ما المقصود بمصفوفة الذاكرة الوميضية فقط (AFA)؟

مصفوفة الذاكرة الوميضية فقط (AFA) هي نوع من أنظمة تخزين البيانات الخارجية التي تستخدم حصريًا وسائط أجهزة الذاكرة الوميضية (أي محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSDs)) لتخزين البيانات بشكل دائم. تُعرَف مصفوفة AFA أيضًا باسم نظام أقراص التخزين ذات الحالة الصلبة أو مصفوفة الحالة الصلبة (SSA).

على عكس محركات الأقراص الصلبة (HDDs) ذات الأقراص الدوارة، لا تحتوي SSDs على أجزاء متحركة وتوفِّر سرعة ومتانة محسَّنة. بالمقارنة مع HDDs وحدها، تُتيح أنظمة التخزين بالذاكرة الوميضية فقط -المكوّنة من SSDs أو أنظمة هجينة تجمع بين SSDs وHDDs- وصولًا أسرع للبيانات مع تحسين سرعات المعالجة وتقليل عبء وحدة المعالجة المركزية. 

يتفاوت التخزين بالذاكرة الوميضية في كلٍّ من السعة التخزينية والشكل الفيزيائي. بعض محركات SSD، مثل تلك الموجودة في محركات الفلاش USB، أصغر من قطعة نقدية من فئة 10 سنتات. وعلى الرغم من أن SSDs الأولى كانت قادرة على تخزين كمية محدودة من البيانات، إلا إن التقدم التكنولوجي وفق قانون Moore زاد من سعتها التخزينية بشكل كبير.

اليوم، بفضل تقنية SSD، يمكنك موازنة تيرابايت من البيانات (أو أكثر) على طرف إصبعك. فنظرًا لصغر حجمها وبنيتها المتينة ذات الحالة الصلبة، أصبحت SSDs متواجدة في الأجهزة الإلكترونية مثل أجهزة الكمبيوتر المحمول، والأجهزة اللوحية، والهواتف المحمولة وأجهزة الألعاب. 

إلى جانب الاستخدامات الاستهلاكية، أسهمت مصفوفات SSDs وAFAs في إحداث تغيير جذري في التخزين المؤسسي. تقليديًا، اعتمدت مراكز البيانات المؤسسية على محركات الأقراص الصلبة التي تم تكوينها كوحدات تخزين متصل بالشبكة أو شبكة التخزين، أو كليهما، لتخزين البيانات واسترجاعها. حتى جاءت التطورات في محركات التخزين ذات الحالة الصلبة، حيث أصبحت مصفوفات الذاكرة الوميضية فقط خيارًا فعَّالًا من حيث التكلفة، وأدَّت إلى تحسينات متعددة في الأداء مناسبة للتطبيقات عالية الأداء.

عادةً ما يكون محرك الأقراص ذو الحالة الصلبة مفضلًا على محركات الأقراص الصلبة. ومع ذلك، فإن المصفوفات الهجينة التي تجمع بين SSDs وHDDs في الهيكل نفسه تمكِّن المورِّدين من تحديث الأنظمة الحالية عن طريق استبدال جزء فقط من وسائط التخزين التقليدية بالذاكرة الوميضية. في هذه الأيام، تُعَد AFAs أو المصفوفات الهجينة الخيار الرائد لحلول NAS وSAN على نطاق واسع.

الذاكرة الوميضية هي نوع من التخزين غير المتطاير الذي يستخدم ترانزستورات أشباه الموصِّلات لتخزين البيانات واسترجاعها. البيانات المخزَّنة في الذاكرة الوميضية دائمة وغير متطايرة، ما يعني أنه بمجرد كتابة البيانات في وحدة الذاكرة الوميضية، ستحتفظ بها حتى عند إيقاف التشغيل.

