Solid State Disk(SSD) Nedir ? Nasıl Çalışır ?

Sabit diskler bilgisayar dünyasının en eski ve en az değişime uğrayan parçaları olmuştur. Eski bir Pentium 2 bilgisayarınız da olsa, onun ATA sabit diskini alır ve güncel bir masaüstü bilgisayara kolaylıkla bağlayıp kullanabilirsiniz. Performans yönünden de hiçbir şikayetiniz olmaz, sadece kapasitesinin düşüklüğünden muzdarip olabilirsiniz. Mekanik diskler, dönen bir plaka üzerine belirlenen sektörlere hareket eden okuma-yazma kafalarının veriyi manyetik yolla işlemesi mantığına dayalı olarak çalışır. Dilerseniz “Sabit Disk Nasıl Çalışır?” isimli yazımızdan konu hakkında detaylı bilgi alabilirsiniz.

Yıllar boyu bebek adımlarıyla geliştirilmekte olan mekanik sabit diskler teknolojinin sınırlarına fazlasıyla takılmış durumdalar. Bu durum artık devrim niteliğinde sayılabilecek SSD teknolojisi sayesinde ortadan yavaş yavaş kalkacaktır. “Bilgisayar en yavaş parçası kadar hızlıdır” sözünü hatırlayıp sabit diskleri bilgisayarları frenleyen en büyük etken olarak düşünebiliriz. Aslında bunun tek bir sebebi vardır o da mekanik disklerde asla optimum seviyelere düşürülemeyen erişim süresidir. CPU L1 ve L2 önbelleklerinin nanosaniye mertebesinde veri erişim süreleri olduğunu, çipset ve ram’ların da 0.001ms’lik haberleşme sürelerini düşündüğümüzde sabit diskten okunan verilerin 15ms gecikme ile erişilebilir olması sistemi ciddi bir darboğaza sokmaktadır. Solid State Disk’lerde ise erişim süreleri 0.1-0.2ms civarlarındadır ki, bu Random Access Memory(RAM) kadar hızlı olmasa da sabit disklere oranla muazzam bir performans anlamına gelir. Günümüzde kullanılan en hızlı sabit disk, 15000RPM dönüş hızına sahip SCSI disklerdir ki onlar bile 4ms seviyesinde rastgele erişim sürelerine sahiptir. Fakat SSD diskler 0.1ms rastgele erişim süreleri ile veriye 40 kat daha hızlı ulaşabilmekteler. Tamamen serverlar için düşünülmüş SCSI 15000RPM disk ile durum böyleyse, yaygın olarak masaüstü pc’lerde kullanılan 7200RPM’lik 12-14ms erişim sürelerine sahip bir SATA-2 diskte durum nedir tahmin edebilirsiniz.

Solid State Disk’ler sadece erişim süresi avantajına değil, veri güvenliği anlamında da mekanik sabit disklerden çok ilerideler. 0 ila 70 derece sıcaklıkta optimum olarak çalışabilen bu diskler 1500 G’lik darbe dayanımına sahiptir. G değeri yerçekimi ivmesi olarak bilinmekte ve 9,81m/s2 değerine sahiptir. Dünya üzerinde her insanın omurgasına yerçekim ivmesinden kaynaklanan 800kg civarında yük uygulamaktadır. Fakat insan omurgası bu yüke uygun olarak yaratıldığından zorlayıcı bir etkisi bulunmamaktadır. Uzaya çıkan astronotlarda ise vücutlarından birden kalkan bu yük nedeniyle birkaç hafta içerisinde eklem rahatsızlıkları ve ciddi fiziksel kemik bozuklukları yaşanmaktadır. Bu nedenle uzay mekiği içerisinde basınç odalarında yaşamaktalar ve mekik dışında 250KG ağırlığında elbiseler giymekteler. 1500 G değerini biraz daha açmak gerekirse, bir Formula 1 pilotu 300km/s hızla giderken tam güçle frene basarak 2sn’de 60km/s sürate inebilmektedir. Bu durumda dahi pilotun üzerine uygulanan kuvvet 6 G seviyesindedir. Bir duvara çarpan F1 aracında ise, 90 G üzeri ölümcül kabul edilmekte ve en iyi ihtimalle beyin travmasına neden olmaktadır. Bu nedenle 1500 G’ye dayanıklı bir diskin son derece güvenli olduğu rahatlıkla söylenebilir.

