حافظه‌ حالت جامد چگونه کار می‌کنند

عملکرد حافظه‌های حافظه حالت جامد در کامپیوترهای شخصی چگونه است؟

برخی از کاربران در زمان انتخاب یک رسانه ذخیره‌ساز کمی دچار تردید می‌شوند که بهتر است یک حافظه SSD را تهیه کنند یا همان انتخاب همیشگی را انجام داده و یک هارددیسک سنتی را خریداری کنند. برای آن‌که بتوانیم به این پرسش به شکل علمی و منطقی پاسخ دهیم در ابتدا باید اطلاعات مختصری در ارتباط با نحوه عملکرد حافظه‌ها در کامپیوتر ارائه کنیم. در سامانه‌های کامپیوتری معماری حافظه‌ها از سه بخش اصلی کش، حافظه و درایو ذخیره‌ساز داده‌ها تشکیل شده است. هر یک از این مولفه‌ها نقشی کلیدی در سامانه‌های کامپیوتری بازی می‌کنند. کش یا (حافظه نهان) یک حافظه داخلی است. فرآیندهای (پردازه‌ها) محاسباتی از کش به عنوان حافظه‌ای با دسترسی بالا استفاده می‌کند. کش به دلیل این‌که مسیر الکتریکی کوتاهی دارد سرعت بسیار بالایی داشته و در نتیجه دسترسی به اطلاعات درون آن به شکل بلادرنگ انجام شود. به دلیل این‌که کش حافظه‌‌ای بسیار کوچک است، در نتیجه اطلاعات داخلی آن به شکل مستمر بازنویسی می‌شوند.

حافظه اصلی کامپیوتر یا همان RAM (حافظه با دسترسی تصادفی) نقش یک پل ارتباطی را بازی می‌کند. حافظه اصلی مکانی است که برنامه‌های کاربردی و پردازه‌های در حال اجرا اطلاعات خود را درون آن نگه‌داری می‌کنند. سرعت دسترسی به داده‌های درون حافظه اصلی در مقایسه با کش کمی کندتر است.

درایو ذخیره‌سازی داده‌ها، مکانی است که اطلاعات به شکل دائمی روی آن ذخیره می‌شود. این همان مکانی است که شما برنامه‌های کاربردی، فایل‌هایی با پیکربندی ویژه، اسناد، فایل‌های موسیقی، فیلم‌ها و هر گونه محتوای دیگری را روی آن قرار می‌دهید. زمانی که در نظر دارید فایلی را باز یا نرم‌افزاری را اجرا کنید، کامپیوتر باید اطلاعات مربوطه را از روی درایو خوانده و به حافظه اصلی وارد کند.

اما سه مولفه‌ای که به آن‌ها اشاره شد، به لحاظ سرعت تفاوت‌های بسیاری با یکدیگر دارند. سرعت دو مولفه کش و حافظه اصلی بر مبنای نانوثانیه محاسبه می‌شود، در حالی که سرعت هارددیسک‌های سنتی بر مبنای میلی‌ثانیه محاسبه می‌شود. در نتیجه باید بگوییم که رسانه‌های ذخیره‌ساز اصلی‌ترین عامل کند شدن سرعت یک سامانه کامپیوتری هستند. در نتیجه حتا اگر از سریع‌ترین پردازنده و از حافظه‌هایی با کمترین زمان تاخیر استفاده کنید، اما در مقابل رسانه ذخیره‌ساز سرعت پایینی داشته باشد، در عمل کارایی را به شدت کاهش می‌دهد. این درست همان نقطه‌ای که حافظه‌های حالت جامد به یاری شما می‌آیند. حافظه‌های حالت جامد در مقایسه با هارددیسک‌های سنتی سرعت بیشتری دارند که کاهش زمان تاخیر برای واکشی داده‌ها و اجرای نرم‌افزارهای کاربردی و پردازه‌ها را به همراه دارند.

حافظه‌ SSD چگونه کار می‌کنند؟

حافظه‌های حالت جامد به عنوان جایگزین اصلی هارددیسک‌های سنتی برای ذخیره‌سازی داده‌ها شناخته می‌شوند. اما تفاوتی اساسی با هارددیسک‌های سنتی دارند. حافظه‌های حالت جامد از گونه خاصی از حافظه‌ها موسوم به حافظه‌ فلش (flash memory) استفاده می‌کنند که شباهت زیادی به حافظه اصلی کامپیوتر دارند، اما برعکس حافظه اصلی با قطع برق اطلاعات درون آن‌ها از دست نرفته و حفظ می‌شوند. در نقطه مقابل هارددیسک‌های سنتی از تعدادی صفحه مغناطیسی همراه با هد ساخته شده است. عملکرد هاردیسک‌های سنتی را می‌توانید شبیه به دیسک‌ها گرامافونی که در ایام قدیم مشاهده می‌کردید تصویر کنید. در هارددیسک‌های سنتی، صفحه‌ها باید چرخیده شوند تا هد بتواند اطلاعات را خوانده و به مکان درست داده‌ها دسترسی پیدا کند. حافظه‌های حالت جامد شبکه‌ای از سلول‌های الکتریکی را برای افزایش سرعت خواندن و نوشتن داده‌ها استفاده می‌کنند. این شبکه‌ها به بخش‌های جداگانه‌ای تقسیم می‌شوند که صفحات (pages) نامیده می‌شوند. اطلاعات درون این صفحات ذخیره‌سازی می‌شوند. مجموعه‌ای از  صفحات یک بلوک را شکل می‌دهند. حافظه‌های حالت جامد به دلیل این‌که فاقد هرگونه عنصر متحرکی هستند و همه چیز در جای خود قرار دارند به نام حافظه‌های حالت جامد (SSD) نامیده می‌شوند.

