على الرغم من مرور 14 عامًا منذ تقديم
SATA SSD الأول ، لا يزال العديد من المستهلكين يشيرون إلى محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة مع قدر لا بأس به من الشك. السبب الرئيسي لعدم الثقة هو مورد العمل المحدود لذاكرة الفلاش ، وذلك بسبب التدهور التدريجي لهيكل أشباه الموصلات في الرقائق ، ونتيجة لذلك تفقد الأجهزة عاجلاً أم آجلاً قدرتها على تسجيل المعلومات وتخزينها. غالبًا ما تؤدي المواصفات الفنية المفصلة إلى تفاقم الموقف: من الصعب على المشتري أن يفهم ما إذا كان TBW 500 TB المذكور في وصف Western Digital Blue 3D NAND SATA SSD لشخصين تيرابايت كثيرًا أم قليلاً؟ كم ستستمر هذه الحملة في ظروف التشغيل الحقيقية وهل يمكن الوثوق بها مع أكثر الملفات قيمة؟ دعنا نحاول فهم هذه المشكلة معًا والتحدث عن مدى موثوقية ذاكرة الفلاش الحديثة.
بالمعنى الدقيق للكلمة ، تم الرد على "السؤال الرئيسي للحياة والكون وكل ذلك" مرة أخرى في ديسمبر 2014 ، عندما
أكمل الرجال من منشور شبكة
TechReport اختبار محركات أقراص الحالة الصلبة للمستهلك ، والتي استغرقت ما مجموعه عامًا. باستخدام منتجات HyperX و Corsair و Kingston و Samsung كأمثلة ، فقد أثبتوا بشكل مقنع أن الحياة الحقيقية لمحركات أقراص الحالة الثابتة تتجاوز 1 بيتابايت من الدبلجة. هذه الأحجام لا يمكن تصورها تقريبًا ، ليس فقط بالنسبة للمستخدم العادي ، ولكن حتى بالنسبة لصانعي المحتوى المحترفين: سيصبح محرك الأقراص قديمًا من الناحية الأخلاقية قبل نفاد موارده.
ومع ذلك ، هناك فارق بسيط واحد: منذ أربع سنوات ، كانت شرائح MLC NAND قيد الاستخدام ، وقادرة على تخزين 2 بت من المعلومات في كل خلية وتم تصنيعها باستخدام تقنية معالجة 25 نانومتر. في ذلك الوقت ، كان حلاً جيدًا بين SLC الموثوقة للغاية (خلية أحادية المستوى) و TLC الأكثر رحابة وغير المكلفة (خلية ثلاثية المستوى): قدمت الرقائق التي تحتوي على خلايا ثنائية البعد كثافة تخزين بيانات مقبولة ، مع ما يصل إلى 5000 دورة للكتابة / المحو (في في المتوسط ، هذا الرقم يصل إلى 3 آلاف). ما لا يمكن قوله عن أقرب إخوانهم: على الرغم من كل المزايا ، التي تشمل السعة العالية والتكلفة المنخفضة ، كانت TLCs أقل صلابة ، حيث بالكاد استحوذت على 1500000 دورة من دورات البرمجة / المحو ، على الرغم من حقيقة أن معظم الدوائر الميكروية المستوية بالكاد تصمد أمام الف.
وكان السبب الرئيسي في هذا الموقف هو الانتقال إلى عملية 15 نانومتر المستخدمة في إنتاج الرقائق. لفهم سبب حدوث ذلك ، فقط تذكر كيفية عمل ذاكرة NAND. يحدث تشفير أجزاء المعلومات عن طريق تغيير الشحنة على بوابة عائمة بسبب النفق الكمي للإلكترونات عبر الطبقة العازلة ، بسبب شدة المجال الكهربائي العالية.
