آشنایی کامل با بخش های مختلف SSD ها (کالبد شکافی فنی)

عزیزان و همراهان “مجموعه سخت افزار”،از آنجایی که یکی از وظایف سخت افزار ارائه مقالات تخصصی است،ما نیز به این بخش از فعالیت خود اهمیت داده و همواره در پی ارائه این دسته از مقالات هستیم.از سوی دیگر بسیاری از خوانندگان ما به طور تخصصی پیگیر مباحث فوق هستند و استقبال شما دوستان از این مقالات بسیار بالا است.اینبار نیز برای اولین بار تصمیم به توضیح بلوک دیاگرام (Block Diagram) درایوهای سالید (SSD) گرفتیم.برای غرق شدن در دنیای SSD ها با ما همراه باشید.

درایو سالید (solid state drive) یک اکوسیستم تک هدفه است که به منظور ذخیره انواع اطلاعات به صورت دیجیتالی طراحی و تولید شده است.درایوهای سالید در انواع متفاوت تولید می شوند که از جمله آنها می توان به مدل های مشهور 2.5 اینچی،PCIe،M.2 و مدل های سرور اشاره کرد.در این مطلب قصد پرداخت به انواع درایوهای سالید را نداریم.برای آشنایی سطحی با مهمترین انواع SSD می تواند به مطلب معرفی انواع درایوهای سالید مراجعه نمایید.اما الگوریتم اجرای درایوهای سالید بین اکثر مدل ها مشترک است.منظور از اکثر مدل ها،مدل های کاربری است؛چرا که در برخی از مدل های سرور و صنعتی شاهد تغییراتی در بلوک دیاگرام هستیم.به عنوان مثال به دلیل اهمیت خطا یابی و امنیت در مدل های صنعتی،ساختار سخت افزاری آنها نیز متفاوت و به قول معروف سفارشی است.

(شماتیک فنی که در ادامه به توضیح بخش ها می پردازیم)

SSD ها فاقد هر گونه قطعه مکانیکی هستند و به همین علت مصرف انرژی در آنها بسیار پایین است.اما ساختار آنها بسیار پیچیده از هارد دیسک ها (HDD) است.شاید پس از باز کردن کابینت یک درایو سالید شما تنها مجموعه ای ساده از قطعات SMD و NAND ها را مشاهده کنید.اما پیچیدگی این اکوسیستم به حدی است که می توان در باره آن یک کتاب را به نگارش در آورد.تمامی درایوهای سالید از IC هایی نیمه هادی تحت عنوان NAND بهره می برند.در زمان تولید SSD ها بحث بر استفاده از دو نوع تراشه وجود داشت.تراشه های NOR و NAND.تفاوت اصلی این دو تراشه در گیت و سیستم خوانندگی آنها است.تراشه های NOR به طور عمده در بخش هایی مانند ROM مورد استفاده هستند.در تراشه های NOR سلول های حافظه به صورت موازی به یکدیگر متصل هستند و این در حالی است که تراشه های NAND به صورت سریال به یکدیگر متصل هستند.اما به چه علت تراشه های NAND انتخاب شدند؟نمیتوان تراشه های NOR را فاقد کیفیت کافی دانست.به واقع هر کدام برای کاربردی خاص در نظر گرفته شدند.اما هزینه تولید بالا و سرعت خواندن/نوشتن کمتر به نسبت NAND ها باعث انتخاب NAND به عنوان سخت افزار مادر شد.NOR ها هم بیکار نیستند.تجهیزاتی مانند گوشی های موبایل،حافظه های رم و ROM از جمله بخش هایی هستند که این IC ها را درون خود حمل می کنند.

(شماتیک یک IC NOR)

و اما تراشه های NAND.تراشه های NAND نیز به چند زیر مجموعه تمیز داده می شوند.عموم تراشه های NAND امروزی به 3 دسته تقسیم می شوند.MLC،TLC و SLC.تراشه های SLC هر یک از سلول های حافظه،یک بیت اطلاعات را درون خود ذخیره می کنند.اما معایب و مزایای SLC در چیست؟تراشه های SLC به دلیل استفاده از تنها یک لایه،بسیار سریع هستند.از سوی دیگر به دلیل ذخیره پایین در تک لایه،هزینه NAND های SLC بالاتر از دیگر معماری ها است.در نتیجه سالید هایی که با این استاندارد تولید می شوند،از حجم و عمر کمتر به نسبت رقبا برخوردار هستند.معماری MLC امکانات بسیار بهتری را در اختیار تولید کنندگان گذارد.در معماری MLC هر سلول تعداد بیشتری از بیت های داده را درون خود ذخیره می کند.این مهم از طریق شارژ ولتاژی متفاوت صورت می پذیرد.گیت شناور کمک های شایانی به این نوع از طراحی کرده است.

