Perché i settori SSD hanno una resistenza di scrittura limitata?

Vedo spesso la gente menzionare che i settori SSD hanno un numero limitato di scritture prima che vadano male, specialmente se confrontati con i dischi rigidi classici (disco rotante) in cui la maggior parte di questi si guasta a causa di guasti meccanici, non settori che vanno male. Sono curioso di sapere perché.

Sto cercando una spiegazione tecnica ma orientata al consumatore, ovvero il componente esatto che fallisce e perché le scritture frequenti influiscono sulla qualità di quel componente, ma spiegato in modo tale da non richiedere una conoscenza estrema degli SSD.

Copiato da "Perché Flash si esaurisce e come prolungarlo" :

Il flash NAND memorizza le informazioni controllando la quantità di elettroni in una regione chiamata "gate flottante". Questi elettroni cambiano le proprietà conduttive della cella di memoria (la tensione di gate necessaria per accendere e spegnere la cella), che a sua volta viene utilizzata per memorizzare uno o più bit di dati nella cella. Questo è il motivo per cui la capacità del gate flottante di trattenere una carica è fondamentale per la capacità della cella di archiviare i dati in modo affidabile.

Scrivere e cancellare i processi Causa usura

Quando viene scritto e cancellato durante il normale corso di utilizzo, lo strato di ossido che separa la porta galleggiante dal substrato si degrada, riducendo la sua capacità di trattenere una carica per un lungo periodo di tempo. Ogni dispositivo di archiviazione a stato solido può sostenere una quantità finita di degrado prima che diventi inaffidabile, il che significa che può ancora funzionare ma non in modo coerente. Il numero di scritture e cancellazioni (cicli P / E) che un dispositivo NAND può sostenere pur mantenendo un risultato coerente e prevedibile, ne definisce la resistenza.

Immagina un pezzo di carta e matita normali. Ora sentiti libero di scrivere e cancellare tutte le volte che vuoi in un punto del foglio. Quanto tempo ci vuole prima di superare la carta?

SSD e unità flash USB hanno questo concetto di base ma a livello di elettroni.

Il problema è che il substrato flash NAND utilizzato subisce un degrado ad ogni cancellazione. Il processo di cancellazione prevede di colpire la cella flash con una carica relativamente grande di energia elettrica , causando un leggero degrado dello strato di semiconduttore sul chip stesso.

Questo danno a lungo termine, aumenta i tassi di errore bit che possono essere corretti con il software, ma alla fine le routine del codice di correzione errori nel controller flash non riescono a tenere il passo con questi errori e la cella flash diventa inaffidabile.

La mia risposta è presa da persone con più conoscenza di me!

Gli SSD usano quella che viene chiamata memoria flash. Un processo fisico si verifica quando i dati vengono scritti in una cella (gli elettroni si muovono dentro e fuori.) Quando ciò accade, erode la struttura fisica. Questo processo è praticamente come l'erosione dell'acqua; alla fine è troppo e il muro lascia il posto. Quando ciò accade, la cella diventa inutile.

Un altro modo è che questi elettroni possono "bloccarsi", rendendo più difficile la corretta lettura della cella. L'analogia per questo è che molte persone parlano allo stesso tempo, ed è difficile sentire nessuno. Puoi scegliere una voce, ma potrebbe essere quella sbagliata!

Gli SSD cercano di distribuire uniformemente il carico tra le celle in uso in modo che si consumino uniformemente. Alla fine una cellula morirà e sarà contrassegnata come non disponibile. Gli SSD hanno un'area di "cellule iperprovisionate", ovvero celle di riserva (si pensi ai sostituti nello sport). Quando una cellula muore, viene usata una di queste. Alla fine vengono usate anche tutte queste celle extra e l'SSD diventerà lentamente illeggibile.

Spero che sia stata una risposta amichevole per il consumatore!

Modifica: Fonte qui

Quasi tutti gli SSD consumer utilizzano una tecnologia di memoria chiamata memoria flash NAND. Il limite di resistenza in scrittura è dovuto al modo in cui funziona la memoria flash.

