القرص الصلب (HDD) مقابل القرص ذي الحالة الثابتة (SSD): ما أوجه الاختلاف بينهما؟

القرص الصلب (HDD) هو نوع من أجهزة تخزين البيانات ويُستخدم في أجهزة الكمبيوتر المحمول وأجهزة الكمبيوتر المكتبي. يتميز القرص الصلب بأنه محرك تخزين "غير متطاير"، أي أنه يمكنه الاحتفاظ بالبيانات المخزنة حتى بعد إيقاف تشغيل الجهاز وفصل الطاقة عنه. تُرسل أنظمة التشغيل الأوامر إلى القرص الصلب ليقوم بقراءة البيانات وكتابتها حسب حاجة البرامج. وتعتمد السرعة التي يقرأ بها محرك الأقراص هذه البيانات ويكتبها على محرك الأقراص نفسه بشكل كامل.

في بدايتها، كانت الأقراص الصلبة أجهزة ضخمة تشغل مساحة كبيرة وتبلغ سعتها حوالي 3.75 ميغابايت. أما في الوقت الحالي، مقارنةً بالماضي، فإن القرص الصلب الذي يتناسب بسهولة مع أجهزة الكمبيوتر المكتبي يمكن أن تصل سعته التخزينية إلى 18 تيرابايت.

يحتوي القرص الصلب على أجزاء شبيهة بالأقراص تسمى "الأقراص الممغنطة الدائرية". والأقراص الممغنطة الدائرية هي المكان الذي يتم فيه تخزين البيانات باستخدام شحنة كهربائية. تأتي هذه الشحنة الكهربائية من ذراع التشغيل أو "رأس القراءة/الكتابة". يتم توجيه رؤوس القراءة/الكتابة إلى الأماكن المطلوبة على الأقراص الممغنطة الدائرية بواسطة البرنامج الموجود في وحدة المعالجة المركزية ولوحة النظام.

يحتوي كل قرص ممغنط دائري على ذراع مزودة برؤوس مغناطيسية، وكل قرص ممغنط دائري يدور ومقسّم إلى قطاعات. تحتوي هذه القطاعات على آلاف الوحدات الصغيرة (تسمى بتات) التي يمكن لكل منها حمل شحنة كهربائية. يقوم رأس القراءة/الكتابة بقراءة بتات القطاع والشحنات الكهربائية المقابلة لها، ثم يتم ترجمتها إلى نظام ثنائي على هيئة 1 أو 0.

شهد تخطيط القطاعات على الأقراص تغييرات على مر الزمن في تطوير الأقراص الممغنطة الدائرية. كان التصميم الأصلي للأقراص الصلبة يستخدم التسجيل الطولي، حيث تتم محاذاة القطاعات بشكل أفقي على القرص الممغنط الدائري الدوار في محرك الأقراص. أصبحت هذه المحاذاة الأفقية مشكلة عند زيادة سعة القرص الصلب عن طريق تقليل حجم القطاعات. فعند تقليل حجم القطاعات إلى هذا الحد، يمكن أن تتغير شحنة البتات بشكل عشوائي حسب درجة الحرارة، ما يتسبب في تلف البيانات.

التسجيل العمودي طريقة تم تطويرها لحل المشكلات التي كانت تواجه التسجيل الطولي. حيث يتم ترتيب القطاعات بشكل عمودي في هذه الطريقة، ما يزيد سعة التخزين إلى أكثر من ثلاثة أضعاف سعة التسجيل الطولي. ومع ذلك، فإن الجانب السلبي هو زيادة الحساسية للمجالات المغناطيسية، ما يتطلب تصميم رؤوس قراءة/كتابة أكثر دقة.

عندما تقوم وحدة المعالجة المركزية بكتابة البيانات على القرص الصلب، فإنها تستخدم جزءًا من قطاع أو عدة قطاعات، حسب حجم الملف. وعند حدوث تحديث للبيانات، تقوم وحدة المعالجة المركزية بتوجيه القرص الصلب لكتابة التحديث في القطاع التالي المتاح. والمسافة بين القطاع الأول والقطاع الجديد تضيف وقتًا إضافيًا إلى سرعة قراءة البيانات. وعلى الرغم من أن الوقت يقاس بالملّي ثانية، إلا إن زيادة حالات فصل البيانات يمكن أن تؤدي إلى انخفاض كبير في السرعة. يسمى فصل البيانات هذا "تجزئة القرص"، وتحتوي معظم أنظمة التشغيل على برنامج مدمج يقوم بإلغاء تجزئة القرص، ما يؤدي إلى إعادة ترتيب البيانات بحيث تكون معلومات البرنامج في مكان واحد.