تتوفر تقنية الذاكرة الوميضية بنوعين يختلفان وفقًا لنوع البنية المنطقية المستخدمة لإدارة عمليات شريحة الذاكرة:

• ذاكرة NOR الوميضية: يستخدم هذا النوع من الذاكرة الوميضية بوابات منطقية "NOT OR" لقراءة البيانات وكتابتها. تُعَد ذاكرة NOR الوميضية سريعة في الوصول إلى وحدات البيانات العشوائية ضمن مجموعة مخزَّنة، لكنها أبطأ في الكتابة وقد تكون أغلى نسبيًا. وهي الأنسب لتخزين البيانات مثل البرامج الثابتة (Firmware) ورمز التمهيد (Boot Code).

• ذاكرة NAND الوميضية: تستخدم ذاكرة NAND الوميضية بوابات منطقية "NOT AND"، ما يجعلها أكثر بفاعلية من حيث التكلفة لتخزين الملفات الكبيرة. تتفوق ذاكرة NAND الوميضية في الوصول التسلسلي للبيانات، لكنها أبطأ من ذاكرة NOR الوميضية عند قراءة البيانات العشوائية. لهذه الأسباب، تُعَد ذاكرة NAND الوميضية غير مناسبة لتنفيذ الأكواد مباشرةً، لكنها خيار ممتاز لتخزين البيانات على المدى الطويل وبكميات كبيرة.

على المستوى التقني، تخزِّن ذاكرة NAND الوميضية البيانات باستخدام ترتيب من ترانزستورات البوابات العائمة التي تعمل بطريقة مشابهة لبوابات NOT AND المنطقية. تحتوي كل خلية ذاكرة NAND على بوابة منطقية للتحكم وبوابة عائمة، مفصولة بطبقة رقيقة من الأكسيد.

من خلال عملية نفق Fowler-Nordheim، يمكن تخزين البيانات الثنائية بشكل دائم في الذاكرة الوميضية عن طريق إرسال شحنة كهربائية إلى الخلية عند جهد كهربائي يحبس الإلكترونات في البوابة العائمة. وفي المقابل، يمكن مسح البيانات عن طريق إزالة الشحنة الكهربائية. 

رغم أن الذاكرة الوميضية تتوفر بنوعي NOR وNAND، فإن مصطلح "التخزين بالذاكرة الوميضية" يشير في الغالب إلى ذاكرة NAND. وعلى الرغم من أن وسائط التخزين بالذاكرة الوميضية من نوع NAND تتدهور مع مرور الوقت وتحتاج إلى استبدال دوري بعد بضع سنوات، فإنها تُلبي العديد من معايير التخزين التشغيلي المثالي في معظم الحالات.

فيما يلي بعض الخصائص المهمة:

• غير متطايرة: يمكن لذاكرة NAND الوميضية الاحتفاظ بالبيانات دون الحاجة إلى تزويد مستمر بالطاقة. 

• قائمة على الكتل: تعمل ذاكرة NAND الوميضية على كتابة ومسح البيانات على شكل كتل كبيرة من المعلومات، بدلًا من التعامل مع كل بايت على حدة. 

• فعَّالة على نطاق واسع: بفضل بنيتها القائمة على الكتل، تُعَد ذاكرة NAND الوميضية مناسبة تمامًا للمهام الحسابية المتسلسلة التي تتطلب تخزين كميات كبيرة من البيانات والوصول إليها على نطاق واسع. تُعَد ذاكرة NAND الوميضية خيارًا أكثر كفاءة وذا كثافة أعلى مقارنةً بذاكرة NOR الوميضية. 