بوابة الترانزستور العائمةمن وجهة نظر الفيزياء ، نحن لا نتعامل مع شيء سوى ظاهرة الانهيار العكسي الشبيه بالانهيار. تتسارع الإلكترونات في حقل كهربائي ، وتتلقى طاقة حركية كافية لتأين جزيئات العزل الكهربائي ، مما ينتج عنه زوج من الجسيمات الأولية التي تحمل الشحنة المقابلة ، والتي يتم تسريعها أيضًا بواسطة مجال كهربائي ، وتتكرر العملية ، بينما يزداد عدد الموجات الحاملة للشحنة أضعافا مضاعفة (وبالتالي الاسم ) من السهل تخمين أن هذه العمليات تسبب تآكلًا تدريجيًا لطبقات العزل الكهربائي ، ونتيجة لذلك ، يزيد احتمال تسرب الشحنة إلى الخلايا المجاورة ، مما يؤدي بدوره إلى تلف البيانات أو حتى فقدانها تمامًا. والانتقال إلى تقنية عملية جديدة يؤدي فقط إلى تفاقم الموقف: انخفاض سمك العازلة يؤدي إلى حقيقة أن الخلايا تفشل قبل ذلك بكثير.
ومع ذلك ، إذا كانت المشكلة فقط هذه ، فلن يلاحظ المستهلكون العاديون ومستخدمو الشركات ، ببساطة الفرق بين MLC و TLC ، وفي المواصفات الفنية لـ SSD ، سنرى أرقامًا أكثر إثارة للإعجاب. في الواقع ، تظهر صورة مختلفة تمامًا أمام أعيننا ، وهندسة رقائق الفلاش وتفاصيل عملها هي السبب في ذلك: يتم دمج الخلايا الفردية في صفحات ، وصفحات في كتل ، في حين لا يمكن كتابة المعلومات إلا في صفحات فارغة ، ويتم حذفها كتلة من كتلة.
ماذا يعني هذا في الممارسة العملية؟ لنفترض أن لدينا كتلة مملوءة جزئيًا ونريد أن نكتب بيانات جديدة عليها. إذا كان حجمها أقل من المساحة الخالية المتبقية ، يحدث التسجيل على الفور ، دون أي تلاعب إضافي. إذا لم يكن هناك مساحة كافية ، تدخل في الاعتبار خوارزميات معقدة متعددة المراحل. النظر في الوضع في الرسم البياني أدناه.
هذه هي الطريقة التي تتم بها كتابة البيانات إلى ذاكرة الفلاشتشغل البيانات الجديدة التي نريد تسجيلها صفحتين في كتلة واحدة ، ولكن هناك صفحة واحدة مجانية بالفعل: على الرغم من أن الصفحة القديمة (المميزة باللون الأصفر) تم حذفها من قبل المستخدم في وقت سابق ، في الواقع ، لم تختف المعلومات المسجلة. لمسح مساحة للبيانات الجديدة ، يبدأ جهاز التحكم في إجراء يعرف باسم جمع القمامة ، وحذف البيانات غير الضرورية وإعادة توزيع البيانات الموجودة. للقيام بذلك ، يتم نسخ جميع الصفحات ، باستثناء الصفحات غير الضرورية ، في الكتلة المجانية الثانية ، بينما يتم مسح الصفحة الأولى بالكامل. ثم يتم نقل الصفحات الفعلية مرة أخرى إلى الكتلة الأولى ، ويتم حذفها من الثانية ، وبعد ذلك تأخذ البيانات الجديدة مكانها الصحيح.
في المثال أعلاه ، من أجل تسجيل صفحتين ، اضطررنا إلى إعادة كتابة كتلتين بالكامل مرتين ، ست صفحات لكل منهما. في الواقع ، ستبدو عملية "جمع القمامة" أكثر تعقيدًا ، ونتيجة لذلك ، سيكون عدد دورات إعادة الكتابة أكبر بكثير. يمكن تقدير الصورة الحقيقية فقط من خلال معرفة معامل Write Amplification ، والذي يوضح عدد المرات التي يتجاوز فيها الحمل الفعلي على ذاكرة الفلاش الحمل المحسوب. يمكن أن يكون هذا المؤشر مساويًا للوحدة فقط عند تسجيل المعلومات على قرص نظيف تمامًا ، ومنسق تمامًا ، وفي جميع الحالات الأخرى ستختلف قيمته من 2 إلى 25. وعلاوة على ذلك ، حتى للوهلة الأولى ، يمكن أن تختلف محركات الأقراص المتطابقة بشكل كبير ، لذلك اعتمادا على طراز وحدة التحكم المستخدمة وميزات البرامج الثابتة. وبالتالي ، يتم تحديد التسامح مع أخطاء SSD ليس فقط بنوع ذاكرة الفلاش ، ولكن أيضًا حسب مقدار قدرة المطورين على تحسين أداء طبقة FTL (طبقة ترجمة فلاش).
