إن السبب في أن صور هاتفك ومستندات الكمبيوتر الخاص بك تظل آمنة حتى بعد انقطاع التيار الكهربائي يعود إلى حد كبير إلى نوع من الذاكرة يسمى فلاش NAND. إنه حجر الزاوية في العالم الرقمي الحديث - وهو نوع من ذاكرة غير متطايرةمما يعني أنه يمكنه الاحتفاظ بالبيانات حتى بدون طاقة. من الهواتف الذكية و محركات أقراص الحالة الصلبة إلى محركات أقراص فلاش USBتعتمد عليها جميع أجهزتنا الإلكترونية اليومية تقريبًا. دعونا نكشف الغموض وراء هذه التقنية الأساسية خطوة بخطوة.
ما هو فلاش NAND Flash؟
ببساطة، فلاش NAND هو عبارة عن وسيط إلكتروني يستخدم لتخزين البيانات، وميزته الأساسية هي عدم التقلب. هذا يعني أنه حتى عند انقطاع الطاقة تمامًا، يمكن الاحتفاظ بالبيانات لفترة طويلة. وهذا يختلف تمامًا عن ذاكرة الوصول العشوائي للكمبيوتر، والتي تمسح جميع البيانات بمجرد انقطاع الطاقة. الاسم "NAND" يأتي من بنية البوابة المنطقية المستخدمة في الداخل - دائرة "NOT-AND".
لفهم كيفية عمل هذا النظام بشكل أفضل، تخيل مرآب عملاق متعدد الطوابق لوقوف السيارات. تمثل كل مساحة لركن السيارات أصغر وحدة تخزين تحتفظ بالبيانات. يشكل صف من أماكن وقوف السيارات الصفحة، وهي الوحدة الأساسية لتحرك السيارات (البيانات) داخلها أو خارجها. يشكل الطابق أو المنطقة بأكملها كتلة. عند الحاجة إلى إعادة رسم خطوط التوقف، يجب مسح الكتلة بأكملها أولاً. وبالمثل، في فلاش NAND، يجب مسح الكتلة بأكملها قبل كتابة البيانات الجديدة. هذه ميزة رئيسية تحدد كيفية عمل فلاش NAND.
كيف يعمل فلاش NAND Flash؟
يكمن السر وراء قدرة فلاش NAND على تخزين البيانات في مكونه الأساسي - وهو ترانزستور البوابة العائمة. يمكنك التفكير في هذا الترانزستور على أنه مفتاح ذو بوابات متعددة. جزء واحد، يسمى بوابة عائمةمعزولة تمامًا بواسطة عازل، مثل مصيدة محكمة الغلق للشحنات الكهربائية. يتم تخزين البيانات على شكل إلكترونات داخل هذه البوابة العائمة.
عند كتابة البيانات - المعروفة أيضًا باسم البرمجة - يتم تطبيق جهد عالي لحقن إلكترونات في البوابة العائمة من خلال الطبقة العازلة. تغير هذه الإلكترونات المحتبسة الخصائص الكهربائية للترانزستور، وهو ما يمثل "0." وعلى العكس من ذلك، إذا كان هناك عدد قليل من الإلكترونات في البوابة العائمة، فإنها تمثل "1."
عند قراءة البيانات، تطبق وحدة التحكم جهدًا منخفضًا على الترانزستور وتتحقق مما إذا كان التيار يتدفق عبره. إذا كانت البوابة العائمة تحتوي على إلكترونات، يصبح من الصعب توصيل الترانزستور ويصبح التيار ضعيفًا - ويفسر ذلك على أنه "0." إذا كان هناك عدد قليل من الإلكترونات، فإن الترانزستور يوصل بسهولة ويكون التيار عاديًا - وهو ما يُفسر "1."
ومع ذلك، يحتوي فلاش NAND على قيد واحد حاسم: لا يمكن ببساطة الكتابة فوق البيانات القديمة مثل مسح لوحة الطباشير. قبل كتابة بيانات جديدة، يجب أولاً استعادة خلية التخزين إلى وضعها الأولي "1" وهي عملية تسمى محو. أصغر وحدة محو ليست خلية واحدة أو صفحة واحدة، ولكن أصغر وحدة محو ليست خلية واحدة أو صفحة واحدة، ولكن كتلة. الأمر يشبه الاضطرار إلى نقل جميع السيارات من منطقة وقوف السيارات بالكامل قبل إعادة طلاء الخطوط. عندما تتغير البيانات في إحدى الصفحات، يجب على وحدة التحكم نسخ البيانات الصالحة من الكتلة بأكملها إلى مكان آخر، ومسح الكتلة، ثم كتابة البيانات الجديدة. هذا "المسح قبل الكتابة" العملية هي المفتاح لفهم تشغيل فلاش NAND وحدود عمره الافتراضي.
عائلة فلاش NAND - من SLC إلى QLC وNAND ثلاثي الأبعاد
ولتحقيق التوازن بين السعة والتكلفة والأداء والعمر الافتراضي، تطورت فلاش NAND إلى عدة أنواع. يمكن تصنيفها حسب عاملين رئيسيين:
عدد البتات التي يمكن لكل خلية تخزينهاو
سواء كانت بنيتها المادية مستوية (ثنائية الأبعاد) أو مكدسة (ثلاثية الأبعاد).
