کارتریج بازی ها و تکنولوژی ای برای ابدی کردن داده ها - وبلاگ آقا ایرج

به گزارش وبلاگ آقا ایرج، کارتریج های بازی احتمالاً مقاوم ترین روش در میان روش های مرسوم در ذخیره سازی باشند. این کارتریج ها اگر محکم ضربه نخورند یا امواج الکتریکی شدیدی به لبه اتصال شان وارد نشود، تا مدتی طولانی می توانند داده ها را ذخیره نگه دارند. نتیجتاً داده های درون آن ها نیز ماندگار باقی خواهند ماند؛ فرقی نمی کند کارتریج های یک آتاری 2006 در اواخر دهه 1970 میلادی باشد یا کارتریج نیتندو 64 در دهه 1990.

راز آن ها در ROMهای پوششی (یا همان MROM)(1) نهفته است که در واقع نوعی تراشه حافظه ی صرفاً خوانشی (Read-only) هستند. آن ها را می توان نرم افزاری دانست که به یک سخت افزار (حافظه) تبدیل شده اند. هنگام فراوری تراشه ها، با فلزکاریِ اتصالات، یک لایه پوششی مخصوص برای هر ست داده استفاده می گردد. چنین فرایند ساختی، ذخیره شدن داده ها برای مدت زمانی طولانی در آن ها را تضمین می نماید. طول عمر این کارتریج ها به اندازه پردازنده خود کنسول است. البته به علت هزینه های مربوط به فراوری، این تراشه حالت سفارشی دارد و نمی توان روی چنین تکنولوژی برای استفاده در پروژه های شخصی، حساب باز کرد.

با وجود ارزش MROMها و مقاوم بودن حافظه شان، آن ها به مرور از رده خارج شده اند و در دهه های اخیر ازشان کمتر استفاده می گردد. شاید برایتان غافل گیر نماینده باشد اگر بدانید محصولاتی که امروزه مشتری ها استفاده می نمایند طول عمر بسیار کمتری دارند و بسته به شرایط محیطی داده های موجود در آن ها خیلی راحت طی یک سال یا بیشتر، ممکن است خراب شوند.

با این حساب، اگر بخواهیم داده های صرفاً خوانشی داشته باشیم که مدت زمان طولانی بتوانند دوام بیاورند، باید چه کنیم؟

انواع به حافظه سپاری

حافظه ها به شکل های مختلفی وجود دارند: MROM و PROM، در دسته یک بار نصب شدنی قرار می گیرند، در حالی که برخی های دیگر را می توان چندین بار نوشت. EPROM(2) و EEPROM از این نوع هستند: در اولی برای پاک کردن محتوا احتیاجمند نور UV هستیم و در دومی می توان محتوا را با جریان الکتریکی از میان برد (آن E اضافه یعنی همین). حافظه آهنربایی را می توان آسان ترین نوع برای خواندن، نوشتن و بازنویسی در نظر گرفت، به همین علت است که نوار آهنربایی، دیسک های فلاپی و درایوهای سخت به عنوان حافظه های مرسوم در چندین مدیوم استفاده می شوند.

نوع دیگری هم وجود دارد که حافظه شان به چشم بهم زدنی پاک می شوند و احتیاجمند اتصال دائمی به منبع قدرت برای حفظ کردن داده های خود هستند. SRAM و (S)DRAM را می توان از این نوع حافظه ها دانست.

اینکه از چه نوع حافظه ای استفاده می کنیم به احتیاج فرد بستگی دارد. برای حافظه سیستم اصولاً از RAM استفاده می گردد چونکه زمان دیر-کرد آن کوتاه است و اجازه دسترسی به داده به صورت تصادفی را می دهد. این در حالی است که برای حافظه طولانی مدت (یعنی چیزی که با ریست کامپیوتر پاک نگردد)، از حافظه آهنربایی استفاده می گردد و در میان آن ها NAND Flash اخیراً به محبوبیت بالایی رسیده است که قرابت زیادی با EEPROM دارد.

