في أنظمة التخزين الحديثة، لم تعد السرعة الخام وحدها كافية. بالنسبة للمحترفين والشركات التي تتطلب أداءً مستقرًا، وزمن استجابة منخفضًا، وعمرًا تشغيليًا طويلًا، يلعب التزويد الزائد لمحركات الأقراص الصلبة (SSD Over-Provisioning) دورًا حاسمًا، وإن كان غالبًا ما يُستهان به.

على الرغم من أن محركات الأقراص الصلبة SSD تشترك في نفس الواجهات المادية مع محركات الأقراص الصلبة التقليدية HDD - مثل SATA وSAS وNVMe - إلا أن إدارة البيانات الداخلية فيها تختلف اختلافًا جوهريًا. تشرح هذه المقالة آلية عمل التخصيص الزائد للمساحة، وأهميته، وكيف يمكن لاستراتيجية التخصيص الزائد الصحيحة أن تُحسّن الأداء والمتانة بشكل كبير.

1. ما هو التزويد الزائد لمحركات الأقراص الصلبة (SSD)؟

يشير مصطلح "التخصيص الزائد" إلى جزء من سعة ذاكرة الفلاش NAND الفعلية لمحرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD) والمخصصة حصريًا لعمليات وحدة التحكم الداخلية . هذه المساحة غير مرئية لنظام التشغيل ولا يمكن للمستخدمين الوصول إليها.

يقوم المصنعون بتخصيص هذه المساحة المحجوزة عمداً أثناء تكوين البرامج الثابتة لدعم مهام الإدارة في الخلفية مثل جمع البيانات المهملة، وموازنة التآكل، وتصحيح الأخطاء.

صيغة النسبة المئوية للربح التشغيلي

يتم حساب نسبة التخصيص الزائد عادةً على النحو التالي:

نسبة التشغيل (%) = (إجمالي السعة المادية - السعة المتاحة للمستخدم) ÷ السعة المتاحة للمستخدم × 100%

مثال:
يحتوي محرك الأقراص ذو الحالة الصلبة (SSD) على ذاكرة NAND فعلية بسعة 128 جيجابايت، ولكن لا يتوفر للمستخدم سوى 120 جيجابايت، لذا يتم تخصيص 8 جيجابايت كمساحة إضافية. وبالإضافة إلى اختلافات السعة الثنائية/العشرية، يشكل هذا طبقة التخصيص الزائد الأساسية لمحرك الأقراص ذو الحالة الصلبة.

2. لماذا تحتاج محركات الأقراص الصلبة SSD إلى تخصيص مساحة تخزين زائدة؟

لفهم OP، من المهم فهم السلوك الفيزيائي لذاكرة NAND flash:

"اقرأ واكتب صفحةً صفحة، وامسح كتلةً كتلة."

قيود الكتابة في ذاكرة فلاش NAND

على عكس محركات الأقراص الصلبة التقليدية (HDD)، لا تستطيع محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSD) الكتابة فوق البيانات الموجودة مباشرةً . عندما يلزم تعديل البيانات، يجب على وحدة التحكم ما يلي:

1. اقرأ الكتلة بأكملها في الذاكرة المؤقتة

2. امسح الكتلة

3. أعد كتابة البيانات القديمة والجديدة

تُعرف هذه العملية باسم القراءة والتعديل والكتابة ، وتصبح مكلفة بشكل متزايد مع انخفاض الكتل الحرة.

مشكلة الأداء

عندما تقترب سعة محرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD) من الامتلاء، تصبح المساحات الفارغة نادرة. ويضطر المتحكم إلى إجراء عمليات مسح متكررة، مما يؤدي إلى:

• انخفاض حاد في سرعة الكتابة

• زيادة زمن الاستجابة

• تضخيم كتابة أعلى

دور OP

يعمل التزويد الزائد كمخزن مؤقت متاح بشكل دائم . فهو يسمح لوحدة تحكم SSD بتنفيذ عملية جمع البيانات المهملة (GC) بشكل استباقي في الخلفية، مما يضمن أن تكون الكتل النظيفة جاهزة دائمًا عند وصول بيانات جديدة.

والنتيجة هي انخفاض زمن استجابة الكتابة، وزيادة الإنتاجية المستدامة، وأداء أكثر سلاسة على المدى الطويل .

3. فائدتان رئيسيتان للإفراط في التوفير

أ. تحسين أداء الكتابة العشوائية

في بيئات التحميل العالي أو الكتابة العشوائية، يؤدي استخدام OP الكافي إلى تقليل عامل تضخيم الكتابة (WAF) بشكل كبير.

كيف يعمل؟

• تمنح المزيد من عمليات التشغيل وحدة التحكم مرونة في نقل البيانات الصالحة بكفاءة

• يتم تشغيل عدد أقل من دورات البرمجة/المسح غير الضرورية

نتيجة:

• استقرار عمليات الإدخال/الإخراج في الثانية وعرض النطاق الترددي

• أداء ثابت في ظل أحمال عمل مستمرة

ب. عمر أطول لمحرك الأقراص ذي الحالة الصلبة (SSD)

إن قدرة ذاكرة الفلاش NAND على التحمل محدودة بعدد دورات البرمجة/المسح (P/E) .

