تضخيم الكتابة

تضخيم الكتابة ( WA ) هو ظاهرة غير مرغوب فيها مرتبطة بذاكرة الفلاش ومحركات الأقراص الصلبة (SSDs) حيث تكون الكمية الفعلية للمعلومات المكتوبة فعليًا على وسائط التخزين مضاعفة للكمية المنطقية المقصود كتابتها.

نظرًا لأن ذاكرة الفلاش يجب مسحها قبل إعادة الكتابة عليها، وبدقة مسح أقل بكثير من دقة الكتابة، فإن ^{عملية تنفيذ} هذه العمليات تؤدي إلى نقل (أو إعادة كتابة) بيانات المستخدم والبيانات الوصفية أكثر من مرة. ^{وبالتالي} ، تتطلب إعادة كتابة بعض البيانات قراءة جزء مستخدم مسبقًا من ذاكرة الفلاش، وتحديثه، وكتابته في موقع جديد، بالإضافة إلى مسح الموقع الجديد مبدئيًا إذا كان مستخدمًا سابقًا. وبسبب طريقة عمل ذاكرة الفلاش، يجب مسح وإعادة كتابة أجزاء أكبر بكثير منها مما تتطلبه كمية البيانات الجديدة. هذا التأثير المضاعف يزيد من عدد عمليات الكتابة المطلوبة طوال عمر محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD)، مما يقلل من مدة تشغيله بكفاءة. كما تستهلك عمليات الكتابة المتزايدة عرض النطاق الترددي لذاكرة الفلاش، مما يقلل من أداء الكتابة على محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة. ^{[ 1 ] [ 3 ]} هناك العديد من العوامل التي تؤثر على سرعة الكتابة لمحرك الأقراص ذي الحالة الصلبة؛ بعضها يمكن للمستخدم التحكم فيه، وبعضها الآخر ناتج بشكل مباشر عن البيانات المكتوبة على محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة واستخدامه.

استخدمت شركتا إنتل وسيليكون سيستمز (التي استحوذت عليها ويسترن ديجيتال عام ٢٠٠٩) مصطلح "تضخيم الكتابة" في أبحاثهما ومنشوراتهما عام ٢٠٠٨. ^{[ ٤ ]} يُقاس تضخيم الكتابة عادةً بنسبة عمليات الكتابة المُخصصة لذاكرة الفلاش إلى عمليات الكتابة الواردة من النظام المضيف. وبدون ضغط البيانات ، لا يمكن أن ينخفض ​​تضخيم الكتابة عن واحد. وباستخدام الضغط، ادّعت شركة ساند فورس تحقيق تضخيم كتابة يصل إلى ٠.٥، ^{[ ٥ ]} مع أفضل القيم المسجلة التي تصل إلى ٠.١٤ في وحدة التحكم SF-٢٢٨١. ^{[ ٦ ]}

نظراً لطبيعة عمل ذاكرة الفلاش، لا يمكن الكتابة فوق البيانات مباشرةً كما هو الحال في محركات الأقراص الصلبة . عند كتابة البيانات لأول مرة على محرك أقراص الحالة الصلبة (SSD)، تبدأ جميع الخلايا بحالة مسح، مما يسمح بكتابة البيانات مباشرةً على شكل صفحات ( غالباً من 4 إلى 8 كيلوبايت ). (من حيث الحجم). يستخدم متحكم SSD الموجود على محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD)، والذي يدير ذاكرة الفلاش ويتفاعل مع النظام المضيف، نظام ربط منطقي-فيزيائي يُعرف باسم عنونة الكتل المنطقية (LBA)، وهو جزء من طبقة ترجمة الفلاش (FTL). ^{[ 7 ]} عندما تُستبدل بيانات قديمة ببيانات جديدة، يقوم متحكم SSD بكتابة البيانات الجديدة في موقع جديد وتحديث الربط المنطقي ليشير إلى الموقع الفيزيائي الجديد. تصبح البيانات الموجودة في الموقع السابق غير صالحة، ويجب مسحها قبل إمكانية الكتابة إلى ذلك الموقع مرة أخرى. ^{[ 1 ] [ 8 ]}