لماذا الزيادة الكبيرة في كثافة التخزين لا تؤثر على موثوقية ذاكرة 3D NAND؟
لذلك ، نحن نعرف الآن كيف تعمل ذاكرة الفلاش وما هي العوامل التي تحدد موثوقية محرك أقراص SSD. لقد حان الوقت لمعرفة مزايا الانتقال من الرقائق "المسطحة" إلى الرقائق ثلاثية الأبعاد المتوفرة. بادئ ذي بدء ، يختلف 3D NAND عن سابقاتها بسبب استخدام "فخ الشحن" (Charge Trap Flash) بدلاً من مصاريع العائمة المألوفة. إذا تم استخدام البولي سيليكون في المنشطات الأخيرة لتخزين الشحنات ، فإنه في CTF هو منطقة معزولة من المواد غير الموصلة ، وفي معظم الأحيان SiN - نيتريد السيليكون. مثل هذا النهج جعل من الممكن تقليل احتمال تسرب الشحنة ، وبالتالي زيادة استقرار الخلية.
شهدت بنية شرائح الذاكرة ثلاثية الأبعاد أيضًا تغيرات مهمة مقارنةً بسابقها ، حيث أن كل خلية لديها الآن هيكل أسطواني: الطبقة الخارجية عبارة عن بوابة تحكم ، والداخلية عبارة عن عازل. وبما أن الخلايا تقع الآن واحدة فوق الأخرى ، فإنها تشكل مكدسًا ، يمر داخلها قناة مصنوعة من السيليكون متعدد الكريستالات. من السهل أن نفهم أن عدد الطبقات في الرقاقة يحدد عدد الخلايا في الرصة.
جهاز الخلية رقاقة NAND 3Dأتاحت هذه البنية تقليل التداخل بين الخلايا وبالتالي تبسيط خوارزمية التسجيل: نظرًا لعدم وجود حاجة للتحقق من حالة الشحن ، بدأ التسجيل في الخلية في خطوة واحدة. فارق بسيط آخر مهم: بالنسبة لإنتاج 3D NAND ، يتم استخدام عمليات التشغيل ، على الرغم من أن كثافة التعبئة للخلايا كانت قادرة على الزيادة بشكل كبير. لذلك ، على سبيل المثال ، تم إنتاج رقائق حتى 48 طبقة (الجيل الثالث من ذاكرة الفلاش ثلاثية الأبعاد) باستخدام تقنية معالجة 40 نانومتر. وقد أتاح ذلك ليس فقط زيادة موثوقيتها ، ولكن أيضًا لتقليل تكلفة الإنتاج ، نظرًا لأن خطوط الإنتاج الحالية لا تحتاج إلا إلى الحد الأدنى من التحديث ، كما اختفت تمامًا الحاجة إلى الطباعة الحجرية في الأشعة فوق البنفسجية العميقة.
عند الحديث بشكل خاص عن منتجات Western Digital ، ثم في
SSDs الحديثة لـ
WD Black SN750 NVMe ، والتي بدأت مبيعاتها في 18 يناير 2019 ، تم استخدام TLC 3D NAND BiCS (طبقة التكلفة القابلة للتطوير) من 64 طبقة ، المصنوع باستخدام تقنية معالجة 28 نانومتر. بالإضافة إلى زيادة كثافة التعبئة بمقدار 1.4 مرة أخرى (تبلغ سعة الطراز العلوي الآن 2 تيرابايت ، أي ضعف حجم الرائد في الجيل السابق) ، ومن السمات المهمة لهذا النوع من الرقائق استخدام السلاسل على شكل حرف U.