تعد الأقراص الصلبة التقليدية تقنية قديمة موجودة منذ مدة كبيرة قبل محركات أقراص الحالة الثابتة (SSD) بكثير. ومع مرور الزمن وتعاقب السنين تتطور التقنيات للأحسن دومًا، ما يتيح فرصة كبيرة لإحراز تقدم في جميع جوانب كل تقنية قديمة.

يتمثل الغرض من الأقراص الصلبة في قراءة البيانات وكتابتها وتخزينها. وهي أجهزة موثوقة للاستخدام في عمل نُسخ احتياطية وكذلك في عمليات الكمبيوتر العادية. وقد شهدت تقنية الأقراص الصلبة تحسينات كبيرة، ما أدى إلى خفض تكلفتها إلى جانب زيادة سعتها الإجمالية.

ازدادت سعة الأقراص الصلبة على مر السنين، وهي الآن متوفرة تجاريًا بسعة 20 تيرابايت. وتأتي العديد من أجهزة الكمبيوتر المحمول والمكتبي اليوم مزودة بمساحة تخزين قياسية تبلغ 250 جيجابايت.

يُقاس الأداء عادةً بناءً على سرعة الجهاز وموثوقيته. حيث ازداد معدل معالجة الأقراص الصلبة للبيانات بشكل كبير على مر السنين، وهي تتناسب بشكل جيد مع الغرض الذي صممت من أجله.

ومع ذلك، فإن المكونات المادية في الأقراص الصلبة تخلق المزيد من القيود مقارنة بأجهزة التخزين الأخرى. إذا تحرك القرص بسرعة كبيرة جدًا، فإن الذراع الدقيقة تفقد دقتها، ولا يمكن للقرص أن يدور بسرعة كبيرة جدًا قبل أن يبدأ في الانحناء أو حتى الكسر. وتستغرق زيادة سرعة القرص الممغنط الدائري لتحقيق السرعة المثلى وقتًا، ما يؤدي إلى بطء في بدء التشغيل.

تعد الأقراص الصلبة خيارًا موثوقًا لتخزين البيانات لفترات طويلة من الزمن دون الحاجة إلى تزويدها بالطاقة، وهي طريقة التخزين المفضلة للنسخ الاحتياطي. ويبلغ طول العمر الافتراضي للقرص الصلب الداخلي في ظل الاستخدام المستمر من ثلاث إلى خمس سنوات. يمكن أن يكون العمر الافتراضي أطول إذا كان الجهاز محرك أقراص خارجيًا ويتم تخزينه في مساحة محكمة من ناحية التحكم. ويُعد التلف والتآكل الناتج عن كثرة استعمال الجهاز أمرًا شائعًا، خاصةً بسبب كتابة البيانات وإعادة كتابتها على قطاعات القرص الممغنط الدائري ذاتها. يمكن أن يكون التخزين طويل الأمد للعديد من محركات الأقراص سهلاً مثل استخدام قرص صلب خارجي. ثمة طريقة أخرى للوصول إلى ملفات النسخ الاحتياطي هذه من أي مكان وهي استخدام نظام التخزين المتصل بالشبكة (NAS). ونظام التخزين المتصل بالشبكة (NAS) هو موقع تخزين مركزي يسمح لمستخدمي الشبكة المصرح لهم بتخزين البيانات واسترجاعها.

تؤدي الأقراص الصلبة الخارجية المحمولة نفس الوظائف الأساسية للأقراص الصلبة الداخلية، ويمكن استخدامها مع أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو المكتبية. تأتي الأقراص الصلبة الخارجية مزودة بمصادر طاقة خارجية خاصة بها. وتُعد الأقراص الصلبة الداخلية للكمبيوتر "محمولة" — بمعنى أنه يمكن نقلها بسهولة من جهاز إلى آخر. ومع ذلك، فإنها أقل توافقًا مع جميع الأجهزة وتتطلب مزيدًا من الجهد لنقلها.

