Чому сектори SSD мають обмежену стійкість до запису?

Я часто бачу, як люди згадують, що сектори SSD мають обмежену кількість записів, перш ніж вони стають поганими, особливо в порівнянні з класичними жорсткими дисками (обертовий диск), де більшість із них виходять з ладу через механічну несправність, а не сектори виходять поганими. Мені цікаво, чому це так.

Я шукаю технічне, але орієнтоване на споживача пояснення, тобто точний компонент, який виходить з ладу і чому часті записи впливають на якість цього компонента, але пояснюється таким чином, що він не вимагає надзвичайної кількості знань про SSD.

Скопійовано з "Чому Flash зношується і як зробити його довше" :

Спалах NAND зберігає інформацію, контролюючи кількість електронів у регіоні, який називається "плаваючими воротами". Ці електрони змінюють провідні властивості комірки пам’яті (напруга затвора, необхідне для включення та вимикання комірки), яке, в свою чергу, використовується для зберігання одного або декількох бітів даних у комірці. Ось чому здатність плавучих воріт утримувати заряд має вирішальне значення для здатності клітини надійно зберігати дані.

Процеси запису та стирання викликають зношення

Коли він записується та стирається під час звичайного використання, оксидний шар, що відокремлює плаваючі ворота від підкладки, погіршується, знижуючи його здатність утримувати заряд протягом тривалого періоду часу. Кожен твердотільний накопичувальний пристрій може витримати обмежену кількість деградації до того, як він стане ненадійним, тобто він може все ще функціонувати, але не послідовно. Кількість записів та стирань (циклів P / E), які може підтримувати пристрій NAND, зберігаючи послідовний прогнозований вихід, визначає його витривалість.

Уявіть аркуш звичайного паперу та олівця. Тепер сміливо пишіть та стирайте стільки разів, скільки забажаєте, в одному місці на папері. Скільки часу проходить, перш ніж зробити це через папір?

SSD-накопичувачі та USB-флешки мають цю базову концепцію, але на електронному рівні.

Проблема полягає в тому, що використовувана підкладка флеш-пам’яті NAND зазнає деградації при кожному стиранні. Процес стирання передбачає потрапляння спалаху на осередок із відносно великим зарядом електричної енергії , це призводить до того, що напівпровідниковий шар на самій мікросхемі трохи погіршиться.

Це пошкодження в довгостроковій перспективі збільшує коефіцієнти бітових помилок, які можна виправити за допомогою програмного забезпечення, але з часом коди виправлення помилок у флеш-контролері не можуть бути в курсі цих помилок, і флеш-пам’ять стає ненадійною.

Мою відповідь беруть люди, які мають більше знань, ніж я!

SSD-диски використовують те, що називається флеш-пам'яттю. Фізичний процес відбувається, коли дані записуються в комірку (електрони переміщуються і виходять). Коли це відбувається, воно розмиває фізичну структуру. Цей процес майже схожий на водну ерозію; врешті-решт це занадто багато, і стіна поступається місцем. Коли це відбувається, комірка стає марною.

Інший спосіб полягає в тому, що ці електрони можуть «застрягти», що ускладнює правильне читання клітини. Аналогія цьому багато людей одночасно розмовляє, і важко когось почути. Ви можете вибрати один голос, але це може бути неправильний!

SSD-диски намагаються розподілити навантаження рівномірно між осередками, які використовуються, щоб вони рівномірно зношувалися. Врешті-решт клітина загине та буде позначена як недоступна. SSD мають область "надмірно захищених осередків", тобто запасних клітин (думають замінники у спорті). Коли клітина гине, замість неї використовується одна з них. Врешті всі ці додаткові комірки також будуть використані, і SSD повільно стане нечитабельним.

Сподіваємось, це була відповідь споживача!

Редагувати: джерело тут

Майже всі споживчі SSD використовують технологію пам'яті під назвою флеш-пам’яті NAND. Межа витривалості запису обумовлений тим, як працює флеш-пам'ять.