3D NAND BiCS العمارةمنذ الآن يوجد ترانزستور التبديل وخط المصدر في الجزء العلوي من الشريحة ، لا يتعرضان عملياً لتأثيرات درجات الحرارة العالية ، مما قد يؤدي إلى حدوث أخطاء أثناء عمليات القراءة / الكتابة ، مما يحسن من موثوقية محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة.
كيف تؤثر خوارزميات التسجيل على عمر SSD؟
لقد سبق أن كتبنا أعلاه أنه بغض النظر عن حجم ذاكرة الفلاش الصلبة والآمنة نفسها ، فإن مواردها ستضيع إذا لم يزعج مطورو SSD إنشاء خوارزميات تسجيل فعالة. لتحسين هذا الإجراء ، يتم استخدام تقنيتين فعالتين للغاية: التخزين المؤقت SLC و تسوية الاستواء.
جوهر الأول هو أن جزءًا من صفيف الذاكرة المتاح ، الذي يعتمد حجمه على إجمالي حجم محرك الأقراص (على سبيل المثال ، عند تطوير
WD Blue 3D NAND SSD ، انتقلنا من حساب ذاكرة التخزين المؤقت 4 جيجا بايت لكل سعة 250 جيجابايت) ، أي إلى وضع تشغيل SLC ، أي ، يتم تسجيل جزء واحد فقط من المعلومات في كل خلية ، مما يسمح لكلاهما بزيادة أدائها بشكل ملحوظ وتقليل معدل التآكل. تشارك SLC في تسجيل ودمج البيانات المخزنة على SSD ، والذي لا يسمح فقط بزيادة سرعة العمليات ، ولكن أيضًا تقليل معدل تآكل الخلايا. في الإصدارات الحالية من Western Digital SSDs ، يتم استخدام تقنية nCache 3.0 ، وقد حصل أحدث إصدار منها على وظيفة تحويل مباشر إلى TLC ، مما أتاح إيجاد توازن بين التخزين المؤقت والسرعة: تتم كتابة البيانات لتجاوز ذاكرة التخزين المؤقت عندما تكون ممتلئة أو عند استخدام SLC- المخزن المؤقت غير عملي. هذا ، من ناحية ، ساعد على تفريغ ذاكرة التخزين المؤقت ، وفي الوقت نفسه لتجنب انخفاض كبير في الأداء عند ملء ذلك.
ديناميات سرعة الكتابة على SSD عند ملء SLC-bufferبالنسبة إلى تقنية تآكل التسوية ، فهي تساعد على ضمان استخدام جميع كتل الصفحات المتاحة بالتساوي قدر الإمكان. كما تعلم ، يستخدم أي نظام تشغيل آلية منطقية لمعالجة كتل البيانات (LBA) ، في حين تعمل وحدة التحكم نفسها مع العناوين الفعلية (PBA) ، وتربطها مع تلك المنطقية. نتيجة لذلك ، لا يهم مكان وجود شظايا الملفات فعليًا ، حيث من الممكن كتابة برنامج دقيق يضمن توزيع الحمل بين الخلايا بالتساوي.
ارتداء التسوية يضمن حمولة موحدة على الخلايافي الحالة العامة ، خوارزمية هي كما يلي. لقد اشتريت SSD جديدًا ، وعلى الرغم من وجود مساحة خالية عليه ، سيتم تسجيل المعلومات في كتل مجانية. أثناء تشغيلك ، تبدأ في حذف الملفات غير الضرورية ، وتنظف آلية جمع البيانات المهملة في الخلفية ، ومع ذلك ، سيتم استخدامها للتسجيل فقط بعد عدم وجود كتلة واحدة على القرص لن يتم كتابة البيانات مرة واحدة على الأقل. بالطبع ، في الواقع ، كل شيء أكثر تعقيدًا ، لكن المعنى لا يتغير.
