Bilgisayarınızın düğmesine bastığınızda neredeyse anında masaüstünüzün karşınıza geldiğini düşünün. Bu, gelecekteki bir hayal değil elbette; SSD (Solid-State Drive) kullanırken yaşadığımız bir gerçeklik. Her şeyin hızla gerçekleşmesini beklediğimiz bir dünyada, SSD’ler bilgisayarlarımızı kullanma şeklimizi değiştirdi. Bu diskler bilgisayarın açılmasından büyük dosyaları hızla kopyalamaya kadar birçok işlemde inanılmaz bir performans sunuyorlar.
Peki SSD’ler, geçmişi uzun yıllara dayanan klasik Sabit Disk Sürücülerden (HDD) neden bu kadar daha hızlı? Bu sessiz, kompakt donanımlar nasıl oluyor da büyük ve hantal sabit diskleri geride bırakıyor? Bu makalemizde, SSD’lerin nasıl çalıştığını ve onları böylesine yüksek hızlarda çalıştıran şeyin ne olduğunu birlikte inceleyeceğiz. Dijital dünyamızda neden bilgisayar depolaması için bir numaralı tercih haline geldiklerini keşfetmekle beraber, SSD’lerle ilgili bilmeniz gereken önemli dezavantajlara da değineceğiz.
SSD (Solid State Drive) Nedir?
Katı Hal Sürücüsü (SSD), verileri depolamak için disk sürücüleri yerine yarı iletken çipler kullanan bir veri depolama aygıtıdır. SSD’lerin en büyük avantajlarından biri, tamamen elektronik mimari üzerinde hareketli parçaları olmaması nedeniyle, geleneksel sabit disklerden (HDD) çok daha hızlı çalışmasıdır. Hareketli parçalar içermediği için verilere mekanik olarak aramaya ihtiyaç duymadan anında erişim sağlar. Bu da neredeyse anında başlatma ve yükleme süreleri anlamına gelir.
SSD’ler, sabit disklerin kullanıldığı her alanda yer alıyor; dizüstü bilgisayarlar, oyun konsolları, dijital kameralar, akıllı telefonlar gibi birçok tüketici ürününde yaygın olarak tercih edilmektedir.
SSD’ler, elektronik devreler kullanarak veri depolar ve geri çağırır. SSD’deki bu elektronik devrelerden biri, kalıcı veri saklama yeteneğine sahip NAND (Not AND) flaş bellektir. Bu bellek, silikon bellek çipleri üzerindeki yarı iletkenlerde bir yük olarak veri depolayan NAND transistörleri ile inşa edilir. Bu oluşan çipler, devre kartlarına dizilmiş ve üst üste yığılmıştır. Bu söz konusu yığınlara ise 3D NAND deniyor ve bellek hücrelerinin üst üste istiflenmesi sayesinde çok daha yüksek depolama kapasitelerine ulaşılabiliyor.
SSD’lerin dezavantajı ise şu an için daha pahalı olması ve sabit disklerin sahip olduğu kapasitelere çıkamamaları. Ancak, teknoloji ilerledikçe SSD’lerin kapasitesinin arttığını, maliyetlerinin ise düştüğünü söyleyebiliriz.
SSD’lerin mekanik disklerden (HDD) nasıl ve neden farklı olduğunu anlamak için, sabit disklerin yapısını incelememiz şart.
Sabit Disk Sürücü (HDD) Yapısı Nedir?
Uzun zaman boyunca bilgisayarlar, verileri sabit disk sürücülerinde (HDD) depoladı. HDD’ler, manyetik diskler olarak adlandırılan dönen plakalar ve bu plakaların üzerindeki veriyi okumak için hareket eden bir başlık kullanır. HDD’lerdeki bu hareketli parçaların, onları en sık arızalanan bilgisayar donanımı haline getirdiğini söylemek mümkün. Tipik bir HDD’yi söktüğünüzde, tıpkı bir plak çalardaki olduğu gibi, üst üste dizilmiş manyetik plakalar ve bir okuma iğnesi görebilirsiniz.