لا يمكن برمجة ذاكرة الفلاش ومسحها إلا لعدد محدود من المرات. ويُشار إلى هذا عادةً بالحد الأقصى لعدد دورات البرمجة/المسح  (دورات P/E  ) التي يمكنها تحملها طوال عمر ذاكرة الفلاش. أما ذاكرة الفلاش أحادية الخلية (SLC)، المصممة لأداء أعلى وعمر أطول، فيمكنها عادةً العمل ما بين 50,000 و100,000 دورة. اعتبارًا من عام 2011صُممت ذاكرة الفلاش متعددة المستويات (MLC) لتطبيقات منخفضة التكلفة، وتتميز بعدد دورات منخفض للغاية يتراوح عادةً بين 3000 و5000 دورة. ومنذ عام 2013، أصبحت ذاكرة الفلاش ثلاثية المستويات (TLC) (مثل ذاكرة NAND ثلاثية الأبعاد) متاحة، حيث انخفض عدد دوراتها إلى 1000 دورة كتابة/مسح (P/E). يُعد انخفاض تضخيم الكتابة أمرًا مرغوبًا فيه، لأنه يُقلل من عدد  دورات الكتابة/المسح في ذاكرة الفلاش، وبالتالي يزيد من عمر محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD). ^{[ 1 ]} قد يؤدي تآكل ذاكرة الفلاش أيضًا إلى تدهور الأداء، مثل انخفاض سرعة الإدخال/الإخراج.

كان تضخيم الكتابة موجودًا دائمًا في محركات الأقراص الصلبة SSD قبل تعريف المصطلح، ولكن في عام 2008 بدأت كل من إنتل ^{[ 4 ] [ 9 ]} وسيليكون سيستمز باستخدام المصطلح في أبحاثهما ومنشوراتهما. ^{[ 10 ]} جميع محركات الأقراص الصلبة SSD لها قيمة تضخيم كتابة، وتعتمد هذه القيمة على كلٍ من البيانات التي تُكتب حاليًا والبيانات التي كُتبت سابقًا على محرك الأقراص. لقياس قيمة تضخيم الكتابة بدقة لمحرك أقراص صلبة SSD معين، يجب تشغيل الاختبار المحدد لفترة كافية لضمان وصول محرك الأقراص إلى حالة استقرار . ^{[ 3 ]}

الصيغة البسيطة لحساب تضخيم الكتابة لمحرك الأقراص ذي الحالة الصلبة هي: ^{[ 1 ] [ 11 ] [ 12 ]}

${\displaystyle {\text{تضخيم الكتابة}}={\frac {\text{البيانات المكتوبة إلى ذاكرة الفلاش}}{\text{البيانات المكتوبة بواسطة المضيف}}}}$

يمكن الحصول على الكميتين المستخدمتين في الحساب من خلال إحصائيات SMART (ATA F7/F8؛ ^{[ 13 ]} ATA F1/F9).

تؤثر عوامل عديدة على تضخيم الكتابة في محركات الأقراص الصلبة SSD. يوضح الجدول أدناه العوامل الرئيسية وكيفية تأثيرها على تضخيم الكتابة. بالنسبة للعوامل المتغيرة، يشير الجدول إلى ما إذا كانت العلاقة طردية أم عكسية . على سبيل المثال، كلما زاد مقدار التخصيص الزائد، انخفض تضخيم الكتابة (علاقة عكسية). أما إذا كان العامل قابلاً للتفعيل أو التعطيل ، فإن العلاقة تكون طردية أو عكسية . ^{[ 1 ] [ 7 ] [ 14 ]}

