ما المقصود بالتخزين بالذاكرة الوميضية؟

تتنوع حلول التخزين بالذاكرة الوميضية بين محركات أقراص USB إلى المصفوفات المؤسسية ولا ينبغي الخلط بينها وبين ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أو الذاكرة قصيرة المدى. مقارنةً بمحركات الأقراص الثابتة ذات العناصر المتحركة، يمكن لمحركات أقراص USB الوميضية توفير أوقات استجابة فائقة السرعة (على سبيل المثال، زمن انتقال بالمايكروثانية). فهي تعتمد على ذاكرة غير متطايرة، ما يعني عدم فقدان البيانات عند فصل الكهرباء.

ويستخدم التخزين بالذاكرة الوميضية أيضًا محرك أقراص ذا حالة صلبة (SSD) عالي التوفر ويتطلب طاقة ومساحة مادية أقل من التخزين باستخدام القرص الميكانيكي.

تُعد الذاكرة الوميضية حاليًا عنصرًا أساسيًا في أجهزة التخزين (محركات أقراص USB الوميضية وبطاقات SD) والهواتف الذكية والأجهزة المحمولة والكاميرات الرقمية. 

تم تطوير التخزين بالذاكرة الوميضية تلبيةً للحاجة المتزايدة إلى التخزين غير المتطاير والمضغوط والموفر للطاقة، حيث أصبحت الأجهزة الإلكترونية أصغر حجمًا وأكثر قابلية للنقل.

في عام 1986، طرحت شركة Toshiba أول شريحة ذاكرة وميضية NAND، وهي مزودة بميزة التخزين المضغوط وسرعة الكتابة الفائقة لدعم تطبيقات التخزين (محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة وبطاقات الذاكرة). في عام 1993، أصدرت شركة Intel ذاكرة NOR الوميضية، وهي أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب سرعة الوصول إلى البيانات، مثل الأنظمة المدمجة (كود التشغيل، والبرامج الثابتة).

قدمت الذاكرة الوميضية أداءً مذهلاً وسرعان ما أحدثت ثورة في عالم تخزين البيانات، متفوقةً على الأقراص الدوارة وبطاقات الذاكرة. ومع تزايد استخدام البيانات وتحول الأجهزة لتصبح أخف وزنًا وأصغر حجمًا، أثبتت أنظمة الذاكرة الوميضية أنها أسرع طريقة لتخزين المعلومات الرقمية وكتابتها وإعادة برمجتها ونقلها.

في عام 2000، جرى تطوير محركات أقراص USB الوميضية (المعروفة أيضًا باسم محركات أقراص بحجم الإبهام) لتخزين الملفات ونقلها. كان هذا الجهاز المحمول صغير الحجم، وذا سعة أكبر بكثير من أنظمة التخزين السابقة. في عام 2005، أصدرت شركة Apple أول أجهزة iPod التي تعتمد على الذاكرة الوميضية، ما سرّع من تبني المستهلكين لتقنية التخزين بالذاكرة الوميضية.

بحلول أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، بدأت محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة القائمة على الذاكرة الوميضية تحل محل محركات الأقراص الثابتة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة وبيئات مراكز البيانات، ما سرع أوقات التشغيل وقلل استهلاك الطاقة وطول العمر الافتراضي.

شهد تطور تقنية الخلايا تقدمًا كبيرًا في سعة التخزين بالذاكرة الوميضية. وانطلاقًا من تقنية الخلايا أحادية المستوى (SLC) التي تقوم بتخزين بت واحد من البيانات في كل خلية، تقدمت الصناعة نحو تقنية الخلايا متعددة المستويات (MLC) التي تقوم بخزين 2 بت من البيانات في كل خلية بحلول منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. طرحت شركة Toshiba تقنية الخلايا ثلاثية المستوى (TLC) في عام 2009، والتي تبنتها شركة Samsung في عام 2010، ما أتاح تخزين 3 بت من المعلومات في كل خلية. ويعمل كل جيل من هذه التقنية على زيادة كثافة التخزين مع مراعاة الأداء.

وقد قفز هذا التحول قفزة نوعية في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين مع ظهور تقنية 3D NAND، التي تكدس خلايا الذاكرة عموديًا لزيادة كثافة التخزين وتقليل التكلفة لكل جيجابايت.

في أوائل عام 2011، أدى إصدار NVMe (الذاكرة غير المتطايرة السريعة) كواجهة قائمة على الذاكرة الوميضية إلى استكشاف المزيد من إمكانات الذاكرة الوميضية، ما أتاح زمن انتقال قصيرًا للغاية وأداء فائق الإنتاجية عبر توصيلات التوصيل البيني السريع للمكونات الطرفية (PCIe).

