كيف يعمل القرص الصلب من نوع Ssd؟

كيف يعمل القرص الصلب من نوع Ssd؟

منذ أن بدأ القرص الصلب من نوع SSD باجتياح الأسواق، بادر العديد من الأشخاص إلى استبدال القرص الصلب HDD بآخر SSD، لكن ما هو محرك الأقراص SSD؟ وكيف يعمل القرص الصلب SSD؟

تاريخ الأقراص الصلبة.

في عام 1956، قامت شركة IBM بصناعة أول محرك أقراص ثابت في العالم، أو HDD، في نظام RAMAC 305.

استخدم محرك الأقراص 50 طبقًا مقاس 24 بوصة (61 سم)، وقام بتخزين 5 ميغا بايت من البيانات واحتلت مساحة أكبر من ثلاجتين. والتكلفة؟ فقط 50,000 دولار.

منذ ذلك الحين، أصبحت محركات الأقراص الثابتة أصغر حجمًا وأكثر اتساعًا، ولحسن الحظ، أصبحت أقل تكلفة. على سبيل المثال، يوفر محرك الأقراص الثابتة للكمبيوتر المحمول Seagate Momentus، بعامل شكل 2.5 بوصة (6.4 سم)، 750 جيجا بايت من التخزين بأقل من 100 دولار.

ولكن حتى مع تقنيات الحماية المتقدمة، يمكن لمحرك الأقراص Momentus، مثل جميع محركات الأقراص الثابتة، أن يتعطل ويحترق، ويأخذ معه بيانات ثمينة.

ذلك لأن محركات الأقراص الصلبة بها أجزاء ميكانيكية يمكن أن تتعطل. أسقط جهاز كمبيوتر محمول، ويمكن لرؤوس القراءة والكتابة أن تلمس الأطباق الدوارة. ينتج عن هذا دائمًا فقدان شديد للبيانات.

لحسن الحظ، قد يتسبب نوع جديد من محركات أقراص الكمبيوتر في حدوث أعطال قديمة مثل التي ذكرناها. يُعرف باسم محرك الحالة الصلبة، أو القرص الصلب SSD، ويستخدم رقائق أشباه الموصلات، وليس الوسائط المغناطيسية، لتخزين البيانات.

جهاز الكمبيوتر الخاص بك يأتي بالفعل مع رقائق، بالطبع. تحتوي اللوحة الأم على جزء منها يحتوي على ذاكرة نظام جهازك، أو ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، حيث يتم تخزين المعلومات ومعالجتها أثناء تشغيل الكمبيوتر.

تشير أنواع أجهزة الكمبيوتر إلى هذه الذاكرة على أنها ذاكرة متقلبة لأنها تتبخر بمجرد أن يفقد جهازك الطاقة. توفر الرقائق المستخدمة في محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة ذاكرة غير متطايرة، مما يعني أن البيانات تظل ثابتة حتى بدون طاقة.

لا توجد رقائق SSD على اللوحة الأم أيضًا. لديهم منزلهم الخاص في جزء آخر من الكمبيوتر. في الواقع، يمكنك إزالة القرص الصلب لجهاز الكمبيوتر المحمول واستبداله بمحرك أقراص ذي حالة صلبة، دون التأثير على أي مكونات أساسية أخرى.

ما هو محرك الحالة الصلبة SSD؟

في لغة الكمبيوتر، هناك فرق بين الذاكرة والتخزين. تحتوي ذاكرة الوصول العشوائي، أو ذاكرة الوصول العشوائي (أو الذاكرة فقط)، على البرنامج الذي ينفذه الكمبيوتر، بالإضافة إلى أي بيانات.

مثل ذاكرة الشخص قصيرة المدى، ذاكرة الوصول العشوائي عابرة وتتطلب القوة للقيام بعملها.

التخزين، من ناحية أخرى، يحتوي على جميع عناصر حياتك الرقمي، مثلا التطبيقات والملفات والصور والموسيقى. إنه يحتفظ بهذه الأشياء حتى إذا تم فصل الطاقة.

