همه چيز درباره ي حافظه هاي حالت جامد

مزاياي درايوهاي حالت جامد يا solid state غيرقابل انکار است. گرچه، هنگام سوئيچ کردن به اين آخرين و جديدترين تکنولوژي ذخيره سازي، با تعدادي نقاط ضعف نيز مواجه مي شويم. اين مقاله، اطلاعاتي براي هر دو طيف افراد تازه کار و همچنين حرفه اي هاي اين حوزه از فناوري، فراهم مي آورد. به نظر مي رسد درايوهاي حالت جامد يا (Solid state drives) SSD همه چيز دارند: ظرفيت هاي ذخيره سازي تا 512 گيگابايت، کارآيي خيره کننده، مصرف انرژي و گرماي اندک، و دوام فيزيکي قابل توجه. با توجه به نفوذ اين تکنولوژي در کاربردهاي خانگي و تجاري، ما در اين مقاله به جنبه هاي مختلف آن خواهيم پرداخت.

بازار SSD
 

در ابتدا ما بايد بازار را به سگمنت هاي مختلف تقسيم کنيم. يک روش براي رسيدن به چنين پارتيشن بندي در بازار، در نظر گرفتن تفاوت بين عرضه و ارائه هاي هزينه اندک يا low-cost، جريان اصلي يا mainstream و high-end است. شما وقتي به دنبال ريويوهايي براي SSD يا مقايسه ي قيمت براي آن هستيد، معمولاً با اين نوع تقسيم بندي روبرو مي شويد. در رويکردي ديگر، بين محصولاتي که براي مصرف کننده توليد مي شود با محصولات کلاس تجاري، تفاوت قائل مي شويم که مي توانيم اين نوع تقسيم بندي را به سيستم هاي کلاينت در مقابل سرور، تفسير کنيم. از آنجائيکه تکنولوژي به کار رفته در اين دو گروه، مشابه هم است، اين مقاله هر دو حوزه را پوشش مي دهد و در مواقع لزوم، به مفاهيم خاص و ويژه اشاره مي نمايد.

محصولات تجاري، نوعاً در فروشگاه هاي خرده فروشي در دسترس قرار ندارند، زيرا اين ها عموماً با هدف استفاده از کمپاني هايي که سرورهاي بزرگ و سيستم هاي مخصوص ذخيره سازي را مونتاژ مي کنند، توليد مي شوند. سازندگان SSD، نظير سامسونگ، اينتل، ميکرون و توشيبا معمولاً پشتيباني ويژه اي براي تامين کنندگان راه حل هاي تجاري فراهم مي آورند. سامسونگ اخيراً همکاري خود با Seagate را براي ساخت SSD هاي کلاس تجاري اعلام کرد. واضح است که شمارش معکوس افول دنياي وسائل ذخيره سازي سنتي سيليکوني و مغناطيسي آغاز شده است.

گرايش ها و روش هاي توسعه
 

در حالي که سطوح کارآيي SSDها به سرعت توسعه پيدا کرده است، ظرفيت ها به واسطه ي روند کند و آهسته ي افزايش در NAND bit density چنين پيشرفتي را پشت سر نگذاشته اند. تقاضاي بسيار عمده در بخش تلفن هاي هوشمند، توسعه ي SSD در محيط هاي PC را به سمت اين بخش کشيده است و انتقال به حافظه ي فلش 3 بيتي، بسيار کندتر از چيزي که انتظار مي رفت، در حال پيشرفت است. درنتيجه، قيمت SSDها بيش از پيش متعادل مي شود؛ اما به نظر نمي رسد که به اين زودي ها بتوانند با پيشرفتي که در افزايش ظرفيت ذخيره سازي ديسک هاي سخت در جريان است مقابله يا در اين نبرد شرکت کنند.
بنابراين انتظار مي رود SSDها در مقايسه با درايوهاي سخت سنتي، کماکان نقش آفريني اندکي داشته باشند اما سال 2010 سالي بود که SSDها توجه عمده اي را به خود جلب کردند. قيمت محصولات entry-level به کم تر از 99 دلار رسيد. در بخش تجاري، بايد مصرف انرژي را هم در نظر گرفت. مطالعه اي که در سال 2008 توسط McKinsey & Company انجام گرفت، نشان داد که datacenterها، نيم درصد انرژي کل جهان را مصرف و بيش تر از کشور آرژانتين، گاز CO2 ايجاد مي کنند. EPA تخمين مي زند که مصرف انرژي datacenterها در سال 2011 در ايالات متحده ي آمريکا به 3 درصدخواهد رسيد و اين امر باعث مي شود SSDها، به عاملي اساسي در صرفه جويي در انرژي تبديل شوند.