تعتبر الأقراص الصلبة هي خيار التخزين الأكثر فعالية من حيث التكلفة، حيث تقدم أفضل قيمة مقابل السعة التخزينية. فكلما زادت السعة التخزينية، انخفض سعر الأقراص الصلبة الأصغر حجمًا. على سبيل المثال، تُباع الأقراص الصلبة بسعة 500 جيجابايت بأقل من 40 دولارًا أمريكيًا.

تُعد الأقراص ذات الحالة الثابتة (SSD) أحد المكونات الأساسية في أجهزة الكمبيوتر الحديثة، وتتميز بسرعة قراءة وكتابة وتشغيل غير مسبوقة مقارنة بالأقراص الصلبة التقليدية.

محرك الأقراص ذو الحالة الثابتة هو جهاز كمبيوتر ذو ذاكرة غير متطايرة (NVM) يخزن البيانات دون أجزاء متحركة. وفي حين تستخدم الأقراص الصلبة (HDD) قرصًا مغناطيسيًا دوارًا ورأس كتابة ميكانيكيًا لمعالجة البيانات، تستخدم الأقراص ذات الحالة الثابتة (SSD) الشحنة في أشباه الموصلات.

يتم تركيب الأقراص ذات الحالة الثابتة الداخلية (SSDs) داخل أجهزة الكمبيوتر، بينما يتم توصيل الأقراص ذات الحالة الثابتة مثل الأقراص الصلبة الخارجية التقليدية — غالبًا عبر منافذ USB 3.0 — وتؤدي وظائف مماثلة. محرك الأقراص ذو الحالة الثابتة هو جهاز تخزين ذاكرة يستخدم الدوائر المتكاملة بدلاً من المكونات الميكانيكية للتخزين. وتعمل الدوائر المتكاملة إلى تقليل الحجم العام لمحركات الأقراص وتجعلها تعمل بدون ضوضاء. على سبيل المثال، يستخدم جهاز MacBook من Apple محرك أقراص ذا حالة ثابتة بدلاً من محرك الأقراص الصلب التقليدي، ما يمنح جهاز Mac تصميمًا رفيعًا.

الذاكرة السريعة غير المتطايرة (NVMe) هي بروتوكول واجهة الأجهزة المنطقية للوصول إلى وسائط التخزين غير المتطايرة في الكمبيوتر. NVMe هي معيار قياسي يطبق على الأقراص ذات الحالة الثابتة (SSD) لضمان عدم حاجة كل شركة تصنيع إلى برنامج تشغيل خاص بها. تستخدم الأقراص ذات الحالة الثابتة المزودة بالذاكرة السريعة غير المتطايرة الوصلة البينية للمكونات الطرفية السريعة (PCIe أو PCI Express)، والتي يمكنها التعامل مع الطلبات المتعددة من نظام التشغيل إلى القرص الصلب. وتُعد PCIe واجهة اتصال عالية السرعة شائعة على لوحة النظام.

تعمل الأقراص ذات الحالة الثابتة باستخدام الدوائر الإلكترونية لتخزين البيانات واسترجاعها. يتم تخزين البيانات في "كتل"، ولا يمكن كتابة هذه الكتل بالكامل إلا مرة واحدة فقط. وللحفاظ على البيانات المتسلسلة معًا وتقليل أوقات الاستجابة، يجب مسح الكتلة بالكامل وإعادة كتابتها في كتلة مختلفة. لسوء الحظ، الكتل غير متينة فلا تتحمل وقد تتلف أثناء عملية المسح. تسبب عملية الكتابة/المسح التآكل لالأقراص ذات الحالة الثابتة، ولذلك تأتي معظم محركات SSD مزودة بتقنية "توزيع التآكل بالتساوي" المدمجة، التي توزع التآكل بالتساوي وتطيل عمر الجهاز.