في عام 2018، أصدرت شركة Micron محركات أقراص وميضية مزودة بخلايا رباعية المستوى (QLC) والتي تخزن 4 بتات من البيانات في كل خلية، بزيادة 33% في الكثافة مقارنةً بالخلايا ثلاثية المستوى. وبالمقارنة مع الخلايا ثلاثية المستوى، توفر الخلايا رباعية المستوى سعة أكبر وتكلفة أقل، ولكنها أبطأ في الأداء وتعيش لفترة أقصر. وهي ملائمة أكثر لأحمال التشغيل التي تتطلب قراءة مكثفة، مثل التخزين الأرشيفي ونشر المحتوى واستدلال الذكاء الاصطناعي، عن التطبيقات التي تتطلب كتابة كثيفة مثل منصات وسائل التواصل الاجتماعي.

بالنسبة إلى المؤسسات الكبرى، كانت سرعة الذاكرة الوميضية وكثافتها السبب في أن تصبح تقنية التخزين المفضلة، وقد حلت محل الأقراص الثابتة بشكل كبير لتصبح وسيلة التخزين الرئيسية في مراكز البيانات. لقد أصبحت الذاكرة الوميضية أيضًا عنصرًا أساسيًا للبنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات الحديثة، حيث تدعم كل شيء بدءًا من حوسبة الحافة وحتى تدريب نماذج الذكاء الاصطناعي.

تستخدم محركات الأقراص الثابتة أجهزة كهروميكانيكية لتخزين المعلومات الرقمية. وهي منخفضة التكلفة ومثالية للتخزين طويل الأمد وتخزين الملفات الكبيرة. ومع ذلك، فإن محركات الأقراص الثابتة عرضة للتلف المادي بمرور الوقت وتواجه مشكلات في زمن الانتقال بسبب العناصر المتحركة.

تؤدي الذاكرة الوميضية الآن وظائف كانت مقتصرة سابقًا على محركات الأقراص الثابتة بالكمبيوتر. على سبيل المثال، عند تشغيل جهاز كمبيوتر، فإنه يعمل من خلال تسلسل نظام الإدخال / الإخراج الأساسي (BIOS). كانت البرامج الثابتة التي احتوت على نظام الإدخال / الإخراج الأساسي تتطلب في بداية الأمر شرائح ذاكرة القراءة فقط (ROM)، لكن الأنظمة الحديثة أصبحت تستخدم الذكرة الوميضية لنظام الإدخال / الإخراج الأساسي، ما يسمح بإعادة كتابة المحتوى من دون استخراج الشرائح من لوحة النظام.

يمكن استخدام الوسائط الوميضية لدعم هذا النوع من التخزين، ما يتيح للتطبيقات العمل بشكل أسرع ويعزز إمكانية توسيع نطاقها. بينما تستمر محركات الأقراص الثابتة في العمل كوحدة تخزين أرشيفي ميسورة التكلفة، فإن أحمال التشغيل في المؤسسات تتطلب بشكل متزايد السرعة والموثوقية التي يمكن أن توفرها التقنيات الوميضية.

عادةً ما تستخدم بيئات التخزين الأساسية في الوقت الحالي زمن الانتقال بالمايكروثانية في الذاكرة الوميضية والإمكانات الفائقة لعمليات الإدخال / الإخراج في الثانية، بينما ينشئ التخزين المعرّف بالبرمجيات مجموعات افتراضية تدير البيانات بذكاء عبر كلا النوعين من الوسائط. يتيح هذا التقارب التقني للمؤسسات اتباع أساليب هجينة—باستخدام الذاكرة الوميضية لأحمال التشغيل التي تتطلب أداءً فائقًا مع توجيه البيانات الأقل استخدامًا، بما في ذلك النسخ الاحتياطية للبرمجيات كخدمة، إلى أنظمة التخزين التقليدية الأكثر توفيرًا.

يعتمد التخزين بالذاكرة الوميضية على ذاكرة وميضية، وهي شبه موصل يتكون من الملايين من ترانزستورات MOSFET الصغيرة ذات البوابة المتأرجحة. تُرتب هذه الترانزستورات في نمط شبكي مشابه لمجمعات المدن، حيث يحتوي كل تقاطع على ترانزستور متخصص يتمكن من تخزين المعلومات.

وحدة التخزين الأساسية في الذاكرة الوميضية هي خلية الذاكرة الوميضية. تحتوي كل خلية على ترانزستور ذي بوابة متأرجحة يمكنه الاحتفاظ بالشحنة الكهربائية حتى عند فصل الكهرباء.

