Manyetik. Elektriksel. Fotonik. Hayır, bu yeni bir Marvel süper kahraman üçlüsü hakkında değil. Bu, dijital verilerimiz hakkında. Onları güvenli ve kararlı bir şekilde saklamamız, aynı zamanda mümkün olduğunca hızlı erişip değiştirmemiz gerekiyor. Ironman ve Thor’u unutun, konumuz depolama sürücüleri!
Depolama teknolojisinin yapısını üç bölüme ayırdık: sabit disk sürücüleri (HDD), katı hal sürücüleri (SSD) ve optik sürücüler.
SSD’lerin Hikayesi Nasıl Başladı?
Tıpkı transistörlerin bilgisayarları devrim niteliğinde bir değişime uğratması gibi, yarı iletkenlerin depolama cihazlarında kullanılması da benzer bir etki yaratmayı amaçladı.
Bu süreçteki ilk adımlar, 1980 yılında Toshiba tarafından flash bellek fikrinin ortaya atılmasıyla atıldı. Toshiba, 1984 yılında NOR flash belleği, ardından 1987’de NAND flash belleği geliştirdi. Flash bellek kullanan ilk ticari depolama sürücüsü, 1991 yılında SunDisk (günümüzde SanDisk) tarafından piyasaya sürüldü.
Çoğu kişi SSD’ler ile ilk kez USB bellekler aracılığıyla tanıştı. Günümüzde bile SSD’lerin çoğu, bu temel yapıya dayanarak üretiliyor.
Sol tarafta tek bir SanDisk NAND flash bellek yongası görülüyor. Tıpkı CPU ve GPU’larda önbellek için kullanılan SRAM gibi, bu yonga da milyonlarca ‘hücre’ içeriyor. Bu hücreler, değiştirilmiş yüzer kapılı transistörlerden oluşuyor. Veriyi depolamak ve silmek için belirli bir konuma yüksek voltaj uygulanıyor. Daha düşük bir voltaj ise hücre okunurken kullanılıyor.
Eğer hücrede yük yoksa, bu düşük voltaj uygulandığında akım geçişi oluyor. Sistem, hücrenin ‘0’ durumunda olduğunu anlıyor. Tersine, eğer akım geçmiyorsa hücre ‘1’ durumunda kabul ediliyor. Bu mekanizma, NAND flash belleğin okuma işlemlerinde çok hızlı olmasını sağlarken, yazma ve silme işlemleri nispeten daha yavaş gerçekleşiyor.
En iyi flash bellek hücreleri tek seviyeli hücreler (SLC) olarak adlandırılır ve sadece tek bir yük seviyesi kullanır. Ancak daha fazla veri depolamak için bir hücreye birden fazla yük seviyesi atanabilir. Genellikle çok seviyeli hücreler (MLC) olarak bilinen bu yapıda, endüstride MLC terimi 4 seviyeli hücreleri ifade eder. Diğer türler de benzer şekilde adlandırılır:
- SLC – 1 seviye = 1 bit
- MLC – 4 seviye = 2 bit
- TLC – 8 seviye = 3 bit
- QLC – 16 seviye = 4 bit
Bu tabloya bakınca QLC en iyi seçenek gibi görünebilir. Ancak ne yazık ki durum böyle değil. Akım seviyeleri çok düşük olduğundan, elektriksel parazitlere karşı daha hassas. Bu yüzden hücrenin doğru değeri belirlenmeden önce birkaç kez okunması gerekir. Kısaca, SLC en hızlısı ancak belirli bir veri miktarı için en fazla fiziksel alan gerektirir. QLC ise en yavaş olanı ancak daha fazla veriyi daha düşük maliyetle depolamayı mümkün kılar.
SRAM ve DRAM’den farklı olarak, güç kesildiğinde bile yük hücre içinde kalır ve çok yavaş bir şekilde boşalır. Sistem belleğinde ise hücreler nanosaniyeler içinde boşaldığından, sürekli yenilenmeleri gerekir. Ancak voltaj uygulanması ve yük aktarımı zamanla hücreleri yıpratır. SSD’ler bu nedenle belirli bir süre sonunda eskir. Bu aşınmayı azaltmak için akıllı algoritmalar kullanılarak aynı hücrelerin tekrar tekrar kullanılmasının önüne geçilir.