بعلاوه باید اشاره نمود سامانه های ورودی ای مثل BIOS وجود دارند که باید طول عمرشان از خود سیستم بیشتر باشد، چرا که بووت کردن سیستم بطور کلی به آن ها وابسته است. برای چنین داده هایی قبلاً از EPROM استفاده می شد که با حضور EEPROM، حدود یکی دو دهه قبل از رده خارج شد. نگه داری داده به وسیله EEPROM حدود 10 سال برآورد شده است و پس از آن ممکن است داده ها از بین بروند.

علت اصلی برای از بین رفتن داده در EPROM، EEPROM و دستگاه های ذخیره سازی مشابه که بر اساس دروازه شناور MOSFET (4) ساخته شده اند، از بین رفتن شارژ ذخیره شده در چیزی است که می توان آن را اساساً یک خازن بسیار کوچک دانست این اتفاق هم با گذر زمان ممکن است روی بدهد و هم با خسارات وارد شده از پاک یا اضافه کردن داده های تازه. بنابراین گزینه خوبی برای ذخیره داده ها در بلند مدت نیستند.

احیای درایوهای حالت جامد

گاه پرسیده می گردد که اگر کارتریج ها آنقدر مقاوم هستند و لودینگ ندارند، پس چرا دیگر ازشان در کنسول های بازی استفاده نمی گردد؟ علت این اتفاق را می توان در اوایل دهه 90 میلادی جست، زمانی که نینتندو و سونی روی پروژه شوم SNES-CD کار می کردند. در این دوره کمپانی سگا، افزونه SEGA CD را عرضه کرد، کمپانی Hudson Soft افزونه PC Engine CD-Rom را منتشر کرد و سونی هم با عرضه کنسول های پلی استیشن اولین سری از کنسول های بدون کارتریج را روانه بازار کرد. مزیت اصلی سی دی رام ها نسبت به کارتریج، حافظه 650 مگابایتی موجود در دیسک بود که در قیاس با چند ده مگابایتِ کارتریج، به وضوح رجحان داشت.

ظهور ویدیوهای فول-موشن و ویژگی های مشابه، زمینه رقابت کنسولی در دهه 1990 را داغ نموده بود، تا حدی که وجود صفحات لودینگ و تغییر دیسک در بازی های CD-Rom محور، خیلی به چشم نمی آمد و سبب دل مشغولی هواداران و ناشران نشد. عرضه سی دی رام، فرایند ا مقرون به صرفه و ساده بود و اگر وسط کار احتیاج می شد چیز تازهی به سی دی اضافه کرد مسئله ای وجود نداشت [چون برعکس MROMها صرفاً خوانشی یا read-only نیست].

نقض قرض است که در حال حاضر، کمپانی سونی با کنسول پلی استیشن 5 در کوشش است تا بطور کلی زمان های انتظار و لودینگ های طولانی را از بین ببرد، پدیده ای که با استفاده از وسایل لیزری مثل بلوری محتمل شده است. این رویکرد چندین نسل است که ادامه دارد، و سونی و ماکروسافت در این بازه کوشش داشتند تا اجرای بازی از روی دیسک را کنار بگذارند و مثل کامپیوترهای شخصی به نصب دیسک روی بیاورند، چرا که از این طریق بازی ها بسیار سریع تر روی هارد داخلی اجرا می شوند.