HDD’lerin okuma/yazma yapabilmesi için, sürücü başlıkları diskin belirli bir alanına hizalanmak zorundadır ve disk sürekli döndüğü için veriye erişimden önce bir gecikme yaşanır. Programları başlatmak veya dosyaları yüklemek için sürücü, veriyi birden fazla konumdan okuması gerekebilir. Bu da, komutu tamamlayabilmesi için plakaların uygun pozisyona birkaç kez dönmesi gerekebileceği anlamına gelir. Eğer bir sürücü uyku veya düşük güç durumundaysa, diskin tam güce ulaşması ve çalışmaya başlaması birkaç saniye daha alabilir. Bunun gibi dezavantajlar, HDD’den daha hızlı bir alternatifin doğmasına neden oldu ve tahmin edebileceğiniz üzere makalenin odak noktası da tam olarak bu konu.
Bilgisayarlar ve Bellekler
SSD’lerin nasıl çalıştığını ve neden bu kadar faydalı olduklarını anlamadan önce, bilgisayar belleğinin nasıl işlediğini kavramak oldukça önemli. Bilgisayarın bellek mimarisi üç temel birime ayrılır: önbellek, bellek (RAM) ve veri sürücüsü.
- Önbellek (Cache): Önbellek, bilgisayarın depolama birimlerinin en içteki kısmıdır. Bilgisayarınız çalışırken, veriler üzerinde hesaplamalar yapmak ve işlemler yürütmek için önbelleği geçici bir depolama alanı olarak kullanır. Önbelleğe giden elektrik yolları çok kısa olduğu için veri erişimi neredeyse anında gerçekleşir. Ancak, kapasitesi RAM’den çok daha küçük olduğundan, önbellekteki veriler sürekli olarak üzerine yazılır.
- Bellek (RAM): Bellek, depolamanın orta katmanıdır ve genellikle Rastgele Erişimli Bellek (RAM) olarak bilinir. Bilgisayarın ana belleği olan RAM, işletim sistemi, uygulamalar ve verileri saklar. RAM’e erişim, önbelleğe erişime göre biraz daha yavaştır.
- Veri Sürücüsü (Data Drive): Bu, bilgisayardaki tüm diğer bilgilerin kalıcı olarak saklandığı yerdir. Dosyalar, fotoğraflar, programlar, müzikler ve kullanıcıların saklamak istediği her şey burada bulunur. Bilgisayar, bir dosyaya erişmek veya bir program çalıştırmak için önce veriyi veri sürücüsünden alır ve RAM’e yükler.
Burada önemli bir nokta, bu üç bellek birimi arasında gözle görülür bir hız farkı olduğu. Önbellek ve RAM nanosaniye mertebesinde çalışırken, sabit disk sürücüleri (HDD) milisaniye hızında çalışıyor.
Bu büyük hız farkı, veri sürücüsünün bilgisayarın performansını sınırlayan faktörlerin başında geliyor. Diğer her şey ne kadar hızlı olursa olsun, bilgisayar verileri ancak veri sürücüsünün izin verdiği hızda yükleyip kaydedebilir.
İşte SSD’ler burada devreye girmekte. SSD’ler geleneksel HDD’lerden farklı olarak, önbellek ve RAM kadar olmasa da çok daha hızlı çalışır. Bu, programların ve işlemlerin yüklenme süresini önemli ölçüde azaltır ve bilgisayarın hızını büyük ölçüde artırır. Basitçe söylemek gerekirse, bir SSD kullanmak bilgisayarınızın hızına hız katar.
Trilyonlarca Bit Cihazlarda Nasıl Depolanıyor?
Bir bilgisayarın uzun vadeli hafıza depolamasının temel yapısal ve işlevsel birimi, kalınlığı yalnızca 75-100 atom genişliğinde olan bir bellek hücresidir. Bu yapının biraz daha kalın ya da ince olması, düzgün çalışmamasına neden olur. Bunu anlamadan önce, bir bellek hücresinin ne olduğunu ve milyonlarca hücrenin nasıl birlikte koordinasyon içinde çalışarak verilerinizi depoladığını kavrayalım.
Bu bellek hücreleri Charge Trap Flash (CTF) olarak adlandırılır. CTF’ler, Gate, Channel ve Charge Trap olmak üzere üç işlevsel parçadan oluşur ve her bir parça dielektrik bir malzeme ile ayrılır. İlk ortaya çıktıklarında, her bir Charge Trap flaş bellek hücresi, elektronları yakalayabilir ya da serbest bırakabilirdi. Bu nedenle, her hücre yalnızca bir 0 veya 1’i temsil edebiliyordu. Charge Trap kısmı, elektronları depolayabildiği veya serbest bırakabildiği için bu adı almıştır. Eğer hücrede elektron yoksa, bu hücre 1’i temsil eder, eğer elektronlar yakalanmışsa, 0’ı temsil eder.