يک نگاه کلي
 

در حالي که مشخصات فني SSDهاي بخش تجاري و کلاينت، تفاوت عمده اي با هم ندارد، انتخاب درايو يا محيط مناسب از اهميت زيادي برخوردار است. ما در اين جا نگاهي به چگونگي کارکرد SSD خواهيم کرد و براي شما توضيح مي دهيم اين ها چه کاري مي توانند براي شما انجام دهند. در هنگام به کارگيري آن ها چگونه بايد دقت به خرج دهيد، فعاليت تجاري شما به چه ترتيب تحت تاثير قرار خواهد گرفت و در نهايت به شما خواهيم گفت در هنگام خريد آن ها چگونه تصميم درستي اتخاذ نمائيد.

SSDها چگونه کار مي کنند؟
 

در SSDهاي داخلي که ما اکنون درباره ي آن ها حرف مي زنيم، حافظه ي فلش به همراه کنترلر، در درون يک برد مدار چاپي يا PCB نصب مي شوند و داخل يک محفظه ي کوچک جاي مي گيرند. اين محفظه نوعا به شکل يکي از فرم فاکتورهاي 1.8، 2.5 يا 3.5 اينچي است که همه ي ما آن ها را از زمان ديسک هاي سخت سنتي دوست داشته ايم. اين ها مي توانند در داخل PCها، لپ تاپ ها، يا راک هاي سرور جاي بگيرند. البته شکي نيست که flash SSDها، بسيار شبيه ديسک هاي سخت هستند و مثل آن ها عمل مي کنند با اين تفاوت که هيچ بخش متحرکي ندارند و در عين حال وزن شان نيز کم تر است. علاوه بر اين، SSDهاي مدرن، به خنک کنندگي کمي نياز دارند. اغلب SSDها از يک محفظه ي 2.5 اينچي و سرعت اينترفيس 3 يا 6 گيگابيت بر ثانيه برخوردار هستند.

MCL و SCL NAND Flash
 

تمام محصولات SSD فلش، از نظر کارکرد داخلي، داده ها را بر روي سلول تک لايه (single-layer cell) يا حافظه ي سلول چندلايه ي NAND که قادر است يک بيت منفرد يا چندين بيت را (بسته به تک لايه يا چند لايه بودن) در هر سلول ذخيره کند، حفظ مي نمايند. سلول هاي SLC در مقايسه با MLC ظرفيت ذخيره سازي کم تري در هر ترانزيستور ارائه مي کنند اما داراي کارآيي نوشتن بالاتر و عمر داده هاي طولاني تري هستند.

ساختارهاي مدرن کنترلر
 

طراحي تمام SSDها بر اساس کنترلرهاي فلشي که مدارات ذخيره سازي را راه اندازي مي کنند و از طريق درگاه SATA به سيستم متصل مي نمايند، انجام مي گيرد. طراحي هاي جديدتر از "مغز" کنترلر براي کاربردهاي متفاوت بهره مي گيرند. به عنوان مثال، ماندگاري داده ها با استفاده از الگوريتم هاي سطح بندي يا Leveling صورت مي گيرد و به ما اطمينان مي دهد که توزيع به کارگيري سلول هاي حافظه ي فلش به منظور به حداکثر رساندن عمر مفيد وسيله تا حد امکان به شکل "زوج" صورت مي گيرد. کارآيي نيز با استفاده از کانال هاي متعدد حافظه ي فلش، load balancing و روش هاي متعدد caching به انجام مي رسد. برخي از کنترلرها داراي cache مجتمع هستند و برخي ديگر با يک چيپ حافظه ي DRAM مجزا کار مي کنند و بعضي ديگر از بخشي از حافظه ي فلش در چندين کانال براي سازمان دهي مجدد داده ها بهره برداري مي نمايند.

