Dlaczego sektory SSD mają ograniczoną wytrzymałość na zapis?

Często widzę, że ludzie wspominają, że sektory SSD mają ograniczoną liczbę zapisów, zanim pójdą źle, szczególnie w porównaniu do klasycznych dysków twardych (z obracającymi się dyskami), w których większość z nich ulega awarii z powodu awarii mechanicznej, a nie sektorów psujących się. Jestem ciekawy, dlaczego tak jest.

Szukam wyjaśnienia technicznego, ale zorientowanego na konsumenta, tj. Dokładnego komponentu, który zawodzi i dlaczego częste zapisy wpływają na jakość tego komponentu, ale wyjaśnione w taki sposób, że nie wymaga on ogromnej wiedzy na temat dysków SSD.

Skopiowano z „Dlaczego Flash się zużywa i jak go wydłużyć” :

Błysk NAND przechowuje informacje poprzez kontrolowanie ilości elektronów w regionie zwanym „pływającą bramą”. Elektrony te zmieniają właściwości przewodzące komórki pamięci (napięcie bramki potrzebne do włączenia i wyłączenia komórki), która z kolei służy do przechowywania jednego lub więcej bitów danych w komórce. Dlatego zdolność pływającej bramki do utrzymywania ładunku ma kluczowe znaczenie dla zdolności komórki do niezawodnego przechowywania danych.

Pisanie i usuwanie procesów Powoduje zużycie

Po zapisaniu i usunięciu w trakcie normalnego użytkowania warstwa tlenku oddzielająca pływającą bramę od podłoża ulega degradacji, zmniejszając jej zdolność do utrzymywania ładunku przez dłuższy okres czasu. Każde półprzewodnikowe urządzenie magazynujące może wytrzymać skończoną degradację, zanim stanie się zawodne, co oznacza, że ​​może nadal działać, ale nie konsekwentnie. Liczba zapisów i skasowań (cykli P / E), które urządzenie NAND może wytrzymać przy jednoczesnym utrzymaniu spójnego, przewidywalnego wyniku, określa jego wytrzymałość.

Wyobraź sobie zwykły papier i ołówek. Teraz możesz pisać i usuwać dowolną liczbę razy w jednym miejscu na papierze. Ile czasu zajmuje przejście przez papier?

Dyski SSD i USB flash mają tę podstawową koncepcję, ale na poziomie elektronowym.

Problem polega na tym, że zastosowane podłoże flash NAND ulega degradacji przy każdym kasowaniu. Proces wymazywania polega na uderzeniu w ogniwo błyskowe stosunkowo dużym ładunkiem energii elektrycznej , co powoduje nieznaczne pogorszenie warstwy półprzewodnikowej na samym chipie.

To uszkodzenie na dłuższą metę powoduje wzrost wskaźników błędów bitowych, które można poprawić za pomocą oprogramowania, ale w końcu procedury kodu korekcji błędów w kontrolerze flash nie nadążają za tymi błędami i komórka flash staje się zawodna.

Moja odpowiedź pochodzi od osób posiadających większą wiedzę niż ja!

Dyski SSD używają tak zwanej pamięci flash. Proces fizyczny zachodzi, gdy dane są zapisywane w komórce (elektrony wchodzą i wychodzą.) Kiedy to nastąpi, psuje strukturę fizyczną. Proces ten przypomina erozję wody; ostatecznie to za dużo i ściana ustępuje. Kiedy tak się dzieje, komórka staje się bezużyteczna.

Innym sposobem jest utknięcie tych elektronów, co utrudnia prawidłowe odczytanie komórki. Analogią do tego jest wiele osób rozmawiających w tym samym czasie i trudno jest kogoś usłyszeć. Możesz wybrać jeden głos, ale może być niewłaściwy!

Dyski SSD próbują równomiernie rozłożyć obciążenie między używane komórki, aby równomiernie się zużyły. W końcu komórka umrze i zostanie oznaczona jako niedostępna. Dyski SSD mają obszar „nadmiarowych komórek”, tj. Zapasowych komórek (w sportach substytuty). Kiedy komórka umiera, jedna z nich jest używana zamiast niej. W końcu wszystkie te dodatkowe komórki są również używane, a dysk SSD powoli stanie się nieczytelny.

Mam nadzieję, że była to odpowiedź przyjazna dla konsumentów!

Edycja: Źródło tutaj

Prawie wszystkie dyski SSD dla konsumentów korzystają z technologii pamięci zwanej pamięcią flash NAND. Limit trwałości zapisu wynika ze sposobu działania pamięci flash.

