Почему сектора SSD имеют ограниченную стойкость при записи?

Я часто вижу, как люди упоминают, что сектора SSD имеют ограниченное количество операций записи, прежде чем они выходят из строя, особенно по сравнению с классическими (вращающимися дисками) жесткими дисками, где большинство из них выходит из строя из-за механического отказа, а не из-за проблем в секторах. Мне любопытно, почему это так.

Я ищу техническое, но ориентированное на потребителя объяснение, то есть точный компонент, который выходит из строя и почему частые записи влияют на качество этого компонента, но объясняется таким образом, что он не требует чрезмерных знаний о твердотельных накопителях.

Скопировано из «Почему Flash изнашивается и как сделать его дольше» :

NAND flash хранит информацию, контролируя количество электронов в области, называемой «плавающим затвором». Эти электроны изменяют проводящие свойства ячейки памяти (напряжение затвора, необходимое для включения и выключения ячейки), которое, в свою очередь, используется для хранения одного или нескольких битов данных в ячейке. Вот почему способность плавающего затвора удерживать заряд имеет решающее значение для способности ячейки надежно хранить данные.

Запись и стирание процессов вызывают износ

При записи и удалении во время обычного использования оксидный слой, отделяющий плавающий затвор от подложки, ухудшается, снижая его способность удерживать заряд в течение длительного периода времени. Каждое твердотельное запоминающее устройство может выдержать конечную степень деградации, прежде чем оно станет ненадежным, то есть оно может функционировать, но не всегда. Количество операций записи и стирания (циклы P / E), которые может выдержать устройство NAND при сохранении согласованного, предсказуемого результата, определяет его стойкость.

Представьте себе кусок обычной бумаги и карандаш. Теперь не стесняйтесь писать и стирать столько раз, сколько пожелаете, в одном месте на бумаге. Сколько времени нужно, чтобы пройти через бумагу?

SSD и USB-накопители имеют эту базовую концепцию, но на электронном уровне.

Проблема заключается в том, что используемая подложка NAND-вспышки подвергается ухудшению при каждом стирании. Процесс стирания включает в себя попадание во флэш-ячейку относительно большого заряда электрической энергии , что приводит к незначительной деградации полупроводникового слоя на самой микросхеме.

Это повреждение в долгосрочной перспективе увеличивает частоту ошибок по битам, которую можно исправить с помощью программного обеспечения, но в конечном итоге процедуры кодирования ошибок в контроллере флэш-памяти не справляются с этими ошибками, и флэш-ячейка становится ненадежной.

Мой ответ взят от людей с большим знанием, чем я!

SSD используют то, что называется флэш-памятью. Физический процесс происходит, когда данные записываются в ячейку (электроны входят и выходят). Когда это происходит, это разрушает физическую структуру. Этот процесс очень похож на водную эрозию; в конце концов это слишком много, и стена уступает. Когда это происходит, ячейка становится бесполезной.

Другой способ заключается в том, что эти электроны могут «застрять», затрудняя правильное считывание клетки. Аналогия для этого - много людей, говорящих одновременно, и трудно кого-либо услышать. Вы можете выбрать один голос, но это может быть не тот голос!

Твердотельные накопители пытаются равномерно распределить нагрузку между используемыми ячейками, чтобы они равномерно изнашивались. Со временем клетка умрет и будет помечена как недоступная. SSD имеют зону «сверхобеспеченных ячеек», то есть запасных ячеек (думаю, заменители в спорте). Когда клетка умирает, вместо нее используется одна из них. В конечном итоге все эти дополнительные ячейки также используются, и SSD постепенно становится нечитаемым.

Надеюсь, что это был удобный для потребителей ответ!

Изменить: источник здесь

Почти все потребительские твердотельные накопители используют технологию памяти, называемую флэш-памятью NAND. Предел выносливости записи зависит от того, как работает флэш-память.