کنسول های پلی استیشن 5 و اکس باکس سری اکس به جای هارد درایوهای مکانیکی از درایوهای مبتنی بر NAND Flash استفاده می نمایند. این درایو اجازه می دهد تا بوسیله PCIe از GPU به شکل مستقیم برای انتقال حافظه استفاده گردد؛ ویژگی ای که در کامپیوترهای شخصی و DirectX با اصطلاح DirectStorage می شناسیم و اساساً یک نوع Direct Memory Access (به اختصار: DMA) است. می توان گفت که حرکت از رسانه های ثابت به سمت استفاده از DMA برای بارگذاری بازی ها، ما را دوباره به دوره کارتریج ها برمی گرداند! تنها یک قدم اضافه وجود دارد، آن هم زمان انتظاری که برای نصب کردن از دیسک یا دانلود نرم افزار باید متحمل شد البته آن را هم می توان با استفاده از کارت NVMe که هنگام اجرای بازی مستقیماً به کنسول وصل می گردد، از قلم انداخت.

به علت مقاومت و توانایی نگهداری بالایی که کارتریج ها دارند، اصلاً جای غافل گیری نیست اگر یک بازی کنسولی مربوط به سال 1979 را همین الان هم بتوان به راحتی اجرا کرد. چرا که انتظار نداریم ASICهای(5) مربوط به دهه 1970، خود به خود به صورت جادویی پاک شده باشند. علاوه براین، به شکلی مشابه، مطمئناً همین حالا هم می توانیم از سی دی های موزیک مربوط به دهه 1980 و نوار کاست های صوتی دهه 1960، استفاده کنیم. با این حال، همین را نمی توان در خصوص سی دی رام های سال 1998 گفت، حتی تصاویری که بر روی یک مموری کارت 128 مگابایتی، چند سال پیش ذخیره نموده اید هم باقی ماندنشان در هاله ای از ابهام قرارد دارد.

آیا می توان آن ها را اجرا کرد؟ اگر یک جواب کوتاه بخواهیم بدهیم، باید بگوییم بستگی دارد. در واقع به شرایطی بستگی دارد که دستگاه های ذخیره سازی در آن قرار گرفته و نگه داری شده اند.

سی دی رام ها در میان بد نام ترین ابزارهای ذخیره سازی هستند و پدیده فرسودگی دیسک/disc rot، شایع است. در آن ها می توان داده را روی لایه مخالف برچسب هم ذخیره کرد که یعنی اگر خش روی آن بیوفتد، به مرور دیسک غیر قابل خواندن می گردد. دی وی دی ها سعی کردند تا حدودی این مشکل را رفع نمایند، اما از آنجایی که دیسک های اپتیکال صرفاً چند لایه به هم چسبیده هستند، پس همگی در معرض فرسایش یا لایه لایه شدن قرار دارند.

NAND Flashها و دیگر انواع حافظه که بر ذخیره سازی شارژ الکتریکی (FGMOS یا دروازه شناور ماسفت) تکیه می نمایند، کارکردشان بسته به ساختارهای مقاومتی است که اطراف عنصر شارژ شده قرار دارند تا از نشت الکترون ها جلوگیری نمایند. متأسفانه یکی از ویژگی های FGMOS باعث می گردد تا نوشتن روی یک سلول باعث آسیب زدن به این ساختارهای مقاومتی می گردد و شارژ را تغییر می دهد. حرکت صنعت به سوی استفاده از NAND Flashهای متراکم تر و کوچک کردن ASICها باعث می گردد این حافظه ها سریع تر آسیب ببینند.

خلاصه بگوییم، مدت زمان نگه داری داده در یک دستگاه FGMOS به این موارد بستگی دارد: اندازه داده نگه داری ابتدایی، منهای تعداد دفعاتی که داده ها کپی/پاک می شوند، ضرب در نوع حافظه آن مموری. ساده تر بگوییم، هر چه داده بیشتری در یک دستگاه FGMOS قرار دهید، عملکرد نگه داری داده در آن ضعیف تر خواهد شد (این مورد در یک تحقیق هم نشان داده شده است)؛ به عنوان مثال، مموری کارت 128 مگابایتی که پیش تر اشاره شد احتمالاً به خوبی کار بکند، چرا که فرایند ساخت الگوهای آن قوی تر و قدیمی تر است. سوال اصلی در اینجا این است که چند بار می توان روی یک کارت داده ذخیره کرد قبل از اینکه کارآمدی اش را از دست بدهد؟