بعض الدوائر الإلكترونية في القرص ذي الحالة الثابتة عبارة عن ذاكرة NAND الوميضية (البوابة المنطقية "Not AND") والتي تتكون من ترانزستورات ذاكرة NAND غير المتطايرة. حيث تخزن ترانزستورات NAND غير المتطايرة البيانات كشحنة في أشباه الموصلات الموجودة على شرائح ذاكرة السيليكون المصفوفة والمكدسة أحيانًا على لوحات الدوائر. هذه المكدسات تُسمى 3D NAND وتتميز بسعات تخزين أكبر بكثير لأن خلايا الذاكرة مكدسة بعضها فوق بعض. تُعد الخلايا أحادية المستوى (SLC) النوع الأكثر تكلفةً من بين أنواع تقنية SSD لكنها الأعلى متانة وتحملاً. وبناءً على ذلك، فإن إضافة وحدة بت إضافية من مساحة التخزين لكل خلية يقلل من التكاليف، وتتم الإشارة إلى كل بت إضافي مخزَّن بشكل مختلف. ثم ظهر استخدام الخلايا متعددة المستويات (MLC) والخلايا ثلاثية المستوى (TLC) والخلايا رباعية المستوى (QLC).

تقوم وحدات التحكم بإدارة جميع خلايا الذاكرة الوميضية من خلال توجيهها إلى الذاكرة التي يجب الوصول إليها أو معالجتها. بالإضافة إلى ذلك، فهي مسؤولة عن توزيع البيانات بالتساوي وإدارة جمع البيانات غير المرغوب فيها.

من الممارسات الشائعة المتعلقة بعامل الشكل أن تقوم محركات أقراص الحالة الصلبة بتخزين البيانات المطلوبة في ذاكرة مؤقتة لتحقيق أوقات استجابة أسرع، على غرار وحدات ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). ويعد وقت الاستجابة الأسرع أمرًا مرغوبًا فيه أكثر عند مقارنته بالتخزين المؤقت للطلبات الجديدة على الأقراص الصلبة التي سيكون لها أوقات استجابة بطيئة.

تتميز الأقراص ذات الحالة الثابتة بأن لها متطلبات استهلاك طاقة أقل من الأقراص الصلبة التقليدية بسبب عدم وجود مكونات متحركة فيها. كما تعتمد الأقراص ذات الحالة الثابتة على مصدر طاقة ثابت من جهاز التشغيل لتتمكن من العمل. وعلى الرغم من أن الأقراص ذات الحالة الثابتة غير المشغّلة تفقد البيانات عند عدم تشغيلها، فإن معظمها تأتي مزودة ببطارية مدمجة تسمح للجهاز بالعمل في وضع الخمول والحفاظ على سلامة البيانات.

لكل نوع من أنواع التخزين مزايا وعيوب. لذلك، يلزم إجراء مقارنةٍ بين الأقراص الصلبة (HDD) والأقراص ذات الحالة الثابتة (SSD) لتحديد أفضل ما يناسب أعباء العمل.

يتمثل الاختلاف الرئيسي في مساحة التخزين في أن محركات SSD تستخدم ذاكرة وميضية بدلاً من الأقراص الممغنطة الدائرية. وتتميز محركات SSD الأحدث بسعات شائعة الاستخدام مثل 128 جيجابايت و256 جيجابايت و512 جيجابايت و1 تيرابايت و2 تيرابايت. كما أن الدوائر المتكاملة التي تقلل من حجم الجهاز تزيد من كثافة التخزين.

بالنسبة للمستهلك العادي، فإن أكبر سعة لمحرك SSD متوفرة حاليًا تبلغ حوالي 8 تيرابايت. في عام 2018، طرحت شركة توشيبا وشركة سامسونج في السوق محركات SSD بسعة 30.72 تيرابايت باستخدام نفس عامل الشكل مقاس 2.5 بوصة لكن بسُمك محرك 3.5 بوصات باستخدام واجهة SAS. ومن أجل إبراز قدرات محركات SSD، أعلنت شركة Nimbus Data عن إطلاق محركات تخزين عالية السعة تبلغ 100 تيرابايت باستخدام واجهة SATA. تستمر تكنولوجيا محركات SSD في التوسع والتحسين، ما يفتح أبوابًا لا نهاية لها من الاحتمالات.

