ડેટા ક્રાંતિ: SSD અને NAND ફ્લેશ મેમરી આર્કિટેક્ચરની આંતરિક કાર્યશૈલી

કોમ્પ્યુટર અને મોબાઈલ ઉપકરણોમાં ડેટા સ્ટોરેજ ક્ષેત્રે છેલ્લા બે દાયકામાં સૌથી મોટો ટેકનોલોજીકલ બદલાવ આવ્યો હોય તો તે સોલિડ-સ્ટેટ ડ્રાઇવ (SSD: Solid-State Drive) નો ઉદય છે. પરંપરાગત હાર્ડ ડિસ્ક ડ્રાઇવ (HDD: Hard Disk Drive) માં ડેટા વાંચવા અને લખવા માટે ફરતી ચુંબકીય ડિસ્ક અને મુવિંગ હેડ જેવા મિકેનિકલ ભાગોનો ઉપયોગ થતો હતો. તેનાથી વિપરીત, SSD સંપૂર્ણપણે સોલિડ-સ્ટેટ સ્ટોરેજ ટેકનોલોજી પર કામ કરે છે. જેમાં કોઈ પણ ફરતા મિકેનિકલ ભાગો હોતા નથી પરંતુ સંગ્રહ માટે સેમિકન્ડક્ટર સંકલિત સર્કિટ (integrated circuits) નો ઉપયોગ થાય છે.

SSD માં ડેટા સ્ટોરેજ માટે મુખ્યત્વે નૉન-વોલેટાઇલ મેમરી (non-volatile memory: વીજળી બંધ થઈ જાય તો પણ ડેટા જાળવી રાખતી મેમરી) નો ઉપયોગ થાય છે, જેને સામાન્ય રીતે NAND ફ્લેશ મેમરી કહેવામાં આવે છે. મિકેનિકલ ભાગોના અભાવને કારણે SSD ઝડપી ડેટા એક્સેસ સ્પીડ, અત્યંત ઓછી લેટન્સી (latency: ડેટા મેળવવામાં લાગતો સમય), ભૌતિક આંચકા સામે ઉચ્ચ પ્રતિકાર શક્તિ, ઓછો પાવર વપરાશ અને સંપૂર્ણ અવાજ રહિત ઓપરેશન પ્રદાન કરે છે. વિકિપીડિયાના અહેવાલ મુજબ, SSD ની પરફોર્મન્સ અને ટકઉપણું તેના મેમરી સેલમાં પ્રતિ સેલ કેટલા બીટ (bits) સ્ટોર થાય છે તેના પર નિર્ભર રહે છે.

ફ્લેશ મેમરીનો ઇતિહાસ: EEPROM થી NAND સુધી

ફ્લેશ મેમરીની ઉત્પત્તિના મૂળિયાં ફ્લોટિંગ-ગેટ મોસફેટ (FGMOS: Floating-Gate MOSFET) ની શોધમાં રહેલા છે. બેલ લેબ્સ (Bell Labs) ખાતે ૧૯૫૯ અને ૧૯૬૦ વચ્ચે મૂળ MOSFET ની શોધ થયા બાદ, ૧૯૬૭ માં દાવન કાંગ (Dawon Kahng) અને સાયમન મિન સઝે (Simon Min Sze) એ ફ્લોટિંગ-ગેટ ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતો. ૧૯૭૦ના દાયકામાં આ ટેકનોલોજીમાંથી EPROM અને EEPROM નો વિકાસ થયો, પરંતુ તે સમયે પ્રતિ બીટ અલગ સેલ બનાવવો પડતો હોવાથી તે અત્યંત મોંઘો અને ધીમો ઉકેલ હતો.

આધુનિક ફ્લેશ મેમરીની શોધ ૧૯૮૦ માં તોશિબા (Toshiba) કંપની ખાતે કાર્યરત વિજ્ઞાની ફુજિઓ માસુઓકા (Fujio Masuoka) દ્વારા કરવામાં આવી હતી. તોશિબાના અહેવાલ મુજબ, ડેટા ભૂંસવાની (erase) આ પ્રક્રિયા કેમેરાના ફ્લેશ જેવી ઝડપી હોવાથી માસુઓકાના સહયોગી શોજી અરીઝુમીએ તેને "ફ્લેશ" નામ આપવાની સલાહ આપી હતી. માસુઓકા અને તેમની ટીમે ૧૯૮૪ માં NOR ફ્લેશ અને ત્યારબાદ ૧૯૮૭ માં સેન ફ્રાન્સિસ્કો ખાતે આયોજિત IEEE IEDM કોન્ફરન્સમાં NAND ફ્લેશ મેમરીનો કોન્સેપ્ટ રજૂ કર્યો હતો. તોશિબાએ ૧૯૮૭ માં પ્રથમ કોમર્શિયલ NAND ફ્લેશ લોન્ચ કરી, જ્યારે Intel એ ૧૯૮૮ માં પ્રથમ NOR ફ્લેશ ચિપ બજારમાં મૂકી હતી.

