مقارنة بين محركات أقراص الحالة الصلبة TLC وQLC

في عالم حلول تخزين البيانات، كانت محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSDs) المبنية من الذاكرة الوميضية 3D NAND تُعَد تغييرًا جذريًا. بينما كانت أولى أقراص الحالة الصلبة (SSDs) باهظة الثمن لتخزين البيانات على نطاق واسع مقارنةً بالأقراص الصلبة التقليدية (HDDs)، أصبحت أقراص الحالة الصلبة الحديثة أسرع وأكثر متانة وموثوقية.

تتكون جميع محركات SSDs من خلايا الذاكرة الوميضية بشكل أساسي. تستفيد أقراص SSD الحديثة من تقنية 3D NAND flash لتكديس عدة طبقات من خلايا الذاكرة بشكل عمودي.

وبالمقارنة بتقنية NAND ثنائية الأبعاد القديمة، التي تقوم بترتيب خلايا الذاكرة في مصفوفة مسطحة، فإن تكديس الخلايا الوميضية بشكل عمودي يحسِّن كثافة تخزين البيانات وسعتها والتكلفة الإجمالية لكل بت من البيانات. ببساطة، تستطيع تقنية 3D NAND تخزين المزيد من البيانات بشكل أفضل.

أصبحت أقراص SSD قادرة الآن على تخزين تيرابايتات من البيانات مع تحسين سرعات الكتابة والتحمل والأداء، ما يجعلها الحل الأمثل لحالات التخزين الكبيرة، من إعدادات تحرير الفيديو عالية المستوى إلى مراكز البيانات الاحترافية.

لكن ليست كل أقراص SSD متساوية في الجودة. مصنفة بناءً على كثافة ذاكرة NAND الوميضية، تُعرَف أقراص SSD التي تستخدم ذاكرة 2D NAND فقط باسم SLC (خلية بمستوى واحد). الابتكارات اللاحقة أدخلت تقنية 3D NAND، ما أتاح أقراص MLC (خلية متعددة المستويات) وTLC (ثلاثية المستويات) وQLC (أربعة مستويات)، التي تقدِّم أداءً أفضل بتكاليف أقل لكل بت حسب الحالة. 

على الرغم من أن أقراص QLC وTLC أبطأ من نظيراتها ذات كثافة الخلايا الأقل، فإن الشركات مثل Intel وSamsung تقدِّم أداءً محسنًا من خلال تقنيات مثل التخزين المؤقت DRAM أو SLC.

على المستوى الأساسي، تُعَد أقراص الحالة الصلبة (SSDs) نوعًا من أجهزة التخزين التي تستخدم التخزين بالذاكرة الوميضية لتخزين البيانات. عادةً ما تستخدم أقراص SSD نوعًا من الذاكرة الوميضية يُعرَف باسم NAND، والذي يخزِّن البيانات من خلال ترتيب ترانزستورات ذات بوابات عائمة تعمل بطريقة مشابهة لبوابات المنطق NOT AND. هذا المزيج هو مصدر اسم NAND flash.

تحتوي كل خلية NAND على كلٍّ من بوابة منطقية للتحكم وبوابة منطقية عائمة، مفصولة بطبقة أكسيد رقيقة. من خلال عملية تُعرَف باسم النفق الكهربائي Fowler-Nordheim، يمكن للذاكرة الوميضية تخزين البيانات الثنائية باستخدام شحنة كهربائية. يتم إرسال الشحنة بجهد كهربائي يحبس الإلكترونات في البوابة العائمة (تمثِّل القيمة الثنائية 1) أو يزيلها (تمثِّل القيمة الثنائية 0).

ذاكرة NOR الوميضية هي خلايا وميضية تستخدم بنية خلية مشابهة لبوابات المنطق NEITHER OR، وعادةً ما يتم استخدامها للملفات الصغيرة مثل بيانات التمهيد.

تُعَد ذاكرة NAND الوميضية الخيار الأفضل للتخزين العام بشكل رئيسي؛ بسبب الخصائص التالية:

• غير متطايرة: تستطيع ذاكرة NAND الوميضية الاحتفاظ بالبيانات بدقة وموثوقية دون الحاجة إلى مصدر طاقة مستمر. 

• تعتمد على الكتل: تستخدم ذاكرة NAND الوميضية كُتلًا كبيرة من المعلومات لقراءة البيانات وكتابتها. يوفر استخدام الكتل أداءً أفضل مقارنةً بالنهج الذي يتم فيه التعامل مع كل بايت على حدة. 

• فعَّالة على نطاق واسع: تتفوق بنية NAND الوميضية القائمة على الكتل بشكل خاص في المهام الحسابية المتسلسلة وتستفيد من كفاءة أعلى وسعة بيانات أكبر مقارنةً بذاكرة NOR الوميضية أو أنواع التخزين الأخرى. 

• متينة: تُعَد ذاكرة NAND الوميضية أكثر متانة بكثير مقارنةً بأجهزة التخزين المادية مثل الأقراص المرنة أو الأقراص الصلبة، التي تحتوي على أجزاء متحركة قد تتعطل.

تم تصميم أقراص SSD الأولى لتكون متوافقة مع واجهة تخزين الذاكرة SATA (ATA التسلسلية)، وهي واجهة قديمة موروثة من تكنولوجيا الأقراص الصلبة التقليدية. مع ذلك، تستخدم معظم أقراص الحالة الصلبة الحديثة بروتوكول الذاكرة السريعة غير المتطايرة (NVMe) الجديد للاستفادة من واجهة التوصيل الطرفي المتعدد (PCI) أو التوصيل الطرفي المتعدد السريع (PCIe) عالية السرعة وتحقيق أداء أفضل.