حسب البتات لكل خلية، ينقسم فلاش NAND إلى أربع فئات رئيسية:
SLC (خلية أحادية المستوى): تخزن 1 بت لكل خلية، مع حالتين فقط. إنه سريع للغاية ومتين وموثوق به، ولكنه أيضاً الأغلى ثمناً. تُستخدم في خوادم المؤسسات والتطبيقات الصناعية التي تتطلب أقصى أداء.
MLC (خلية متعددة المستويات): يخزن 2 بت لكل خلية بأربع حالات. وهي توازن بين السرعة والعمر الافتراضي والتكلفة، وكانت شائعة في السابق في أقراص SSD الاستهلاكية المتطورة، على الرغم من أنه تم استبدالها الآن إلى حد كبير بأنواع أحدث.
TLC (خلية ثلاثية المستوى): يخزن 3 بتات لكل خلية، مع ثماني حالات للتمييز. إنها أبطأ ولها عمر افتراضي أقصر ولكنها توفر كثافة أعلى وتكلفة أقل، مما يجعلها الخيار السائد للهواتف الذكية ومحركات أقراص الحالة الصلبة للمستهلكين اليوم.
QLC (خلية رباعية المستوى): يخزن 4 بت لكل خلية بستة عشر حالة. كما أنه يقلل من التكلفة لكل جيجابايت ويزيد من السعة ولكنه يتميز بسرعات كتابة أبطأ وقدرة تحمل أقصر، وهو مناسب للتخزين ذي السعة الكبيرة أو الأجهزة ذات الكتابة غير المتكررة.
بالإضافة إلى زيادة البتات لكل خلية، شهدت تقنية NAND ثورة هيكلية كبيرة: الانتقال من 2D (مستوٍ) إلى 3D NAND. كانت تقنية NAND ثنائية الأبعاد المبكرة تشبه بناء منازل من طابق واحد - لزيادة السعة، كان يجب أن يتقلص حجم الخلية، الأمر الذي سرعان ما يصل إلى حدود مادية. من ناحية أخرى، تقوم تقنية NAND ثلاثية الأبعاد بتكديس الخلايا عموديًا مثل طوابق ناطحات السحاب، مما يسمح بتجميع المزيد من البيانات في نفس المساحة. هذا الهيكل لا يكسر حدود الكثافة فحسب، بل يحسن أيضًا الموثوقية والقدرة على التحمل لأنه يستخدم عمليات تصنيع أكبر وأكثر استقرارًا. اليوم، أصبحت تقنية NAND ثلاثية الأبعاد معيار الصناعة.
مزايا ومساوئ فلاش NAND Flash
لكل تقنية جانبان، وفلاش NAND ليس استثناءً. فمزاياها تجعلها العمود الفقري للتخزين الحديث، بينما تحدد نقاط ضعفها حدودها العملية.
المزايا
يتميز فلاش NAND بكثافة تخزين عالية جدًا، خاصةً مع التقنية ثلاثية الأبعاد، مما يسمح بتخزين تيرابايت من البيانات في مساحة صغيرة جدًا. وتؤدي هذه الكثافة إلى تكلفة أقل بكثير لكل جيجابايت، مما يتيح للهواتف الذكية ومحركات أقراص الحالة الصلبة ذات السعة الكبيرة. لا يحتوي على أجزاء متحركة، مما يجعله مقاومًا للصدمات والاهتزازات - وهو مثالي للأجهزة المحمولة. كما أنها تستهلك طاقة قليلة جداً، خاصةً عندما تكون في وضع الخمول، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة الإلكترونية التي تعمل بالبطارية.
العيوب
المشكلة الأكبر هي العمر الافتراضي المحدود. لا يمكن لكل خلية ذاكرة أن تتحمل سوى عدد معين من دورات البرمجة/المسح قبل أن تبلى. وكلما زاد عدد البتات لكل خلية (من SLC إلى QLC)، كلما كان العمر الافتراضي أقصر. كما أن سرعة الكتابة أبطأ من سرعة القراءة بسبب عملية "المسح قبل الكتابة"، مما يضيف وقت استجابة. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي رقائق NAND على كتل معيبة يجب إدارتها بواسطة وحدات تحكم معقدة باستخدام خوارزميات تسوية التآكل و تصحيح الخطأ. وبمرور الوقت، تتسرب الشحنة المخزنة تدريجيًا، مما يسبب مشاكل في الاحتفاظ بالبيانات بعد سنوات عديدة من انقطاع التيار الكهربائي.
حالات استخدام ذاكرة فلاش NAND
فلاش NAND موجود في كل مكان في حياتنا الرقمية. خصائصه تجعله لا يمكن الاستغناء عنه في العديد من الصناعات.