كل من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) والتخزين يتباهى بسعتهما بناءً على عدد البايت الذي يمكنهم الاحتفاظ به. بالنسبة للكمبيوتر الحديث، تأتي ذاكرة الوصول العشوائي عادةً بحجم 4 أو 6 أو 8 غيغابايت.

يمكن أن يكون للتخزين سعة أكبر بما يقرب من 100 مرة، محرك الأقراص الثابتة لجهاز كمبيوتر محمول نموذجي، على سبيل المثال، يمكن أن يستوعب 500 غيغابايت.

تحتوي بعض أجهزة التخزين على ما يُشار إليه بذاكرة فلا ، وهو مصطلح محير يطمس الخط الفاصل بين ذاكرة الوصول العشوائي والتخزين. لا تزال الأجهزة المزودة بذاكرة فلاش تحتوي على الكثير من المعلومات، وهي تفعل ذلك سواء كانت الطاقة موصلة أم لا.

ولكن على عكس محركات الأقراص الثابتة HDD، التي تحتوي على أطباق دوارة وأذرع تشبه الأقراص الدوارة تحمل رؤوس قراءة وكتابة، فإن أجهزة ذاكرة الفلاش لا تحتوي على أجزاء ميكانيكية.

إنها مبنية من ترانزستورات ومكونات أخرى تجدها على شريحة كمبيوتر. ونتيجة لذلك، فإنهم يتمتعون بعلامة – الحالة الصلبة – محجوزة للأجهزة التي تستفيد من خصائص أشباه الموصلات.

ذاكرة الفلاش.

هناك نوعان من ذاكرة الفلاش: NOR و NAND. كلاهما يحتوي على خلايا – ترانزستورات – في شبكة، لكن الأسلاك بين الخلايا تختلف.

في فلاش NOR، يتم توصيل الخلايا بالتوازي. في فلاش NAND، يتم توصيل الخلايا في سلسلة. لأن خلايا NOR تحتوي على المزيد من الأسلاك، فهي أكبر وأكثر تعقيدًا. تتطلب خلايا NAND عددًا أقل من الأسلاك ويمكن تعبئتها على شريحة بكثافة أكبر.

ونتيجة لذلك، يكون فلاش NAND أقل تكلفة، ويمكنه قراءة البيانات وكتابتها بسرعة أكبر. هذا يجعل NAND flash تقنية تخزين مثالية ويشرح سبب كونه النوع السائد من الذاكرة في محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة.

يعد NOR flash مثاليًا للتطبيقات منخفضة الكثافة وعالية السرعة والقراءة فقط، مثل تلك الموجودة في تطبيقات تخزين التعليمات البرمجية.

مسلحين بهذه الخلفية، يمكننا تقديم تعريف أكثر دقة لمحرك الأقراص ذي الحالة الصلبة SSD: إنه جهاز يستخدم فلاش NAND لتوفير ذاكرة غير متطايرة وقابلة لإعادة الكتابة.

في أجهزة الكمبيوتر، يمكن استخدام محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة كجهاز تخزين، ليحل محل محرك الأقراص الثابتة التقليدي.

في الواقع، ينتج المصنعون محركات أقراص صلبة ذات أشكال وبصمات أقدام تشبه محركات الأقراص الثابتة بحيث يمكن استخدام التقنيتين بالتبادل.

ولكن هنا تنتهي أوجه التشابه. إذا فتحت غلاف محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة، فلن ترى الأطباق وأذرع المحرك.

إقرأ أيضاً… ما هو الفرق بين القرص الصلب HDD و SSD ؟ أيهما أفضل وأسرع ؟

كيف يعمل القرص الصلب من نوع SSD؟

من الخارج، تبدو محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة SSD تمامًا مثل محركات الأقراص الثابتة. إنها مستطيلة الشكل ومغطاة بغطاء من المعدن المصقول وحجمها يناسب عوامل الشكل القياسية الصناعية لمحركات الأقراص الثابتة – عادةً 2.5 و 3.5 بوصة (6.4 و 8.9 سم).

