حافظه SSD چیست و چگونه کار می کند؟

درایو های حالت جامد چگونه عمل می کنند؟

حافظه های SSD یا «Solid-State Drives» که از نظر لغوی به معنای «درایوهای حالت جامد» هستند، هدفی یکسان با درایو های هارد دیسک یا همان HDD ‏(Hard Disk Drives) دارند؛ هر دوی این حافظه ها برای نگه داری طولانی مدت اطلاعات تهیه شده اند. تفاوت این دو در این است که حافظه های SSD از نوعی حافظه به نام «حافظه ی فلش» (Flash Memory) استفاده می کنند که تقریبا همانند حافظه ی RAM است. تفاوت اساسی بین SSD و RAM در مانایی داده ها است؛ بر خلاف RAM که پس از هر بار قطع جریان برق اطلاعاتش را از دست می دهد، اطلاعات داخل SSD برای همیشه در جای خود باقی خواهند ماند.

اگر یک هارد دیسک معمولی را باز کنید، تعدادی دیسک مغناطیسی به همراه یک سوزن مشاهده خواهید کرد که عمل خواندن داده ها را انجام می دهد. به عبارتی دیگر این هارد ها بسیار شبیه به رکورد پلیرها یا گرامافون ها عمل می کنند. قبل از این که سوزن موجود بتواند اطلاعات را بخواند، دیسک ها باید چرخیده و در محل صحیح قرار بگیرند.

حافظه های SSD از جدولی از سلول های برقی استفاده می نمایند تا امکان خواندن و نوشتن داده ها را با سرعت بالایی فراهم کنند. این جداول به بخش هایی به نام «صفحه» یا «pages» تقسیم شده اند که اطلاعات در آن ها ذخیره می شود. مجموعه ای از صفحات تشکیل «بلوک» می دهند.

دلیل این که به حافظه های SSD «حالت جامد» می گویند این است که هیچ عضوی از آن در حال حرکت نیست و همه چی ثابت و در سر جای خود قرار دارد.

شاید برایتان سوال شده باشد که دانستن ثابت بودن حافظه ی SSD چه کمکی به کاربر می کند؟ دلیل اهمیت این قضیه این است که حافظه های SSD تنها می توانند داده ها را در صفحات خالی هر بلوک بنویسند. در هارد دیسک ها امکان نوشتن داده ها در هر جایی از دیسک در هر لحظه فراهم بود که این مساله باعث سهولت در بازنویسی (overwrite) داده ها می شد. در حافظه ی SSD داده های صفحات را نمی توان مستقیما بازنویسی کرد و تنها می توان داده ها را در فضای خالی صفحات هر بلوک نوشت.

پس حذف داده ها در این حافظه ها چگونه انجام می شود؟ زمانی که تعداد کافی صفحه ی خالی در هر بلوک وجود داشته باشد، حافظه ی SSD تمام اطلاعات موجود در بلوک را وارد RAM کرده، تمام بلوک را حذف نموده و سپس اطلاعات را مجددا از RAM وارد بلوک می کند و صفحات استفاده نشده را خالی می گذارد. توجه داشته باشید که حذف کردن اطلاعات از حافظه ی SSD صرفا به معنای حذف دائمی آن ها نیست.

این مساله به این معنا است که حافظه های SSD با گذر زمان آهسته تر می شوند.

هنگامی که یک حافظه ی SSD جدید تهیه می کنید، تمام بلوک های آن را صفحات خالی تشکیل داده اند. در این شرایط زمانی که اقدام به نوشتن داده ی جدیدی در آن نمایید، این حافظه می تواند فورا با سرعتی شگفت انگیز این کار را برای شما انجام دهد. با این حال با گذر زمان اطلاعات بیشتری در آن نوشته خواهند شد و صفحات خالی بیشتری پر می شوند که این قضیه باعث به وجود آمدن صفحات خالی کوچک و پراکنده در سراسر بلوک ها می شود.

از آنجایی که یک حافظه ی SSD امکان بازنویسی مجدد داده های موجود در یک صفحه را ندارد، از این پس هرگاه بخواهید داده ی جدیدی در آن بریزید، SSD باید مراحل زیر را انجام دهد:

1. بلوکی را پیدا کند که صفحات استفاده نشده ی کافی داشته باشد.
2. صفحات مورد نیاز بلوک را شناسایی و ثبت کند.
3. تمام صفحات آن بلوک را خالی کند.
4. صفحات مورد نیاز را در بلوک خالی شده بازنویسی کند.
5. صفحات باقیمانده را با اطلاعات جدید پر کند.

به طور خلاصه، پس از این که تمام صفحات خالی یک حافظه ی SSD را پر کنید، این حافظه برای نوشتن هر داده ی جدیدی باید مراحل بالا را تکرار کند. بیشتر حافظه های فلش با این روش کار می کنند.

البته اشتباه نکنید، با وجود تمام این موارد، هنوز هم حافظه های SSD بسیار سریعتر از هارد دیسک های سنتی هستند و افزایش سرعتی که از این حافظه ها حاصل می شود، به طور کامل ارزش قیمت بالای آن ها نسبت به هارد دیسک ها را دارد.

مشکل بزرگ حافظه های SSD

حالا که می دانیم حافظه های SSD چگونه کار می کنند، می توانیم به سادگی متوجه مشکل بزرگ آن ها شویم. حافظه های فلش تنها می توانند به دفعات محدودی داده در خود بنویسند و پس از آن ذره ذره به مرگ خود خواهند رسید.

این که چرا چنین اتفاقی می افتد مساله ای بسیار علمی است، ولی به طور ساده شده می توان این چنین تعریف کرد: در هنگام استفاده از یک حافظه ی SSD، جریان الکتریکی موجود در هر سلول داده ای آن باید به طور دوره ای ریست شود. متاسفانه با هر بار ریست شدن آن، مقاومت الکتریکی موجود در هر سلول افزایش می یابد که باعث افزایش ولتاژ مورد نیاز برای نوشتن اطلاعات در هر سلول می گردد. با مرور زمان ولتاژ مورد نیاز به قدری زیاد می شود که نوشتن در آن سلول غیر ممکن خواهد شد.

به همین دلیل، تنها می توان به دفعات محدودی اقدام به نوشتن در سلول های داده ای SSD کرد. البته این بدین معنا نیست که حافظه های SSD نمی توانند عمر طولانی مدتی داشته باشند.