این تراکم در سلول های حافظه موجب آن شده است که IC های با توان ذخیره سازی بالا تولید شوند.به عبارت ساده یک قطعه می تواند حجم بیشتری از اطلاعات را درون خود ذخیره نماید.به همین علت شاهد تولید سالید های میان قیمت در این روزها هستیم.تراشه های TLC نیز تنها از نظر حجم اطلاعات قابل پوشش به نسبت دو معماری دیگر برتری دارند.بهتر است برای شناسایی نقاط قوت و ضعف هر 3 استاندارد،آنها در یک جدول ساده نمایش دهیم.

این 3 استاندارد،به طور عمومی برای تولید انواع SSD ها استفاده می شود.از سوی دیگر با ورود فناوری هایی مانند V-NAND از سامسونگ و یا 3D-XPONIT کمپانی اینتل،بسیاری از معادلات ذکر شده بهم ریخته است.توانایی ذخیره سازی بیشتر در یک NAND،سرعت بسیار بالاتر از استانداردهای موجود و کاهش توان مصرفی از جمله دستاوردهای این فناوری ها هستند.لایه گذاری 3D را برای اولین بار سامسونگ الکترونیک در سالید های خود به خدمت گرفت.

از استانداردهای معماری که بگذریم،به مبحث مهم الگوریتم معماری و بلوک دیاگرام می رسیم.همانطور که در ابتدای متن نیز به آن اشاره شد،درایوهای سالید در انواع مدل های مختلف تولید می شوند اما شماتیک فنی آنها تقریبا یکسان است.در تصویر ابتدایی (تصویر 1) شاهد بلوک دیاگرامی ساده اما کامل هستیم.

تراشه NAND

تراشه های NAND را در بخش های اولیه توضیح داده و بدانید که زین پس این قطعات با هر ظاهر و تعدادی که دیده شود،همان نیمه هادی های اصلی هستند.به عبارت دیگر مهمترین بخش یک SSD.

اینترفیس ارتباطی (Interface)

در این قسمت پروتکل ارتباطی تعیین شده است.اینترفیس ها می توانند USB،PCI،SATA و…باشند.البته پروتکل های M.2 نیز از دو رابط PCIe و ساتا پشتیبانی می کنند.در مادربردهای جدید و به لطف چیپست های جدید،اکثر ارتباط های M.2 با باس PCIe در ارتباط است.هر چند که رسیدن به حداکثر سرعت حتی در رابط های نسل سوم از ساتا نیز چندان اتفاق نمی افتد.در چیپست های جدید نیز به دلیل انبوه آدرس دهی های HSIO مشکلی در اختصاص مسیر به این حافظه های وجود ندارد.حتی یک چیپست سطح متوسط مانند B150 نیز قادر به آدرس دهی 18 مسیر HSIO است.

SMART

این قسمت (SMART) شاید در برخی محدود از سالید ها موجود نباشد اما امروزه استفاده از آن بیشتر شده است.قابلیت SMART در سالید ها بسیاری از اطلاعات را مانیتور می کند.نمایش سوابق،درصد چرخه مقاومت،تخمین عمر باقی مانده و به طور کلی وضعیت سالید از جمله وظایف این قسمت است.

Wear Leveling

همانطور که می دانید،تمامی IC های NAND دارای عمری مشخص هستند.تعداد چرخه خواندن و نوشتن در آنها به اصطلاح تخصصی سیکل نامیده می شود.اما آیا تا به حال با خود فکر کرده اید که اگر یک یا چند IC که در “خوش آمد” قرار گرفته اند،مدام در حال خواندن/نوشتن باشند،به طور حتم آنها را زودتر از دست خواهیم داد؟ Wear Levelingوظیفه ی مدیریت الگوریتم سلول ها را به منظور ذخیره سازی،در دست دارد.کنترل آن که یک بخش مدام در چرخه قرار نگیرد و باقی سلول های نیز به همان اندازه در سیکل شریک باشند،وظیفه این بخش به شمار می رود.