ولكن تحت السطح الخارجي الفضي، ستجد مجموعة من الرقائق منظمة على لوح، بدون وسائط مغناطيسية أو بصرية في الأفق. يمكن أن تتناسب الكثير من هذه الأشياء مع مساحة أصغر، لكن مصنعي أقراص SSD يلبسون مكوناتهم في “غلاف” إضافي للتأكد من ملاءمتها لفتحات محرك الأقراص الموجودة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية.

بالمقارنة مع البساطة الصارخة لمحرك الأقراص المزود بذاكرة مصنوعة من مكونات صلبة، فإن الأجزاء الداخلية للقرص الصلب هي أعجوبة في الحركة والصوت والنشاط.

يمكن أن تدور الأطباق الدائرية، المرتبة على مغزل، بسرعة 7200 دورة في الدقيقة. ذراع مشغل، يتفرع إلى رؤوس متعددة للقراءة والكتابة، يتسابق عبر الأطباق بسرعات سريعة لا يمكن رؤيتها.

يتصل الذراع بكتلة المشغل، والتي تحمل التعليمات الخاصة بتحريك رؤوس القراءة والكتابة. نظرًا لاستدعاء هذه التعليمات، أحيانًا حتى 50 مرة في الثانية، يدور الذراع في أحد طرفيه ويحرك الرؤوس في انسجام تام فوق الأطباق.

بمجرد وصول الرأس إلى موقع معين على طبق، ينتج مغناطيس كهربائي مجالًا مغناطيسيًا، والذي يحاذي مجالات نقل البيانات في المسار الأساسي. يمكن محاذاة كل مجال في واحد من اتجاهين محتملين – 1 أو 0. مع تغير هذه المحاذاة، فإنها تشكل أنماطًا تتوافق مع أجزاء منفصلة من المعلومات الرقمية.

فلاش NAND ومحرك SSD.

يقوم فلاش NAND الخاص بمحرك الأقراص ذي الحالة الصلبة بتخزين البيانات بشكل مختلف.

تذكر أن فلاش NAND يحتوي على ترانزستورات مرتبة في شبكة بها أعمدة وصفوف. إذا كانت سلسلة من الترانزستورات توصل تيارًا، فستكون قيمتها 1. إذا لم تكن موصلة للتيار، فستكون 0.

في البداية، يتم ضبط جميع الترانزستورات على 1. ولكن عندما تبدأ عملية الحفظ، يتم حظر التيار الكهربائي على بعض الترانزستورات، تحويلها إلى 0. يحدث هذا بسبب كيفية ترتيب الترانزستورات.

عند كل تقاطع بين العمود والصف، يشكل ترانزستوران خلية. يُعرف أحد الترانزستورات باسم بوابة التحكم، ويعرف الآخر بالبوابة العائمة.

عندما يصل التيار إلى بوابة التحكم، تتدفق الإلكترونات إلى البوابة العائمة، مما ينتج صافي شحنة موجبة تقطع تدفق التيار. من خلال تطبيق الفولتية الدقيقة على الترانزستورات، يظهر نمط فريد من 1 و 0.

يأتي فلاش NAND في شكلين بناءً على عدد 1s و 0s التي يمكن تخزينها في كل خلية. الخلية أحادية المستوى (SLC) تخزن NAND بت واحد – إما 1 أو 0 – لكل خلية. الخلية متعددة المستويات (MLC) تخزن NAND بتتين لكل خلية.

يوفر فلاش MLC سعة أعلى، لكنه يبلى بسرعة أكبر. ومع ذلك، فهي أقل تكلفة لكل جيجابايت من SLC، ونتيجة لذلك، فهي التكنولوجيا المفضلة في جميع محركات أقراص الحالة الثابتة على مستوى المستهلك تقريبًا.

كانت التكلفة إحدى أكبر عقبات ذاكرة الفلاش، وبالتالي محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة. لكن في السنوات الأخيرة، انخفضت التكاليف بشكل كبير.

في الوقت نفسه، استحوذت التطورات في تطوير فلاش NAND على ما هو جيد في التكنولوجيا وجعلها أفضل. بعد ذلك، سنلقي نظرة على إيجابيات محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة.

إيجابيات محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة SSD.

