แนะนำอุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบ Solid State Drive (SSD)

เกริ่นนำ

         เนื่องจากสถานการณ์การแพร่ระบาดของเชื้อโรค SARS-CoV-2 ที่ทำให้เกิดโรค COVID-19 ขึ้น หน่วยงานต่าง ๆ จึงจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนรูปแบบการทำงาน บุคลากรบางส่วนต้องปฏิบัติงานจากที่พักสลับกับปฏิบัติงาน ณ ที่ทำการ เกิดความจำเป็นที่จะต้องจัดหาเครื่องคอมพิวเตอร์แบบพกพาเพื่อความสะดวกในการปฏิบัติงาน

         เมื่อดูคอมพิวเตอร์แบบพกพาในท้องตลาดจะพบว่ามีหลายหลายยี่ห้อและแต่ละยี่ห้อก็โฆษณาคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกัน  เกณฑ์ที่หลายคนมักใช้เลือกคอมพิวเตอร์คือหน่วยประมวลผลกลาง (Central Processor Unit : CPU) หรือที่เรียกย่อ ๆ ว่า ซีพียู และหน่วยความจำหลัก (main memory) หรือที่รู้จักในว่าแรม (RAM : Random Access Memory)  กล่าวคือหากเครื่องคอมพิวเตอร์ราคาใกล้เคียงกัน คอมพิวเตอร์ที่มีซีพียูเร็วและหน่วยความจำมากจะทำงานเร็วกว่า อย่างไรก็ตามเมื่อดูคอมพิวเตอร์ในท้องตลาด ณ เวลานี้จะพบว่านอกจากซีพียูและแรมแล้ว เกือบทุกยี่ห้อเสนอทางเลือกของที่เก็บข้อมูล คือเสนออุปกรณ์เก็บข้อมูลโซลิดสเตต (Solid State Drive : SSD) เพื่อแทนฮาร์ดดิสก์ และอุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD ก็ยังมีตัวเลือกที่แตกต่างกันด้วย จึงอาจเกิดข้อสงสัยว่าควรเลือกอุปกรณ์เก็บข้อมูลใด ดังรูป

 

รูปที่ 1 ตัวอย่างทางเลือกอุปกรณ์เก็บข้อมูลฮาร์ดดิสก์และ SSD

 

เหตุที่ต้องใช้อุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD

         การทำงานของเครื่องคอมพิวเตอร์ประกอบด้วย 3 ส่วนใหญ่ ๆ คือ หน่วยประมวลผลกลาง (Central Processor Unit : CPU) หน่วยความจำหลัก (main memory) หรือที่รู้จักในว่าแรม (RAM : Random Access Memory) และอุปกรณ์เก็บข้อมูล (disk drive) คุณภาพและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ทั้ง 3 ส่วนนี้ส่งผลถึงความเร็วในการทำงานของคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์ทั้งสามจะต้องทำงานร่วมกันอย่างดีจึงจะทำให้คอมพิวเตอร์ทำงานได้รวดเร็ว หน่วยประมวลผลกลางทำงานได้เร็วขึ้น 2 เท่าทุก 18 เดือนตามกฎของมัวร์ แต่ความเร็วของอุปกรณ์เก็บข้อมูลไม่ได้เพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนเดียวกัน ทำให้หน่วยประมวลผลกลางต้องหยุดรอเพื่ออ่านข้อมูลจากหรือรอเขียนข้อมูลไปอุปกรณ์เก็บข้อมูล จากนั้นหน่วยประมวลผลกลางจึงจะทำงานต่อไปได้ หากใช้หน่วยประมวลผลกลางที่รวดเร็วให้ทำงานควบคู่กับอุปกรณ์เก็บข้อมูลที่ช้า ความเร็วของคอมพิวเตอร์เครื่องนั้นโดยรวมก็จะช้ากว่าคอมพิวเตอร์ที่มีหน่วยประมวลผลกลางแบบเดียวกับแต่ใช้คู่กับอุปกรณ์เก็บข้อมูลที่เร็วกว่า

รูปร่างภายนอกและการเชื่อมต่อของอุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD ในระยะแรก

         เพื่อให้อุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD ถูกใช้งานแทนอุปกรณ์เก็บข้อมูลฮาร์ดดิสก์ได้อย่างราบรื่น ไม่กระทบกับรูปแบบของคอมพิวเตอร์ที่มีอยู่แล้ว อุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD ในระยะแรกจึงถูกออกแบบให้มีรูปร่างภายนอกแบบเดียวกับฮาร์ดดิสก์ขนาด 2.5 นิ้วและมีการเชื่อมต่อแบบ SATA III ทำให้สามารถนำอุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD ไปทดแทนฮาร์ดดิสก์สำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์แบบพกพาได้ทันที ผลที่ได้คือคอมพิวเตอร์แบบพกพาทำงานได้เร็วขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเจนเพราะความเร็วในการโอนย้ายข้อมูลเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 550 MB/s จากเดิมประมาณ 280 MB/s

