Bir depolama biriminin anatomisi! Nerede bu veriler?

Bilgisayar devrinin başlaması ile birlikte, birçok donanım da hayatımıza girmiş durumda. Daha sonra internetin bulunması ile, veri kavramı da ortaya çıktı. Her gün milyarlarca insan, milyarlarca sayıda veri üretiyor. Bu veriler türüne bağlı olarak kişisel donanımlarda depolandığı gibi, şirketlerin veri istasyonlarında da depolanabiliyor.

Peki hayatmızda bu kadar önemli bir yere sahip olan veriler nerede depolanıyor? Bu yazımızda sizlerle, bir depolama biriminin anatomisi hakkında detaylı bir yolculuğa çıkacağız Depolama birimlerinin ise birçok çeşidi var. Bunlar arasında USB bellekler, HDD’ler ve SSD’ler mevcut. Yazı içerisinde daha çok SSD ve USB belleklere değineceğiz.

Depolama birimlerinin hızları neden farklı? Bir depolama biriminin anatomisi

Transistör teknolojinin gelişmesi ile birlikte, bilgisayar devrelerinde yapılan matematik ve hesaplama işlemleri de önemli ölçüde hızlandı. Yarı iletken maddelerin depolama birimlerinde kullanılmaya başlanması ile, verilerin okunma ve yazılma hızları arttı. Peki bu süreç nasıl başladı?

1980 yılında flash bellek kavramını öneren Toshiba, bu alanda bir devrime imza attı. Bundan 4 yıl sonra ise NOR flash‘ı geliştiren Japon teknoloji devi, 1987 yılında da NAND flash‘ı geliştirdi. Flash bellek teknolojisini ticari amaçla kullanan ilk SSD ise, şimdiki adıyla SanDisk olan ancak o zamanlarda SunDisk olarak bilinen şirket tarafından geliştirildi. Bu SSD ise 1991 yılında piyasaya sürülmüştü.

İşletim sistemlerinde sanal bellek kullanımı

Depolama biriminin anatomisi yazımızın ilk hedefi USB bellekler. Aslında boyut olarak çok farklı olsalar da, USB bellekler ile SSD’ler arasında birçok ortak yön mevcut. Aşağıda görmüş olduğunuz USB bellek, tek bir NAND flash bellek yongasına sahip.

Bu yonga, yüzer-kapı olarak bilinen bir tür modifiye transistörlerin birleşiminden oluşan milyonlarca hücrelerden meydana geliyor. Bu transistörler, hücredeki belli bir yere okuma veya yazma yapmak için yüksek voltaj kullanıyor.

Hücreler okunurken daha düşük bir voltaj gerekir. Bu sebeple, USB belleklere herhangi bir veriyi atmak / yazmak daha zordur. Ancak, bu belleklerde bulunan bir veriyi bilgisayara atmak ise daha kolaydır. USB belleklerin, özellikle yazma işlemi esnasında daha fazla ısınması da bunun bir kanıtıdır.

Hücreler şarj edilmediği zaman, düşük voltajın uygulanması sonucu bir akım oluşur. Bu akım, sisteme hücrenin 0 (sıfır) durumunda olduğunu belirtir. Tersi durumda ise hücre 1 durumuna geçer. Bildiğiniz üzere, bilgisayar dünyasında her şey 0 ve 1 rakamlarından oluşur.

Bu yöntem sayesinde, NAND flash birimleri çok hızlı şekilde okunabilir. Ancak veri yazma veya silme işlemleri bu kadar kolay değildir. Birden fazla türde hücre bulunur. Depolama birimlerinde hızı, ömrü ve maliyeti de aslında bu hücre teknolojisi belirler.

En iyi flash bellek hücresi, SLC olarak adlandırılan tek seviyeli hücrelerdir. Bu hücreler, istenilen konuma sadece bir miktar voltaj uygulanması sonucu çalışır. Ancak birden fazla şarj seviyesine sahip hücreler vardır. Genel olarak bunlar, çok seviyeli hücreler (MLC) olarak bilinir. Aşağıda tüm hücre teknolojilerini ve hücrelerin sarj seviyelerini sizler için sıraladık.

• SLC: 1 seviyeli şarj = 1 bit
• MLC: 4 seviyeli şarj = 2 bit
• TLC: 8 seviyeli şarj = 3 bit
• QLC: 16 seviyeli şarj = 4 bit

Depolama biriminin anatomisi konusundaki en önemli birim hücrelerdir. O yüzden bu kısmın anlaşılması oldukça önemli. Yukarıdaki şarj seviyelerine ve bit sayılarına baktığımız zaman, en iyi hücre teknolojisi QLC gibi görünebilir. Ancak, QLC hücrelerinin herhangi bir akış için ihtiyaç duyduğu akım çok düşüktür ve elektriksel gürültüye duyarlıdır.