• متينة: تُعَد وحدات ذاكرة NAND وNOR الوميضية أكثر متانة بكثير من HDDs. لا تحتوي وحدات الذاكرة الوميضية على أجزاء متحركة، وهي النقطة التي قد تشكِّل سببًا للفشل في HDDs. على هذا النحو، تُعَد ذاكرة NAND الوميضية خيارًا أفضل بكثير عندما تكون المتانة عاملًا مهمًا. أصبحت ذاكرة NAND الوميضية الخيار المفضل لتخزين البيانات التي قد تحتاج إلى نقلها فعليًا، ويتم استخدامها باستمرار للأجهزة مثل محركات الأقراص الصلبة الخارجية المحمولة أو أجهزة الكمبيوتر المحمول. ومع ذلك، رغم أن وسائط الذاكرة ذات الحالة الصلبة أكثر متانة بالتأكيد من الوحدات التي تحتوي على أجزاء متحركة، فإن هناك حدًا أقصى لعدد مرات إعادة كتابة وحدة الذاكرة الوميضية. رغم أن الذاكرة الوميضية غير المتطايرة يُنظر إليها عادةً على أنها آمنة إلى أجل غير مسمى، فإن هذه الوحدات تتدهور مع مرور الوقت، سواء نتيجة الاستخدام المكثف أم التلف العام. تُوصِي أفضل الممارسات بالتحقق المنتظم من البيانات المخزَّنة طويلًا على وحدات الذاكرة الوميضية، ونسخها دوريًا إلى أجهزة ذاكرة جديدة. 

نظرًا لصغر حجمها، وسرعتها العالية، ومتانتها الفائقة، وسعة تخزينها الكبيرة، أصبحت الذاكرة الوميضية الحل المفضل للعديد من الأجهزة. وتشمل هذه الأجهزة بطاقات الذاكرة، ومحركات أقراص فلاش USB، والهواتف الذكية، وأجهزة الكمبيوتر المحمول، والكاميرات الرقمية، والأجهزة المحمولة المماثلة. وتُعَد الذاكرة الوميضية الخيار المفضل أيضًا للاستخدام في أنظمة الحوسبة الكبرى والأكثر ديمومة ماديًا. 

يتم استخدام محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSDs) كعنصر تخزين رئيسي في جميع مصفوفات AFA، وهي عادةً أجهزة تخزين تعتمد على أشباه الموصِّلات وتستخدم ذاكرة NAND الوميضية. تتكون كل شريحة ذاكرة NAND وميضية من مجموعة من الكتل، المعروفة باسم الشبكة. تتكون كل كتلة في الشبكة من مجموعة من خلايا الذاكرة، والتي يُشار إليها بالصفحات أو القطاعات.

يصنِّف المهندسون خلايا الذاكرة الفردية على أساس عدد البتات التي يمكنها تخزينها. تقوم الخلايا أحادية المستوى (SLCs) بتخزين بت واحد من المعلومات، بينما تحتوي الخلايا متعددة المستويات (MLC) على 2 من البتات، وتحتوي ثلاثية المستويات (TLCs) على 3 بتات، وتحتوي رباعية المستويات (QLC) على 4 بتات.

كل نوع من الخلايا له مزاياه وتحدياته الخاصة. على سبيل المثال، تُعرف خلايا SLC بسرعتها العالية، لكنها تأتي بأسعار مرتفعة، في حين أن خلايا QLC الأكثر اقتصادية قد تكون أقل موثوقية مقارنةً بالخيارات الأغلى. حسب نوع الخلية، يمكن لكل شبكة داخل SSD تخزين ما بين 256 كيلوبايت و4 ميجابايت من البيانات.

في نظام الحوسبة الشخصية المعتاد، تعمل وحدة المعالجة المركزية (CPU) الرئيسية في جهاز الكمبيوتر كجهاز تحكُّم يوجِّه عمليات القراءة والكتابة على الذاكرة. يمكن أن تحتوي مصفوفة AFA على أجهزة أو برمجيات إضافية تساعد على إدارة هذه المهام عبر مصفوفة وحدات SSD المتصلة بالشبكة بأكملها. 

في الأصل، كانت محركات SSD متوافقة مع واجهة تخزين الذاكرة SATA (ATA التسلسلية) التي تم تطويرها أولًا لأقراص HDD القديمة. وهي قادرة على الوصول إلى سرعات قصوى تتراوح بين 550 و600 ميجابايت/ثانية، تُعَد محركات SATA SSD أسرع من أقراص HDD التقليدية.

ومع ذلك، يمكن لمحركات SSD المصممة لبروتوكولات الذاكرة السريعة غير المتطايرة (NVMe) الأحدث الاستفادة من واجهة PCI Express (PCIe) عالية السرعة. ويُتيح لها هذا التصميم تحقيق أداء أفضل، مع معدلات نقل بيانات تتراوح بين 3,500 و14,000 ميجابايت/ثانية. بمعنى آخر، تُعَد محركات NVMe SSD أسرع بحوالي 20 مرة من تقنية SATA SSD القديمة.