Mówiąc prościej, pamięć flash działa poprzez przechowywanie elektronów wewnątrz bariery izolacyjnej. Odczytanie komórki pamięci flash wymaga sprawdzenia jej poziomu naładowania, więc aby zachować przechowywane dane, ładunek elektronów musi pozostać stabilny w czasie. Aby zwiększyć gęstość pamięci i zmniejszyć koszty, większość dysków SSD korzysta z pamięci flash, która rozróżnia nie tylko dwa możliwe poziomy ładowania (jeden bit na komórkę, SLC), ale cztery (dwa bity na komórkę, MLC), osiem (trzy bity na komórkę, TLC ) lub nawet 16 (cztery bity na komórkę, TLC).

Zapis do pamięci flash wymaga doprowadzenia podwyższonego napięcia w celu przemieszczenia elektronów przez izolator, proces, który stopniowo go zużywa. Gdy izolacja słabnie, ogniwo jest mniej zdolne do utrzymania stabilnego ładunku elektronu, co ostatecznie powoduje, że ogniwo nie może zatrzymać danych. W przypadku TLC, a zwłaszcza QLC NAND, komórki są szczególnie wrażliwe na dryfowanie ładunku ze względu na potrzebę rozróżnienia między większą liczbą poziomów w celu przechowywania wielu bitów danych.

Aby jeszcze bardziej zwiększyć gęstość pamięci i obniżyć koszty, proces produkcji pamięci flash został radykalnie zmniejszony do zaledwie 15 nm, a mniejsze komórki zużywają się szybciej. W przypadku planarnego flashowania NAND (nie 3D NAND), oznacza to, że chociaż SLC NAND może trwać dziesiątki, a nawet setki tysięcy cykli zapisu, MLC NAND jest zazwyczaj dobry tylko dla około 3000 cykli, a TLC zaledwie 750 do 1500 cykli.

3D NAND, który układa komórki NAND jedna na drugiej, może osiągnąć wyższą gęstość pamięci bez konieczności zmniejszania komórek jako małych, co zapewnia wyższą wytrzymałość zapisu. Podczas gdy Samsung wrócił do procesu 40 nm dla swojego 3D NAND, inni producenci pamięci flash, tacy jak Micron, zdecydowali się na użycie małych procesów (choć nie tak małych jak planarny NAND), aby zapewnić maksymalną gęstość pamięci i minimalny koszt. Typowe oceny wytrzymałości dla NAND 3D TLC wynoszą około 2000 do 3000 cykli, ale mogą być wyższe w urządzeniach klasy korporacyjnej. 3D QLC NAND jest zazwyczaj oceniany na około 1000 cykli.

Pojawiająca się technologia pamięci o nazwie 3D XPoint, opracowana przez Intel i Micron, wykorzystuje zupełnie inne podejście do przechowywania danych, które nie podlegają ograniczeniom wytrzymałości pamięci flash. 3D XPoint jest także znacznie szybszy niż pamięć flash, wystarczająco szybki, aby potencjalnie zastąpić DRAM jako pamięć systemową. Intel będzie sprzedawać urządzenia wykorzystujące technologię 3D XPoint pod marką Optane, a Micron będzie sprzedawać urządzenia 3D XPoint pod marką QuantX. Dyski SSD konsumenckie z tą technologią mogą wejść na rynek już w 2017 r., Chociaż moim zdaniem z powodów kosztowych 3D NAND (głównie odmiany TLC) będzie dominującą formą pamięci masowej przez następne kilka lat.

Komórka flash przechowuje ładunki elektrostatyczne . Jest to dokładnie ten sam rodzaj ładunku, który można przechowywać na napompowanym balonie: umieszczasz na nim kilka dodatkowych elektronów ^∗ .

Cechą szczególną elektryczności statycznej jest to, że pozostaje na swoim miejscu . Zwykle w elektronice wszystko jest połączone w jakiś sposób z przewodami, a nawet jeśli między balonem a ziemią znajduje się duży rezystor, ładunek zniknie dość szybko ^† . Balon pozostaje naładowany dlatego, że powietrze jest w rzeczywistości izolatorem: ma nieskończoną rezystywność.

Zwykle tak jest. Ponieważ cała materia ^‡ składa się z elektronów i kup atomów, możesz zrobić wszystko przewodnikiem: wystarczy przyłożyć wystarczającą ilość energii, a niektóre elektrony drgną i będą (przez chwilę) swobodnie zbliżać się do balonu lub dalej od to. Tak naprawdę dzieje się to w powietrzu przy elektryczności statycznej: ten proces nazywamy błyskawicą !

Nie muszę podkreślać, że błyskawica to dość gwałtowny proces. Te elektrony są kluczową częścią chemicznej struktury materii. W przypadku powietrza piorun pozostawia trochę tlenu i azotu przekształconego w ozon i dwutlenek azotu. Tylko dlatego, że powietrze ciągle się porusza i miesza, a substancje te ostatecznie reagują z powrotem na tlen i azot, nie jest wyrządzana „trwała szkoda”, a powietrze jest nadal izolatorem.

