حافظه‌های SSD ویژگی‌های منحصر به فردی را در زمینه ذخیره‌سازی برای کلاینت‌ها و ذخیره سازهای حرفه ای با خود به ارمغان آورده‌اند. سرعت بالا، مصرف برق کم و تأخیر کمتر در راه‌اندازی سریع و استاندارد برنامه‌ها همراه با یک آستانه عملکرد مطلوب، از جمله این ویژگی‌ها هستند. SSD یا درایو حالت جامد همچنین مفهوم جدیدی را در دنیای ذخیره‌سازی ایجاد کرده است: معمولا تجهیزات ذخیره‌ساز هنگام رایت اطلاعات به مرور دچار استهلاک می‌شوند و برای این منظور تعریف یک شاخص پایداری SSD یعنی حد پایداری تضمین شده جهت رایت داده‌ها برای آن‌ها نیاز است (SSD endurance). این مفهوم یک متغیر شناخته شده برای SDD‌ها در مقابل متغیر تضمین رایت داده بر مبنای زمان در HDD‌هاست. انواع مختلف SSD، دارای میزان استهلاک متفاوتی هستند و ایده پیش‌بینی شاخص پایداری SSD و HDD به هنگام کاربرد، یک ایده جدید است. در روزهای اول استفاده از SSD یعنی تقریباً در سال 2007، HDD‌ها میزان پایداری تضمین شده مناسبی نداشتند. اما این روزها با مقادیر بالاتری از سطح پایداری ارائه می‌شوند.

در ابتدای کار با معرفی شاخص پایداریSSD کاربران دچار یک نوع سردرگمی شدند، زیرا الگوهای I\O  و تخمین آن برای استفاده‌کنندگان با مشکل مواجه بود. در نتیجه بسیاری از تولیدکنندگان تجهیزات ذخیره‌سازی، SSDها را با میزان پایداری فراتر از ظرفیت کاری مورد نیاز، ارائه دادند.

در این مقاله به مقایسه پایداری‌SSDها نسبت به HDDها و مقایسه آن‌ها بر اساس بار کار/ نیازهای نرم افزاری، پرداخته می‌شود. تمرکز اصلی بر موارد زیر خواهد بود:

• توسعه حالت پایداری HDD
• نحوه تبدیل شاخص میزان پایداری SSD و HDD به واحدهای معمول
• بررسی دو نمونه از HDD با با میزان استهلاک متفاوت (حد بار کاری)
• سطح پایداری SSD اینترپرایز و HDD با دید ظرفیت محور چه تفاوتی دارد؟
• نسل جدیدQLC NAND و تغییر پارادایم سطح پایداری SSD

درک تاثیرات کاربری‌های متفاوت ‌SSDها و HDDها، شما را قادر می‌سازد تا براساس بار کاری مورد نیاز خود، در هنگام خرید مناسب‌ترین تصمیم را بگیرید.

توجه: این مقاله بر روی بررسی حالات مختلف گارانتی مرتبط با پایداری SSD و HDD متمرکز شده است. نکاتی که اغلب در کتابچه راهنمای محصول یافت می‌شوند. لازم به ذکر است متغیر شاخص پایداری SSD و HDD نباید معیار قضاوت قرار گیرند. چرا که در حال حاضر در زمان انتشار این مقاله، اعداد ذکر شده همچنان در حال تغییر هستند. لذا ممکن است نتایج شما با آنچه که در اینجا بیان شده، متفاوت باشد. در این مقاله از اصطلاحات «پایداری تضمین شده» و «پایداری» استفاده می‌شود.

بررسی میزان استهلاک یک دستگاه پرینتر

در اکوسیستم محاسباتی، پایداری تضمین شده مفهومی منحصر به فرد نیست. برای مثال کارتریج‌های پرینتر یک مثال از قطعاتی هستند که به مرور دچار استهلاک می‌شوند. می‌دانیم که کارتریج‌های پرینتر می‌توانند صفحات متعددی را بسته به اینکه چه حجم تصویر یا متن در داخل آن وجود دارد چاپ کنند. بدیهی است که دستگاه ما هنگام چاپ صفحات شامل تصاویر متعدد که نیاز به جوهر زیاد دارند، نسبت به زمانی که صفحات با میزان خطوط و تصاویر کمتر چاپ می‌شود، استهلاک بیشتری دارد. در واقع هر چه کمتر چاپ کنیم، کارتریج عمر بیشتری خواهد داشت.

حافظه‌های SSD و HDD نیز مانند کارتریج هستند. آن‌ها براساس میزان کارکرد عمر می‌کنند. میزان استهلاک HDDها بستگی به اطلاعات رایت شده و خوانده شده دارد، در حالی که میزان استهلاک و پایداریSSDها فقط به حجم رایت داده بر آن‌ها بستگی دارد.

سطح پایداریSSD ها

تکنولوژی ذخیره NAND که در SSD ها مورد استفاده قرار می‌گیرد متفاوت از تکنولوژی ذخیره سازی مغناطیسی بکار رفته درHDD ها است. ذخیره سازی مغناطیسی در HDD، رایت اطلاعات را در مکان خود پشتیبانی می‌کند. یعنی اگر در موقعیت فیزیکی مورد نظر، داده‌ای موجود باشد، داده‌های جدید بر روی آن بازنویسی خواهند شد. این یک فرایند تک مرحله‌ای است. با این حال، در ذخیره‌سازی با تکنولوژی NAND کلیه اطلاعات (حتی داده‌هایی که به عنوان موارد غیر قابل استفاده مشخص شده‌اند)، باید قبل از رایت پاک شوند. این فرآیند دو مرحله‌ای، سیکل نوشتن/پاک کردن (P/E) نامیده می شود و میزان پایداریSSD تابعی از تعداد چرخه‌های P/E است.  معمولا هر NAND با رایت اطلاعات، استهلاک می‌یابد در حالی که این اتفاق هنگام خواندن اطلاعات رخ نمی‌دهد. ( توجه به این نکته در بخش‌های بعدی مهم است).