Toggle DDR NAND Flash
 

چند ماه قبل کمپاني سامسونگ حافظه ي فلش Toggle DDR NAND را معرفي کرد. اين، يک طراحي حافظه ي فلش است که داده ها را طي افزايش و کاهش لبه ي سيگنال حافظه که بسيار شبيه به DDR DRAM است، منتقل مي کند. اين روش، براي اولين بار در بخش تجاري معرفي شد اما به زودي در SSDهاي مصرفي نيز در دسترس قرار گرفت. مزيت اصلي Toggle DDR، پهناي باند آن است که از 66 تا 133 مگابيت بر ثانيه در مقابل 40 مگابيت بر ثانيه افزايش پيدا کرده است. درايوهايي که از اين روش جديد استفاده مي کنند احتمالاً از پيک پهناي باند بيش تر بهره نمي گيرند اما به جاي آن سعي مي کنند کارآيي SATA II بر روي اينترفيس هاي 3 گيگابيت بر ثانيه اي را به حداکثر برسانند و در عين حال مصرف انرژي را کاهش دهند. به دليل اهميت اين موضوع، ما توضيح بيش تري در مورد آن ارائه خواهيم داد.

تعدادي عدد: کارآيي و مصرف انرژي
 

هيچ جايگزيني براي مطالعه ي ريويوها و مقايسه ي اطلاعات مقايسه اي قبل از خريد SSDها وجود ندارد، خصوصاً اگر شما به دنبال درايوهاي بزرگ تري براي سرورها باشيد. تمام توليدکنندگان ادعا مي کنند Throughtput خواندن و نوشتن معادل 230+ و 180+ مگابيت بر ثانيه به همراه عمليات I/O را براي درايوهاي توليدي خود فراهم مي کنند. در حالي که بسياري از محصولات به اين حد نصاب مي رسند وقتي موضوع Peak کارايي به ميان مي آيد، کارآيي حداقل و متوسط مي تواند به شکل قابل توجهي کم تر باشد. اين بدان معنا است که شما هميشه بايد بر روي کارآيي حداقل حساب کنيد تا از مواجهه با مشکل در فعاليت تجاري خود دور بمانيد. در انتها بايد اشاره کنيم درايوي که معمولا از سرعت نوشتن حدود 200 مگابايت بر ثانيه برخوردار است هنوز هم براي محيط هاي با کارآيي بالا نامناسب است حتي اگر در اين جا و آن جا به 40 مگابيت بر ثانيه افول کند.

I/O، زندگي ديجيتال ما را ممکن مي سازد
 

به تدريج ديگر اين موضوع که SSD با سرعت 220 يا 250 مگابايت بر ثانيه قادر به خواندن باشد يا اگر بتواند با سرعت 210 يا 180 مگابايت بر ثانيه بنويسد، اهميتي ندارد. فقط افراد بسيار حرفه اي مي توانند اين تفاوت را حس کنند. هرچند، SSDها در سناريوهاي تجاري، تفاوت بسيار عمده اي را نشان مي دهند.

اگر در مورد تعداد کاربراني که در هر لحظه به يک سرور وارد مي شوند فکر کنيد، متوجه مي شويد که ما در مورد تعداد I/Oهايي که هيچ کس هرگز قادر به مشخص کردن آن نيست صحبت مي کنيم. Facebook به تنهايي داراي بيش از 400 ميليون کاربر فعال است و هريک از درخواست هاي Login آن ها، عمليات خواندن/نوشتن بسيار زيادي را به اجرا درمي آورد. عليرغم اين ترافيک فوق العاده، ما انتظار داريم تمام کليک ها و درخواست هاي مان به سرعت پاسخ داده شود. حالا در نظر بگيريد ردپاي ديجيتال شما چگونه انتشار پيدا مي کند: Loginها در سايت هاي گوناگون، تحليل ها، رديابي ها، پست هاي مجدد توسط ساير کاربران و غيره و غيره. ما براي کمک به مديريت اين حجم از داده ها به SSD با کارآيي بالا نياز داريم.

