رؤساء قراءة وداعا! أو كيف تعمل ذاكرة الفلاش
مرحبًا Geektimes! غالبًا ما نتحدث عن فوائد محركات الأقراص الصلبة ، ونكشف عن الأساطير حول محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة ، ومؤخرًا ذهبنا إلى الإنتاج . لكن كيف ، في الواقع ، تعمل ذاكرة الفلاش؟ ما الفرق بين الأنواع المختلفة من NAND؟ جميع أولئك الذين يرغبون في فهم هذه القضايا مرحب بهم في القطط.انظر إلى الماضي
قبل أن نبدأ محادثتنا ، دعونا نتذكر باختصار محركات الأقراص الصلبة. كما تعلم ، يقوم الأخير بتخزين المعلومات على العديد من الألواح المغناطيسية ، والتي يطلق عليها بشكل شائع الأطباق. في شكل مبسط ، يتلقى مشغل ذو رؤوس قراءة معلومات ، ولإكمال عمليات القراءة / الكتابة ، يدور القرص طوال الوقت. من الصعب البقاء هنا لفترة طويلة ، ولكن من المهم أن تفهم النقطة.نظرًا لأن كتلة رؤوس الأقراص يجب أن تتزامن مع منطقة معينة (مسار) لقراءة البيانات أو كتابتها ، ويدور القرص باستمرار ، يستغرق الأمر بعض الوقت قبل أن يتمكنوا من الوصول إلى المعلومات وسيكون القطاع المطلوب تحت الرأس ، خاصة إذا كانت الطلبات فوضوية. على الرغم من أن تأخير محرك الأقراص الثابتة يُقاس بالمللي ثانية ، فهذا يكفي لجعل وحدة المعالجة المركزية تنتظر ، ويقاس تأخيرها بالنانو ثانية. في مللي ثانية واحدة ، ومليون نانو ثانية ، وفي المتوسط ، يحتاج محرك الأقراص الثابتة من 10 إلى 15 مللي ثانية للبحث عن المعلومات والبدء في قراءتها. نعم ، الآن هناك حلول تصل سرعة دورانها إلى 15 ألف دورة في الدقيقة ، ولكن حتى أسرع محركات الأقراص الصلبة لن تكون بالسرعة التي نرغب بها.جزء من النظرية
ربما أنا وأنت سنكون راضين بمحركات الأقراص الصلبة السريعة "للغاية" (كما قال هنري فورد: "إذا سألت الناس ماذا يريدون ، فسيطلبون مني إنشاء خيول سريعة") ، ولكنهم يدفعون الشركات المصنعة ، من بينها خاصتك عبد متواضع ، الفائدة لا تقف ثابتة . ظهرت SSD (محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة أو محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة) ، حيث يتم تخزين المعلومات ليس على الأقراص الدوارة ، ولكن باستخدام ذاكرة فلاش NAND. سوف نتناولها بالتفصيل.في حالة NAND ، يتم تخزين المعلومات في مجموعة من خلايا الذاكرة - وهي عبارة عن ترانزستورات ذات بوابة عائمة (بوابة عائمة). اعتمادًا على اتجاه الجهد ، تتحرك الإلكترونات بين بوابة التحكم وقناة NAND.بمجرد تطبيق الجهد على بوابة التحكم ، تبدأ الإلكترونات في الانجذاب إلى الأعلى - حيث يساعدها المجال الكهربائي الناتج على الوصول إلى البوابة العائمة ، والتغلب على عقبة مصنوعة من أكسيد. يعمل هذا الأخير كعازل ، لأنه بفضله لا تتحرك الإلكترونات خارج البوابة العائمة. هكذا تحدث برمجة الخلية.تبدو عملية محو الخلية عكسًا تمامًا - يتم تطبيق الجهد على القناة ، وتتحرك الإلكترونات من البوابة العائمة عبر الأكسيد مرة أخرى من خلال تأريض بوابة التحكم.تعمل خلية ذات ترانزستور واحد على النحو التالي. اعتمادًا على وجود أو عدم وجود شحنة على بوابة عائمة ، يتم تحديد حالة الترانزستور سواء كانت مفتوحة أو مغلقة. عند النظر في تزويد الجهد إلى بوابة التحكم على أنه تهيئة لخلية الذاكرة ، يمكن للمرء أن يحكم على وجود أو عدم وجود شحن على البوابة العائمة بالجهد بين المصدر والصرف. إذا وضعت إلكترونًا على بوابة عائمة وقمت بتطبيق الجهد على بوابة التحكم ، فسيتم إغلاق الترانزستور. نحصل على خلية ذاكرة يمكنها تخزين بتة واحدة. عند استخدام طريقة حقن الإلكترون الساخنة ، يتم تطبيق الجهد على الصرف وبوابة التحكم ، مما يؤدي إلى حركة الإلكترونات عبر الحاجز.