فاقد هرگونه مولفه متحرک به چه معنا است؟

در حافظه‌های حالت جامد داده‌ها تنها در صفحات خالی هر بلوک نوشته می‌شوند، در حالی که روی هارددیسک‌های سنتی امکان نوشتن داده‌ها در هر مکانی از دیسک در هر لحظه امکان‌پذیر بوده که این راهکار سهولت بازنویسی داده‌ها را به وجود می‌آورد. در حافظه‌های حالت جامد این امکان وجود ندارد تا داده‌های صفحات را به شکل مستقیم بازنویسی کرد و تنها این امکان وجود دارد که داده‌ها در فضای خالی صفحات هر بلوک نوشته شوند.

فرآیند پاک کردن داده‌ها چگونه انجام می‌شود؟

هر زمان تعداد کافی صفحه خالی در هر بلوک به وجود آید، حافظه حالت جامد همه اطلاعاتی که در آن بلوک قرار دارد را به حافظه اصلی انتقال داده و دومرتبه اطلاعات را از حافظه اصلی واکشی کرده و به بلوک وارد کرده و صفحاتی که استفاده نشده‌اند را به شکل خالی  قرار می‌دهد. دقت کنید که فرآیند حذف اطلاعات از حافظه حالت جامد به معنای آن نیست که اطلاعات برای همیشه حذف خواهند شد. همین مسئله باعث می‌شود که با گذر زمان حافظه‌های حالت جامد آهنگ کند شدن پیدا کنند. زمانی که حافظه حالت جامد جدیدی را خریداری می‌کنید، همه بلوک‌های حافظه جدید شامل صفحات خالی هستند. در این حالت هر زمان تصمیم می‌گیرید داده جدیدی را بنویسید، حافظه در یک چشم بر هم زمان این فرآیند را انجام می‌دهد. اما هر چه زمان سپری می‌شود، اطلاعات بیشتری روی حافظه نوشته شده و صفحات خالی بیشتری پر می‌شوند که این مسئله باعث پدیدار شدن صفحات پراکنده‌ای می‌شود که سراسر بلوک‌ها را فرا می‌گیرند. به دلیل این‌که حافظه‌های حالت جامد بر عکس هاردیسک‌های سنتی امکان بازنویسی دومرتبه داده‌های موجود در یک صفحه را ندارند، در نتیجه هر زمان بخواهید داده جدیدی به آن انتقال دهید حافظه حالت جامد در اولین گام به دنبال بلوکی خواهد بود که صفحات استفاده نشده کافی در اختیار داشته باشد. در مرحله بعد صفحات موردنیاز بلوک را شناسایی و ثبت می‌کند. در مرحله سوم همه صفحات بلوک را خالی کرده و صفحات موردنیاز را بازنویسی می‌کند، در مرحله آخر صفحات باقی‌مانده را با داده‌های جدید پر می‌کند. در این فرآیند پس از آن‌که همه صفحات خالی یک حافظه حالت جامد پر شدند، حافظه به منظور نوشتن هرگونه داده جدیدی مراحلی که به آن‌ها اشاره شد را تکرار می‌کند. بیشتر حافظه‌های حالت جامد بر مبنای این تکنیک کار می‌کنند. در حالی که این فرآیندها ممکن است زمان‌بر به نظر برسند اما همه چیز به سرعت انجام شده و حتا با گذشت زمان نیز سرعت حافظه‌های حالت جامد بازهم بیشتر از هارددیسک‌های سنتی خواهد بود.

آیا حافظه‌های حالت جامد فاقد عیب هستند؟

اکنون که تا حدودی با عملکرد حافظه‌های حالت جامد آشنا شدید، اکنون زمان آن رسیده است که مشکل بزرگ آن‌ها را نیز تشریح کنیم. حافظه‌های حالت جامد تنها به دفعات محدودی از فرآیند رونویسی داده‌ها پشتیبانی می‌کنند و به تدریج به پایان عمر خود وارد خواهند شد. اما چرا عمر مفید حافظه‌های حالت جامد کمتر از هارددیسک‌های سنتی است؟ در پاسخ به این پرسش باید بگوییم زمانی که از یک حافظه حالت جامد استفاده می‌کنید، جریان الکتریکی که انرژی هر سلول داده‌ای را تامین می‌کند باید در سیکل‌های دوره‌ای نوسازی شود. در هر مرتبه ریست شدن، مقاومت الکتریکی که درون هر سلول وجود دارد افزایش پیدا می‌کند که همین موضوع افزایش ولتاژی که برای نوشتن اطلاعات به هر سلول نیاز است را به وجود می‌آورد. به تدریج که ولتاژ افزایش پیدا می‌کند فرآیند نوشتن روی سلول غیر ممکن خواهد شد که به عبارت ساده‌تر خرابی سلول را به وجود می‌آورد. در نتیجه شما به دفعات محدودی قادر هستید اطلاعات را روی سلول‌های داده‌های حافظه‌های حالت جامد بنویسید. البته به عنوان یک قاعده کلی این موضوع را مدنظر داشته باشید که ظرفیت‌های بالای حافظه‌های حالت جامد عمر بیشتری نسبت به ظرفیت‌های پایین دارند. همچنین نوع تراشه به کار گرفته شده نیز SLC، MLC و TLC در طول عمر بالای حافظه‌ها حائز اهمیت هستند.