تتميز الأقراص الصلبة بتاريخ أطول، ما سمح لها بتحقيق زيادة كبيرة في السعة على مر الزمن، وهي الآن متوفرة تجاريًا بسعة 20 تيرابايت. وتأتي العديد من أجهزة الكمبيوتر المحمول والمكتبي اليوم مزودة بمساحة تخزين قياسية تبلغ 250 جيجابايت.

تتميز الأقراص ذات الحالة الثابتة بسرعة وصول إلى البيانات أعلى من الأقراص الصلبة. حيث تبلغ سرعة معالجة البيانات في الأقراص الصلبة 500 ميجابايت في الثانية، بينما تبلغ سرعة معالجة البيانات في معظم الأقراص ذات الحالة الثابتة 7000 ميجابايت في الثانية. وتتيح هذه السرعات العالية بدء التشغيل الفوري وتقليل وقت الانتظار عند تسجيل الدخول إلى الجهاز أو أوقات تحميل التطبيقات. كما أن نقل الملفات ونسخها يكون أسرع على الأقراص ذات الحالة الثابتة. وبفضل عمر بطاريتها، يقل استهلاكها للطاقة بحوالي الربع إلى الثلث مقارنةً بالأقراص الصلبة.

الأقراص الصلبة هي جهاز تخزين أفضل على المدى الطويل. تميل الأقراص ذات الحالة الثابتة إلى أن تكون أقل موثوقية للتخزين طويل الأمد بسبب تسرب البيانات الذي يبدأ بعد عام من عدم استخدامها. كما أن فعاليتها تتناقص تدريجيًا مع اقترابها من الحد الأقصى لعدد وحدات التيرابايت المكتوبة (TBW)، حتى تصل إلى حالة غير صالحة للاستخدام. ويُعرف عدد وحدات التيرابايت المكتوبة لالقرص ذي الحالة الثابتة بأنه إجمالي كمية البيانات التي يمكن تخزينها ومسحها من الجهاز

توجد أوجه تشابه بين الأقراص ذات الحالة الثابتة والأقراص الصلبة من حيث قابلية النقل. يتميز محرك الأقراص الخارجي من نوع SSD بأنه أكثر قابلية للنقل من نظيره الداخلي الثابت. وتعتبر الأقراص ذات الحالة الثابتة مفيدة بشكل خاص في مراكز البيانات التي تتطلب نقل كميات كبيرة من البيانات بسرعة بين الأنظمة المختلفة. يتميز محرك الأقراص الصلب الخارجي بأنه أكثر قابلية للنقل من نظيره الداخلي، ولكنه يُستخدم بشكل أساسي للتخزين طويل الأمد وليس لنقل البيانات بسرعة.

تعد الأقراص ذات الحالة الثابتة الخيار الأفضل من حيث الأداء مقابل السعر عندما يتعلق الأمر بمحركات الأقراص ذات السعة الأصغر والبيانات المستخدمة بشكل متكرر. كلما زادت السعة، زادت فائدة الأقراص الصلبة (HDD). ومن المتوقع أن تصل أسعار الأقراص ذات الحالة الثابتة إلى مستوى أسعار الأقراص الصلبة التقليدية من حيث التكلفة لكل جيجابايت. تبلغ تكلفة القرص ذي الحالة الثابتة بسعة 500 جيجابايت حاليًا حوالي 55 دولارًا أمريكيًا، بينما تبلغ تكلفة القرص الصلب بسعة 500 جيجابايت حوالي 24 دولارًا أمريكيًا (في وقت كتابة هذا المستند).

تُستخدم الأقراص ذات الحالة الثابتة بشكل أساسي لاسترجاع البيانات بسرعة والاستخدام المستمر على الكمبيوتر المحمول أو المكتبي بسبب استهلاكها المنخفض للطاقة وصغر حجمها. وهي تُستخدم للعمليات اليومية ويجب عدم استخدامها للتخزين طويل الأمد مثل الأقراص الصلبة. كما تُعد الأقراص ذات الحالة الثابتة (SSD) الخيار الأمثل عندما يتعلق الأمر بنقل الملفات الكبيرة بسرعة وسهولة.