SSD’lerin okuma ve yazma performansına gelince, 100MB/s okuma ve 80MB/s yazma performansını görmekteyiz. Standart bir mekanik SATA-2 sabit diskin de bu değerlerde veya çok az daha hızlı okuma ve yazma yapabildiğini düşünürsek SSD’lerde pek bir kayıp bulunmuyor. Fakat bu tekil dosyaların transferi esnasında ulaşılabilen bir değerdir. Örneğin büyük bir video dosyasında her iki disk türü de birbirine yakın performans gösterecektir. Fakat çoklu dosyalarda yani yüzlerce dosyaya erişim söz konusu olduğunda SSD diskler 30MB/s gibi okuma-yazma değerlerine düşerken, mekanik disklerde bu düşüş 300KB/s gibi dramatik seviyelerde yaşanmaktadır. Bu nedenle program açılışları veya oyun yüklemeleri gibi durumlarda SSD disklerin 100 kata kadar daha hızlı olduklarını rahatlıkla söyleyebiliriz.

SSD’ler genellikle 2.5 inç boyutlarında üretilmekte ve laptoplarda kullanılmaktadır. Masaüstü PC’lerde ise sarsıntılardan doğabilecek veri kayıpları ufak bir ihtimal olduğundan henüz yaygınlaşmaya başlamamıştır. Geleneksel sabit disklerin harcadığı 15 Watt değerine karşılık SSD’ler 2 Watt enerji ile çalışabilmekteler. Daha az ısındıklarından ve hafif olduklarından kullanımı daha elverişlidir. Fakat SSD’lerde belirli bir yazma sınırı vardır. Örneğin bir bölgeye 100 bin defa yazma veya silme işlemi yapılabilir. Tabi bu değer teknolojinin gelişimiyle daha üst seviyelere çıkartılabilir. Ama bu haliyle de 100 bin değeri hiç az bir rakam değil. Normal bir kullanımda en az 5 sene sorunsuz çalışabilecektir.

Solid State Disk’ler aslında kullandığımız usb flash belleklerin birbirlerine bağlanarak oluşturulduğu bir platformdur. Tabi bunu üzerindeki kontrolcü sayesinde kusursuz olarak gerçekleştirir ve bir bütün olarak çalışır. Örneğin 64GB’lık bir SSD diskte 32 adet 2GB’lık flash bellek veya 128GB’lıkta 32 adet 4GB’lık flash bellek kullanılabilir. Bunun bir örneğini sağda içi açılmış SSD kartı üzerinde görmektesiniz.

Nasıl Çalışır
Flash bellekler EEPROM çiplerin bir çeşididir. Aşağıda veri iletimi ve depolamanın nasıl yapıldığını şematik olarak görmektesiniz:

Mor renkli kutu olarak görülmekte olanlar kontrol ve kayar nokta mekanizmalarını içeren transistörlerdir. Bu iki transistör ince bir oksit tabakasıyla birbirinden ayrılmıştır. Kayar nokta kapısı(floating gate) sadece kontrol kapısından(control gate) geçen kelime çizgisine(wordline) bağlıdır. Bu bağlantı aşamasında hücre 1 değerini alır, bunu 0 yapabilmek için Fowler-Nordheim Tunneling adı verilen işlem basamağının gerçekleşmesi gerekir.

Tunneling işlemi, elektronların kayar nokta kapısındaki hareketini tanımlar. Yaklaşık 10 ile 13 volt arasında gelen elektrik akımı, yüküyle beraber bit hattından(bitline) gelir ve kayar nokta kapısından girerek önce sürekli akım kanalına(drain) daha sonra da kaynak kanalına(source) geçerek topraklanır.

Bu yüklenme kayar nokta kapısı transistörünün bir elektron tabancası gibi hareket etmesine neden olur. Uyarılmış bu elektronlar ince oksit tabakasının diğer tarafına itilir ve negatif yüklenirler. Bu negatif yüklü elektronlar kontrol ve kayar nokta kapıları arasında bir bariyer vazifesi görürler. Hücre sensörü isimli özel bir yorumlayıcı bölüm bulunur. Bu bölüm sayesinde kayar nokta kapısından geçen yük miktarı izlenir. Eğer bu kapıdan yükün %50’sinden fazlası geçiyorsa bunun değeri 1′dir. Eğer yük miktarı %50′nin altında kalıyorsa da değeri 0 olarak tanımlanır.

Flash bellek çiplerinin içinde yer alan hücrelerdeki elektronlarlar normale dönüp 1 değerini alırlar. Bunu da yüksek gerilim yükü ile oluşan elektrik alanı ile sağlarlar. Flash bellekler kapalı devredirler ve süregelen döngüsel görevlerin uygulanması şeklinde çalışırlar. Eğer bir veri silinecekse, daha önceden belirlenmiş bloklara gereken elektrik alan uygulanır ve blok sıfırlanmış olur. Silinen kısma tekrar yazılması mümkündür. Flash bellekler geleneksel EEPROM’lardan çok daha hızlıdırlar. Çünkü EEPROM’lar birim zamanda tek byte’lık veri temizleyebilirken, flash belleklerde bu bloklar halinde temizlenerek çok daha hızlı silinir ve tekrar yazılırlar.