Простіше кажучи, флеш-пам’ять працює, зберігаючи електрони всередині ізоляційного бар'єру. Зчитування комірки флеш-пам’яті включає перевірку її рівня заряду, тому для збереження збережених даних заряд електронів повинен залишатися стабільним у часі. Щоб збільшити щільність зберігання та зменшити вартість, більшість SSD використовують флеш-пам’ять, яка розрізняє не лише два можливі рівні заряду (один біт на комірку, SLC), а чотири (два біти на комірку, MLC), вісім (три біта на комірку, TLC) ), або навіть 16 (чотири біта на комірку, TLC).

Запис у флеш-пам'ять вимагає приведення підвищеної напруги для переміщення електронів через ізолятор, процес, який поступово зношує його. По мірі того, як ізоляція зношується, клітина менше здатна підтримувати стабільний заряд електронів, зрештою спричиняючи, що клітина не може зберегти дані. За допомогою TLC та, особливо, QLC NAND, комірки особливо чутливі до цього дрейфу заряду через необхідність розрізняти більше рівнів для зберігання декількох бітів даних.

Щоб ще більше збільшити щільність зберігання та зменшити вартість, процес, який використовується для виготовлення флеш-пам’яті, значно зменшився до 15 нм сьогодні - і менші комірки швидше зношуються. Для планарного спалаху NAND (не для 3D NAND) це означає, що, хоча SLC NAND може тривати десятки або навіть сотні тисяч циклів запису, MLC NAND, як правило, хороший лише для приблизно 3000 циклів, а TLC - всього лише 750 - 1500 циклів.

3D NAND, який укладає комірки NAND один на інший, може досягти більш високої щільності зберігання, не потребуючи зменшення комірок як малих, що забезпечує більш високу витривалість при записі. Хоча Samsung повернувся до 40-нм процесу 3D-NAND, інші виробники флеш-пам’яті, такі як Micron, вирішили все-таки використовувати невеликі процеси (хоча і не такі вже й маленькі, як планарний NAND), щоб забезпечити максимальну щільність зберігання та мінімальні витрати. Типові показники витривалості для 3D TLC NAND складають приблизно від 2000 до 3000 циклів, але можуть бути вищими на пристроях корпоративного класу. 3D QLC NAND, як правило, оцінюється приблизно в 1000 циклів.

Нова технологія пам'яті під назвою 3D XPoint, розроблена Intel та Micron, використовує зовсім інший підхід до зберігання даних, які не підпадають під обмеження витривалості флеш-пам'яті. 3D XPoint також набагато швидший, ніж флеш-пам'ять, досить швидкий, щоб потенційно замінити DRAM як системну пам'ять. Intel продаватиме пристрої, що використовують технологію 3D XPoint під брендом Optane, а Micron продаватиме пристрої 3D XPoint під брендом QuantX. Споживчі диски з цією технологією можуть потрапити на ринок вже в 2017 році, хоча, на мій переконання, 3D NAND (насамперед сорт TLC) буде домінуючою формою масового зберігання протягом наступних кількох років.

Флеш-комірка зберігає статичну електрику . Це точно такий же заряд, який ви можете зберігати на надутій кулі: ви розміщуєте на ньому кілька зайвих електронів ^∗ .

Що статичного електрики особливо у тому, що він залишається на місці . Зазвичай в електроніці все пов'язане з усім іншим чином провідниками, і навіть якщо між повітряною кулею і землею є великий резистор, заряд досить швидко зникне ^† . Причина того, що повітряна куля залишається зарядженою, полягає в тому, що повітря є насправді ізолятором: воно має нескінченний опір.

Зазвичай це так. Оскільки вся матерія ^‡ складається з електронів та атомних ромів, ви можете зробити що- небудь провідником: просто застосуйте достатню кількість енергії, і частина електронів буде трястись вільною і буде (на короткий час) вільною для просування ближче до повітряної кулі або далі від це. Це насправді відбувається у повітрі зі статичною електрикою: цей процес ми знаємо як блискавку !

Я не повинен підкреслювати, що блискавка - це досить жорстокий процес. Ці електрони є вирішальною частиною хімічної структури речовини. Що стосується повітря, блискавка залишає трохи кисню та азоту, перетвореного на озон та діоксид азоту. Тільки тому, що повітря постійно рухається і змішується, і ці речовини врешті реагують назад на кисень і азот, це не є "стійкою шкодою", і повітря все ще є ізолятором.