موتور رمز گذاری (Encrypt & Decrypt Engine)

درایوهای سالید نیز همواره نیازمند حفظ امنیت هستند.برنامه هایی هستند که به وسیله یک بخش سخت افزاری و یک قسمت نرم افزاری،موتورهای امنیت را تشکیل می دهند.در نتیجه این قسمت وظیفه رمزگذاری و رمز گشایی را بر عهده دارد.یکی از برجسته ترین روش های رمز گذاری، AES256 است.

بافر و کش (Buffer/Cache)

بسیاری از حافظه های موجود،تراشه ها،ریزپردازنده و پردازنده ها،دارای حافظه های نهان،رجیستر و یا ثبات هستند.این مورد چه در سخت افزارهای قدیمی و چه در مدل های جدید،وجود دارد.حافظه های سالید نیز از این امر مستثنی نیستند.SSD ها از حافظه های SRAM/DRAM برای این قسمت استفاده می کنند.حجم این حافظه،به طور مستقیم بسته به حجم درایو دارد.

پردازنده یا کنترلر (CPU/RISC Processor)

به طور حتم در هنگام خرید و یا مطالعه اطلاعات یک درایو سالید،با نام پردازنده و یا کنترلر برخورد داشته اید.پردازش و نظارت بر اطلاعات،موارد مرتبط با نوع ذخیره سازی،سرعت و به طور کلی تصمیمات مهم یک درایو سالید بر عهده تراشه مورد نظر است.

موتور ECC

واژه ECC را در حافظه های رم مورد استفاده در کامپیوترهای ایستگاه کاری و سرور بسیار شنیده ایم.موتور ECC وظیفه چک کردن خطاهای پیش آمده و رفع آنها را بر عهده دارد.به طور کلی با وجود ECC می توان تضمینی برای عدم کرش های داخلی و سرعت مناسب را در کنار قابلیت اعتماد به دست آورد.

Write Abort

این تابع یک لایه امنیتی است.در زمان قطع ناگهانی جریان و مشکلات پیش آمده که به هر علتی و به صورت ناگهانی موجب از دست رفتن روند عادی ارسال/دریافت گردد، Write Abortمانند یک سوپاپ اطمینان عمل کرده و جلوی از دست رفتن اطلاعات را حد ممکن خواهد گرفت.

Miscellaneous I/O

این تابع بسیار ساده است.کنترل پین های NAND و همچنین کمک به برنامه نویسی.

NAND Memory Interface

علاوه بر ارتباط درایو سالید با اینترفیس های دیگر،درون برنامه نیز نیازمند انتخاب بک اینترفیس هستیم.یک استاندارد برای ارتباط NAND ها با سامانه دیجیتالی و برد اصلی که به خروجی ختم می گردد.این قسمت،رابط حافظه داخلی است.بسته به نوع NAND ها،بین یک الی 10 و حتی بیشتر کانال وجود دارد.هر کانال می تواند بخش های متفاوت از NAND را پوشش دهد.

Defect Management

یکی از مشکلات فنی که گریبانگیر SSD ها است،خرابی تعدادی ترانزیستور و یا بخشی از بلوک های یک و یا حتی چند IC است.در این مواقع نیاز به برخی اقدامات وجود دارد.خروج قسمت مورد نظر از سیکل و یا حتی جایگزین کردن آن.حتما از خود می پرسید جایگزین با چی؟بله،در برخی از درایوها،مقدار کمی حافظه یدکی وجود دارد که در صورت خرابی،جایگزین قسمت مورد نظر می گردد.

در نهایت…

تمامی سعی بنده در ساده سازی اما با حفظ نکات تخصصی بوده است.لازم به ذکر است که عدم پرداخت به گزینه هایی مانند ولتاژ و آمپر،به دلیل تنوع بسیار زیاد است.امیدواریم این مقاله کمک کوچکی در آشنایی شما سروران با درایوهای سالید (SSD) باشد.