Por que os setores de SSD têm resistência de gravação limitada?

Question

Muitas vezes vejo pessoas mencionando que os setores de SSD têm um número limitado de gravações antes de ficarem ruins, especialmente quando comparadas a discos rígidos clássicos (disco rotativo) onde a maioria falha devido a falhas mecânicas, e não a setores ruins. Estou curioso para saber por que isso acontece.

Estou procurando uma explicação técnica, mas voltada para o consumidor, ou seja, o componente exato que falha e por que as gravações frequentes afetam a qualidade desse componente, mas explicadas de tal forma que não exigem um conhecimento extremo sobre SSDs. .

    

Answer 1

Copiado de "Por que o Flash se desgasta e como fazer isso durar mais ":

NAND flash stores the information by controlling the amount of electrons in a region called a “floating gate”. These electrons change the conductive properties of the memory cell (the gate voltage needed to turn the cell on and off), which in turn is used to store one or more bits of data in the cell. This is why the ability of the floating gate to hold a charge is critical to the cell’s ability to reliably store data.

Write and Erase Processes Cause Wear

When written to and erased during the normal course of use, the oxide layer separating the floating gate from the substrate degrades, reducing its ability to hold a charge for an extended period of time. Each solid-state storage device can sustain a finite amount of degradation before it becomes unreliable, meaning it may still function but not consistently. The number of writes and erasures (P/E cycles) a NAND device can sustain while still maintaining a consistent, predictable output, defines its endurance.

    

Answer 2

Imagine um pedaço de papel e lápis comuns. Agora sinta-se à vontade para escrever e apagar quantas vezes quiser em um único lugar do papel. Quanto tempo leva até você passar pelo papel?

SSDs e unidades flash USB têm esse conceito básico, mas no nível de elétrons.

    

Answer 3

O problema é que o substrato flash NAND usado sofre degradação em cada exclusão. O processo erase envolve atingir a célula flash com uma carga relativamente grande de energia elétrica , fazendo com que a camada semicondutora no próprio chip se degrade ligeiramente.

Esse dano a longo prazo aumenta as taxas de erro de bit que podem ser corrigidas com o software, mas as rotinas de correção de erros no controlador flash não conseguem acompanhar esses erros e a célula flash não é confiável.

    

Answer 4

Minha resposta é tirada de pessoas com mais conhecimento do que eu!

Os SSDs usam o que é chamado de memória flash. Um processo físico ocorre quando os dados são gravados em uma célula (os elétrons entram e saem). Quando isso acontece, ela erode a estrutura física. Este processo é muito parecido com a erosão da água; eventualmente, é demais e a parede cede. Quando isso acontece, a célula é inutilizada.

Outra maneira é que esses elétrons podem ficar "presos", dificultando a leitura correta da célula. A analogia disso é que muitas pessoas falam ao mesmo tempo, e é difícil ouvir alguém. Você pode escolher uma voz, mas pode ser a pessoa errada!

Os SSDs tentam distribuir a carga de maneira uniforme entre as células em uso, para que se desgastem uniformemente. Eventualmente, uma célula morrerá e será marcada como indisponível. Os SSDs têm uma área de "células superprovisionadas", ou seja, células sobressalentes (pense em substitutos no esporte). Quando uma célula morre, uma delas é usada no lugar. Eventualmente todas essas células extras também são usadas e o SSD se tornará ilegível.

Espero que essa seja uma resposta amigável ao consumidor!

Editar: Fonte Aqui

    

Answer 5

Quase todos os SSDs de consumo usam uma tecnologia de memória chamada memória flash NAND. O limite de resistência de gravação é devido à maneira como a memória flash funciona.

Simplificando, a memória flash opera armazenando elétrons dentro de uma barreira de isolamento. A leitura de uma célula de memória flash envolve a verificação do seu nível de carga, portanto, para manter os dados armazenados, a carga de elétrons deve permanecer estável ao longo do tempo. Para aumentar a densidade de armazenamento e reduzir custos, a maioria dos SSDs usa memória flash que distingue não apenas dois possíveis níveis de carga (um bit por célula, SLC), mas quatro (dois bits por célula, MLC) ou até oito (três bits por célula, TLC).