میزان استهلاک و پایداریSSD

با افزایش کاربردSSD ها، این مفهوم پذیرفته شده است که تجهیزات ذخیره‌ساز داده، یک میزان سطح استهلاک مشخصی دارند. این شاخص در SSDها معمولاً تحت عنوان تعداد رایت داده بر درایو در روز یا DWPD،  (همچنین شاخص کمتر رایج: مجموع بایت‌های رایت شده یا TBW) معرفی می‌شود. این شاخص‌ها طبق فرمول زیر با یکدیگر مرتبط هستند:

DWPD = TBW / [(ظرفیت دستگاه) * (دوره ضمانت بر حسب روز)].

از این پس هنگام بحث در مورد پایداری SSD، از شاخص DWPD استفاده خواهیم کرد.

از آنجایی که شاخص سطح استهلاک و پایداری SSDدر هنگام رایت برای تجهیزات ذخیره ساز، مفهومی جدید بود، بسیاری از طراحان سیستم مقدارDWPD برای SSDها را بیش از حد واقعی محاسبه می‌کردند. در روزهای اولیه استفاده ازSSD ها، مقادیر 10، 20 برایDWPD طبیعی بود و حاشیه امنی را برای کاربرد آن‌ها تضمین می‌کرد.

این امر همچنین به دلیل کمتر شدن قابل ملاحظه ظرفیت درایوها نیز بود (اغلب SSD های اولیه کمتر از 1 ترا بایت را ذخیره می‌کردند). البته روند نشانگر این بود که با افزایش ظرفیت درایو، DWPD به شدت کاهش می‌یابد و در نتیجه این آمار موجب شد که صنعت به تدریج درک درستی از پروفایل‌ها بر حسب بار کاری داده/رایت داده داشته باشد.

شکل 1 نشانگر چگونگی کاهش شاخص پایداریSSD در طول زمان است

                   شکل 1-روند پایداری SSD‌ها

اما نوع فن آوری فلش NAND  به‌کار رفته نیز در بحث پایداری SSD ها تفاوت‌هایی را ایجاد کرده است. اصلی‌ترین تفاوت بین انواع NAND مربوط به بیت‌های ذخیره شده در هر سلول است. تعداد بیت‌ها (0ها یا 1ها) توسط حالت‌های ذخیره‌ای که برای هر NAND طراحی شده است، کنترل می‌شود.

در یک سر این طیف NAND از نوع سلول تک سطحی(SLC)، دارای یک بیت در هر سلول است و در سوی دیگر NAND از نوع سلول چهار سطحی (QLC)، از چهار بیت در هر سلول پشتیبانی می‌کند.

انواع مختلف NAND به طور معمول بر حسب تعداد سیکل P/E که پشتیبانی می‌کنند، سطح‌بندی می‌شوند. (هر اندازه که NAND به سطح مشخص P/E خود نزدیک می‌شود، تعیین این موضوع که داده‌ها در حالت 0 یا 1 ذخیره شده‌اند، سخت‌تر می‌شود.) تکنیک‌هایی وجود دارد که می‌توانند تعداد سیکل‌های P/E پشتیبانی شده را افزایش دهند، اما از طرف دیگر باید توجه داشت که NAND با افزایش کارکرد،سریعتر مستهلک می شود. میزان استهلاک و پایداری SSD به طور داخلی مدیریت می‌شود و به راحتی توسط OS یا سیستم ذخیره‌سازی مانیتور می‌شود. این موضوع پیش بینی طول عمر یک درایو را امکان‌پذیر می‌سازد.

به طور کلی با افزایش تعداد بیت به ازای هر سلول، تعداد سیکل P/E بازای یک نوع NAND مشخص، کاهش می‌یابد. این امر به دلیل پیچیدگی‌های افزوده شده در حالت‌های ذخیره بیشتر  اطلاعات است. نتیجه این موضوع کاهش پایداری تضمین شده رایت داده در هر دستگاه ذخیره‌ساز است که از NAND استفاده می‌کند؛ البته همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، این حالت، کاهش هزینه به ازای هر بیت ذخیره شده را در پی دارد.

شکل 2-روند پایداری SSD هنگام رایت داده

روند تغییرات در میزان پایداری SSD

پیشرفت در تکنولوژی NAND باعث شد تا بازار SSD اینترپرایز گسترش یافته، سطوح پایداری SSD مورد تجدید نظر قرار گیرد و همچنین بار کاری و میزان اطلاعاتی که بر روی آن رایت می‌شود، مجددا تجزیه و تحلیل گردد. بر اساس یک واقعیت عمومی، میزان حجم داده رایت شده بر روی حافظه‌ها کمتر از مقادیر پیش بینی شده است. این امر موجب شد تا میزان واقعی پایداری SSD هنگام رایت داده مورد بازبینی قرار گیرد. از مزایایSSD ها با تکنولوژی NAND، کاهش قیمت به ازای هر گیگابایت متناسب با افزایش ظرفیت هر درایو و  همچنین بار کاری بیشتر است. بار کاری با فرایند رایت کمتر داده و بهره‌مند از فناوری فلش (مانند خواندن حافظه کش) نامزد اصلی برای NAND با پایداری تضمین شده کمتر و کم حجم‌تر هستند.

ادامه این مقاله را در قسمت دوم بخوانید …