أسرع بحوالي 20 مرة من أقراص SSD بنظام SATA، تستطيع أقراص NVMe SSD تحقيق سرعات نقل بيانات تتراوح بين 3,500 ميجابايت إلى 14,000 ميجابايت في الثانية. بالإضافة إلى زيادة معدل النقل، يمكن لأقراص NVMe تنفيذ آلاف الأوامر المتزامنة كما تتفوق باستمرار على أقراص SATA في اختبارات زمن الانتقال.

لهذه الأسباب، أصبحت أقراص NVMe SSD بسرعة معيارًا صناعيًا في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والتطبيقات المهنية عالية الأداء.

في النهاية، قد يقتصر تقييم قيمة أقراص TLC مقابل أقراص QLC على المقارنة بين الأداء والمتانة أو بين سعة التخزين والفاعلية من حيث التكلفة.

بشكل عام، تُعَد أقراص TLC SSD الخيار الأفضل في الحالات التي يكون فيها الأداء المستقر والموثوقية والمتانة العالية عوامل حاسمة. يمكن الوثوق بأقراص TLC SSD في كتابة البيانات واسترجاعها بشكل متكرر وبموثوقية عالية. غالبًا ما يتم اختيار استخدامها في أعباء العمل المهنية وإنشاء المحتوى. 

على العكس من ذلك، يتم تفضيل أقراص SSD من نوع QLC لتخزين البيانات ذات السعة العالية والتكلفة المنخفضة وتخزين البيانات التي تتطلب قدرًا كبيرًا من القراءة. يتم استخدام هذا النوع من أقراص SSD لتخزين البيانات طويلة الأمد التي قد يتم الوصول إليها بشكل متكرر. ومع ذلك، في المواقف التي تتطلب دورات كتابة متزايدة، حيث يلزم كتابة البيانات وإعادة كتابتها أكثر من مجرد قراءتها، قد تكون أقراص TLC SSD مفضلة بفضل قدرتها الأعلى على التحمل الكتابي وعمرها الأطول. 

من حيث القدرة على التحمل، تُمنح أقراص SSD تصنيف TBW (تيرابايت مكتوبة) لبيان حجم البيانات الذي يمكن كتابته على القرص قبل أن يبدأ التآكل والتلف. ويُظهر هذا التصنيف الوقت الذي قد يبدأ فيه تدهور الأجهزة المادية بالتأثير سلبًا في الأداء والتشغيل. نظرًا لتعرضها لمزيد من التآكل نتيجة تخزين كميات أكبر من البيانات في كل خلية، فإن أقراص QLC عادةً ما تمتلك تصنيف TBW أقل مقارنةً بأقراص TLC.

من الجدير بالذكر أن أقراص TLC تمتلك في الوقت الحالي تفوقًا على أقراص QLC من حيث المتانة. لمواجهة أي عيوب مرتبطة بمشكلات التحمل المنخفض الشائعة في أقراص QLC، تُسهم تحسينات خوارزميات تصحيح الأخطاء في تقليل الفجوة بين هذه الأنواع من محركات أقراص NAND الوميضية.

بنظرة سريعة، يمكن تلخيص الفروقات بين أقراص QLC وأقراص TLC استنادًا إلى البنية والعمر الافتراضي والأداء وحالات الاستخدام.

• بنية التخزين: تستخدم ذاكرة TLC NAND الوميضية التي تحتوي على 3 بت من البيانات لكل خلية ذاكرة.

• الأداء: على الرغم من أن TLC أغلى من QLC، فإنه يوفر توازنًا جيدًا بين السعة والسعر وسرعات الكتابة والقراءة. بشكل عام، فهي أكثر متانة وتنوعًا، كما أنها محسَّنة لعمليات القراءة والكتابة المتكررة والمهام الأكثر كثافة في الكتابة.

• حالات الاستخدام: تشمل حالات الاستخدام المهام الصعبة مثل الألعاب والعرض ثلاثي الأبعاد وأنواع أخرى من إنشاء المحتوى. 

• العمر الافتراضي: يبلغ عمر محركات أقراص TLC عادةً حوالي 1,000 إلى 3,000 دورة كتابة.

• بنية التخزين: يستخدم ذاكرة QLC NAND الوميضية التي تخزِّن 4 بت من البيانات في كل خلية ذاكرة.

• الأداء: يوفر سعة تخزين أكبر بأسعار أقل. والزيادة في السعة تأتي على حساب بعض جوانب الأداء وطول العمر الافتراضي. عادةً ما تقدِّم محركات QLC أداء قراءة عامًا أفضل من أداء الكتابة. وهي مناسبة تمامًا للتخزين الأرشيفي للبيانات التي قد تحتاج إلى الرجوع إليها، ولكن لا يتم تحريرها أو مسحها وإعادة كتابتها بشكل متكرر.

• حالات الاستخدام: مثالية للمهام الأخف التي قد تتطلب عمليات قراءة أكثر من عمليات الكتابة مثل تخزين الملفات الكبيرة أو النسخ الاحتياطية على المدى الطويل. مثالية للمهام التي يمكن أن تستفيد من التخزين الأرخص والأعلى سعة والتي يمكن أن تتحمل انخفاض السرعة، مثل تخزين الوسائط أو التخزين اليومي الخفيف أو النسخ الاحتياطي للكمبيوتر. 

• العمر الافتراضي: عادةً ما تكون أقراص QLC ذات عمر أقصر بحوالي 1,000 دورة كتابة مقارنةً بأقراص TLC، إذ تؤدي السعة التخزينية الكبرى إلى استهلاك الخلايا بسرعة أكبر.