In parole povere, la memoria flash funziona immagazzinando elettroni all'interno di una barriera isolante. La lettura di una cella di memoria flash comporta il controllo del suo livello di carica, quindi per conservare i dati memorizzati, la carica dell'elettrone deve rimanere stabile nel tempo. Per aumentare la densità di archiviazione e ridurre i costi, la maggior parte degli SSD utilizza una memoria flash che distingue non solo due possibili livelli di carica (un bit per cella, SLC), ma quattro (due bit per cella, MLC), otto (tre bit per cella, TLC ) o addirittura 16 (quattro bit per cella, TLC).

La scrittura su memoria flash richiede il pilotaggio di una tensione elevata per spostare gli elettroni attraverso l'isolatore, un processo che la consuma gradualmente. Man mano che l'isolamento si consuma, la cella è meno in grado di mantenere stabile la sua carica di elettroni, causando infine la mancata conservazione dei dati da parte della cella. Con TLC e in particolare QLC NAND, le celle sono particolarmente sensibili a questa carica alla deriva a causa della necessità di distinguere tra più livelli per memorizzare più bit di dati.

Per aumentare ulteriormente la densità di archiviazione e ridurre i costi, il processo utilizzato per produrre memoria flash è stato ridimensionato drasticamente, fino a un minimo di 15 nm oggi e le celle più piccole si consumano più velocemente. Per il flash NAND planare (non 3D NAND), ciò significa che mentre SLC NAND può durare decine o addirittura centinaia di migliaia di cicli di scrittura, MAND NAND è in genere buona per solo circa 3.000 cicli e TLC solo da 750 a 1.500 cicli.

La NAND 3D, che impila le celle NAND una sopra l'altra, può raggiungere una densità di memorizzazione maggiore senza dover ridurre le celle in dimensioni ridotte, il che consente una maggiore resistenza in scrittura. Mentre Samsung è tornato a un processo a 40 nm per la sua NAND 3D, altri produttori di memorie flash come Micron hanno deciso di utilizzare comunque piccoli processi (anche se non così piccoli come la NAND planare) per offrire la massima densità di archiviazione e costi minimi. I livelli di resistenza tipici per la NAND TLC 3D sono circa da 2.000 a 3.000 cicli, ma possono essere più elevati nei dispositivi di classe enterprise. La NAND 3D QLC è generalmente classificata per circa 1.000 cicli.

Una tecnologia di memoria emergente chiamata 3D XPoint, sviluppata da Intel e Micron, utilizza un approccio completamente diverso per l'archiviazione dei dati che non è soggetto ai limiti di resistenza della memoria flash. 3D XPoint è anche molto più veloce della memoria flash, abbastanza veloce da sostituire potenzialmente DRAM come memoria di sistema. Intel venderà dispositivi che utilizzano la tecnologia 3D XPoint con il marchio Optane, mentre Micron commercializzerà dispositivi 3D XPoint con il marchio QuantX. Gli SSD di consumo con questa tecnologia potrebbero arrivare sul mercato già nel 2017, anche se è mia convinzione che per motivi di costo, la NAND 3D (principalmente della varietà TLC) sarà la forma dominante di archiviazione di massa per i prossimi anni.

Una cella flash immagazzina elettricità statica . È esattamente lo stesso tipo di carica che puoi conservare su un pallone gonfiato: ci metti qualche elettrone in più su di esso ^∗ .

La particolarità dell'elettricità statica è che rimane al suo posto . Normalmente in elettronica, tutto è collegato a qualsiasi altra cosa in qualche modo con i conduttori, e anche se c'è una grande resistenza tra un palloncino e una massa, la carica svanirà abbastanza rapidamente ^† . La ragione per cui un pallone rimane carico è che l'aria è in realtà un isolante: ha una resistività infinita .

Normalmente, cioè. Dato che tutta la materia ^{‡ è} costituita da elettroni e rum atomici, puoi fare qualsiasi cosa un conduttore: basta applicare abbastanza energia e alcuni degli elettroni si libereranno e saranno (per un breve periodo) liberi di avvicinarsi al palloncino, o più lontano da esso. Questo in realtà accade in aria con elettricità statica: conosciamo questo processo come un fulmine !

Non devo sottolineare che il lampo è un processo piuttosto violento. Questi elettroni sono una parte cruciale della struttura chimica della materia. Nel caso dell'aria, i fulmini lasciano un po 'di ossigeno e azoto trasformati in ozono e biossido di azoto. Solo perché l'aria continua a muoversi e mescolarsi e quelle sostanze alla fine reagiscono all'ossigeno e all'azoto non viene fatto alcun “danno persistente” e l'aria è ancora un isolante.

