امروزه توسعه فناوری در بخش ذخیره سازی با سرعت بسیار زیادی در حال پیشرفت است. اکنون کمتر کسی هست که با حافظه های SSD آشنایی نداشته باشد. حافظه هایی که آرام آرام جایگزین هارددیسک‌های مکانیکی می شوند و در آینده نزدیک مطمئناً آنها را از بازار خارج خواهند کرد.
سازوکار حافظه های SSD مبتنی بر چرخش اجسام و حرکت اجزای داخلیش نیست. در SSDها، اطلاعات به جای دیسک چرخان، در دریایی از فلش ناند (NAND) ذخیره می‌شوند. ناند خود از اجزایی ساخته شده است که ترانزیستورهای گیت شناور نامیده می‌شوند. برخلاف ترانزیستورهای استفاده شده در ساخت DRAM که باید هر ثانیه چندین بار رفرش شوند، فلش ناند به گونه‌ای طراحی شده است که حتی اگر منبع انرژی در دسترسش نباشد باز هم بتواند حالت شارژ یا دشارژ خود را حفظ کند. همین امر موجب شده است که ناند را در دسته‌ی حافظه‌های غیر فرار (Non-volatile memory) دسته‌بندی کنند.
تکنولوژی NAND Flash در حدود ۱۰۰۰ برابر از دیسک‌های چرخان سریعتر و در مقابل DRAM در حدود ۱۰۰۰ برابر از NAND سریعتر است.
یک حافظه SSD از سه بخش اصلی تشکیل شده است:
A. NAND Flash B. DDR Memory C. Controller
در بخش A دیتا ذخیره می شود و نیازی به برق برای حفظ داده ندارد. بخش B همان کش هارد است که برای حفظ داده ها نیاز به برق دارد. بخش C کنترولر نام دارد که به عنوان کانکتور اصلی بین هارد و کامپیوتر است و سیستم عامل (firmware) نیز بر روی آن نصب می شود.
اما Flash NAND انواع مختلفی دارند که عبارتند از:
- SLC (Single-Level Cell)
- eMLC (Enterprise Multi-Level Cell)
- MLC (Multi-Level Cell)
- TLC (Triple Level Cell)
- QLC (Quad Level Cell)
فهرست مطالب
SLC چیست؟
همانطور که از نام آن پیداست، هر یک بیت داده در یک سلول قرار می گیرد. عموماً ظرفیت این حافظه ها کم و قیمت آنها بالاست ولی قابلیت اطمینان و طول عمر بسیار نیز بالایی دارند. عمر خواندن و نوشتن در این نوع فلش ها مابین ۹۰،۰۰۰ تا ۱۰۰،۰۰۰ می باشد.
MLC چیست؟
هر دو بیت داده در یک سلول قرار می گیرند، مزیت بزرگ آن هزینه پایین تولید در مقایسه با SLC است. در مقابل قابلیت اطمینان و طول عمر آنها از SLC کمتر است. عمر خواندن و نوشتن داده ها در مابین ۱۰،۰۰۰ تا ۳۵،۰۰۰ برای هر سلول می باشد.
eMLC چیست؟
eMLC همان MLC Flash است، اما برای بخش های تجاری که نیاز به عملکرد بهتر و پایداری در چرخه عمر خواندن و نوشتن داده ها بین ۲۰.۰۰۰ تا ۳۰.۰۰۰ مورد انتظار است استفاده می شود. به نسبت فلش های SLC ارزان‌تر و همچنین حفظ موارد و جنبه های مثبت فلش SLC.
TLC چیست؟
ذخیره سه بیت داده در هر سلول. فلش های TLC ارزان‌ترین نوع فلش برای تولید است. عمر چرخه خواندن و نوشتن برای هر سلول کمتر از ۳،۰۰۰ تا ۵،۰۰۰ است.
QLC چیست؟
ذخیره چهار بیت داده در هر سلول. در این فناوری حجم حافظه بیشتر شده و قیمت تمام‌شده به ازای هر گیگابایت نیز پایین تر آمده است. انتظار می رود که عمر چرخه خواندن و نوشتن برای هر سلول در این فناوری ۱۰۰ باشد، اما سازندگان توانسته اند آن را تا ۱،۰۰۰ بالا ببرند.
اما این عمر چرخه یا P/E Cycle چیست که در هاردهای SSD به یکی از پارامترهای مهم تبدیل شده است؟
P/E مخفف کلمه PROGRAM / ERASE است. این اصطلاح از زمان تولید فلش مموری به وجود آمد و معیاری برای اندازه گیری استقامت و تحمل حافظه های ذخیره سازی است. منظور از چرخه‌ی P/E یک رشته از فرآیندهایی است که در آنها دیتا در یک حافظه SSD نوشته شده، سپس پاک شده و بازنویسی می شود. چرخه های Program-Erase می توانند به عنوان یک معیار برای تعیین کردن طول عمر دستگاه ذخیره سازی فلش به کارگرفته شوند.