NOR ફ્લેશ મેમરી બાઇટ-લેવલ રેન્ડમ એક્સેસની સુવિધા આપે છે, જે કોમ્પ્યુટરના BIOS અથવા પ્રોગ્રામ કોડ રન કરવા માટે અનુકૂળ છે. પરંતુ NAND ફ્લેશ મેમરીમાં ડેટા બ્લોક (block) અથવા પેજ (page) સ્વરૂપે લખાય છે અને ભૂંસાય છે. NAND ફ્લેશ ચિપમાં ઓછી જગ્યા રોકે છે અને પ્રતિ બીટ ઉત્પાદન ખર્ચ ઘણો ઓછો આવે છે, જેથી તે SSD અને મેમરી કાર્ડ જેવા સામૂહિક સ્ટોરેજ ઉપકરણો માટે આદર્શ ટેકનોલોજી બની ગઈ છે.

SSD ની આંતરિક આર્કિટેક્ચર અને કંટ્રોલરની ભૂમિકા

કોઈપણ SSD ના મુખ્ય બે ઘટકો હોય છે: કંટ્રોલર (controller) અને NAND ફ્લેશ મેમરી ચિપ્સ. કંટ્રોલર એ SSD નું મગજ છે, જે એક એમ્બેડેડ પ્રોસેસર (embedded processor) છે અને તેમાં ખાસ ફર્મવેર ચાલે છે. તે હોસ્ટ કોમ્પ્યુટર અને NAND મેમરી વચ્ચેના તમામ ડેટા પ્રવાહનું સંચાલન કરે છે.

કંટ્રોલર અનેક જટિલ કાર્યો બહુભાષી રીતે પૂર્ણ કરે છે. તેમાં બેડ બ્લોક મેપિંગ (ખરાબ સેલ દૂર કરવા), રીડ/રાઇટ કેશિંગ, ડેટા એન્ક્રિપ્શન, BCH કોડ જેવા ECC (Error-Correcting Code) દ્વારા ભૂલોની સુધારણા અને ઓવરઓલ થર્મલ મેનેજમેન્ટનો સમાવેશ થાય છે. આ ઉપરાંત, SSD માં ગાર્બેજ કલેક્શન (garbage collection: બિનઉપયોગી ડેટા સાફ કરવો) અને વેર લેવલિંગ (wear leveling) અત્યંત મહત્વપૂર્ણ છે. NAND સેલ પર વારંવાર ડેટા લખવાથી તે ઘસાય છે, જેથી વેર લેવલિંગ અલ્ગોરિધમ ડેટાને તમામ ચિપ્સ પર સમાન રીતે વહેંચીને SSD નું આયુષ્ય લંબાવે છે.

SSD માં સમારેલી સમાંતર પ્રક્રિયા (internal parallelism) ને કારણે જ્યારે કંટ્રોલર એકસાથે મલ્ટિપલ NAND ચેનલો પર કામ કરે છે, ત્યારે ડેટા ટ્રાન્સફર બેન્ડવિડ્થ વધે છે અને લેટન્સીમાં મોટો ઘટાડો થાય છે.

મેમરી સેલના પ્રકારો: SLC, MLC, TLC અને QLC

NAND ફ્લેશ મેમરી સેલની સંગ્રહ ક્ષમતા તેના આર્કિટેક્ચર પર આધારિત હોય છે. મૂળભૂત રીતે Single-Level Cell (SLC) માં પ્રતિ સેલ માત્ર ૧ બીટ ડેટા સંગ્રહિત થાય છે. SLC ડ્રાઇવ્સ સર્વોચ્ચ પ્રોસેસિંગ સ્પીડ અને સૌથી વધુ આયુષ્ય આપે છે, પરંતુ તે અત્યંત મોંઘી હોય છે.

જેમ જેમ ટેકનોલોજી આગળ વધી, તેમ Multi-Level Cell (MLC: ૨ બીટ પ્રતિ સેલ), Triple-Level Cell (TLC: ૩ બીટ પ્રતિ સેલ), અને Quad-Level Cell (QLC: ૪ બીટ પ્રતિ સેલ) નો વિકાસ થયો. NEC દ્વારા ૧૯૯૮ માં ૨-બીટ MLC અને સેમસંગ (Samsung) દ્વારા ૨૦૧૦ માં TLC ની વ્યાપારીક પ્રોડક્શન શરૂ કરવામાં આવી હતી. ૨૦૦૯ માં Toshiba અને SanDisk એ ૬૪ Gb ની ક્ષમતા ધરાવતી QLC ટેકનોલોજી રજૂ કરી હતી. પ્રતિ સેલ વધુ બીટ સ્ટોર કરવાથી સ્ટોરેજ ક્ષમતા વધે છે અને કિંમત ઘટે છે, પરંતુ તેનાથી સેલનું આયુષ્ય અને રાઇટ સ્પીડ ઘટે છે.