مصرف انرژي
 

همين تفکر را مي توانيم به موضوع مصرف انرژي نيز تعميم دهيم. چرا ما بايد به درايوهايي با مصرف کم تر از 0.1W idle power که از نسلي به نسل ديگر از 2w به 1.5w مي رسند اهميت بدهيم؟ با وجود لپ تاپ ها، اين موضوع فقط در زماني مصداق پيدا مي کند که هنگام مسافرت نگران ميزان مصرف باتري باشيم. اما از ديدگاه جهاني، خصوصاً از منظر data centerها، هر وات مي تواند اهميت داشته باشد. براساس IDC، قيمت سرورهاي خريداري شده در سال 2009 بالغ بر 42/2 ميليارد دلار بوده است. هزينه ي انرژي مورد نياز براي کارکرد اين سرورها معادل 32/6 ميليارد دلار بوده است. هر وات انرژي براي کارکرد data centerها نياز به 2،5 وات انرژي اضافي براي خنک کردن آن دارد.

به کجا مي رويم؟
 

بديهي است که اين اعداد در حال تغيير هستند. در جائي که کمپاني ها قبلاً به دنبال گيگابايت ها يا ميزان کارآيي براي هر دلار بودند، مديران امروز بيش تر نگران I/O ها براي هر دلار، I/O ها براي هر وات و گاهي گيگابايت براي هر وات هستند. در انتها بايد بگوئيم چيزي که اهميت دارد توسعه ي کارآيي و ظرفيت Data Centerها بدون توسعه ي فيزيکي خود Data Center است.

معيارها و استانداردهاي تجاري
 

اجازه دهيد براي چند دقيقه نگاهي به اين معيارها بيندازيم. اگر هرگز تفاوت هاي بين SSDها و درايوهاي ديسک سخت را مطالعه نکرده باشيد اين مقايسه ها مي تواند براي تان قابل توجه و جالب باشد. اگرچه اين داده ها حاصل مقايسه هاي سامسونگ بر روي SSDهاي سبز هستند اعدادي که ارائه مي شوند از نتايج تست هاي ما در بخش قبلي اين مقاله به دست آمده اند.

محدوديت ها و نقاط ضعف کارآيي
 

اجازه دهيد به چند مسئله که بايد هنگام طرح ريزي براي روي آوردن به SSDها در نظر بگيريم، بپردازيم. ما قبلاً به مسائل مرتبط با کارآيي اشاره کرده بوديم. اين مسئله اي بود که مبتلا به نسل هاي قديمي تر بود که با گذشت زمان توسعه پيدا کرده است. اما شما بايد مراقب باشيد. اغلب آيتم هاي زير براي PCهاي کلاينت و همچنين براي محيط هاي تجاري مصداق دارد.

پشتيباني از RAID
 

از نظر تکنيکي، تمام درايوهاي SATA مي توانند از آرايه هاي RAID و با استفاده از کنترلرهاي مناسب بهره برداري کنند. اين اغلب مسئله اي مربوط به firmware است اما بايد قبل از سرمايه گذاري بر روي محصولات SSD خاص چک شود. گاهي اوقات ويژگي TRIM به واسطه ي پشتيباني ناقص از AHCI کار نمي کند.

Defragmentation
 

درايوهاي ديسک سخت براي اطمينان از اين که فايل هاي پر استفاده در سريع ترين سکتورها در دسترس هستند و فايل هاي بزرگ تر بر روي ديسک پراکنده نمي شوند که اين موضوع باعث افزايش زمان بازيابي و دسترسي به آن ها مي شود بايد به طور مرتب Defragment شوند. درايوهاي سخت بايد تا حد ممکن به شکل پشت سرهم خوانده و نوشته شوند زيرا حرکت فيزيکي هدها تاخير را افزايش مي دهد. اين براي SSDها مصداق ندارد زيرا داده ها هميشه توسط کنترلر SSD در سرتاسر درايو توزيع مي شوند. اين موضوعي عادي است. استفاده از ابزار Defragmentation بر روي SSDها کاري غيرموثر و مغاير با بهره وري است. بنابراين شما بايد گزينه ي defrag را غيرفعال کنيد.