Проще говоря, флэш-память работает путем хранения электронов внутри изолирующего барьера. Считывание ячейки флэш-памяти включает проверку уровня ее заряда, поэтому, чтобы сохранить сохраненные данные, заряд электрона должен оставаться стабильным во времени. Чтобы увеличить плотность хранения и снизить стоимость, большинство твердотельных накопителей используют флэш-память, которая различает не только два возможных уровня заряда (один бит на ячейку, SLC), но четыре (два бита на ячейку, MLC), восемь (три бита на ячейку, TLC). ) или даже 16 (четыре бита на соту, TLC).

Запись во флэш-память требует возбуждения повышенного напряжения для перемещения электронов через изолятор, процесс, который постепенно изнашивает его. Поскольку изоляция изнашивается, элемент становится менее способным поддерживать стабильный заряд электрона, что в конечном итоге приводит к тому, что элемент не может сохранять данные. При использовании TLC и особенно QLC NAND элементы особенно чувствительны к этому дрейфу заряда из-за необходимости различать большее количество уровней для хранения нескольких бит данных.

Для дальнейшего увеличения плотности хранения и снижения стоимости процесс, используемый для изготовления флэш-памяти, был значительно сокращен до 15 нм сегодня, а меньшие элементы быстрее изнашиваются. Для плоской флэш-памяти NAND (не 3D NAND) это означает, что, хотя SLC NAND может длиться десятки или даже сотни тысяч циклов записи, MLC NAND обычно подходит только для 3000 циклов, а TLC - от 750 до 1500 циклов.

3D NAND, который укладывает ячейки NAND друг на друга, может обеспечить более высокую плотность хранения без необходимости уменьшать ячейки до минимума, что обеспечивает более высокую стойкость записи. В то время как Samsung вернулась к 40-нм процессу для своей 3D NAND, другие производители флэш-памяти, такие как Micron, решили использовать небольшие процессы в любом случае (хотя и не такие маленькие, как плоские NAND), чтобы обеспечить максимальную плотность хранения и минимальные затраты. Типичные рейтинги выносливости для 3D TLC NAND составляют от 2000 до 3000 циклов, но могут быть выше в устройствах корпоративного класса. 3D QLC NAND обычно рассчитан на 1000 циклов.

Новая технология памяти под названием 3D XPoint, разработанная Intel и Micron, использует совершенно другой подход к хранению данных, который не подвержен ограничениям выносливости флэш-памяти. 3D XPoint также значительно быстрее, чем флэш-память, достаточно быстро, чтобы потенциально заменить DRAM в качестве системной памяти. Intel будет продавать устройства с использованием технологии 3D XPoint под брендом Optane, в то время как Micron будет продавать устройства 3D XPoint под брендом QuantX. Потребительские твердотельные накопители с этой технологией могут появиться на рынке уже в 2017 году, хотя я уверен, что по соображениям стоимости 3D NAND (в основном из серии TLC) будет доминирующей формой массового хранения в течение следующих нескольких лет.

Вспышка хранит статическое электричество . Это точно такой же заряд, который вы можете хранить на надутом воздушном шаре: вы помещаете на него несколько дополнительных электронов ^* .

Что особенного в статическом электричестве, так это то, что оно остается на месте . Обычно в электронике все связано со всем остальным каким-либо образом с проводниками, и даже если между баллоном и землей имеется большой резистор, заряд довольно быстро исчезнет ^† . Причина, по которой воздушный шар остается заряженным, заключается в том, что воздух на самом деле является изолятором: он имеет бесконечное удельное сопротивление.

Обычно это так. Поскольку вся материя ^‡ состоит из электронов и атомных круп, вы можете сделать из проводника все, что угодно: просто приложите достаточно энергии, и некоторые электроны расшатнутся и станут (на короткое время) свободными, чтобы приблизиться к воздушному шару или дальше от Это. Это на самом деле происходит в воздухе со статическим электричеством: мы знаем этот процесс как молния !

Я не должен подчеркивать, что молния - это довольно жестокий процесс. Эти электроны являются важной частью химической структуры вещества. В случае воздуха молния оставляет немного кислорода и азота, преобразованного в озон и диоксид азота. Только потому, что воздух продолжает двигаться и смешиваться, и эти вещества в конечном итоге реагируют на кислород и азот, это не «постоянный вред», и воздух все еще остается изолятором.