تُكتب البيانات في ذاكرة الفلاش على شكل وحدات تُسمى صفحات (تتكون من عدة خلايا). مع ذلك، لا يمكن مسح الذاكرة إلا على شكل وحدات أكبر تُسمى كتل (تتكون من عدة صفحات). ^{[ 2 ]} إذا لم تعد البيانات في بعض صفحات الكتلة مطلوبة (وتُسمى أيضًا الصفحات القديمة)، تُقرأ الصفحات التي تحتوي على بيانات سليمة فقط في تلك الكتلة، ثم يُعاد كتابتها في كتلة فارغة أخرى سبق مسحها. ^{[ 3 ]} بعد ذلك، تُصبح الصفحات الفارغة المتبقية بعد عدم نقل البيانات القديمة متاحة لبيانات جديدة. تُسمى هذه العملية بجمع البيانات المهملة (GC). ^{[ 1 ] [ 11 ]} تتضمن جميع محركات الأقراص الصلبة SSD مستوىً ما من جمع البيانات المهملة، ولكنها قد تختلف في توقيت وسرعة تنفيذ هذه العملية. ^{[ 11 ]} يُعد جمع البيانات المهملة جزءًا أساسيًا من تحسين الكتابة على محرك الأقراص الصلبة SSD. ^{[ 1 ] [ 11 ]}

لا تتطلب عمليات القراءة مسح ذاكرة الفلاش، لذا فهي لا ترتبط عادةً بتضخيم الكتابة. في حالة حدوث خطأ تداخل القراءة ، وهو احتمال محدود ، تُقرأ البيانات الموجودة في تلك الكتلة ويُعاد كتابتها، ولكن هذا لن يكون له أي تأثير جوهري على تضخيم الكتابة لمحرك الأقراص. ^{[ 16 ]}

تتضمن عملية جمع البيانات المهملة أيضًا بعض العمليات الأخرى، مثل تفريغ المخزن المؤقت (مخزن SLC المؤقت أو مخزن DRAM المؤقت) وتحديث ذاكرة الفلاش . ^{[ 17 ]}

TRIM هو أمر SATA يمكّن نظام التشغيل من إخبار محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD) بكتل البيانات المحفوظة مسبقًا التي لم تعد مطلوبة نتيجةً لحذف الملفات أو تهيئة وحدة التخزين. عندما يستبدل نظام التشغيل عنوانًا منطقيًا للكتلة (LBA)، كما هو الحال عند الكتابة فوق ملف، يعرف محرك الأقراص ذو الحالة الصلبة أن العنوان المنطقي الأصلي يمكن اعتباره قديمًا أو غير صالح، ولن يحفظ هذه الكتل أثناء عملية جمع البيانات المهملة. إذا قام المستخدم أو نظام التشغيل بمسح ملف (وليس مجرد إزالة أجزاء منه)، فسيتم عادةً وضع علامة على الملف للحذف، ولكن المحتويات الفعلية على القرص لا تُمسح أبدًا. لهذا السبب، لا يعرف محرك الأقراص ذو الحالة الصلبة أنه يمكنه مسح العناوين المنطقية التي كان يشغلها الملف سابقًا، لذلك سيستمر في تضمين هذه العناوين في عملية جمع البيانات المهملة. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

يُساهم إدخال أمر TRIM في حل هذه المشكلة لأنظمة التشغيل التي تدعمه ، مثل Windows 7 ، ^{[ 23 ]} وMac OS (أحدث إصدارات Snow Leopard وLion وMountain Lion، مع وجود تصحيحات في بعض الحالات)، ^{[ 25 ]} و FreeBSD منذ الإصدار 8.1، ^{[ 26 ]} و Linux منذ الإصدار 2.6.33 من نواة Linux الرئيسية . ^{[ 27 ]} عند حذف ملف نهائيًا أو تهيئة القرص، يُرسل نظام التشغيل أمر TRIM مع عناوين الكتل المنطقية (LBAs) التي لم تعد تحتوي على بيانات صالحة. يُعلم هذا الأمر محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD) بإمكانية مسح عناوين الكتل المنطقية المستخدمة وإعادة استخدامها. يُقلل هذا من عدد عناوين الكتل المنطقية التي يجب نقلها أثناء عملية جمع البيانات المهملة. والنتيجة هي أن محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD) سيحتوي على مساحة حرة أكبر، مما يُتيح تقليل تضخيم الكتابة وزيادة الأداء. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