Bu süreç, sağ tarafta görülen kontrol yongası tarafından yönetilir. HDD’lerde bulunan LSI yongasının yaptığı işleri üstlenir. Ancak döner disk sürücülerinde DRAM önbelleği ve seri flash bellenim için ayrı yongalar kullanılırken, USB belleklerde bu bileşenler tek bir kontrol yongasında birleştirilir. USB bellekler ucuz üretildiğinden, bu bileşenlerin kapasitesi oldukça düşük.
Hareketli parça bulunmadığı için SSD’lerin HDD’lerden daha iyi performans göstermesi beklenir. Bu durumu CrystalDiskMark testi ile inceleyelim:
İlk bakışta sonuçlar hayal kırıklığı yaratıyor. Sıralı okuma/yazma ve rastgele yazma hızları, test edilen HDD’den bile kötü görünüyor. Ancak rastgele okuma hızı oldukça iyi ve bu da flash belleğin sağladığı en büyük avantajlardan biri. Yazma ve silme işlemleri yavaş gerçekleşse de okuma işlemleri genellikle oldukça hızlı.
Ancak bu testte görünen rakamların arkasında bazı önemli detaylar bulunuyor. USB bellek testi USB 2.0 bağlantısı üzerinden gerçekleştirildi ve bu bağlantının maksimum veri aktarım hızı yalnızca 60 MB/s. Buna karşılık, HDD SATA 3.3 portuna bağlanmıştı ve bu port on kat daha fazla veri aktarımı yapabiliyor. Ayrıca, USB bellekte kullanılan flash bellek teknolojisi oldukça basit: TLC hücreler ve bu hücreler planar (2D) düzende sıralanmış.
Günümüzde en iyi SSD’lerde SLC veya MLC hücreler kullanılır ve bu bellek hücreleri dikey olarak katlanmış 3D yapılar halinde dizilir. Ayrıca SATA 3.0 bağlantısı kullanılsa da, bellek üreticileri hızla PCI Express sistemine geçiş yapıyor ve NVMe arayüzü ile daha yüksek hızlara ulaşıyor.
Şimdi bu teknolojileri kullanan bir SSD’ye, Samsung 850 Pro modeline göz atalım. Bu SSD, hücreleri dikey olarak istiflenmiş bir yapıya sahip.
Ağır ve büyük 8.89cm Seagate HDD yerine bu SSD yalnızca 6.35cm genişliğinde, çok daha ince ve hafif.
SSD’nin içini açtığımızda fark edilen ilk şey, içinde neredeyse hiçbir mekanik bileşenin bulunmaması.
İçinde neredeyse hiçbir şey yok!
Ne diskler var, ne aktüatör kolları, ne de mıknatıslar – sadece birkaç çip içeren tek bir devre kartı bulunuyor.
Peki SSD’lerin içerisinde neler bulunuyor? Küçük siyah çipler voltaj düzenleyicilerden oluşuyor, geride kalan bileşenler ise şunlar:
- Samsung S4LN045X01-8030 – 3 çekirdekli ARM Cortex R4 tabanlı işlemci; veri işleme, hata düzeltme, şifreleme ve aşınma yönetimi görevlerini üstleniyor.
- Samsung K4P4G324EQ-FGC2 – 512 MB DDR2 SDRAM, önbellek olarak kullanılıyor.
- Samsung K9PRGY8S7M – 64 GB kapasitesinde, 32 katmanlı MLC NAND flash bellek çipi (Toplam 4 çip bulunuyor, ikisi kartın diğer yüzünde).
Bu bileşenler sayesinde SSD, daha fazla bellek çipi içerdiğinden veri yazma işlemlerini paralel olarak gerçekleştirebiliyor. USB belleklerde çok az DRAM bulunduğu için yazma işlemleri yavaş gerçekleşiyordu, ancak burada büyük bir önbellek çipi bulunduğundan bu süreç daha hızlı hale geliyor.