Не так у випадку спалаху: тут ізолятор повинен бути набагато компактнішим. Це можливо лише при твердотільних оксидних шарах. Міцний матеріал, але він також не пропускає наслідків примушування деякого заряду через провідний матеріал. І ось, зрештою, руйнується флеш-комірка, якщо ви занадто часто змінюєте її стан.

Навпаки, в комірці DRAM немає належних ізоляторів. Ось чому його потрібно періодично оновлювати, багато разів на секунду, щоб не втрачати інформацію; однак, оскільки це просто звичайні електропровідні транспортування заряду, зазвичай нічого поганого не відбувається, якщо ви зміните стан комірки оперативної пам'яті. Тому оперативна пам'ять витримує набагато більше циклів читання / запису, ніж спалах.

^∗ _{Або для позитивного заряду ви видаляєте з молекулярних зв’язків деякі електрони. Потрібно взяти так мало, що це не вплине на хімічну структуру виявляється.}

^† _{Ці статичні заряди насправді крихітні . Навіть найменший акумулятор годинника, який працює роками, щосекунди вистачає заряду, щоб зарядити сотні повітряних куль! Просто не вистачає майже напруги, щоб пробити якийсь вагомий потенційний бар'єр.}

^‡ _{Принаймні, вся матерія на землі ... давайте не будемо ускладнювати речі, переходячи до нейтронних зірок.}

Менш технічний та відповідь на те, що я вважаю, що ОП означає: "Я часто бачу, що люди згадують, що SSD мають обмежену кількість записів у своїх секторах, перш ніж вони стають поганими, особливо порівняно з класичними жорсткими дисками, що обертаються, де більшість дисків виходять з ладу через механічна несправність, а не сектори, які йдуть погано ".
Я трактую питання про ОП так: "Оскільки SSD виходять з ладу набагато частіше, ніж спінінг іржі, то як за допомогою одного можна отримати достатню надійність?"

Існує два типи надійності та відмови. Одне - річ виходить з ладу через вік, якість, зловживання тощо. Або може виникнути помилка в секторі через багато читання / запису.

Помилки сектору трапляються на всіх носіях інформації. Контролер накопичувача (SSD або спінінг) повторно відобразить несправні дані сектора в новий сектор. Якщо він повністю вийшов з ладу, він може все-таки переробити, але дані втрачаються. У SSD цей сектор великий і часто повністю виходить з ладу.

SSD можуть мати один або обидва типи надійності. Проблеми з циклом читання / запису можуть допомогти з
більшим приводом. Якщо у вас невеликий привід і ви використовуєте його для ОС на зразок Windows, то він отримає багато циклів читання / запису. Ця ж ОС на набагато більшій потужності накопичувача матиме менше циклів. Отже, навіть диск з «лише» кількома тисячами циклів може не бути проблемою, якщо кожен сектор не стирається часто.
Дані балансування - SSD будуть переміщувати дані з часто використовуваних секторів до менш часто використовуваних. Подумайте ще раз про ОС, і про оновлення, порівняно з фотографією, яку ви зробили та просто хочете зберегти. У якийсь момент SSD може змінити фізичні місця фотографії та файлу ОС, щоб збалансувати цикли.
Стиснення - стиснення даних займає менше місця, тим самим менше запису.

Тоді є якість компонентів. Отримати найдешевший SSD або USB, який ви можете знайти, може працювати деякий час, але якісний, виготовлений для корпоративного використання, триватиме набагато довше часу, не тільки в циклі стирання, але і в цілому.

Оскільки накопичувачі стають більшими та більшими (наприклад, 100-1000 ГБ), то цикли стирання стають меншими проблемами, хоча вони можуть підтримувати менше записів. Деякі накопичувачі використовуватимуть DRAM як кеш-пам'ять для зменшення циклів запису. Деякі використовуватимуть високоякісний сегмент SSD для кешу, а нижчу якість - за низької вартості та великих розмірів.

Сучасні високоякісні споживчі SSD можуть довго зберігатись у споживчій машині. У мене є якісь 5+ років, які все ще працюють. Також у мене є пара дешевих, нових, які провалилися через кілька місяців. Іноді це просто (погана) удача.