- في الإلكترونيات الاستهلاكية، فلاش NAND هو مكون التخزين الأساسي. تتألف وحدة التخزين الداخلية للهواتف الذكية والأجهزة اللوحية من رقائق NAND، مما يتيح تشغيل التطبيقات بسرعة وتخزين الصور والفيديو بشكل هائل وتخزين البيانات بأمان حتى بعد إيقاف التشغيل. تستخدم كل من محركات أقراص USB وبطاقات SD وبطاقات microSD فلاش NAND لجعل نقل البيانات سهلاً ومحمولاً.
- في الحوسبة، أحدث فلاش NAND ثورة من خلال محرك أقراص الحالة الصلبة (SSD). على عكس محركات الأقراص الصلبة الميكانيكية، لا تحتوي أقراص SSD على أجزاء متحركة وتوفر سرعات قراءة/كتابة أسرع بكثير، مما يقلل من أوقات الإقلاع وأوقات تحميل التطبيقات وعمليات نقل الملفات. كما أن مقاومتها للصدمات وتشغيلها الصامت يحسنان من تجربة المستخدم، مما يجعل محركات أقراص الحالة الصلبة قياسية في أجهزة الكمبيوتر المحمولة وخوادم مراكز البيانات.
- بالإضافة إلى الأجهزة الشخصية، يحتوي فلاش NAND على العديد من الاستخدامات الصناعية والمؤسسية. وهي تشغل أنظمة المعلومات والترفيه في السيارات، وكاميرات لوحة القيادة، وأنظمة الملاحة. في أجهزة إنترنت الأشياء، تخزن الأكواد والبيانات. في الحوسبة السحابية ومراكز البيانات، توفر مصفوفات ضخمة من محركات أقراص الحالة الصلبة SSD خدمات تخزين مؤقت وبيانات سريعة تحافظ على تشغيل الإنترنت.
باختصار، حيثما كانت هناك حاجة إلى تخزين البيانات على المدى الطويل والمستقر والسريع - خاصةً مع قيود الحجم والطاقة والمتانة - فإن فلاش NAND موجود.
التوقعات المستقبلية والبدائل الناشئة
على الرغم من أن فلاش NAND تقنية ناضجة، إلا أنها لا تزال تتطور في الوقت الذي تواجه فيه تحديات من حلول الذاكرة من الجيل التالي.
تطور NAND المستمر: تتحرك تقنية NAND ثلاثية الأبعاد نحو المزيد من الطبقات - أكثر من 500 اليوم وترتفع إلى أعلى، مثل ناطحات السحاب الأطول التي تخزن المزيد من البيانات. ولزيادة الكثافة بشكل أكبر، يستكشف المهندسون PLC (خلية خماسية المستوى)وتخزين 5 بتات لكل خلية. ومع ذلك، فإن المزيد من الطبقات والحالات تزيد من تعقيد التصنيع وتقلل من القدرة على التحمل والاحتفاظ بالبيانات. ستعتمد التحسينات المستقبلية بشكل أكبر على أن تكون أكثر ذكاءً خوارزميات وحدة التحكم, تصحيح الخطأو معالجة الإشارات لتعويض القيود الجسدية.
البدائل المحتملة: ذكريات ناشئة مثل ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (MRAM) و ذاكرة الوصول العشوائي الكهروضوئية (FRAM) توفر عمليات كتابة سريعة للغاية وقدرة تحمل غير محدودة تقريبًا، لكنها مكلفة ومنخفضة الكثافة، وتستخدم بشكل أساسي في الأنظمة المدمجة. ذاكرة الوصول العشوائي المتغير الطور (PCRAM) يقع بين DRAM وNAND من حيث السرعة والعمر، ويُنظر إليه على أنه جسر بين الذاكرة والتخزين، ولكن لا يزال من الصعب تسويقه على نطاق واسع.
بشكل عام، سيبقى فلاش NAND - خاصةً NAND ثلاثي الأبعاد - هو حل التخزين السائد عالي السعة في المستقبل المنظور، وذلك بفضل كفاءتها من حيث التكلفة ونظامها البيئي الناضج. من المحتمل أن تكون أنواع الذاكرة الجديدة مكملة لـ NAND في مجالات متخصصة بدلاً من استبدالها بالكامل.
وباعتبارها تقنية ذاكرة غير متطايرة، فقد أصبح فلاش NAND من أساس لا غنى عنه للعصر الرقمي. حيث تدعم كثافتها العالية وتكلفتها المنخفضة وموثوقيتها بهدوء كل شيء بدءًا من الأجهزة الشخصية إلى مراكز البيانات العالمية. بدءًا من SLC المبكر إلى TLC ثلاثي الأبعاد TLC وQLC الكثيف، سعى كل تقدم تقني إلى تحقيق توازن أفضل بين السعة والأداء والتكلفة. على الرغم من محدودية القدرة على التحمل المادي، إلا أن الابتكارات مثل التكديس ثلاثي الأبعاد ووحدات التحكم المتقدمة تحافظ على ازدهارها. واستشرافًا للمستقبل، في حين أن التقنيات الناشئة قد تكملها في مجالات متخصصة، سيستمر فلاش NAND في العمل كـ جوهر التخزين الشامل للبياناتتحمل ذكرياتنا الرقمية الآخذة في التوسع في المستقبل.