Non così nel caso di una cella flash: qui, l'isolante deve essere molto più compatto. Ciò è possibile solo con strati di ossido a stato solido. Roba robusta, ma anche questo non è impermeabile agli effetti di forzare un po 'di carica attraverso il materiale conduttivo. E questo è ciò che alla fine distrugge una cella flash, se si cambia troppo spesso lo stato.

Al contrario, una cella DRAM non contiene isolanti adeguati. Ecco perché deve essere periodicamente aggiornato, molte volte al secondo, per non perdere informazioni; tuttavia, poiché si tratta solo di normali trasporti di carica conduttiva, di solito non accade nulla di grave se si modifica lo stato di una cella RAM. Pertanto, la RAM dura molti più cicli di lettura / scrittura rispetto a Flash.

^∗ _{Oppure, per una carica positiva, rimuovi alcuni elettroni dai legami molecolari. Devi prenderne così pochi che questo non influisce sulla struttura chimica in modo rilevabile.}

^† _{Queste cariche statiche sono in realtà minuscole . Anche la più piccola batteria per orologi che dura da anni fornisce una carica sufficiente ogni secondo per caricare centinaia di palloncini! Semplicemente non ha abbastanza tensione per colpire una potenziale barriera degna di nota.}

^‡ _{Almeno, tutta la materia sulla terra ... non compliciamo le cose andando alle stelle di neutroni.}

Meno tecnico e una risposta a ciò che credo significhi OP con "Vedo spesso le persone menzionare che gli SSD hanno una quantità limitata di scritture nei loro settori prima che vadano male, specialmente rispetto ai classici dischi rigidi a disco rotante, dove la maggior parte delle unità si guasta a causa di guasto meccanico, non settori che vanno male ".
Interpreterò la domanda OP come "Dal momento che gli SSD falliscono molto più spesso della filatura di ruggine, come si può usare uno con una ragionevole affidabilità?"

Esistono due tipi di affidabilità e guasti. Uno è che la cosa fallisce completamente a causa di età, qualità, abuso, ecc. Oppure, potrebbe avere un errore di settore a causa di un sacco di lettura / scrittura.

Si verificano errori di settore su tutti i media. Il controller dell'unità (SSD o spinning) mapperà nuovamente i dati di un settore in errore su un nuovo settore. Se non è riuscito completamente, è possibile che rimappi, ma i dati vanno persi. In SSD il settore è ampio e spesso fallisce completamente.

Gli SSD possono avere uno o entrambi i tipi di affidabilità. I problemi del ciclo di lettura / scrittura possono essere aiutati con
un'unità più grande. Se hai un piccolo disco e lo usi per sistemi operativi come Windows, otterrai molti cicli di lettura / scrittura. Lo stesso sistema operativo su un'unità di capacità molto, molto più grande avrà meno cicli. Pertanto, anche un'unità con "solo" alcune migliaia di cicli potrebbe non essere un problema se ogni settore non viene cancellato frequentemente.
Bilanciamento dei dati: gli SSD sposteranno i dati dai settori di uso frequente a quelli di uso meno frequente. Pensa di nuovo al sistema operativo e agli aggiornamenti rispetto a una foto scattata e che desideri solo conservare. Ad un certo punto l'SSD potrebbe scambiare le posizioni fisiche della foto e un file del sistema operativo per bilanciare i cicli.
Compressione: la compressione dei dati richiede meno spazio, quindi meno scrittura.

Quindi c'è la qualità dei componenti. Ottenere l'SSD o l'USB più economico che riesci a trovare potrebbe funzionare per un po ', ma uno di qualità fatto per l'uso aziendale durerà molto più a lungo, non solo nei cicli di cancellazione ma nell'uso totale.

Man mano che le unità diventano sempre più grandi (come 100-1000 GB), i cicli di cancellazione diventano meno problematici anche se possono sostenere meno scritture. Alcune unità useranno DRAM come cache per ridurre i cicli di scrittura. Alcuni useranno un segmento di alta qualità dell'SSD per la cache e una qualità inferiore a basso costo e grandi dimensioni.

I moderni SSD consumer di buona qualità possono durare a lungo in una macchina consumer. Ho circa 5 anni che funzionano ancora. Ne ho anche un paio di nuove economiche che falliscono dopo pochi mesi. A volte è solo (cattiva) fortuna.