

کیفیت و عملکرد SSD ها

به طور کلی، عملکرد هر دستگاه خاص می تواند به طور قابل توجهی در شرایط عملیاتی مختلف متفاوت باشد. برای مثال، تعداد رشته‌های موازی که به دستگاه ذخیره‌سازی دسترسی دارند، اندازه بلوک ورودی/خروجی، و مقدار فضای خالی باقی‌مانده، همگی می‌توانند عملکرد (یعنی نرخ انتقال) دستگاه را به‌طور چشمگیری تغییر دهند.

فناوری SSD به سرعت در حال توسعه است. بیشتر اندازه‌گیری‌های عملکردی که در درایوهای دیسک با رسانه‌های چرخان استفاده می‌شوند، روی SSD‌ها نیز استفاده می‌شود. ارزیابی عملکرد SSD های مبتنی بر فلش به دلیل طیف گسترده ای از شرایط ممکن ، دشوار است. طراحان درایوهای فلش درجه سازمانی سعی در افزایش طول عمر با افزایش تامین بیش از حد و با استفاده از سطح سایش دارند.