         ส่วนของคอมพิวเตอร์แบบตั้งโต๊ะซึ่งมีเมนบอร์ดที่รองรับการเชื่อมต่อส่วนขยายแบบ PCIe นั้น หากใช้อุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD ที่อยู่ในรูปแบบการ์ด PCIe ก็จะทำให้ความเร็วของการโอนย้ายข้อมูลเพิ่มเป็นอย่างน้อย 1,000 MB/s ได้ และหากใช้อินเทอร์เฟสแบบ PCIe ร่วมกับโปรโตคอล NVMe ซึ่งเป็นโปรโตคอลใหม่ที่ออกแบบสำหรับการเชื่อมต่อที่เก็บข้อมูลก็จะทำให้ความเร็วในการโอนย้ายข้อมูลเพิ่มขึ้นอย่างมาก

รูปร่างการเชื่อมต่อแบบ M.2

         เนื่องจากรูปร่างอุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD ที่แท้จริงมีขนาดไม่ใหญ่มาก การออกแบบลักษณะภายนอกให้เป็นแบบเดียวกับฮาร์ดดิสก์ขนาด 2.5 นิ้วทำให้สิ้นเปลืองพื้นที่ ส่งผลให้ลดขนาดเครื่องคอมพิวเตอร์ขนาดพกพาไม่ได้ ดังนั้น จึงมีการออกแบบลักษณะภายนอกแบบใหม่ที่เรียกว่า M.2 (ชื่อเดิมคือ Next Generation Form Factor (NGFF)) ซึ่งการที่ลักษณะภายนอกแบบ M.2 เหมือนแผงวงจรขนาดเล็กทำให้ลดพื้นที่สำหรับเก็บข้อมูลได้มาก โดยยังสามารถเลือกได้ว่าจะใช้การเชื่อมต่อแบบ SATA III  แบบ PCIe หรือแบบ USB 3.0 ทั้งนี้มาตรฐานของ M.2 จะกว้าง 22 มิลลิเมตร แต่มีความยาวที่แตกต่างกันตั้งแต่ 30 ถึง 110 มิลลิเมตร โดยกำหนดเป็นรหัสเช่น M.2 2280 หมายถึงอุปกรณ์รูปร่างตามมาตรฐาน M.2 กว้าง 22 มิลลิเมตร ยาว 80 มิลลิเมตร เป็นต้น

         นอกจากความยาวที่แตกต่างกันแล้ว มาตรฐาน M.2 ยังกำหนดรอยบากหรือที่เรียกว่า M.2 Key ด้วย โดย M.2 ประเภท B Key จะรองรับการเชื่อมต่อแบบ PCIe x 2  ประเภท M Key จะรองรับการเชื่อมต่อแบบ PCIe x 4 และอุปกรณ์ประเภท B+M key จะสามารถติดตั้งในเมนบอร์ดทั้ง B และ M ได้ โดยเชื่อมต่อแบบ PCIe x 2

รูปที่ 2 แสดงรอยบากของ M.2 ที่แตกต่างกัน

 

ประเภทของ NAND ที่ใช้ผลิตอุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD

         ส่วนประกอบที่สำคัญของอุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD คือหน่วยความจำแบบแฟลช (flash memory) ประเภท NAND ซึ่ง NAND อาจจะแบ่งย่อยได้หลายแบบ ทำให้ราคาและประสิทธิภาพของอุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD มีประสิทธิภาพและราคาแตกต่างกัน

1. single-level cell (SLC) NAND

    SLC NAND เป็นเทคโนโลยีแรกของ NAND มีความซับซ้อนน้อยที่สุด ความจุต่อหน่วยต่ำ SSD ที่ใช้ NAND ประเภทนี้จึงมีราคาแพง แต่มีอายุการใช้งานนาน สามารถอ่าน/เขียนได้ประมาณ 100,000 ครั้ง เหมาะกับการใช้งานในระบบสารสนเทศขององค์กร

2. multi-level (MLC) NAND

    MLC NAND เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาต่อจาก SLC มีการบีบอัดเซลล์ข้อมูล ทำให้ความจุต่อหน่วยประมาณ 2 เท่าของ SLC แต่การบีบอัดก็ส่งผลให้อายุการใช้งานลดลง อ่าน/เขียนได้ประมาณ 30,000 ครั้ง ราคาถูกกว่าแบบ SLC เหมาะกับการใช้งานทั่วไป

3. enterprise MLC (eMLC) NAND

    เป็น MLC NAND ที่ออกแบบมาสำหรับระดับองค์กร มีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า MLC NAND แต่น้อยกว่า SLC NAND ราคาถูกกว่า SLC NAND

4. TLC NAND

    เป็น NAND ที่ใช้เทคโนโลยีบีบอัดข้อมูลที่หนาแน่นขึ้นเป็น 3 บิทต่อ 1 เซลล์ อายุการใช้งานน้อยลง เหลือประมาณ 3,000 – 5,000 ครั้ง เหมาะกับการใช้งานทั่วไป หรืออุปกรณ์ขนาดเล็ก เช่น โทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์ IoT และสินค้าทั่วไป