پشتيباني از TRIM
 

ويژگي TRIM توسط سيستم عامل و براي آگاه ساختن SSD در مورد بلاک هايي که حذف شده اند و براي داده هاي جديدي که در دسترس قرار دارند مورد استفاده قرار مي گيرد. اين به SSDها اجازه مي دهد نوشتن ها را به روشي که حداکثر کارآيي نوشتن را حفظ مي کند بهينه کنند. SSDها اين کار را به شکل دروني انجام مي دهند اما اين فرآيند وقتي توسط سيستم عامل آگاه به فايل اجرا شود بسيار موثرتر است. TRIM به پشتيباني از SSD Firmware و سيستم عامل نياز دارد. درايوها و کنترلر ذخيره سازي نيز بايد از AHCI پشتيباني کنند. اين اغلب به معناي استفاده از ويندوز7 يا Windows Server2008R2, Linux Kernel2.6.33 يا FreeBSD9 است. تمام سيستم هاي قديمي تر از TRIM پشتيباني نخواهند کرد که اين امر منجر به کارآيي بسيار محدود نوشتن مي شود. گرچه پشتيباني از TRIM پيچيده است و بنابراين بايد پشتيباني از آن را چک کنيد.
TRIM توسط SSDهاي اينتل با firmware02HA و بالاتر، Indilinux1819 و بالاتر، تمام ابزار Jmicron612/618، سخت افزار Marvell با Firmware0002، تمام ابزار VBM19C1Qfirmware SandForce, Samsung براي درايوهاي PB22 و تمام SSDهاي 470 سامسونگ پشتيباني مي شود. ابزار Crystal Disk info کمک بزرگي در زمينه ي کنترل firmware و SSD فراهم مي کند.

توصيه هايي براي به کارگيري SSD
 

در حالي که SSDها به شکل بسيار قابل توجهي به شتاب دهي زمان پاسخ گويي و کارآيي سيستم کمک مي کنند، تعداد زياد عمليات I/O آن ها در هر ثانيه فقط در زماني که سيستم بتواند همگام با ضرباهنگ آن حرکت کند، افزايش پيدا مي کند. ما يک تحليل کارآيي در مقايسه ي کارآيي SSD بر روي سيستم هاي با و بدون مکانيزم هاي صرفه جويي قدرت پردازنده انجام داديم که نشان مي داد اين صرفه جويي در قدرت تاثيري منفي بر روي کارآيي SSD دارد. تجربه نشان مي دهد که همين موضوع در مورد سناريوهايي که به I/O زيادي نياز دارند، نيز مصداق دارد. يک پنتيوم 4 قديمي I/O Throughput يک SSD مدرن را اداره نمي کند در حالي که يک Xeon چهارهسته اي يا Core i5/i7 اين کار را انجام مي دهد. بدين ترتيب شما بايد قبل از ارتقاء به SSDها، سرورهاي قديمي را روزآمد کنيد. با در نظر گرفتن اين نکته که کنترلرهاي مدرن از توزيع نوشتن مراقبت مي کنند، و حذف فايل هميشه باعث حذف فيزيکي بلاک ها نمي شود، ما توصيه مي کنيم يک استراتژي ايمن حذف را براي درايوهايي که در آينده از رده خارج مي شوند در پيش بگيريد. ابزاري مثل Secure Erase4.0 مي توانند در اين زمينه به شما کمک کنند.

پشتيباني از Firmware
 

محصول SSDي را که هيچ ارتقايي براي Firmware فراهم نمي کند انتخاب نکنيد. ارتقاها اغلب هميشه مي توانند کارآيي را افزايش دهند.

RAM کافي
 

اغلب افراد فکر مي کنند که يک SSD بسيار سريع براي ميزباني فايل جابجايي سيستم مناسب است. اين درست است اما روش بهتر فراهم نمودن مقدار کافي حافظه ي اصلي به منظور پرهيز از فعاليت فايل جابجايي است. راه حل هايي با بيش تر از 8 گيگابايت RAM و RAM درايوهايي که براي حفظ فايل جابه جايي به کار گرفته مي شوند، روش بهتري به شمار مي روند.

منبع: ماهنامه ي کامپيوتري بزرگراه رايانه، شماره ي 136.