SLC, MLC, QLC ve Hücredeki Bitler
Flash bellek, temel olarak bir hücre topluluğudur. Her bir hücre; elektrik yüklerinin varlığı veya yokluğu ile belirlenen 1 ya da 0 verisini depolar. Bitlerin bu şekilde manyetik döner plaka yerine silikon içerisinde depolanması; katı hal sürücülerin-SSD, sabit disk sürücülere-HDD göre üstünlüğünün temelini oluşturur. Flash depolamanın ilk örneklerinde, bir silikon parçası üzerinde, her biri 1 bit veri depolayan milyonlarca hücre yer alıyordu. SLC “single-level cell” olarak adlandırılan bu teknoloji ile her bir hücre tek bit veri depolayabiliyordu. Bu da araştırmacı ve üreticilerin aklına yeni bir soru getirdi : Depolama kapasitesi artırmak için bir hücrede birden fazla bit saklamak mümkün mü?
Bunun sonucunda; her hücrede bir dizi gerilime izin veren multi-level cell-MLC adı verilen teknoloji geliştirildi. Bu teknoloji hücre başına dört bitin (00, 01, 10 ve 11) depolanmasına imkan sağladı. Daha sonra geliştirilen Triple-level cell-TLC teknolojisi bu dört durumun, 8 duruma çıkarılmasını sağladı. Mevcut en yeni teknoloji olan quad-level cell-QLC ise 1 bit daha depolanabilmesini sağlayarak kapasiteyi 2 katına çıkardı. Artık tek bir QLC hücre 0000’dan 1111’e kadar kadar elektrik yükü değerlerini depolayabilir durumdadır. Bu hem SSD sürücülerin toplam kapasitesini artırabilmek, hemde güvenilirliğini artırmak için önemli bir gelişmedir. Günümüzde katı hal sürücüler-SSD; fiziksel olarak daha küçük, kapasite olarak ise daha büyük boyutlarda sunulabilir hale gelmiştir.
NAND ve Yapılan Geliştirmeler
Günümüzde yaygın kullanıma sahip iki farklı flash bellek teknolojisi vardır. NOR flash adı verilen teknoloji, en yüksek okuma hızlarına sahiptir. Ancak hem maliyeti yüksektir, hem de düşük kapasiteli depolama birimleri sunabilmektedir. Diğer flash bellek teknolojisi ise günümüz SSD sürücülerinde kullanılan NAND flash teknolojisidir. NOR flash teknolojisi küçük makinelerde ve taşınabilir cihazlarda kullanılırken, NAND teknolojisi masaüstü ve dizüstü bilgisayarlar ve kurumsal depolama sistemlerinde kullanılmaktadır.
Sınırlı uygulanabilirliği ve yüksek maliyeti nedeni ile NOR flash teknolojisi yaygın kullanım alanı bulamamıştır. NAND ise günümüzde flash depolamanın her türünde yer bulmaktadır. NAND teknolojisi verileri, bloklar halinde gruplandırılmış sayfa (page) birimlerinde yer alan hücrelerde depolar. Kontrolcü adı da verilen SSD birimi, blokları yönetir. Bu çalışma yapısı, NAND teknolojisinin diğer flash depolama çözümlerinden çok daha hızlı okuma yazma ile birlikte yüksek dayanıklık sunmasını sağlar.
Günümüzde giderek büyüyen veri miktarı daha yüksek kapasiteli depolama çözümleri gerektirmektedir. Mevcut NAND teknolojisinin kapasite sınırlarına ulaşması sonucu geliştirilen 3 Boyutlu NAND teknolojisi sayesinde yüksek kapasiteli ve uygun maliyetli NAND depolama çözümleri geliştirildi. Samsung tarafından V-NAND olarak da adlandırılan 3 boyutlu NAND teknolojisinde, NAND hücreleri dikey olarak da istiflenerek daha düşük üretim maliyetleri ile yüksek depolama kapasiteleri elde edilebilmektedir. Elektriksel olarak da 3 boyutlu NAND birimlerini çalıştırmanın maliyeti daha düşüktür. Buna ek olarak hız ve ömür değerlerinde 2 ile10 kat arasında artışlar gerçekleşmektedir.
3 boyutlu NAND ya da V-NAND sayesinde güç tüketimi, kapasite ve fiziksel boyutun giderek önem kazandığı tüketici ve kurumsal uygulamaların ihtiyaç duyduğu depolama için NAND flash depolama çözümlerinin kullanılabilmesini sağlamıştır.
Veri Yolu-Bus nedir?
NAND teknolojisinin sunduğu hız ve performans değerleri; depolama birimlerinin sistemlere bağlantı yapısında da geliştirmeler yapılmasını gerektirdi.
SLC ve MLC tabanlı SSD sürücüler öncelikle mevcut HDD sürücüler yerine kullanılmak üzere tasarlandıkları için sistemler ile Serial ATA yani SATA veri yolu üzerinden bağlanmaktaydı. Veri yolu, depolama birimleri ile anakart arasında verilerin aktarıldığı otoyol gibi düşünülebilir. İşletim sistemi tarafından okunan/yazılan veriler bu yol üzerinden bellek-RAM birimine aktarılarak işlenir.
SATA veri yolu; teorik olarak tam verimlilik ile saniyede 6 gigabit (6Gbps/750MB/s) veri aktarma gerçekleştirebilir. Ancak çeşitli etkenler nedeni ile gerçek kullanım senaryolarında bu hızı sunamamaktadır. Diğer yandan NAND ve SSD teknolojilerinde yaşanan gelişmeler sonrasında SATA veri yolunun sunduğu hız ve performans değerleri yetersiz kalmaya başlamıştır. SSD sürücülerin gerçek gücünden yararlanabilmek için yeni bağlantı çözümü bulunması gerekmekteydi.
Masaüstü ve dizüstü sistemlerde uzun yıllardır kullanılmakta olan PCIe yani PCI Express veri yolu, çok daha hızlı veri aktarım potansiyeline sahiptir. Anakart üzerine ses kartı, ağ kartları ya da USB çoğaltıcı gibi genişleme kartlarının bağlantısı için de kullanılan PCIe veri yolu; ekran kartı – GPU bağlantısı için yaygın şekilde kullanılmaktadır. Günümüzde hala yaygın şekilde kullanılan PCIe 3.0 veri yolu; ekran kartlarının sahip olduğu x16 lane (16 hatlı) bağlantı ile saniyede 16GB veri aktarım hızı performansı sunmaktadır. x4 SSD sürücüler için 3.500 MB/s, x8 SSD sürücüler için 7.000MB/s değerine ulaşan aktarım hızları sunabilmektedir. PCIe 3.0 veri yolu ile SATA SSD sürücülerden 6-7 kat daha yüksek hız sunan SSD sürücüler kullanılabilmektedir.
Yeni nesil sistemler için geliştirilecek SSD sürücülerde de PCIe arayüzü ve NVMe protokolü kullanılmaya devam edileceği ön görülmektedir. Kurumsal ve tüketiciler için tasarlanmış PCIe 4.0 ve PCIe 5.0 veri yolu kullanan sistemler için geliştirilmiş yeni nesil SSD sürücü hızları 7.000MB/s ve 14.000MB/s değerlerine ulaşabilmektedir.
Kaynak : Samsung