الخلية التي تحتوي على ترانزستورات هي تعديل لترانزستور واحد. في هذه الحالة ، يعزل الترانزستور (العادي) خط البت من ترانزستور البوابة العائمة.تتم إزالة الشحنة من البوابة العائمة عن طريق تطبيق جهد سلبي على بوابة التحكم (جهد إيجابي في المصدر). ونتيجة لذلك ، لدينا نفق Fowler - Nordheim: تتحرك الإلكترونات (نفق) من منطقة البوابة العائمة إلى المصدر.دورة إعادة الكتابة. قبل برمجة خلية جديدة باستخدام إلكترونات جديدة ، يجب عليك أولاً مسح الخلايا القديمة. من الناحية العملية ، لا يضطر معظم المستخدمين إلى الانتباه إلى عدد دورات إعادة الكتابة ، لأن مورد SSD يكفي بسهولة لأي كمية من البيانات المسجلة. صحيح ، هناك استثناءات مزعجة ، ولكن هذا هو السببالضمان من الشركة المصنعة .في محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة ، تتكون ذاكرة الفلاش من كتل ، بينما تتكون الأخيرة من صفحات. تتم كتابة المعلومات على هذه الصفحات ، ولتحديث البيانات ، لا يكفي فقط إعادة كتابة الصفحات غير ذات الصلة. لذا يتم أولاً نقل البيانات من الصفحات القديمة إلى الصفحات الجديدة ، ثم إرسالها إلى كتلة أخرى ، وبعد ذلك فقط يتم محو الكتلة مع البيانات غير ذات الصلة. بمجرد مسح الكتلة ، سيكون لك حرية كتابة بيانات جديدة. مثل هذه العملية الصعبة - في الشكل المرئي ، تبدو أكثر قابلية للفهم.من الواضح أن غياب الأقراص المتحركة (والأجزاء المتحركة) هو أحد المزايا الرئيسية لمحركات الأقراص الصلبة على الأقراص الصلبة ، وهذا ما يسمح لمحركات الأقراص الصلبة SSD بالعمل بسرعات أعلى بكثير من محركات الأقراص الصلبة. للتوضيح ، فيما يلي جدول ملخص عن وقت التأخير لأنواع مختلفة من NAND و HDD.SLC ، MLC ، TLC ليست مجرد اختصارات ، فهي تشير إلى عدد البتات في كل خلية. بالنسبة لـ SLC (فردي) ، هذا هو بت واحد ، لـ MLC (متعدد) ، بتتان ، لـ TLC (Triple) ، على التوالي ، ثلاث بتات. ونتيجة لذلك ، يخزن MLC ضعف المعلومات مثل SLC ، وهذا على الرغم من حقيقة أن عدد الخلايا هو نفسه. بشكل عام ، مبدأ التشغيل لهذه الأنواع من NAND هو نفسه ، والذي لا يمكن قوله عن التحمل.على مدى فترة من الزمن ، قد يكون الهيكل المادي للخلايا عرضة للتآكل بسبب انخفاض طبقة الأكسيد الناجم عن نشاط الإلكترون. ونتيجة لذلك ، تتراكم الإلكترونات شحنة سالبة وتتعثر ، ويتم تطبيق جهد أعلى ، وتنخفض طبقة الأكسيد مرة أخرى. تبين مثل هذه الحلقة المفرغة.SLC و MLC و TLC تختلف في التحمل. على سبيل المثال ، إذا أخذنا بلورة NAND بكثافة 16 جيجابت ، نحصل على 16 جيجابت SLC على الرغم من حقيقة وجود بت واحد في كل خلية. وفقًا لذلك ، بالنسبة لـ MLC ، سيكون 32 جيجابت في الثانية ، وبالنسبة لـ TLC - 48 جيجابت في الثانية. صحيح ، في الحالة الأخيرة ، لا يزال يتعين قطع بلورة NAND ، ونتيجة لذلك ، يتم الحصول على ما يعادل 32 جيجابت في MLC. من برأيك قادر على تحمل أكبر التغيرات في الجهد؟مع مستويين (0.1) ، فإن SLC لديه أفضل مؤشر لهذه المعلمة - هذا النوع من NAND يتحمل مجموعة واسعة من تقلبات الجهد. مع زيادة المستويات ، ينخفض هذا النطاق ، وبالتالي فإن TLC بمستوياته الثمانية و 3 بتات في الخلية لديه أقل عدد من دورات إعادة الكتابة.