આ સિવાય Intel અને Micron દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલી 3D XPoint (જેમ કે Intel Optane) ટેકનોલોજી મેમરી સેલમાં ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ સંગ્રહિત કરવાના બદલે ઇલેક્ટ્રિકલ રેઝિસ્ટન્સ (વિદ્યુત પ્રતિકાર) બદલીને ડેટા સ્ટોર કરે છે. આ પદ્ધતિ પરંપરાગત ફ્લેશ મેમરી કરતા ઘણી વધારે ઝડપ અને લાંબુ આયુષ્ય પૂરું પાડે છે.

Charge Trap Flash અને 3D NAND નું ક્રાંતિકારી ગણિત

સિલિકોન ટ્રાન્ઝિસ્ટરના કદ નાના કરવાની ભૌતિક મર્યાદાઓ આવતા સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગે Charge Trap Flash (CTF) ટેકનોલોજી અપનાવી. CTF માં પરંપરાગત પોલિસિલિકોન ફ્લોટિંગ ગેટને બદલે સિલિકોન નાઇટ્રાઇડની ઇન્સ્યુલેટિંગ લેયરનો ઉપયોગ થાય છે, જે ઇલેક્ટ્રોનને ટ્રેપ કરે છે. NEC ના સંશોધકોએ ૧૯૯૧ માં આ પદ્ધતિ દર્શાવી હતી અને ૨૦૦૨ માં AMD અને Fujitsu દ્વારા તેને વ્યાપારી ધોરણે લોન્ચ કરવામાં આવી હતી.

માત્ર સમતલ (2D) સપાટી પર ચિપ્સ બનાવવાની જગ્યાએ, સેલને એકબીજા પર ઉભા ગોઠવીને 3D V-NAND (Vertical NAND) ટેકનોલોજી બનાવવામાં આવી. Toshiba એ ૨૦૦૭ માં 3D IC ટેકનોલોજી હેઠળ ૮-લેયર ચિપ પૅકેજ (THGAM0G7D8DBAI6) રજૂ કર્યું હતું, અને SK Hynix એ ૨૪-લેયર 3D IC ટેકનોલોજી પ્રદર્શિત કરી હતી. ૨૦૧૩ માં Samsung એ ૨૪-લેયર વાળી પ્રથમ કોમર્શિયલ 3D V-NAND ચિપનું ઉત્પાદન શરૂ કર્યું હતું, જેણે modern SSD ની સંગ્રહ ક્ષમતામાં વિસ્ફોટક વધારો કર્યો.

SSD નું આયુષ્ય અને ભરોસાપાત્રતાના ધોરણો

SSD ની ટકાઉપણું નક્કી કરવા માટે JEDEC સંસ્થા દ્વારા ચોક્કસ નમૂનાઓ વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવ્યા છે. તેમાં Terabytes Written (TBW), Drive Writes Per Day (DWPD), અને Unrecoverable Bit Error Ratio (UBER) નો સમાવેશ થાય છે. ફ્લેશ સેલના જીવનકાળનો મુખ્ય આધાર તેના પ્રોગ્રામ-ઇરેઝ ચક્ર (P/E cycles) ની સંખ્યા પર હોય છે.

ઉદાહરણ તરીકે, ૧ TB ની ક્ષમતા ધરાવતી Samsung 970 EVO NVMe M.2 SSD (૨૦૧૮) ની એન્ડ્યુરન્સ રેટિંગ ૬૦૦ TBW છે. તેનો અર્થ એ છે કે તેના આયુષ્ય દરમિયાન યુઝર ૬૦૦ ટેરાબાઇટ જેટલો ડેટા રાઇટ કરી શકે છે, જે આશરે ૬૦૦ P/E ચક્ર સમાન છે. મિકેનિકલ ભાગો ન હોવાથી SSD આંચકા સામે સુરક્ષિત છે, પરંતુ પાવર વગર લાંબો સમય (૧ થી ૨ વર્ષ) સ્ટોરેજમાં પડી રહેતા ગ્રાહક કક્ષાની SSD નો ચાર્જ ધીમે ધીમે લીક થવાથી ડેટા લોસ થવાનું જોખમ રહે છે.

મૂળ SATA અને mSATA ઇન્ટરફેસથી શરૂ કરીને આજે SSDs અત્યાધુનિક M.2, PCIe અને NVM Express (NVMe) પ્રોટોકોલ પર કામ કરે છે. NVMe આર્કિટેક્ચર હાઇ-સ્પીડ સમાંતર ક્યુ (queues) ને સપોર્ટ કરે છે, જેનાથી કમ્પ્યુટિંગ સિસ્ટમની બસ લાઇનનો મહત્તમ ઉપયોગ થાય છે. ભવિષ્યમાં ડેટા સેન્ટર અને એઆઈ (AI) વર્કલોડ્સ માટે SSD ટેકનોલોજી વધુ ઝડપી અને વધુ ગીચ બનાવવાની દિશામાં સતત સંશોધનો થઈ રહ્યા છે.