يساعد الإفراط في التزويد على إطالة العمر الافتراضي من خلال:

• موازنة التآكل: يتم توزيع عمليات الكتابة بالتساوي على جميع كتل NAND، مما يمنع التلف المبكر لخلايا معينة.

• حماية البيانات: تدعم مساحة OP إدارة الكتل التالفة وخوارزميات ECC المتقدمة للحفاظ على سلامة البيانات

4. استراتيجيات تكوين OP لأحمال العمل المختلفة

يُعدّ اختيار نسبة العمليات المناسبة توازناً بين السعة القابلة للاستخدام واستدامة الأداء. عملياً، تُقسّم أحمال العمل عادةً إلى سيناريوهات تتطلب قراءة مكثفة وسيناريوهات تتطلب كتابة مكثفة .

4.1 التطبيقات التي تتطلب قراءة مكثفة

تشمل حالات الاستخدام النموذجية أنظمة المستهلكين، وأحمال العمل المكتبية، وسيناريوهات التخزين المؤقت التي يهيمن عليها القراءة، حيث يكون الوصول إلى البيانات حوالي 80٪ قراءة / 20٪ كتابة .

• النسبة الموصى بها: ~7%

• أمثلة على السعة القابلة للاستخدام:

  • 256 جيجابايت ← 240 جيجابايت

  • 512 جيجابايت ← 480 جيجابايت

  • 1 تيرابايت ← 960 جيجابايت

المزايا:

• يزيد من مساحة التخزين القابلة للاستخدام

• يوفر كفاءة كافية في جمع القمامة

• مثالي للتخزين الفعال من حيث التكلفة مع متطلبات كتابة متوسطة

4.2 التطبيقات التي تتطلب كتابة مكثفة

مصمم لأحمال العمل المؤسسية مثل قواعد البيانات، والمحاكاة الافتراضية، وأنظمة التسجيل، ومعالجة البيانات عالية التردد.

• النسبة الموصى بها للعمليات الجراحية: 28% أو أعلى

• أمثلة على السعة القابلة للاستخدام:

  • 256 جيجابايت ← 200 جيجابايت

  • 512 جيجابايت ← 400 جيجابايت

  • 1 تيرابايت → 800 جيجابايت

  • 2 تيرابايت → ~1600 جيجابايت

المزايا:

• انخفاض ملحوظ في تضخيم الكتابة

• معدل عمليات الإدخال/الإخراج العشوائي للكتابة في حالة الاستقرار أعلى بكثير

• تحسن ملحوظ في القدرة على التحمل (غالباً ما يتضاعف معدل التحمل اليومي)

• مثالي للبيئات بالغة الأهمية والتي تتطلب كتابة مستمرة

5. مقارنة الأداء بين التشغيل العالي والتشغيل المنخفض

أظهر اختبار محركات الأقراص الصلبة ذات وحدات التحكم وذاكرة NAND المتطابقة ولكن بنسب تشغيل مختلفة اختلافات واضحة:

• استقرار الأداء:

  • تتعرض محركات الأقراص ذات معدل عمليات الإدخال/الإخراج المنخفض (~7%) لتقلبات في معدل عمليات الإدخال/الإخراج أثناء عمليات الكتابة المستمرة.

  • تحافظ محركات الأقراص ذات معدل التشغيل العالي (28% فأكثر) على أداء مستقر قريب من ذروته

• القدرة على التحمل (إجمالي وزن الجسم / الوزن اليومي):

  • تؤدي زيادة عدد العمليات (OP) بشكل مباشر إلى زيادة إجمالي البيانات القابلة للكتابة

  • يمكن أن تؤدي زيادة معدل الكتابة اليومية (DWPD) من حوالي 7% إلى حوالي 32% إلى مضاعفة معدل الكتابة اليومية (DWPD) ، مما يسمح لمحرك الأقراص بالتعامل مع ضعف حجم الكتابة اليومية خلال فترة الضمان.

6. الخاتمة

إن التوفير الزائد ليس تخزينًا "مهدرًا" - بل هو أساس استقرار أداء محركات الأقراص الصلبة SSD وقدرتها على التحمل وموثوقيتها .

• بالنسبة للمستخدمين العاديين، فإن تكوينات OP القياسية كافية وتزيد من السعة إلى أقصى حد

• بالنسبة لأنظمة المؤسسات وأحمال العمل الاحترافية، ينبغي أن يكون الأداء التشغيلي (OP) أحد الاعتبارات الرئيسية أثناء اختيار ونشر محركات الأقراص الصلبة SSD.

في البيئات التي تتطلب عمليات كتابة مكثفة، يعتبر التضحية بجزء من السعة مقابل زيادة معدل العمليات هو الاستراتيجية المثلى لتحقيق زمن استجابة أقل، وعمر أطول، وأمان بيانات أكبر.