یک نکته نهایی که باید درباره دستگاه های FGMOS به آن اشاره نمود، تأثیرات دماست. در سال 2015، زمانی که مردم متوجه شدند درایوهای NAND Flash زمانی که در دمای 30 درجه قرار می گیرند حدود یک سال عمر خواهند کرد شوکه شدند و بدتر اینکه اگر دما را تا 55 درجه سانتی گراد افزایش بدهیم، این طول عمر تنها یک هفته خواهد بود! بدین ترتیب اگر در اوج تابستان خودرو خود را در معرض آفتاب پارک نموده باشید، مموری کارت یا SSD موجود در ماشین خیلی راحت طول عمرش برای نگهداری داده ها کم می گردد.

جواب ساده ای وجود ندارد

اینکه کدام یک از روش های ذخیره داده مناسب است، بسته به احتیاجات فرد و شرایط مالی متفاوت خواهد بود. برای فراوریهای با مقیاس بالا، MROMها هنوز هم مرسوم هستند، چرا که اجازه می دهند سیستم عامل ها برای یک محصول به خوبی با بقیه ASIC دلخواه ترکیب بشوند و این گارانتی وجود داشته باشد که محتوا هرگز دست کاری نمی گردد. PROM هم یک گزینه خوب دیگر است که بسیاری از فواید MROM را داراست، اما باید برای برنامه نویسی آن، یک قدم اضافه طی کرد.

برای اپلیکیشن های پیش فرض، EEPROMهایی که مقاومت بالایی دارند (و معمولاً Flash نامیده می شوند) به طور معمول همزمان با PROM (تراشه یک بار نصب شونده) استفاده می شوند. یعنی EEPROM حداقل برای یک دهه عملکرد تضمین شده خواهد داشت، اما این قضیه برای PROMها نامحدود است.

در همین حین، کمپانی نینتندو برای کنسول دستی خود یعنی سوییچ از یک نوع فلش مموری به نام XtraROM از Macronix استفاده می نماید که می تواند تا 20 سال در دمای 85 درجه سانتی گراد دوام بیاورد.

با کمی تحلیل این اعداد و با ارجاع به مقاله AnandTech درباره نگه داری داده NAND Flash، به نظر می رسد با کمی خوش شانسی می توان از کارتریج کنسول نینتندو سوییچ برای مدتی حدود 30 تا 40 سال استفاده کرد. به شکلی مشابه کارتریج های Atari و NES هنوز هم که هنوز است قابل استفاده هستند. اگر این کارتریج ها در دمای اتاق و به شکلی مناسب نگه داری بشوند، مقاومت داده شگفت انگیزی دارند. با این فرض می توان گفت که Macronix کار خود را به خوبی انجام داده است.

مریخ گرد ناسا که Curiosity نام دارد، با وجود فلش مموری در دو تا از مرکزهای کامپیوتر اضافی خود به مشکل خورده است. غیرفعال کردن قسمتی از این حافظه به حل شدن مشکل یاری نموده بود، اما تیم Curiosity در کوشش است تا از راه دورْ مشکل را حل نماید.

برنامه ریزی برای ثبات مورد احتیاج شما

به عنوان نتیجه گیری می توان گفت که اگر می خواهید یک وسیله را به فضا یا یک سیاره دیگر ارسال کنید، احتمالاً احتیاج است که محتوای اساسی مورد احتیاج مثل سیستم اجرایی و دیگر فایل های هسته ای را روی یک MROM یا PROM انتقال دهید. برای بازی های ویدیویی کنسولی، پیشنهاد مناسب کمی سخت تر است. در حال حاضر، روش های ذخیره سازی در دنیای ویدیو گیم خوب است و مسئله ای وجود ندارد. اما اگر سال 2040 یک کنسول نینتندو سوییچ خریدید و متوجه شدید داده های موجود در آن خراب هستند، با واقعه ای تراژیک روبرو خواهید شد.