Modern CTF’ler ise önceki nesillere göre daha fazla değer depolayabilir. Bu, Charge Trap kısmında farklı yük seviyelerinin depolanması ile sağlanır. Örneğin, 8 farklı değeri temsil etmek için 8 farklı yük veya voltaj gerekir.
Ancak burada şöyle bir soru akıllara gelebilir: Bilim insanları ve mühendisler, milyarlarca nanoskopik bellek hücresini yıllarca elektronları güvenli bir şekilde tutacak şekilde nasıl tasarlıyorlar? Elektronlar doğru şekilde hapsedilmezse, sakladığınız fotoğraflar ve dosyalar bozulur ve verilerin tamamını kaybedebilirsiniz. Bu sorunu çözmek ve elektronların sızmasını önlemek için mühendisler, Charge Trap’i elektronların geçmesini engelleyen dielektrik malzemelerle çevreler. Charge Trap’i bir vadi, dielektrik malzemeleri ise vadinin duvarları olarak düşünebilirsiniz. Elektronlar bu Charge Trap’e yakalandıklarında yıllarca orada kalabilirler. İşte akıllı telefonlarınızın bilgileri nasıl sakladığına dair temel fikir budur.
Bu başka bir sorunu gündeme getirir: Elektronların bulunduğu channel ile elektronların depolandığı Charge Trap arasında yüksek bir bariyer, yani dielektrik bulunur. Elektronları channel’dan bellek hücresine nasıl taşırız? Diğer bir deyişle, bir bellek hücresine nasıl veri yazılır? İşte burada kuantum mekaniği devreye girer.
Klasik mekaniğe göre, elektronların channel’dan charge trap’a geçmesi imkansız çünkü elektronların dielektrik malzemeden geçmesi için gereken minimum enerji seviyesi çok yüksektir ve bu enerji, bariyere zarar verir. Ancak kuantum mekaniğine göre, elektronun konumu bir nokta değil, elektronun bulunma olasılığının en yüksek olduğu bir olasılık yoğunluğudur.
Gate’e pozitif bir voltaj uyguladığımızda pozitif elektrik alanı, kanaldaki negatif yüklü elektronun olasılık bulutunu çekerek onu Charge Trap’e doğru çeker. Bu duruma kuantum tünelleme denir. Tünelleme, klasik mekanikte geçilemez görünen bir enerji bariyerinin, kuantum mekaniğinde elektronların ya da atomların enerjiye sahip olmadan bu bariyeri aşabildiği bir olgudur.
Bilim insanları, elektronların dielektrikten geçmesini sağlamak için gereken bariyer kalınlığını ve kapı voltajını hesaplamak amacıyla, 1920’lerde Ralph Fowler ve Lothar Nordheim tarafından geliştirilen kuantum mekanik denklemleri kullanır.
En dikkat çekici detay ise dielektrik bariyerin ne kadar ince olduğudur. Bunlar, insanların kitlesel üretimini yaptığı en küçük şeylerden biridir. Dielektrik malzeme, yalnızca 75 ila 100 atom kalınlığındadır. Bariyer kalın olursa, gereken voltaj çok daha yüksek olur ve bu da bellek hücrelerine zarar verebilir. Ancak bariyer daha ince olursa, elektronların sızma olasılığı artar.
Akıllı Telefonlar Verileri Nasıl Depolar?
Ortalama olarak, 12 MP’lik bir kamerayla çekilen bir fotoğraf, yaklaşık 300 milyon bit depolama alanı gerektirir. Bu da şu soruyu gündeme getirir: Haftalarca süren TV programları veya binlerce görüntü, birkaç milimetre boyutunda bir hafıza kartına nasıl sığar? Bu işlemin arkasındaki teknoloji, SSD’lerdeki verimli veri depolama yöntemleridir.
SSD’ler, verileri hızlı bir şekilde göndermek ve almak için bir dizi elektrik hücresi kullanır. Bu hücre dizileri, verilerin depolandığı bölümler olan “sayfalara” (pages) ayrılır. Sayfalar ise bir araya gelerek “bloklar” (blocks) oluşturur. SSD’ler, adlarını “solid-state” yani katı hal olarak adlandırılmalarının nedeni ise hareketli parçalara sahip olmamalarıdır.