التزويد الزائد (يُكتب أحيانًا OP أو over provisioning أو overprovisioning) هو الفرق بين السعة الفعلية لذاكرة الفلاش والسعة المنطقية التي يعرضها نظام التشغيل للمستخدم. أثناء عمليات جمع البيانات المهملة، وموازنة التآكل، وتعيين القطاعات التالفة على محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD)، تُساعد المساحة الإضافية الناتجة عن التزويد الزائد في تقليل تضخيم الكتابة عند قيام وحدة التحكم بالكتابة إلى ذاكرة الفلاش. ^{[ 4 ] [ 28 ] [ 29 ]} تُستخدم منطقة التزويد الزائد أيضًا لتخزين بيانات البرامج الثابتة مثل جداول FTL . عادةً ما تحتوي منتجات الفلاش متوسطة وعالية الأداء على مساحات تزويد زائد أكبر. يُعبّر عن التزويد الزائد كنسبة مئوية من السعة الإضافية إلى السعة المتاحة للمستخدم: ^{[ 30 ]}

${\displaystyle {\text{التزويد الزائد}}={\frac {{\text{السعة المادية}}-{\text{سعة المستخدم}}}{\text{سعة المستخدم}}}}$

عادةً ما يأتي الإفراط في التوفير من ثلاثة مصادر:

1. يُستخدم مصطلح "جيجابايت " (GB) كوحدة قياس لسعة التخزين بدلاً من "جيبيبايت " (GiB). يستخدم مُصنّعو كلٍ من محركات الأقراص الصلبة (HDD) ومحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSD) مصطلح GB للدلالة على الجيجابايت العشري أو 1,000,000,000 بايت (  10⁹ ^بايت ). وكما هو الحال في معظم وحدات التخزين الإلكترونية الأخرى، تُجمّع ذاكرة الفلاش بمضاعفات العدد 2، لذا فإن حساب السعة الفعلية لمحرك SSD يعتمد على 1,073,741,824 بايت (  2³⁰ ^بايت ) لكل جيجابايت أو جيبيبايت ثنائي. الفرق بين هاتين القيمتين هو 7.37%  (2³⁰ ^بايت  - 10⁹ ^بايت )  / 10⁹ ^بايت  × 100%). وبالتالي، فإن  محرك SSD بسعة 128 جيجابايت بدون أي تخصيص إضافي سيوفر للمستخدم 128,000,000,000 بايت (من إجمالي 137,438,953,472 بايت). لا تُحتسب هذه النسبة الأولية البالغة 7.37% عادةً ضمن إجمالي المساحة المُخصصة، وعادةً ما تكون المساحة الفعلية المتاحة أقل، حيث يحتاج المتحكم إلى مساحة تخزين لتتبع بيانات غير متعلقة بنظام التشغيل، مثل مؤشرات حالة الكتل. ^{[ 28 ] [ 30 ]} قد تصل نسبة 7.37% إلى 9.95% في نطاق التيرابايت، حيث يستفيد المصنّعون من اختلاف إضافي بين الوحدات الثنائية والعشرية لتقديم  محركات أقراص بسعة 1 أو 2 تيرابايت بسعات 1000 و2000  جيجابايت (931 و1862  جيجابايت على التوالي)، بدلاً من 1024 و2048  جيجابايت (حيث أن 1  تيرابايت = 1,000,000,000,000 بايت بالنظام العشري، ولكن 1,099,511,627,776 بايت بالنظام الثنائي).
2. قرار الشركة المصنعة. يتم ذلك عادةً بنسب 0%، 7%، 14%، أو 28%، بناءً على الفرق بين الجيجابايت العشري للسعة الفعلية والجيجابايت العشري للمساحة المتاحة للمستخدم. يُطلق على هذا النوع من التخصيص الزائد عادةً اسم التخصيص الزائد الثابت. على سبيل المثال، قد تنشر شركة مصنعة مواصفات لمحرك أقراص الحالة الصلبة (SSD) الخاص بها بسعة 100، 112، 120، أو 128  جيجابايت، بناءً على  سعة محتملة تبلغ 128 جيجابايت. هذا الفرق هو 28%، 14%، 7%، و0% على التوالي، وهو الأساس الذي تستند إليه الشركة المصنعة في ادعائها بوجود تخصيص زائد بنسبة 28% على محرك الأقراص. هذا لا يشمل نسبة 7.37% الإضافية من السعة المتاحة من الفرق بين الجيجابايت العشري والثنائي. ^{[ 28 ] [ 30 ]}
3. تُعرف المساحة الحرة المتاحة على القرص بأنها مساحة مستخدم متاحة، مما يُحسّن من عمر القرص وأدائه على حساب الإبلاغ عن الأجزاء غير المستخدمة، أو على حساب السعة الحالية أو المستقبلية. يمكن لنظام التشغيل تحديد هذه المساحة الحرة باستخدام أمر TRIM. يُطلق على هذا النوع من التخصيص عادةً اسم التخصيص الديناميكي. بدلاً من ذلك، توفر بعض محركات الأقراص الصلبة SSD أداةً تسمح للمستخدم النهائي بتحديد تخصيص إضافي. علاوة على ذلك، إذا تم إعداد أي محرك أقراص SSD بتخطيط تقسيم إجمالي أصغر من 100% من المساحة المتاحة، فسيتم استخدام تلك المساحة غير المقسمة تلقائيًا بواسطة محرك الأقراص SSD كتخصيص إضافي أيضًا. ^{[ 30 ]} مصدر آخر للتخصيص الإضافي هو حدود الحد الأدنى للمساحة الحرة في نظام التشغيل؛ حيث تحافظ بعض أنظمة التشغيل على حد أدنى معين من المساحة الحرة لكل قرص، خاصةً على قرص التمهيد أو القرص الرئيسي. إذا تمكن محرك الأقراص SSD من تحديد هذه المساحة الإضافية، ربما من خلال الاستخدام المستمر لأمر TRIM، فإن ذلك يعمل كتخصيص إضافي شبه دائم. يؤدي الإفراط في تخصيص الموارد غالبًا إلى تقليل سعة المستخدم، سواءً بشكل مؤقت أو دائم، ولكنه يعوض ذلك بتقليل تضخيم الكتابة، وزيادة القدرة على التحمل، وتحسين الأداء. ^{[ 20 ] [ 29 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}