لقد استثمرت في جهاز كمبيوتر محمول من الطراز الأول مع محرك أقراص ثابتة بسعة 500 غيغابايت، وهو يعمل بشكل رائع. لديك كل الصور ومقاطع الفيديو الخاصة بك، ومكتبتك الموسيقية بأكملها، وخمس روايات نصف مكتملة وتطبيقات وافرة معبأة في أطباق محرك الأقراص.

لماذا قد تفكر في استبدال محرك الأقراص الثابتة بمحرك أقراص مزود بذاكرة مصنوعة من مكونات صلبة؟

الحقيقة القاسية هي أن محركات الأقراص الصلبة يمكن أن تفشل وتعطب، غالبًا أكثر مما توحي به المواصفات الفنية. على سبيل المثال، يقوم مصنعو محركات الأقراص الثابتة بتقييم موثوقية منتجاتهم باستخدام مقياس يُعرف بمتوسط ​​الوقت بين حالات الفشل، أو MTBF.

يتمتع محرك الأقراص الثابتة النموذجي للمستهلك بتصنيف MTBF يبلغ 500000 ساعة، مما يعني أنه في عينة من محركات الأقراص التي تم اختبارها، سيكون هناك عطل واحد كل 500000 ساعة من الاختبار.

هذا فشل واحد كل 57 عامًا، والذي يبدو جيدًا، أليس كذلك؟ لسوء الحظ، فإن نتائج MTBF مضللة. إنها تأتي من تقييم إحصائي يعتمد على حجم عينة صغير وفترة زمنية قصيرة.

في الواقع، قد ترغب أيضًا في التفكير في ضمان نموذجي لمحرك الأقراص الصلبة ومدة الخدمة (من ثلاث إلى خمس سنوات أو نحو ذلك)، جنبًا إلى جنب مع درجة MTBF.

نظرًا لعدم احتوائها على أجزاء متحركة، يمكن لمحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة توفير موثوقية محسّنة. يمكنهم تقييم ما يصل إلى 2.5 مليون ساعة MTBF، مما يعني على الأرجح إضافة سنوات قليلة أخرى إلى عمر الجهاز.

الإيجابية الأكبر هي أداء محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة مقارنة بمحركات الأقراص الثابتة.

مع عدم وجود رؤوس متحركة وأطباق دوارة، يمكن لمحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة الوصول إلى جزء واحد من البيانات بسرعة مثل أي قطعة أخرى، حتى لو لم تكن في نفس القرب.

مقارنة في السرعة.

تتجلى سرعة الجهاز في جميع مهام وحدة المعالجة المركزية الرئيسية، من تمهيد برنامج النظام إلى فتح الملفات وقراءة البيانات وكتابتها. تقارن الرموز النقطية التالية محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة ومحركات الأقراص الثابتة في هذه الأنشطة المهمة:

  • وقت التمهيد (Windows 7): 22 ثانية (SSD)، 40 ثانية (HDD).
  • سرعة قراءة وكتابة البيانات: 510-550 ميجابايت في الثانية (SSD)، 50-150 ميجابايت في الثانية (HDD).
  • سرعة فتح ملف Excel: 4 ثوانٍ (SSD)، 14 ثانية (HDD).

كل هذا يضيف على الإيجابيات. حتى المستخدم العادي سيلاحظ زيادة كبيرة في أداء جهاز كمبيوتر مزود بمحرك أقراص ذي حالة صلبة. لكن المستخدم القوي سيشعر حقًا بالفرق.

كان مصمموا الألعاب ورساموا الرسوم المتحركة وغيرهم من الأشخاص الذين يقدمون ملفات إخراج ضخمة من أوائل المستخدمين الذين تبنوا محركات أقراص الحالة الثابتة لمجرد الوقت التراكمي الذي يمكنهم فيه توفير القراءة والكتابة للملفات الكبيرة.

اليوم، سيقدّر اللاعبون والمصورون وأي شخص يقوم بتحرير الرسومات أو ملفات الفيديو الزيادة في السرعة التي يوفرها محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة.

أخيرًا، تستهلك أقراص SSD طاقة أقل بكثير من محركات الأقراص الثابتة التقليدية، مما يعني أنها تحافظ على عمر البطارية وتبقى أكثر برودة.