Escrever na memória flash requer uma tensão elevada para mover os elétrons através do isolador, um processo que gradualmente o desgasta. À medida que o isolamento se desgasta, a célula é menos capaz de manter estável sua carga de elétrons, fazendo com que a célula não consiga reter os dados. Com o MLC e especialmente com o TLC NAND, as células são particularmente sensíveis a essa carga, devido à necessidade de distinguir entre mais níveis para armazenar múltiplos bits de dados.

Para aumentar ainda mais a densidade de armazenamento e reduzir os custos, o processo usado para fabricar memória flash foi reduzido drasticamente, chegando a 15 nm atualmente - e as células menores se desgastam mais rapidamente. Para flash NAND planar (não 3D NAND), isso significa que enquanto o SLC NAND pode durar dezenas ou até centenas de milhares de ciclos de gravação, o MLC NAND é normalmente bom para apenas 3.000 ciclos e o TLC é de apenas 750 a 1.500 ciclos. > O

3D NAND, que empilha as células NAND umas sobre as outras, pode alcançar maior densidade de armazenamento sem ter que encolher as células como pequenas, o que permite maior resistência à gravação. Enquanto a Samsung voltou a um processo de 40nm para sua NAND 3D, outros fabricantes de memória flash como a Micron decidiram usar pequenos processos de qualquer maneira (embora não tão pequenos quanto a NAND planar) para fornecer densidade máxima de armazenamento e custo mínimo. As classificações de resistência típicas para o 3D TLC NAND são de 2.000 a 3.000 ciclos, mas podem ser maiores em dispositivos de classe empresarial.

Uma tecnologia de memória emergente chamada 3D XPoint, desenvolvida pela Intel e pela Micron, usa uma abordagem completamente diferente para armazenar dados que não estão sujeitos às limitações de resistência da memória flash. O 3D XPoint também é muito mais rápido que a memória flash, rápido o suficiente para substituir DRAM como memória do sistema. A Intel venderá dispositivos usando a tecnologia 3D XPoint sob a marca Optane, enquanto a Micron comercializará dispositivos 3D XPoint sob a marca QuantX. Os SSDs de consumo com esta tecnologia podem chegar ao mercado a partir de 2017, embora eu acredite que, por razões de custo, o 3D NAND (principalmente da variedade TLC) será a forma dominante de armazenamento em massa nos próximos anos.

    

Answer 6

Uma célula flash armazena eletricidade estática . É exatamente o mesmo tipo de carga que você pode armazenar em um balão inflado: você coloca alguns elétrons extras nele ^∗ .

O que é especial sobre eletricidade estática é que ela permanece no lugar . Normalmente, em eletrônica, tudo está conectado a todo o resto de alguma forma com os condutores, e mesmo se houver um grande resistor entre um balão e o solo, a carga desaparecerá rapidamente ^† . A razão pela qual um balão permanece carregado é que o ar é realmente um isolante: tem resistividade infinita .

Normalmente, isso é. Como toda matéria ^‡ consiste em elétrons e torres de átomos, você pode transformar qualquer coisa em condutor: basta aplicar energia suficiente, e alguns dos elétrons se soltarão e serão (por um curto) livre para se aproximar do balão, ou mais longe dele. Isso realmente acontece no ar com eletricidade estática: nós conhecemos este processo como relâmpago !

Não preciso enfatizar que o raio é um processo bastante violento. Esses elétrons são uma parte crucial da estrutura química da matéria. No caso do ar, o raio deixa um pouco do oxigênio e do nitrogênio transformados em ozônio e dióxido de nitrogênio. Somente porque o ar continua se movendo e se misturando e essas substâncias eventualmente reagem ao oxigênio e ao nitrogênio é o “não persistente dano” feito, e o ar ainda é um isolante.

Não é assim no caso de uma célula flash: aqui, o isolador deve ser muito mais compacto. Isso só é viável com camadas de óxido no estado sólido. Material resistente, mas também não é impermeável aos efeitos de forçar alguma carga através do material condutor. E é isso que eventualmente destrói uma célula flash, se você mudar seu estado com muita freqüência.