CrystalDiskMark testine geri döndüğümüzde büyük bir gelişme görülüyor. Okuma ve yazma hızları belirgin şekilde artmış, gecikme süreleri ise ciddi oranda azalmış durumda.
Avantajlar neler? Küçük boyut, hafiflik, hareketli parçaların olmaması ve daha düşük güç tüketimi.
Ancak tüm bu avantajların bir maliyeti var ve bu maliyet gerçek anlamda yüksek bir fiyat etiketi anlamına geliyor. 13.300TL ile 14 TB HDD satın alınabilirken, aynı para ancak 1-2 TB SSD almaya yetiyor. Daha büyük kapasiteli SSD’ler istendiğinde fiyatlar hızla artıyor: 15.36 TB’lik bir kurumsal SSD’nin fiyatı şu an 163.405TL civarında!
Bazı üreticiler, hibrit HDD’ler geliştirerek geleneksel mekanik disk sürücülerine küçük bir flash bellek ekleyerek bu soruna çözüm getirmeye çalıştı. Bu sistemde, sık erişilen veriler flash belleğe yazılır ve disklerin üzerinde sürekli olarak döndürülmez. Aşağıda, bir Samsung 1 TB hibrit HDD (SSHD) örneği yer alıyor.
Devre kartının sağ üst köşesinde NAND çipi ve onun denetleyici çipi görülebilir. Geri kalan bileşenler, daha önce incelediğimiz Seagate HDD ile büyük ölçüde aynı.
CrystalDiskMark testini bir kez daha kullanarak hibrit bir sürücünün performans kazancı olup olmadığını kontrol edebiliriz. Ancak burada disk dönüş hızları farklı olduğundan doğrudan adil bir kıyaslama yapmak zor: Bu hibrit disk 7200 RPM hızında dönerken, HDD testimizde kullandığımız WD diski sadece 5400 RPM hızında çalışıyordu.
Sonuçlara baktığımızda bazı iyileşmeler fark ediliyor, ancak bu artış muhtemelen diskin daha yüksek dönüş hızından kaynaklanıyor. Ayrıca, test dosyaları bir Benchmark yazılımı tarafından oluşturulduğu için, sürücünün flash belleğini sık erişilen veriler olarak algılaması pek olası değil.
Ancak, daha kapsamlı testlerde hibrit sürücülerin geleneksel HDD’lere kıyasla genel performansı artırdığı gözlemlendi. Yine de, ucuz flash bellek çipleri kaliteli bir HDD kadar dayanıklı olmadığından, hibrit sürücüler uzun vadede pek cazip bir seçenek sunmuyor. Zaten depolama sektörü de tamamen SSD’lere yönelmiş durumda.
SSD’ler İçin Alternatif Teknolojiler Neler?
Flash bellek, SSD’lerin temel bileşeni olsa da, tek seçenek değil. Intel ve Micron, birlikte 3D XPoint adını verdikleri yeni bir depolama teknolojisi geliştirdi.
Bu sistemde, hücrelere yükleme-boşaltma yöntemiyle voltaj uygulamak yerine, hücrelerin elektriksel direnci değiştirilerek veri saklanıyor.
Intel, bu yeni depolama sistemini Optane markası altında pazarlıyor. Test edildiğinde performansı olağanüstü seviyede çıktı. Ancak fiyatı da aynı derecede yüksekti.
Şu anda yaklaşık 1 TB kapasiteli bir Optane SSD satın almak için 45.601TL ödemek gerekiyor. Bu, benzer boyuttaki flash tabanlı bir SSD’den dört kat daha pahalı.
Sonuç
SSD’ler, hız, dayanıklılık ve enerji verimliliği açısından HDD’lere kıyasla birçok avantaj sunuyor. Ancak yüksek fiyatları nedeniyle hala herkes için ulaşılabilir değil.
Depolama teknolojileri hızla gelişmeye devam ediyor. Günümüzde flash bellek tabanlı SSD’ler yaygın olarak kullanılırken, gelecekte Optane gibi yeni teknolojilerin yaygınlaşıp yaygınlaşmayacağı merak konusu.
Şu an için hız ve güvenilirlik isteyenler SSD, düşük maliyetle büyük kapasiteler isteyenler HDD kullanmaya devam ediyor.