Detaylı olarak incelediğimizde, SSD’nin iç yapısına daha yakından bakarsak, daha önce tartıştığımız Charge Trap Flash bellek hücrelerini gözlemleyebiliriz. Bu hücreler, elektronları tuzağa düşürerek (Charge Trap) verileri depolar ve bu sayede akıllı telefonlarınız, hafıza kartları gibi küçük cihazlarda büyük miktarda veriyi saklayabilir.
SSD’lerin sayfalar ve bloklar şeklinde düzenlenmiş bu yapı sayesinde, veriler hızla erişilebilir ve saklanabilir. Hareketli parçalara ihtiyaç duymayan bu sistem, verilerin çok daha hızlı işlenmesine ve depolanmasına olanak tanır.
Katı Hal Sürücülerinin Dezavantajları
Katı hal sürücüsü (SSD), bir sabit disk sürücüsünün (HDD) hareketli parçalarını içermez. Plaka (disk), manyetik kafa yoktur, bunların yerine flaş yongaları kullanılır.
Bu, bir SSD’nin sabit disklerdeki gibi bir kafa çarpmasına karşı savunmasız olmadığı anlamına gelir. Ayrıca, ek dayanıklılık, SSD’ye özellikle darbelere veya optimum olmayan çevresel koşullara maruz kalma durumunda belirgin bir güvenilirlik avantajı sağlar. Ayrıca, mıknatıslardan etkilenmezler.
Ancak, bir SSD’deki diğer bileşenlerin sabit disklerdekiyle aynı olduğunu ve arızalanma olasılığının daha fazla veya daha az olmadığını hatırlamakta fayda var. SSD’ler, veri bozulmasına veya hatta sürücünün kendisinin arızalanmasına yol açan güç kesintilerine karşı son derece hassastır. Katı hal sürücüleri hala nispeten genç olduğundan, tekrar tekrar kullanımda ne kadar dayanıklı olduklarına dair gerçek bir resim elde etmemiz birkaç yıl daha alabilir.
Bir SSD’deki her bellek bloğunun ömrü, içinde veri saklanabilecek belirli bir yazma döngüsü sayısıyla sınırlıdır. Bu döngü sayısı, çoğu sürücüde yalnızca birkaç bin ile sınırlıdır. Bu, korkutucu derecede düşük görünse de, modern SSD’lerde gerçekten bir sorun değildir. Verilerini en erken boş bloğa yazan sabit disklerin aksine, bir SSD, her bellek bloğunun kullanılmasını sağlamak için “aşınma dengelemesi” adı verilen bir teknik kullanır; böylece döngü ilk bloğa yeniden başlamadan önce her bellek bloğu kullanılır.
Her gün birkaç yıl boyunca onlarca gigabayt veri yazmıyorsanız, yazma döngüleri sınırına yaklaşamazsınız. Yine de böyle bir durum söz konusu olsa bile, bellek yalnızca okunabilir hale gelir, dolayısıyla verileriniz hâlâ erişilebilir olacaktır.
Tüm bunlar, SSD’lerin HDD’lere kıyasla günlük depolama için harika bir seçim olduğunu, katı hal sürücüsünün nispeten daha yüksek fiyatı göz önüne alındığında, performansın kapasiteden daha büyük bir öncelik olması durumunda geçerli olduğunu gösteriyor.
Peki, SSD uzun vadeli depolama ihtiyaçları için iyi bir seçim mi? Bu, senaryodan senaryoya değişebilir.
SSD’lerin arıza oranı, büyük ölçüde kullanılan teknolojiye ve nasıl kullanıldığına bağlıdır. Genel olarak, SSD’lerin genel kullanım durumları için HDD’lerden daha uzun süre dayanması beklenir. Ancak, bir SSD’nin verileri güç olmadan ne kadar süre saklayabileceği, kullanılan yazma döngüleri sayısı, sürücüde kullanılan flaş bellek türü, depolama koşulları gibi birçok faktöre bağlıdır.