يمكن استخدام مخزن DRAM المؤقت (إن وجد) على أجهزة الفلاش (عادة SSD ) لتخزين جدول FTL مؤقتًا، وتخزين عمليات كتابة البيانات مؤقتًا، وجمع البيانات المهملة.

صُمم أمر ATA Secure Erase لحذف جميع بيانات المستخدم من القرص. مع محركات الأقراص الصلبة SSD غير المزودة بتشفير مدمج، يُعيد هذا الأمر القرص إلى حالته الأصلية عند إخراجه من العلبة. سيؤدي ذلك مبدئيًا إلى استعادة أدائه إلى أعلى مستوى ممكن وأفضل (أقل قيمة) تضخيم كتابة ممكن، ولكن بمجرد أن يبدأ القرص في جمع البيانات المهملة مرة أخرى، سيبدأ الأداء وتضخيم الكتابة في العودة إلى مستوياتهما السابقة. ^{[ 35 ] [ 36 ]} تستخدم العديد من الأدوات أمر ATA Secure Erase لإعادة ضبط القرص وتوفير واجهة مستخدم أيضًا. إحدى الأدوات المجانية الشائعة الاستخدام في هذا المجال هي HDDerase . ^{[ 36 ] [ 37 ]} يوفر كل من GParted وأقراص Ubuntu الحية نظام Linux قابلًا للتشغيل مع أدوات مساعدة للقرص، بما في ذلك المسح الآمن. ^{[ 38 ]}