Akım ihtiyacı düştükçe, hücrelerdeki şarj durumlarını kontrol etmek zorlaşır. Bu durum ise yavaşlamaya neden olur. Bu sebeple en hızlı hücre SLC hücrelerdir. Ancak fazla yer kapladıkları için maliyetleri de yüksektir. QLC ise en yavaş olanıdır ancak daha ucuzdur.

Bir depolama biriminin anatomisi yazımızın ikinci kısmı da SSD‘ler ile alakalı. SRAM ve DRAM’den farklı olarak, güç kesildiği zaman flash belleklerdeki veriler kaybolmaz. Ancak, voltaj vermek zamanla hücrelere zarar verir ve SSD’lerin zamanla yıpranmasına yol açar. Bu durumu azaltabilmek için, mümkün olduğu kadar aynı hücrelerin tekrar tekrar kullanılmasından kaçınılır.

Günümüzde en iyi SSD’lere kullanılan flash bellek hücreler SLC ve MLC türleridir. Diğer hücreler e göre biraz daha hızlı çalışırlar ve daha yavaş yıpranırlar. Şeritler ikiye katlanır ve dikey veya 3D bir hücre düzenlemesi oluşturulur. Türüne bağlı olarak, SATA 3.0 veya PCIe Experess arabirimlerini kullanırlar. PCIe Express birimini kullanan NVME SSD‘ler oldukça hızlı olmalarına karşın bir o kadar pahalıdırlar.

Depolama biriminin anatomisi yazımızın bu kısmında, SSD’lerin iç kısımları ve donanımların görevleri hakkında konuşacağız. Yukarıdaki SSD, mekanik disklerin aksine herhangi bir mıknatıs, mekanik kol veya disk bulundurmuyor. Diğerlerinden farklı olarak, anakartın üzerinde bulunan küçük siyah çipler voltaj regülatörleridir. Gelin bu parçaların hepsini teker teker inceleyelim.

• Samsung S4LN045X01-8030: Gelen talimatları, verileri, şifrelemeyi, aşınma seviyesini ve hata düzeltmelerini işleyen 3 çekirdekli ARM Cortex R4 tabanlı işlemci.
• Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 MB DDR2 SDRAM, önbellek için kullanılır.
• Samsung K9PRGY8S7M: Her çip 64 GB kapasiteli ve MLC 32 katmanlı dikey NAND flash bellektir. SSD iki katmanlı olduğu için 2×2 olmak üzere 4 adet bulunur. Toplamda 256 GB kapasite.

Tüm bunlara ek olarak, daha iyi performans için 2 bit flash hücreler, çoklu bellek yongaları ve çok sayıda önbellek mevcuttur. Birden fazla flash çip ile birlikte, yazma işlemi paralel olarak yürütülebilir ve performans artışı sağlanır. SSD’lerin, HDD’lere göre okuma ve yazma hacimleri daha yüksektir ve gecikmeler daha küçüktür. Ayrıca, SSD’ler daha az güç tüketirler.

Tabi birde ortada maliyet var. Bugün 1 TB HDD için ortalama 300 TL ödemeniz gerekirken, bu sayı SSD’ler için 1000 TL‘den fazladır. Depolama biriminin anatomisi yazımızın sonuna doğru yaklaşırken, flash bellek teknolojisinin SSD’lerde kullanılan tek teknoloji olmadığını da belirtmek gerekir. Intel ve Micron, 3D XPoint adını verdikleri yeni bir teknoloji geliştirdi.

Bu teknoloji ile birlikte, hücrelere 0 ve 1 durumlarını oluşturmak için farklı voltajlar verilmiyor. Bunun yerine hücreler, elektrik dirençlerini kendileri değiştiriyor. Verilen voltajın ise bu durumda önemi pek kalmıyor.

Tahmin edenleriniz olabilir, bu teknoloji pazarda Intel Optane adı altında sunuldu. Ancak henüz yeni doğan bir teknoloji olduğu için, mali açından pek kazançlı değil. Optane bellekler, SSD’lerden yaklaşık 4 kat daha maliyetli.

Uzun süre açık kalan bilgisayarda RAM neden dolar?

Eğer yazımızdan keyif aldıysanız ve bu tarz içeriklerin gelmesini daha fazla istiyorsanız, lütfen yorumlarda belirtin.