در جدول زیر این دسته ها مورد بررسی قرار گرفته اند:
نوع فلش | SLCSingle Level Cell | eMLCEnterpriseMulti-Level Cell | MLCMulti-Level Cell | TLCTriple-Level Cell | QLCQuad Level Cell |
| سیکل خواندن / نوشتن | ۹۰,۰۰۰-۱۰۰,۰۰۰ | ۲۰,۰۰۰-۳۰,۰۰۰ | ۸,۰۰۰-۱۰,۰۰۰ | ۳,۰۰۰-۵,۰۰۰ | ۱,۰۰۰ |
| بیت در سلول | ۱ | ۲ | ۲ | ۳ | ۴ |
| سرعت نوشتن | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★☆☆☆ | ★☆☆☆☆ |
| پایداری | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★☆☆☆ | ★☆☆☆☆ |
| قیمت | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★☆☆☆ | ★☆☆☆☆ |
| کاربرد | صنعت/تجاری | صنعت/تجاری | مصرف کننده/بازی | مصرف کننده | مصرف کننده |
NAND سه بعدی چیست؟
نسل جدید حافظه های ذخیره سازی در حقیقت یک معماری برای طراحی فلش‌های تجهیزات ذخیره‌سازی است که با عنوان فلش‌های ۳D NAND یا V-NAND شناخته می‌شوند و شرکت‌هایی که در زمینه تولید چیپ‌های فلش فعالیت می‌کنند به توسعه ساختار فعلی فلش‌ها با استفاده از ساختار ۳D Nand Flash روی آورده‌اند تا بتوانند به بهترین کارایی و پایین ترین قیمت در بازار رقابتی تجهیزات ذخیره‌سازی دست یابند.
اما چه تفاوتی بین NAND سه بعدی و نسل قبلی آن یعنی NAND دوبعدی وجود دارد؟
در ساختار فلش‌های دو وجهی سلول‌ها در راستای محورهای X و Y کنار هم قرار می‌گیرند و بسته به اندازه فیزیکی سلول‌ها می‌تواند تا حجم محدودی از ذخیره‌سازی اطلاعات را پشتیبانی کند. در حالی که ساختار V-NAND لایه‌هایی از سلول‌ها روی هم قرار می‌گیرند و از راستای محور Z هم استفاده می‌شود و بدیهی است که حجم ذخیره‌سازی به صورت قابل توجهی افزایش می‌یابد. در کنار این ساختار فیزیکی از الگوریتم‌هایی نیز برای کاهش نرخ خطا و کاهش مصرف انرژی نیز استفاده شده تا کارایی بهینه‌ای را نیز از این معماری شاهد باشیم. شکل زیر به خوبی تفاوت این دو فناوری را با هم نشان می دهد:
با استفاده از سبک جدید ساخت حافظه به‌صورت لایه‌ای، داده‌‌ی بسیار بیشتری نسبت به قبل در همان فضای فیزیکی قبلی جای می‌گیرد. علاوه بر این، تکنیک‌های کوچک‌سازی به‌صورت پشته‌ای عمل می‌کنند؛ به این معنی که می‌توان لایه‌های بیشتری را در یک ماژول حافظه قرار داد.
بزرگترین مزیت ساختار ۳D Nand Flash ظرفیت بالای ذخیره‌سازی در آنها در قیاس با سایز فیزیکی این نوع فلش است که باعث پایین آمدن قیمت تمام‌شده به ازای هر گیگابایت می‌شود. از دیگر مزیت‌های ساختار ۳D Nand Flash می‌توان به افزایش قابل توجه کارایی نسبت به ساختار دو وجهی اشاره کرد. همچنین مصرف انرژی در حافظه‌هایی که بر اساس این تکنولوژی ساخته می‌شوند کمتر است.
نتیجه گیری
همانطور که متوجه شدید هر چه از فناوری SLC به سمت QLC می رویم، ظرفیت حافظه بیشتر و قیمت آن ارزان تر می شود. اما در مقابل سرعت نیز بشکل قابل توجهی کاهش می یابد. وجود این تنگه (Bottleneck) در فناوری QLC مانع استفاده از آنها در سرورهایی که نیاز به کارایی دارند، می شود. در آینده نزدیک فناوری PLC که در آن ۵ بیت در هر سلول قرار می گیرد نیز خواهد آمد که اوضاع را بدتر نیز خواهد کرد. با اینکه بسیاری از تولیدکنندگان سعی کرده اند با قرار دادن حافظه کش SLC در کنار حافظه QLC، سرعت را بالاتر ببرند اما باز مشکل بطور کامل حل نشده است.
اما فناوری X-NAND که به تازگی و در نشست سالانه فلش مموری ها در سال ۲۰۲۰ و توسط شرکت NEO Semiconductor معرفی شده است، می تواند این مشکل بزرگ سرعت را حل کند. در این فناوری ادعا شده که سرعت SLC و ظرفیت بالای QLC را در کنار هم خواهیم داشت!!! البته هنوز صحبتی از نوع تکنولوژی به کار گرفته شده و تاریخ دقیق عرضه آن نیست و باید همچنان منتظر آمدن آن به بازار باشیم.