يمكن لمحركات الأقراص التي تشفر جميع عمليات الكتابة أثناء التشغيل تطبيق تقنية المسح الآمن ATA بطريقة أخرى. فهي ببساطة تُفرغ البيانات وتُنشئ مفتاح تشفير عشوائي جديد في كل مرة يتم فيها المسح الآمن. وبهذه الطريقة، لا يمكن قراءة البيانات القديمة، لأنها غير قابلة للفك. ^{[ 39 ]} بعض محركات الأقراص المزودة بتشفير مدمج تقوم بمسح جميع الكتل فعليًا بعد ذلك أيضًا، بينما قد تتطلب محركات أقراص أخرى إرسال أمر TRIM لإعادتها إلى حالتها الأصلية عند إخراجها من العلبة (وإلا فقد لا يتم تحقيق أقصى أداء لها). ^{[ 40 ]}

إذا تمت برمجة كتلة معينة ومسحها بشكل متكرر دون الكتابة إلى أي كتل أخرى، فإن هذه الكتلة ستتلف قبل جميع الكتل الأخرى، مما يؤدي إلى إنهاء عمر محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD) قبل الأوان. لهذا السبب، تستخدم وحدات التحكم في محركات الأقراص ذي الحالة الصلبة تقنية تُسمى موازنة التآكل لتوزيع عمليات الكتابة بالتساوي قدر الإمكان على جميع كتل الذاكرة الفلاشية في محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة.

في الوضع الأمثل، سيُمكّن هذا من كتابة كل كتلة حتى أقصى عمرها الافتراضي، ما يؤدي إلى تعطلها جميعًا في الوقت نفسه. لسوء الحظ، تتطلب عملية توزيع الكتابة بالتساوي نقل البيانات المكتوبة مسبقًا والتي لا تتغير ( البيانات الباردة )، حتى يتسنى كتابة البيانات التي تتغير بوتيرة أسرع (البيانات الساخنة) في تلك الكتل. في كل مرة تُنقل فيها البيانات دون تغييرها بواسطة النظام المضيف، يزداد تضخيم الكتابة، وبالتالي يقل عمر ذاكرة الفلاش. يكمن الحل في إيجاد خوارزمية مثلى تُعظّم كلا الأمرين. ^{[ 41 ]}

يعتمد الأداء العام لمحرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD) على عدة عوامل، منها تضخيم الكتابة. تستغرق الكتابة إلى ذاكرة الفلاش وقتًا أطول من القراءة منها. ^{[ 19 ]} يستخدم محرك الأقراص ذو الحالة الصلبة عادةً مكونات ذاكرة فلاش متعددة متصلة بالتوازي كقنوات لزيادة الأداء. إذا كان لمحرك الأقراص ذي الحالة الصلبة تضخيم كتابة عالٍ، فسيتعين على وحدة التحكم الكتابة إلى ذاكرة الفلاش عددًا أكبر من المرات، مما يتطلب وقتًا أطول لكتابة البيانات من المضيف. أما محرك الأقراص ذو الحالة الصلبة ذو تضخيم الكتابة المنخفض، فلن يحتاج إلى كتابة كمية كبيرة من البيانات، وبالتالي يمكن إنهاء الكتابة عليه أسرع من محرك الأقراص ذي تضخيم الكتابة العالي. ^{[ 1 ] [ 8 ]}

في سبتمبر 2008، أعلنت إنتل عن محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة X25-M SATA SSD، والذي تم الإبلاغ عن تضخيم كتابة منخفض له يصل إلى 1.1. ^{[ 5 ] [ 42 ]} وفي أبريل 2009، أعلنت ساند فورس عن عائلة معالجات SF-1000 SSD، والتي تم الإبلاغ عن تضخيم كتابة لها يبلغ 0.5، وتستخدم ضغط البيانات لتحقيق تضخيم كتابة أقل من 1.0. ^{[ 5 ] [ 43 ]} قبل هذا الإعلان، كان يُعتبر تضخيم الكتابة 1.0 هو الأدنى الذي يمكن تحقيقه مع محركات الأقراص ذي الحالة الصلبة. ^{[ 19 ]}

• نظام ملفات فلاش
• محاذاة التقسيم
• تسوية التآكل

• الوسائط المتعلقة بتوسيع الكتابة على ويكيميديا ​​كومنز