ما يجعل هذه الترانزستورات مميزة هو تصميمها الفريد ثنائي البوابة. تقع بوابة التحكم في الأعلى وتتحكم في تدفق الكهرباء، بينما تظل البوابة المتأرجحة معزولة بطبقة أكسيد عازلة. عند كتابة البيانات على ذاكرة وميضية، يمر الجهد الكهربائي ببوابة التحكم، ما يجبر الإلكترونات على المرور عبر الطبقة العازلة لتصبح محاصرة في البوابة المتأرجحة. تغير هذه الإلكترونات المحاصرة الخصائص الكهربائية للترانزستور، وتمثل الثنائي 1 و0. نظرًا إلى أن البوابة المتأرجحة محاطة بالطبقة العازلة، تظل هذه الإلكترونات محاصرة إلى أجل غير مسمى، ما يحافظ على إمكانية الوصول إلى البيانات من دون الحاجة إلى وجود الكهرباء بشكل دائم.

تنقسم الذاكرة الوميضية إلى تصنيفات منخفضة ومتوسطة وعالية الكثافة، حيث تحتوي وحدة التخزين عالية الكثافة على المزيد من الخلايا في المساحة المادية نفسها. وقد أتاح هذا التقدم التقني تطوير أجهزة مضغوطة أكثر مع سعة تخزين كبيرة، وتتنوع بين محركات أقراص USB إلى الهواتف الذكية إلى محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة التي يمكنها تخزين تيرابايت من المعلومات.

يمكن تطوير تقنيات الذاكرة الوميضية بأشكال وتكوينات مختلفة، يخدم كل منها متطلبات الأداء وحالات الاستخدام المختلفة. فيما يلي نظرة عامة على الأنواع الرئيسية:

فيما يلي بعض أهم واجهات التخزين بالذاكرة الوميضية وبروتوكولاته:

• NVMe

• واجهات SAS وSATA

• NVMe over Fabrics (NVMe-oF)

الذاكرة غير المتطايرة السريعة (NVMe) هي واجهة تستخدم للوصول إلى التخزين بالذاكرة الوميضية عبر ناقل التوصيل البيني السريع للمكونات الطرفية (PCIe). وتتيح الذاكرة غير المتطايرة السريعة إمكانية تنفيذ آلاف الطلبات المتوازية عبر اتصال واحد. وهي تُسهل التفاعل بين التطبيقات ووحدات التخزين وتحسن الأداء بشكل كبير. تُعد الذاكرة غير المتطايرة السريعة الآن البروتوكول المهيمن للتخزين الوميضي فائق الأداء وهي ضرورية للتطبيقات التي تراعي زمن الانتقال مثل التحليلات في الوقت الفعلي وأحمال تشغيل الذكاء الاصطناعي.

SAS (ملحق SCSI التسلسلي) وSATA (ملحق التكنولوجيا التسلسلية المتقدمة) هما واجهتان مستخدمتان على نطاق واسع لربط أجهزة التخزين بأنظمة الكمبيوتر. وعلى الرغم من تطويرهما في الأصل لمحركات الأقراص الثابتة، فإنهما يستخدمان أيضًا مع محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة القائمة على الذاكرة الوميضية. توجد SATA عادةً في الأجهزة الاستهلاكية، بينما تُفضل SAS في بيئات التخزين المؤسسية نظرًا إلى موثوقيتها وإنتاجيتها العالية.

على الرغم من أن البروتوكولات الأحدث مثل الذاكرة غير المتطايرة السريعة تحل محلهما تدريجيًا، فإن SAS وSATA لا تزالان شائعتين في الأنظمة القديمة وعمليات النشر محدودة الميزانية. كما أنهما تساعدان أيضًا على إطالة عمر البنية التحتية الحالية، ما يجعلها مفيدة في البيئات التي تخضع لعمليات تحديث تدريجية.

ينشر بروتوكول NVMe over Fabrics بروتوكول NVMe عبر منظومات الشبكة المختلفة، مثل Ethernet أو Fibre Channel أو InfiniBand. تسمح منظومات الشبكة هذه بالوصول إلى أجهزة التخزين بالذاكرة الوميضية عن بُعد مع توفير زمن الانتقال القصير والأداء العالي نفسه تقريبًا مثل محركات أقراص NVMe المتصلة مباشرة. يُعد بروتوكول NVMe-oF مثاليًا للبيئات الموزعة واسعة النطاق، مثل مراكز البيانات الحديثة والبنية التحتية للسحابة، حيث يتعين أن يكون التخزين سريعًا ومرنًا وقابلاً للمشاركة.