بالإضافة إلى زيادة معدل الإنتاجية، تتفوق محركات NVMe أيضًا على محركات SATA في اختبارات زمن الانتقال وتدعم الآلاف من قوائم الأوامر المتزامنة. لهذه الأسباب، تُعَد محركات NVMe SSD -ومصفوفات AFA التي تحتوي على هذا النوع من المحركات- مثالية للمهام المتطلبة مثل الألعاب عالية الأداء، وإنشاء المحتوى، والتخزين المؤسسي. 

وفقًا لشركة Gartner، بدأت محركات SSD تبرز كمنصة تخزين أساسية لدعم أعباء عمل البيانات المنظمة، مدفوعة بالابتكار في تقنيات ذاكرة NAND الوميضية وذاكرة الفئة التخزينية (SCM).

تعتمد المصفوفات الحديثة للتخزين بالذاكرة الوميضية فقط على برامج متطورة، وأحيانًا أجهزة مخصصة، إلى جانب محركات NVMe عالية الأداء لتجميع الموارد بشكل فعَّال من محركات أقراص متعددة.

للمضي قدمًا، تستفيد أفضل مصفوفات التخزين بالذاكرة الوميضية فقط من بروتوكول أحدث، وهو NVMe over Fabrics (NVMe-oF)، لزيادة سرعات نقل البيانات وتقليل زمن الانتقال عبر شبكة التخزين SAN. تمكِّن هذه الأنظمة الأجهزة المضيفة من الاتصال والتواصل مباشرةً مع التخزين عن طريق دمج وحدات NVMe-oF مخصصة بدلًا من مجموعة من محركات NVMe SSD المنفصلة. 

من خلال تجميع الموارد، توفِّر مصفوفات AFA سعة تخزين كبيرة مع التكرارات اللازمة، مع تحسينات في الأداء وسرعة إدارة التخزين. وتستخدم تقنيات AFA أيضًا تقنيات متقدمة لتقليل البيانات، بما في ذلك إزالة البيانات المكررة، والضغط، واللقطات الفورية، والتكرار، والتزويد الرقيق، لتحسين كفاءة التخزين بشكل كبير. 

يقدِّم معظم مورِّدي مصفوفات التخزين بالذاكرة الوميضية فقط أيضًا برمجيات متقدمة للمراقبة، وإدارة البيانات، وحماية البيانات، لتمكين مسؤولي النظام من متابعة استخدام الموارد، وسلامة النظام، والمقاييس الأخرى ذات الصلة. تساعد هذه الأدوات المؤسسات على تجنُّب العوائق والاستجابة بسرعة لأي مشكلات أو حوادث تقنية محتملة.

بخلاف برمجيات الإدارة، توفِّر منتجات AFAs مثل Pure Storage FlashBlade وDell Unity XT وHPE Alletra أيضًا إضافات وملحقات تُتيح لأنظمة التخزين بالذاكرة الوميضية فقط التكيف بسرعة مع تغيُّر أعباء العمل والتكامل السلس مع البيئات السحابية الهجينة أو بيئات VMware. 

فيما يلي نوعا البنية الرئيسيان المستخدمان في تقنية التخزين بالذاكرة الوميضية فقط.

تتَّبع مصفوفات AFAs من نوع Scale-up بنية أقدم تسمح بإضافة مساحة تخزين إضافية إلى المصفوفة الحالية.

على الرغم من أن بنية Scale-up تُتيح طريقة بسيطة وفعَّالة من حيث التكلفة لزيادة السعة، فإنها قد تؤدي إلى عوائق؛ لأن وحدة التحكم المركزية لإدارة التخزين يمكن أن تصبح نقطة فشل واحدة. 

تُتيح مصفوفات AFAs التي تستخدم بنية Scale-out إضافة سعة تخزين أكبر وقدرة حوسبة أعلى في الوقت نفسه، وذلك عبر إضافة المزيد من العُقد إلى النظام.