نظرًا لأن مشكلات تقليل الشريحة كانت مشكلة منذ فترة طويلة ، فإن 3D NAND يحل محل ذاكرة فلاش NAND المستوية الحديثة. أقل عرضة للتلف بسبب عدم الحاجة إلى جهد عالي عند كتابة البيانات إلى الخلية. يعمل المصنعون على تطوير هذه المنطقة بنشاط وإعطاء أسماء التكنولوجيا الخاصة بهم (لـ Samsung - 3D V-NAND ، و Toshiba - BiCS 3D NAND وما إلى ذلك). النقطة هي أنه في هذه الحالة نحصل على أسطوانة بطبقة عليا في دور مصراع التحكم ، بينما تعمل الطبقة الداخلية كعازل. تقع الخلايا نفسها تحت بعضها البعض ، وتشكيل كومة. يقع منطق التحكم تحت صفيف الذاكرة ، ويتم تحرير منطقة الرقاقة ، حيث يجدون بعد ذلك "موطن" خلية الذاكرة.القليل من الممارسة
لا يمكننا مراقبة كل ما سبق بمفردنا (على الأقل بدون معدات خاصة). وإليك كيف يبدو كل ذلك بعد تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة ، واللحام ، وتركيب الرقائق والدوائر الصغيرة:OCZ Trion 150نرى هنا ذاكرة فلاش ودوائر دقيقة عازلة ووحدة تحكم مغطاة بعناية بشريط مطاطي حراري. نعم ، الموضوع هنا ليس حول جهاز SSD ، ولكن عمل ذاكرة فلاش ، ولكن بدون وحدة تحكم لا يوجد مكان. وها هو السبب.يقوم جهاز التحكم بتوزيع السجل على خلايا الذاكرة المحمولة ، ويقرأ من الذاكرة وخلايا TRIM (المزيد عن ذلك لاحقًا) - بشكل عام ، عبارة "ليس لدينا بديل لا يمكن استبداله" ليست عنه. هو الذي يتحكم في نقل البيانات ، على كل من SATA و PCIe ، ويوزع المعلومات على NAND لتقليل التآكل. بدون مساعدة البرامج الثابتة ، بالطبع ، لا يمكن للمرء أن يفعل هنا.وحدة التحكم متصلة بذاكرة فلاش بشكل متوازٍ ، وكما ترون ، تقوم بأحد الأدوار الرئيسية. يستخدم Trion 150 ، على سبيل المثال ، وحدة تحكم Toshiba ، بينما يحتوي Vertex 460A 0 بالفعل على Barefoot 3 M10 من OCZ.أوه نعم ، لقد نسيت تقريبا ذاكرة التخزين المؤقت. إنه رفيق موثوق به لوحدة التحكم: بمجرد أن يتم إعطاء الأمر لتغيير الملف إلى SSD ، تدخل الكتلة أولاً في ذاكرة التخزين المؤقت ، حيث يتم التغيير. في هذا الوقت ، يتم حذف البيانات غير ذات الصلة في NAND ، وتجد وحدة التحكم مكان وضع المعلومات التي تم وضعها في المخزن المؤقت. المبدأ الرئيسي هو اختيار خلية ذات أقل تآكل ، وهو ما تفعله وحدة التحكم ، بعد أمره ، يتم إرسال البيانات المتغيرة إلى "منزل" جديد.الآن تدعم معظم محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة ، بما في ذلك تلك من OCZ ، TRIM ، وهي تقنية خاصة تشير إلى البيانات غير ذات الصلة. في هذه الحالة ، لا يتم تسجيل المعلومات غير الضرورية في كتل الذاكرة الأخرى ، مما يؤثر بشكل إيجابي ليس فقط على عدد دورات إعادة الكتابة ، ولكن أيضًا على سرعة التسجيل نفسها.لحظة الفلسفة
من الواضح أنه مقارنة بمحركات الأقراص الصلبة التقليدية ، تعد NAND إنجازًا حقيقيًا ، ولكن لها أيضًا مشاكلها وعيوبها. نعم ، لدى NAND آفاق كبيرة من حيث سعة التخزين ، ولكن سعر الجيجابايت يترك الكثير مما هو مرغوب فيه. من غير المحتمل أن تتمكن هذه المعلمة في المستقبل القريب من "التقاط" محركات الأقراص الثابتة.من خلال استخدام مخابئ SLC ومعايير البيانات السريعة ، أصبحت أقراص SSD أكثر إنتاجية ولديها عرض نطاق ترددي جيد. ومع ذلك ، على المدى الطويل ، يُفترض أن شيئًا آخر سيحل محل NAND. وفي الواقع ، 3D NAND - أول "جرس" ، مما يدل على ذلك.الآن NAND على ظهور الخيل بالتأكيد - يقولون ملك التل الحقيقي. وسيبقى هذا الملك لمدة 4-5 سنوات على الأقل. Source: https://habr.com/ru/post/ar392891/
All Articles