يُستخدم التخزين بالذاكرة الوميضية في مجموعة كبيرة من التطبيقات منها ما يلي، نظرًا إلى سرعته وقوة حفظه وكفاءته في استهلاك الطاقة:

• مراكز بيانات المؤسسات: تعتمد المؤسسات الكبرى على محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة القائمة على الذاكرة الوميضية، ومصفوفات الذاكرة الوميضية فقط لدعم أحمال التشغيل المهام الحساسة وتقليل زمن الانتقال وضمان التوافر العالي في بيئات مراكز البيانات. تعمل تقنية التخزين بالذاكرة الوميضية على تسريع معالجة البيانات للتحليلات الفورية والخدمات السحابية وتطبيقات الذكاء الاصطناعي (AI). كما يعمل التخزين بالذاكرة الوميضية في مراكز البيانات على تعزيز إمكانات إدارة البيانات، ما يتيح الفهرسة السريعة واسترجاع مجموعات البيانات الضخمة ومعالجتها، الأمر الذي من شأنه أن يحسن أداء قاعدة البيانات ويعزز كفاءة النظام بشكل عام.

• الأجهزة المحمولة: يُعد التخزين بالذاكرة الوميضية أساسيًا في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، حيث يوفر وصولاً سريعًا إلى التطبيقات وملفات النظام وبيانات المستخدم. تتيح الطبيعة المضغوطة للذاكرة الوميضية إمكانية إنشاء تصميمات رفيعة وخفيفة الوزن من دون المساس بالأداء.

• الألعاب والرسومات: يستفيد اللاعبون من السرعة الفائقة للتخزين بالذاكرة الوميضية في نقل البيانات، ما يتيح أوقات تحميل سريعة ومعالجة رسومات محسّنة. كما يعمل التخزين بالذاكرة الوميضية على تحسين أداء وحدات التحكم في الألعاب وأدوات تحرير الفيديو.

• أجهزة إنترنت الأشياء: تُستخدم الذاكرة الوميضية على نطاق واسع في أجهزة إنترنت الأشياء (IOT) نظرًا إلى سرعتها واستهلاكها المنخفض للطاقة. من أدوات المنزل الذكية إلى مستشعرات إنترنت الأشياء، يمكن أن يضمن التخزين بالذاكرة الوميضية سرعة جمع البيانات ومعالجتها ونقلها.

• حوسبة الحافة: في ظل تزايد الطلب على معالجة البيانات بالقرب من المصدر، يؤدي التخزين بالذاكرة الوميضية دورًا حيويًا في بيئات الحافة. فهو يتيح تخزين البيانات واسترجاعها بسرعة وفي الموقع، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تتطلب صناعة القرار في الوقت الفعلي.

• التخزين على السحابة: يدعم التخزين بالذاكرة الوميضية البنية التحتية الحديثة للسحابة، ما يوفر وصولاً فائق السرعة إلى كميات هائلة من البيانات عبر البيئات الموزعة. إن قابلية التوسع والأداء هما الدافعان الرئيسيان للتبني المتزايد للتخزين على السحابة والخدمات الأخرى.

• السيارات: تُستخدم الذاكرة الوميضية بشكل متزايد في السيارات لتطبيقات مثل التنقل وأنظمة الترفيه وتقنيات القيادة الذاتية.

في بيئات المؤسسات، أصبح التخزين بالذاكرة الوميضية عنصرًا مهمًا في أساليب الحفاظ على أمن البيانات. تساعد سرعة التخزين بالذاكرة الوميضية على تحسين عمليات النسخ الاحتياطي والاسترجاع، ما يقلل من الوقت اللازم للتعافي عند الاستجابة للحوادث الأمنية أو أعطال النظام.

تستخدم العديد من المؤسسات الآن أساليب النسخ الاحتياطي المعزولة مع أجهزة التخزين بالذاكرة الوميضية القابلة للإزالة عن طريق فصل بيانات النسخ الاحتياطي المهمة فعليًا عن الشبكات للحد من التعرض لهجمات الفدية والتهديدات الإلكترونية الأخرى. يوفر هذا الفصل المادي طبقة فعالة من الحماية ضد الهجمات القائمة على الشبكة.

يدعم أداء التخزين بالذاكرة الوميضية المرونة الإلكترونية من خلال تطبيقات عملية مثل تكرار البيانات واللقطات والتشفير مع تأثير أقل في أداء النظام مقارنةً بالتخزين التقليدي. في الصناعات الخاضعة للوائح التنظيمية، يمكن أن يساعد التخزين بالذاكرة الوميضية على الوفاء بالتزامات الامتثال من خلال مزايا مثل وظائف الكتابة مرة واحدة للقراءة مرات عديدة (WORM) وعناصر التحكم في الوصول التي تعزز البنية الأمنية بشكل عام.