تُعَد مصفوفات AFAs ذات بنية Scale-out خيارًا مفضلًا للتخزين المؤسسي الذي قد يحتاج إلى التوسع السريع في السعة، إذ تضمن هذه البنية أداءً ثابتًا حتى مع نمو النظام. 

توفِّر مصفوفات التخزين بالذاكرة الوميضية فقط (AFAs) مجموعة واسعة من الفوائد الحيوية للمهام الأساسية، بدءًا من القابلية للتوسع ووصولًا إلى الأمان. تمثِّل هذه الفوائد بعضًا من أبرز المزايا المؤثرة لمصفوفة AFA.

مع تحسُّن أداء تقنية الذاكرة الوميضية وتزايد توافرها وانخفاض تكلفتها، ازدادت شعبية مصفوفات الذاكرة الوميضية فقط (AFAs) في العديد من الاستخدامات والقطاعات:

• المحاكاة الافتراضية: لقد كان لمصفوفات AFAs دور محوري في توفير الأداء الحيوي ودعم الميزات لبرامج المشرف الافتراضي (Hypervisor) التي تشغِّل الأجهزة الافتراضية والبنية التحتية الافتراضية لسطح المكتب (VDI). بالنسبة إلى المحاكاة الافتراضية، يتم استخدام مصفوفات AFAs لدعم معدل إنتاجية البيانات العالي مع تقليل زمن الوصول إلى أدنى حد ممكن، وهو ما يلزم لضمان استمرارية أعباء العمل الافتراضية دون انقطاع. 

• البيانات الكبيرة والذكاء الاصطناعي (AI): تشتهر نماذج الذكاء الاصطناعي أيضًا باحتياجها إلى مجموعات بيانات كبيرة من أجل التدريب والتشغيل. تُعَد مصفوفات AFAs مناسبة لتطبيقات البيانات الكبيرة مثل تشغيل خوارزميات الذكاء الاصطناعي المعقدة التي تتطلب أداءً قويًا للتخزين. 

• التعافي من الكوارث (DR) والنسخ الاحتياطي: على الرغم من أن التكلفة العالية شكَّلت عائقًا تاريخيًا، فإن تحسُّن أسعار وأداء الذاكرة الوميضية جعل حلول AFAs خيارًا عمليًا للنسخ الاحتياطي والتعافي من الكوارث. وسرعات القراءة/الكتابة العالية في مصفوفات AFAs تجعلها مناسبة لعمليات النسخ الاحتياطي متعددة المراحل. 

• الخدمات المالية: أدَّت التطورات في التكنولوجيا المالية (Fintech) إلى دخول عصر التداول عالي التردد الذي يتطلب سرعات معالجة بيانات شبه فورية. تُعَد مصفوفات AFAs موردًا بالغ الأهمية لمزوِّدي الخدمات المالية، إذ تسهِّل المعاملات الفورية وتحليلات البيانات. 

• الإعلام والترفيه: من خدمات البث إلى أسواق الوسائط عبر الإنترنت، تُعَد AFAs ذات قيمة لشركات الإعلام والترفيه التي تسعى إلى تخزين كميات هائلة من ملفات البيانات الكبيرة وتقديم عمليات نقل بيانات عالية السرعة عند الطلب. 

• الرعاية الصحية: في قطاع الرعاية الصحية، يمكن أن يؤدي الوصول إلى البيانات إلى إنقاذ الأرواح حرفيًا. توفِّر مصفوفات AFAs للمستشفيات ومقدِّمي الرعاية الصحية وصولًا سريعًا إلى البيانات، ما يسهم في تقديم رعاية فعَّالة وفي الوقت المناسب. 

• مراكز البيانات: مع تزايد اعتماد الحياة العصرية والصناعة على كميات هائلة من البيانات بشكل متزايد، تسعى مراكز البيانات باستمرار إلى تلبية الطلب. تعمل AFAs على تسهيل الوصول إلى البيانات مع تقليل فترة التعطل.