В случае со вспышкой это не так: здесь изолятор должен быть более компактным. Это возможно только с твердотельными оксидными слоями. Крепкий материал, но он также не невосприимчив к эффектам проталкивания некоторого заряда через проводящий материал. И это то, что в конечном итоге разрушает вспышку, если вы слишком часто меняете ее состояние.

Напротив, ячейка DRAM не имеет надлежащих изоляторов в ней. Вот почему его необходимо периодически обновлять, много раз в секунду, чтобы не потерять информацию; тем не менее, поскольку все это просто обычные переносы проводящего заряда, ничего страшного обычно не происходит, если вы меняете состояние ячейки ОЗУ. Следовательно, ОЗУ выдерживает гораздо больше циклов чтения / записи, чем флэш-память.

^* _{Или, для положительного заряда, вы удаляете некоторые электроны из связей молекулы. Вам нужно принимать так мало, чтобы это не оказывало заметного влияния на химическую структуру.}

^† _{Эти статические заряды на самом деле крошечные . Даже самая маленькая батарейка для часов, которая работает годами, обеспечивает достаточно заряда каждую секунду, чтобы заряжать сотни воздушных шаров! У него просто недостаточно напряжения, чтобы пробить какой-нибудь заметный потенциальный барьер.}

^‡ _{По крайней мере, вся материя на земле ... давайте не будем усложнять, перейдя к нейтронным звездам.}

Менее технический, и ответ на то, что, как мне кажется, OP означает «я часто вижу, что люди упоминают, что SSD имеют ограниченное количество записей в своих секторах, прежде чем они выходят из строя, особенно по сравнению с классическими вращающимися жесткими дисками, где большинство дисков выходит из строя из-за механическая поломка, а не секторы идут плохо ".
Я буду толковать вопрос OP следующим образом: «Поскольку твердотельные накопители выходят из строя гораздо чаще, чем прядущая ржавчина, как можно использовать разумную надежность?»

Есть два типа надежности и отказа. Одним из них является то, что происходит сбой полностью из-за возраста, качества, злоупотреблений и т. Д. Или, может быть ошибка сектора из-за большого количества операций чтения / записи.

Ошибки сектора происходят на всех носителях. Контроллер накопителя (SSD или вращающийся) переназначит данные неисправного сектора на новый сектор. Если он полностью потерпел неудачу, то он все еще может переназначиться, но данные будут потеряны. В твердотельных накопителях сектор большой и часто выходит из строя полностью.

SSD могут иметь один или оба типа надежности. Проблемы с циклом чтения / записи могут помочь с
большим диском. Если у вас небольшой диск и вы используете его для ОС, такой как Windows, он получит много циклов чтения / записи. Одна и та же ОС на гораздо большем накопителе будет иметь меньше циклов. Таким образом, даже привод с «только» несколькими тысячами циклов может не быть проблемой, если каждый сектор не стирается часто.
Балансировка данных - твердотельные накопители будут перемещать данные из часто используемых секторов в менее часто используемые. Подумайте еще раз об ОС и обновлениях, а не о фотографии, которую вы сделали и хотите сохранить. В какой-то момент SSD может поменять местами физическое расположение фотографии и файла ОС, чтобы сбалансировать циклы.
Сжатие - сжатие данных занимает меньше места, а значит меньше записи.

Тогда есть качество компонентов. Получение самого дешевого SSD или USB, которое вы можете найти, может работать некоторое время, но качественный, предназначенный для корпоративного использования, продлится гораздо дольше, не только в циклах стирания, но и при полном использовании.

По мере того, как диски становятся все больше и больше (например, 100-1000 ГБ), циклы стирания становятся меньшей проблемой, даже если они могут поддерживать меньше операций записи. Некоторые накопители будут использовать DRAM в качестве кэша, чтобы снизить циклы записи. Некоторые будут использовать высококачественный сегмент SSD для кэширования и более низкое качество при низкой стоимости и большом размере.

Современные потребительские твердотельные накопители хорошего качества могут достаточно долго работать на потребительском компьютере. У меня есть 5+ лет, которые все еще работают. У меня также есть пара дешевых, новых, которые потерпели неудачу через несколько месяцев. Иногда это просто (неудача).