5. QLC NAND

    เป็น NAND ที่ใช้เทคโนโลยีบีบอัดข้อมูลล่าสุด สามารถเก็บข้อมูลได้ 4 บิทต่อ 1 เซลล์ แต่มีอายุการใช้งานน้อยมากคือ เพียง 300 ครั้งเท่านั้น (สามารถเพิ่มอายุการใช้งานเป็นประมาณ 1,000 ครั้ง โดยใช้ซอฟต์แวร์บริหารจัดการ) อีกทั้งยังอ่านและเขียนได้ช้า เหมาะกับการใช้งานในอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ต้องการความจุสูง อ่านเขียนข้อมูลไม่บ่อยมากนัก

6. 3D V-NAND

    แต่เดิมนั้นการเพิ่มความจุของ SSD ทำได้โดยเพิ่มจำนวนเซลล์โดยวางเซลล์ใหม่ด้านข้างของเซลล์เดิม แต่เทคโนโลยี 3D V-NAND จะเพิ่มจำนวนเซลล์โดยวางซ้อนบนเซลล์เดิม ทำให้ความจุของ SSD สูงขึ้นโดยใช้พื้นที่หน้าตัดเท่าเดิม

 

 

การเข้ารหัสข้อมูลของอุปกรณ์เก็บข้อมูล SSD

            เมื่อใช้คอมพิวเตอร์แบบพกพาเพื่อทำงานและเก็บข้อมูลสำคัญไว้ในเครื่องคอมพิวเตอร์แล้วทำเครื่องคอมพิวเตอร์สูญหายหรือถูกขโมย ผู้ที่ได้เครื่องคอมพิวเตอร์ไปก็จะได้ข้อมูลที่สำคัญไปด้วย การกำหนดให้มีรหัสผ่านเพื่อเข้าใช้งานคอมพิวเตอร์อาจจะไม่พอที่จะปกป้องข้อมูลในเครื่องคอมพิวเตอร์ได้ เพราะผู้ที่ได้เครื่องคอมพิวเตอร์ไปอาจจะถอดอุปกรณ์เก็บข้อมูลไปอ่านข้อมูลโดยใช้คอมพิวเตอร์เครื่องอื่น วิธีที่จะปกป้องข้อมูลคือการเข้ารหัสข้อมูลทั้งหมดที่เก็บไว้ การเข้ารหัสสามารถทำได้ทั้งโดยซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ ทั้งนี้อุปกรณ์เก็บข้อมูลที่สามารถรหัสด้วยตัวเองได้จะเรียกว่า Self-Encrypting Drive (SED) โดยในช่วงหลายปีที่ผ่านมานั้นการเข้ารหัสโดยฮาร์ดแวร์ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเป็นอย่างมากเพราะมีการพัฒนามาตรฐานที่เรียกว่า Opal Security Subsystem Call หรือเรียกสั้น ๆ ว่า Opal มาตรฐานนี้พัฒนาโดย Trusted Computing Group (TCG) ซึ่งเป็นองค์กรไม่แสวงหาผลกำไรระหว่างประเทศ มาตรฐานนี้จะย้ายกระบวนการเข้าและถอดรหัสจากหน่วยประมวลผลกลางของเครื่องคอมพิวเตอร์ไปยังอุปกรณ์ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะ ทำให้ลดการทำงานของหน่วยประมวลผลประมวลผลกลาง นอกจากนี้กุญแจที่ใช้เข้าและถอดรหัสเก็บอยู่ที่ตัวอุปกรณ์เอง จึงลดความเสี่ยงที่จะถูกขโมยกุญแจเข้ารหัสจากวิธีการ cold-boot หรือวิธีการอื่น ๆ

            ปัจจุบันมาตรฐาน Opal รุ่นล่าสุดคือ Opal 2.0 ซึ่งประกาศใช้เมื่อปี 2555

ตัวอย่างอุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบ SSD

รูปที่ 3 อุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบติดกับเมนบอร์ดขนาด 128GB เชื่อมต่อแบบ M.2 กว้าง 22 มิลลิเมตร ยาว 80 มิลลิเมตร ถ่ายโอนข้อมูลโดยใช้โปรโตคอล NVMe

 

รูปที่ 4 อุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบติดกับเมนบอร์ดขนาด 240GB เชื่อมต่อแบบ M.2 กว้าง 22 มิลลิเมตร ยาว 80 มิลลิเมตร ถ่ายโอนข้อมูลโดยใช้โปรโตคอล SATA

 

รูปที่ 5 อุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบติดกับเมนบอร์ดขนาด 512GB เข้ารหัสด้วยตัวเองได้ เชื่อมต่อแบบ M.2 กว้าง 22 มิลลิเมตร ยาว 80 มิลลิเมตร ถ่ายโอนข้อมูลโดยใช้โปรโตคอล NVMe

 

รูปที่ 6 อุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบใช้งานภายใน (ทดแทนฮาร์ดดิสก์) ขนาด 1TB ถ่ายโอนข้อมูลโดยใช้โปรโตคอล SATA

 

รูปที่ 7 อุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบพกพา ขนาด 2TB ถ่ายโอนข้อมูลผ่านสาย USB