Por outro lado, uma célula DRAM não possui isoladores apropriados. É por isso que ele precisa ser periodicamente atualizado, muitas vezes por segundo, para não perder informações; no entanto, como é tudo apenas transporte de carga condutiva comum, nada muito ruim geralmente acontece se você alterar o estado de uma célula RAM. Portanto, a RAM suporta muito mais ciclos de leitura / gravação do que o flash.

^∗ _{Ou, para uma carga positiva, você remove alguns elétrons das ligações da molécula. Você precisa levar tão pouco que isso não afeta a estrutura química de forma detectável.}

^† _{Estas cargas estáticas são, na verdade, minúsculas . Mesmo a menor bateria de relógio que dura anos fornece carga suficiente a cada segundo para carregar centenas de balões! Ele simplesmente não tem tensão suficiente para perfurar qualquer barreira de potencial notável.}

^‡ _{Pelo menos, toda a matéria na terra ... não vamos complicar as coisas indo para estrelas de nêutrons.}

    

Answer 7

Menos técnico, e uma resposta ao que eu acredito OP significa "Muitas vezes vejo pessoas mencionarem que os SSDs têm uma quantidade limitada de gravações em seus setores antes de ficarem ruins, especialmente se comparados aos discos rígidos de discos rotativos clássicos, onde a maioria das unidades falhar devido a falha mecânica, não setores indo mal ". Vou interpretar a pergunta do OP como "Como os SSDs falham com muito mais frequência do que a ferrugem, como o uso de um deles pode dar uma confiabilidade razoável?"

Existem dois tipos de confiabilidade e falha. Uma é a coisa falha completamente devido à idade, qualidade, abuso, etc. Ou, pode ter um erro de setor devido a muita leitura / gravação.

Erros de setor ocorrem em todas as mídias. O controlador de unidade (SSD ou girando) irá mapear novamente os dados do setor com falha para um novo setor. Se falhou completamente, então ainda pode remapear, mas os dados são perdidos. No SSD, o setor é grande e muitas vezes falha completamente.

Os SSDs podem ter um ou ambos os tipos de confiabilidade. Problemas de leitura / gravação no ciclo podem ser ajudados com o
ter uma unidade maior. Se você tiver uma pequena unidade e usá-la para sistemas operacionais como o Windows, ela terá muitos ciclos de leitura / gravação. O mesmo sistema operacional em uma unidade de capacidade muito maior terá menos ciclos. Assim, mesmo uma unidade com "apenas" alguns milhares de ciclos pode não ser um problema se cada setor não for apagado com frequência.
Balanceamento de dados - os SSDs moverão os dados dos setores usados com frequência para os menos utilizados. Pense no sistema operacional novamente e nas atualizações, em comparação a uma foto que você tirou e deseja manter. Em algum momento, o SSD pode trocar as localizações físicas da foto e um arquivo do sistema operacional para equilibrar os ciclos. Compactação - a compactação de dados ocupa menos espaço, portanto, menos gravação.

Depois, há qualidade de componentes. Obter o SSD ou USB mais barato que você pode encontrar pode funcionar por um tempo, mas um de qualidade feito para uso corporativo durará muito mais tempo, não apenas em ciclos de apagamento, mas em uso total.

À medida que as unidades se tornam cada vez maiores (como 100-1000 GB), os ciclos de eliminação tornam-se menos problemáticos, apesar de poderem suportar menos gravações. Algumas unidades usarão a DRAM como um cache para ajudar a diminuir os ciclos de gravação. Alguns usarão um segmento de alta qualidade do SSD para cache e menor qualidade para baixo custo e tamanho grande.

Os modernos SSDs de consumo de boa qualidade podem durar muito tempo em uma máquina de consumo. Eu tenho mais de 5 anos de idade que ainda funcionam. Eu também tenho alguns novos e baratos que falharam depois de alguns meses. Às vezes é apenas (má) sorte.