إنها أيضًا هادئة للغاية، مع عدم وجود أي طنين أو نقر تحصل عليه باستخدام محركات الأقراص الثابتة. ستقدر هذا أكثر إذا كنت مسافرًا بشكل متكرر وغالبًا ما يكون جهاز الكمبيوتر الخاص بك جالسًا على ركبتيك، ولكن حتى إذا ظل الكمبيوتر المحمول الخاص بك ثابتًا في معظم الأوقات، يمكن لجهاز أكثر برودة وهدوءًا أن يحدث فرقًا ملحوظًا في راحة جهازك.

إقرأ أيضاً… ما هو إلغاء تجزئة “تقسيم” القرص الصلب؟ وما هي فوائده؟

سلبيات محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة SSD.

يبدو أن استبدال محرك الأقراص الثابتة بمحرك أقراص ذي حالة صلبة أمر لا يحتاج إلى تفكير. ولكن قبل إجراء التبديل، يجب أن تفهم سلبيات محركات أقراص الحالة الثابتة. مثل التكلفة.

على الرغم من انخفاض الأسعار بشكل مطرد، لا تزال ذاكرة فلاش NAND باهظة الثمن. للحصول على 240 غيغابايت من التخزين على قرص SSD، على سبيل المثال، يمكنك صرف 50 دولارًا.

ثم هناك قضية طول العمر. لا يمكن استخدام فلاش NAND المستخدم في محركات أقراص الحالة الصلبة إلا لعدد محدود من عمليات الكتابة. لماذا ا؟ لأن محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة لا يمكنها كتابة جزء واحد من المعلومات دون محوها أولاً ثم إعادة كتابة كتل كبيرة جدًا من البيانات في وقت واحد.

في كل مرة تمر فيها الخلية بدورة محو، يتم ترك بعض الشحنة في ترانزستور البوابة العائمة، مما يغير مقاومتها. مع بناء المقاومة، يزداد مقدار التيار المطلوب لتغيير البوابة.

في النهاية، لا يمكن قلب البوابة على الإطلاق، مما يجعلها عديمة الفائدة. لا تؤثر عملية التحلل هذه على إمكانيات القراءة الخاصة بـ SSD، لأن القراءة تتطلب فقط فحص، وليس تغيير، الفولتية للخلايا.

ماذا عن ذاكرة فلاش NAND؟

نتيجة لذلك، يمكن لفلاش NAND “التعفن” في حالة القراءة فقط. تستخدم بعض الشركات المصنعة شيئًا يسمى تسوية التآكل لمواجهة تدهور فلاش NAND.

توزع هذه التقنية البيانات التي يتم كتابتها عبر جميع الكتل للتأكد من أن ذاكرة الفلاش تبلى بشكل متساوٍ، ولكن حتى مع ذلك، فإن محركات الأقراص الثابتة SSD سوف تتحلل بمرور الوقت.

توفر ذاكرة فلاش NAND لمجموعة متنوعة من الخلايا أحادية المستوى بشكل عام 50000 دورة برنامج / محو. يتلاشى وميض مجموعة الخلايا متعددة المستويات – النوع المستخدم في المنتجات على مستوى المستهلك – بعد حوالي 5000 دورة.

لهذا السبب، يستخدم العديد من مراكز البيانات والتقنيين مزيجًا من SSD و HDD. تتمثل إحدى الطرق في استخدام محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة في جهاز كمبيوتر محمول ومحرك أقراص ثابت تقليدي كمخزن خارجي يحمل الموسيقى والصور والملفات الأخرى.

يجمع هذا بين أفضل ما في العالمين، الوصول العشوائي فائق السرعة إلى البيانات لمحرك أقراص الحالة الصلبة مع السعة العالية وغير المكلفة نسبيًا لمحركات الأقراص الثابتة.

إذا كان هذا يبدو جيدًا بالنسبة لك، فستحتاج إلى البدء في التسوق للحصول على محرك أقراص صلب مناسب. تشمل الشركات المصنعة الرائدة Samsung و Seagate و SanDisk و PNY و Toshiba و OCZ Technology.