وهنا ينبغي تقديم ملاحظة مهمة أخرى فيما يتعلق بالمنتجات الغربية الرقمية. عندما قررنا تطوير سوق SSD ، يمكننا أن نذهب بطريقتين: شراء الذاكرة وأجهزة التحكم من الشركات المصنعة لجهات خارجية ، مع التركيز فقط على تطوير البرامج الثابتة وتحسينها ، أو إعداد إنتاج دورة كاملة. إن تشغيل مثل هذا المشروع من البداية سيكون غير عملي ، وحتى
شراء SanDisk كلفنا فلساً كبيراً. لكن الأموال المستثمرة هزمت بالكامل: بالتحكم في إنتاج الرقائق ، أتيحت لنا الفرصة لتكييف البرامج المصغرة مع ميزات الدوائر الصغيرة.
يجب أن يكون مفهوما أن كتابة أجزاء المعلومات في خلايا ذاكرة الفلاش هي عملية أكثر تعقيدًا مما قد يبدو للوهلة الأولى: فهي تأخذ في الاعتبار المئات من المعلمات المختلفة ، وأهمها الجهد المطلوب لنقل الشحن ووقت التسجيل. كما تبلى الرقائق ، تتغير خصائصها الفيزيائية أيضًا: من أجل تسجيل البيانات بنجاح ، يتطلب الأمر جهدًا أقل ، وفي الوقت نفسه ، يتم تقليل الوقت اللازم لتأثيرها على الخلية. في معظم محركات أقراص الحالة الثابتة ، تكون هذه المعلمات ثابتة ، ولكن في محركات أقراص الحالة الرقمية الغربية ، على العكس من ذلك ، فإنها تتغير بشكل حيوي مع تبدد الخلايا ، مما يسمح بزيادة عمر كل منها إلى الحد الأقصى ، مما يقلل التأثير السلبي على هياكل أشباه الموصلات.
QLC 3D NAND - أحدث جيل ذاكرة فلاش
إذا تابعت الأخبار من عالم التقنيات المتقدمة ، فربما تدرك أن Western Digital تتقن بشكل فعال إنتاج الجيل الثالث من الذاكرة الثلاثية الأبعاد - QLC 3D NAND (تم الإعلان الأول في يونيو 2018). QLC في اختصار لتقف على خلية رباعية المستوى. بمعنى آخر ، يمكن تخزين 16 مستوى شحن في خلية واحدة ، بحيث لا يشفر ثلاثة فقط ، بل أربعة أجزاء من المعلومات. مقارنةً بـ TLC 3D NAND ، زادت كثافة التسجيل في QLC بنسبة 33٪: وبالتالي ، زادت سعة شريحة واحدة 64 طبقة إلى 768 جيجابت في الثانية. لكن هذا ليس الحد الأقصى: في شهر أغسطس من عام 2018 ، بدأنا في إصدار الدوائر المصغرة 96 طبقة. من خلال زيادة عدد الطبقات ، تمكنا من زيادة السعة بنسبة 50 بالمائة والتغلب على حاجز 1 Tbit: يمكن للرقائق الجديدة ، التي تسمى 3D NAND BiCS4 ، استيعاب 1.33 Tbit من المعلومات ، أي حوالي 166 جيجابايت. كان من الممكن تحقيق مثل هذه الكثافة العالية لتخزين البيانات من خلال الجمع بين بلورات 48 طبقة (اليوم هذا هو النهج الأكثر جدوى اقتصاديًا).
الجمع بين رقائق 48 طبقة في واحد 96 طبقةيحتمل أن تكون السعة المتزايدة قادرة على تقليل أداء محركات أقراص الحالة الصلبة ، لكن لا داعي للقلق بشأن ذلك: تستخدم ذاكرة فلاش 3D NAND BiCS4 الجديدة أربعة بدلاً من صفيفتين فعليتين ، مما يجعل من الممكن تحسين قراءة وكتابة البيانات عن طريق موازاة العمليات ، وهذا بدوره ، سيساعد ذلك على استخدام ذاكرة التخزين المؤقت بشكل أكثر كفاءة والتحكم في مستوى تآكل الخلايا ، مع الحفاظ على الحياة العملية لرقائق QLC بمستوى مماثل لحلول TLC الحديثة. ومع ذلك ، فإن وصف التقنيات الكامنة وراء QLC يتجاوز نطاق هذه المادة وبالتأكيد يستحق مقالة منفصلة.