اگر می خواهید داده های خود را برای مدتی حدود یک دهه نگه داری کنید، در دمای اتاقْ مموری کارت ها احتمالاً گزینه های بسیار خوبی باشند. البته حواستان باشد که برای اجرای سیستم روی مموری کارت ها حساب باز نکنید، چرا که محیط گرم و صنعتی طول عمر داده های شما را تا حد زیادی کم می نماید.

می توان انتظار داشت که در آینده ای نزدیک PCMها (به اختصار: Phase-Change Memory) (مثل 3D Xpoint) مزایایی را ارائه دهند که هم مقاومت داده ها در این حافظه های شبه آهن ربایی بالا برود و هم عمر بیشتری نمایند. با این وجود، عقل می گوید که بهتر است از داده های خود بک آپ داشته باشید. اصلاً مهم نیست که کامپیوتر شما چقدر مقاوم و قوی است، همواره احتیاط را در دستور کار خود قرار بدهید.

منبع: Hackaday

توضیحات مترجم

1. مخفف Mask Read-Only Memory، حافظه ای غیرفرّار است که در همان کارخانه برنامه ریزی شده و بنابراین مشتری نمی تواند در محتوای آن دخل و تصرف کند (برای همین می گویند صرفاً خوانشی است). بایوس/BIOS در کامپیوترها، که حامل فریم وری است که کامپیوتر با آن بوت می گردد، یکی از همین نوع حافظه هاست. از MROM بیشتر در دیوایس هایی استفاده می نمایند که داده ها باید ایمن و بدون تغییر بمانند، مثل دیوایس های پزشکی، سیستم های اتوماتیو و تجهیزات صنعتی.

2. مخفف Erasable Programmable Read-Only Memory، یک نوع حافظه غیرفرّار دیگر است که برعکس MROMها، مصرف نماینده هم می تواند داده های درون آن را کم یا زیاد کند. اگر MROMها مثل لوح سنگی باشند که دیگر نمی گردد نوشته ای را جایگزین شان کرد، EPROMها مثل وایت بوردی هستند که گرچه می توان بارها و بارها نوشته هایش را پاک کرد و از نو نوشت اما داده هایش عمر زیادی ندارند.

3. یک حافظه غیرفرار دیگر که معمولاً در درایوهای حالت جامد (SSD)، یو اس بی درایوها و مموری کارت ها استفاده می گردد. NAND فلش ها، سلول ها را به طور الکتریکی شارژ می نمایند تا داده ها در قالب اطلاعات باینری (صفر و یک) ثبت شوند. اگر MROMها لوح سنگی باشند و EPROMها مثل وایت بورد، NAND فلش ها مثل قفسه های کتابخانه هستند: هر کتابخانه حکم یک سلول را دارد و می توانید کتاب های مختلف (داده) در هر قفسه قرار دهید.

4. floating-gate MOSFET: ترانزیستوری که شارژ و جریان الکترون ها را کنترل می نماید و معمولاً در حافظه های فلش مثل یواس بی درایوها و SSDها استفاده می گردد. آن ها را به چشم سطلی می گردد دید که اندازه مشخصی آب نگه می دارند (شارژ). با کم یا اضافه کردن آب، جریان آب هم کنترل می گردد. ماسفت ها نقش مهمی در توسعه حافظه های غیرفرّار داشتند و بدون آن ها نمی شد به حافظه هایی رسید که در صورت خاموش شدن کامپیوتر (یا کلاً بدون اتصال به منبع برق) بتوان داده ها را همچنان ذخیره نگه داشت.

5. مخفف Application-specific integrated circuit، یک نوع مدار مجتمع (آی سی) است که همه منظوره نیست و فقط برای هدف مشخصی ساخته شده است و به خاطر اینکه پرسرعت تر است در مخابرات و خودروسازی و ماینینگ استفاده می گردد.

منبع: دیجیکالا مگ