Google ve Toronto Üniversitesi’nin ortak araştırması, SSD’lerin çok yıllık bir dönem boyunca HDD’lere göre %25 daha az sıklıkta değiştirildiğini ortaya koymuştur. Araştırma ayrıca, sürücülerin ilk dört yılı içinde en az bir düzeltilemeyen hata yaşama oranının %20-63 olduğunu belirtmektedir. Ancak SSD’lerin dayanıklılığı o kadar net olmasa da, birçok SSD üreticisi, veri tutma süresini ya spesifikasyonlarının bir parçası olarak ya da sürücüleri için garanti kapsamında listelemektedir. Örneğin, Samsung’un 250GB 860 EVO SATA SSD’si, en az 150 TBW (Yazılan Terabayt) veya beş yıl dayanma sözü vermektedir; hangisi önce gelirse. JEDEC Katı Hal Teknolojisi Derneği, tüketici sürücüleri için endüstri standardını bir yıl olarak belirlemektedir.
Şüphesiz ki katı hal sürücüleri (SSD), dizüstü bilgisayarlarda, masaüstü PC’lerde ve sunucularda kullanılmak üzere popülarite kazanmaktadır. Eski bir masaüstü bilgisayara veya dizüstü bilgisayara bir HDD’den SSD’ye geçerek hız ekleyebilirsiniz ve hızı ile güvenilirliği sayesinde SSD’ler, yeni PC kurulumları, sunucular ve sistem üreticileri için mükemmel bir seçimdir.
İleriye Dönük Tahminler
NAND flaş, sabit disklerden (HDD) büyük bir iyileşme sunuyor, ancak kendi dezavantajları ve zorlukları da yok değil. Sürücü kapasiteleri ve gigabayt başına fiyatın sırasıyla artmaya ve azalmaya devam etmesi bekleniyor, ancak SSD’lerin gigabayt başına fiyat açısından sabit diskleri yakalama şansı pek görünmüyor.
Şimdiye kadar, SSD üreticileri daha hızlı veri standartları, daha fazla bant genişliği ve her kontrolcü başına daha fazla kanal sunarak daha iyi performans sağladılar. Bununla birlikte, uzun vadede NAND’ın yerini alacak başka bir teknolojinin ortaya çıkacağı varsayılıyor. O başka şeyin nasıl görüneceği ise hâlâ tartışma konusu. Hem manyetik RAM hem de faz değiştiren bellek, adaylar olarak öne çıkmıştır. Ancak her iki teknoloji de hâlâ erken aşamalardadır ve NAND’ın yerine geçmek için önemli zorlukları aşmaları gerekmektedir. Tüketicilerin bu farkı fark edip etmeyeceği ise belirsizdir. Eğer bir HDD’den SSD’ye geçiş yaptıysanız ve ardından daha hızlı bir SSD’ye geçtiyseniz, HDD’ler ile SSD’ler arasındaki farkın, hatta oldukça mütevazı bir sürücüden geçiş yapsanız bile, SSD’ler arası farktan çok daha büyük olduğunu fark etmişsinizdir. Erişim sürelerini milisaniyelerden mikrosaniyelere düşürmek büyük bir öneme sahiptir, ancak mikrosaniyelerden nanosaniyelere düşürmek, çoğu durumda insanların algılayabileceği düzeyin altına düşebilir.
SSD üreticileri daha iyi performans sunmak için daha hızlı veri standartları, daha fazla bant genişliği ve her kontrolcü başına daha fazla kanal sunmanın yanı sıra, daha önce bahsettiğimiz SLC önbelleklerini de kullanıyorlar. Yine de, uzun vadede NAND’ın yerini alacak başka bir teknolojinin ortaya çıkacağı varsayılıyor.
O başka şeyin nasıl görüneceği hâlâ tartışma konusu. Hem manyetik RAM hem de faz değiştiren bellek, adaylar olarak öne çıkmıştır. Ancak her iki teknoloji de hâlâ erken aşamalardadır ve NAND’ın yerine geçmek için önemli zorlukları aşmaları gerekmektedir. Tüketicilerin bu farkı fark edip etmeyeceği ise belirsizdir. Eğer bir HDD’den SSD’ye geçiş yaptıysanız ve ardından daha hızlı bir SSD’ye geçtiyseniz, HDD’ler ile SSD’ler arasındaki farkın, hatta oldukça mütevazı bir sürücüden geçiş yapsanız bile, SSD’ler arası farktan çok daha büyük olduğunu fark etmişsinizdir. Erişim sürelerini milisaniyelerden mikrosaniyelere düşürmek büyük bir öneme sahiptir, ancak mikrosaniyelerden nanosaniyelere düşürmek, çoğu durumda insanların algılayabileceği düzeyin altına düşebilir.
Bu makalemizde SSD’lere yakından bir bakış attık. Gelecekteki makalelerimizde görüşmek dileğiyle.