W przypadku ogniwa flash tak nie jest: tutaj izolator musi być znacznie bardziej zwarty. Jest to możliwe tylko w przypadku warstw tlenków w stanie stałym. Solidne rzeczy, ale też nie są one odporne na skutki przepychania pewnego ładunku przez materiał przewodzący. I to ostatecznie niszczy komórkę flash, jeśli zbyt często zmieniasz jej stan.

Natomiast ogniwo DRAM nie ma odpowiednich izolatorów. Dlatego trzeba go okresowo odświeżać, wiele razy na sekundę, aby nie stracić informacji; Ponieważ jednak wszystko to jest zwykłym transportem ładunków przewodzących, zwykle nie dzieje się nic złego, jeśli zmienisz stan komórki RAM. Dlatego pamięć RAM wytrzymuje o wiele więcej cykli odczytu / zapisu niż pamięć flash.

^∗ _{Lub, dla ładunku dodatniego, usuwasz niektóre elektrony z wiązań molekularnych. Trzeba wziąć tak niewielu, że to nie ma wpływu na strukturę chemiczną w sposób wykrywalny.}

^† _{Te ładunki statyczne są w rzeczywistości niewielkie . Nawet najmniejsza bateria do zegarka, która działa przez lata, zapewnia wystarczającą ilość ładunku co sekundę, aby naładować setki balonów! Po prostu nie ma prawie wystarczającego napięcia, aby przebić się przez jakąkolwiek istotną barierę potencjalną.}

^‡ _{Przynajmniej cała materia na ziemi ... nie komplikujmy rzeczy, przechodząc do gwiazd neutronowych.}

Mniej techniczny i odpowiedź na to, co według mnie OP oznacza „Często widzę, że ludzie wspominają, że dyski SSD mają ograniczoną liczbę zapisów w swoich sektorach, zanim ulegną awarii, szczególnie w porównaniu do klasycznych dysków twardych z obrotowymi dyskami, w których większość dysków ulega awarii z powodu awaria mechaniczna, a nie złe sektory ”.
Zinterpretuję pytanie OP jako: „Ponieważ dyski SSD ulegają awarii znacznie częściej niż wirująca rdza, w jaki sposób ich użycie może dać rozsądną niezawodność?”

Istnieją dwa rodzaje niezawodności i awarii. Jednym z nich jest to, że zawodzi całkowicie z powodu wieku, jakości, nadużyć itp. Lub może występować błąd sektorowy z powodu dużej ilości odczytu / zapisu.

Błędy sektorowe występują na wszystkich mediach. Kontroler napędu (SSD lub spinning) ponownie mapuje dane uszkodzonego sektora na nowy sektor. Jeśli całkowicie się nie powiedzie, może nadal mapować, ale dane zostaną utracone. W przypadku dysków SSD sektor jest duży i często całkowicie zawodzi.

Dyski SSD mogą mieć jeden lub oba typy niezawodności. Problemy z cyklem odczytu / zapisu można rozwiązać,
mając większy dysk. Jeśli masz mały dysk i używasz go w systemie operacyjnym takim jak Windows, będzie on miał dużo cykli odczytu / zapisu. Ten sam system operacyjny na dysku o znacznie większej pojemności będzie miał mniej cykli. Tak więc nawet dysk z „tylko” kilkoma tysiącami cykli może nie stanowić problemu, jeśli każdy sektor nie jest często usuwany.
Równoważenie danych - dyski SSD przenoszą dane z często używanych sektorów do rzadziej używanych. Pomyśl jeszcze raz o systemie operacyjnym i aktualizacjach, a nie o zdjęciu, które zrobiłeś i po prostu chcesz zachować. W pewnym momencie dysk SSD może zamienić fizyczne położenie zdjęcia i pliku systemu operacyjnego, aby zrównoważyć cykle.
Kompresja - kompresja danych zajmuje mniej miejsca, a zatem mniej zapisu.

Następnie jest jakość komponentów. Zdobycie najtańszego dysku SSD lub USB, który można znaleźć, może działać przez jakiś czas, ale wysokiej jakości produkt stworzony do użytku korporacyjnego będzie trwał znacznie dłużej, nie tylko w cyklach kasowania, ale w pełnym użyciu.

Ponieważ dyski stają się coraz większe (na przykład 100-1000 GB), skasowanie cykli staje się mniejszym problemem, nawet jeśli mogą one obsługiwać mniej zapisów. Niektóre dyski używają pamięci DRAM jako pamięci podręcznej, aby skrócić cykle zapisu. Niektóre wykorzystają wysokiej jakości segment dysku SSD do pamięci podręcznej, a niższą jakość - niski koszt i duży rozmiar.

Nowoczesne konsumenckie dyski SSD dobrej jakości mogą długo wytrzymać w urządzeniu konsumenckim. Mam około 5 lat, które wciąż działają. Mam też kilka tanich, nowych, które zawiodły po kilku miesiącach. Czasami jest to po prostu (pech) szczęście.