เหตุใดส่วน SSD จึงมีความทนทานในการเขียน จำกัด

ฉันมักจะเห็นคนพูดถึงว่าส่วน SSD มีจำนวนการเขียนที่ จำกัด ก่อนที่จะแย่โดยเฉพาะเมื่อเปรียบเทียบกับฮาร์ดไดรฟ์แบบคลาสสิก (ดิสก์หมุนได้) ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากความล้มเหลวเชิงกล ฉันอยากรู้ว่าทำไมถึงเป็นอย่างนั้น

ฉันกำลังมองหาคำอธิบายเชิงเทคนิค แต่มุ่งเน้นที่ผู้บริโภคเช่นองค์ประกอบที่แน่นอนที่ล้มเหลวและสาเหตุที่การเขียนบ่อยครั้งส่งผลกระทบต่อคุณภาพของส่วนประกอบนั้น แต่อธิบายในลักษณะที่ไม่ต้องใช้ความรู้จำนวนมากเกี่ยวกับ SSD

คัดลอกมาจาก"Why Flash Wears Out and How to Make The Last Longer" :

แฟลช NAND จัดเก็บข้อมูลโดยการควบคุมปริมาณของอิเล็กตรอนในภูมิภาคที่เรียกว่า "ประตูประตูน้ำ" อิเล็กตรอนเหล่านี้จะเปลี่ยนคุณสมบัตินำไฟฟ้าของเซลล์หน่วยความจำ (แรงดันเกตที่จำเป็นในการเปิดและปิดเซลล์) ซึ่งจะใช้ในการเก็บข้อมูลหนึ่งบิตหรือมากกว่าในเซลล์ นี่คือเหตุผลที่ความสามารถของประตูเลื่อนในการเก็บประจุมีความสำคัญต่อความสามารถของเซลล์ในการจัดเก็บข้อมูลได้อย่างน่าเชื่อถือ

กระบวนการเขียนและลบทำให้เกิดการสึกหรอ

เมื่อเขียนและลบในระหว่างการใช้งานตามปกติชั้นออกไซด์จะแยกเกทออกจากสารตั้งต้นลดความสามารถในการเก็บประจุเป็นระยะเวลานาน อุปกรณ์เก็บข้อมูลโซลิดสเตตแต่ละตัวสามารถรักษาจำนวนการย่อยสลายได้อย่าง จำกัด ก่อนที่จะไม่น่าเชื่อถือซึ่งหมายความว่ามันอาจยังทำงานได้ แต่ไม่สม่ำเสมอ จำนวนการเขียนและลบ (รอบ P / E) ที่อุปกรณ์ NAND สามารถรักษาได้ในขณะที่ยังคงเอาท์พุทที่สอดคล้องและคาดการณ์ได้กำหนดความทนทานของมัน

ลองนึกภาพกระดาษและดินสอธรรมดาหนึ่งชิ้น ตอนนี้รู้สึกอิสระที่จะเขียนและลบหลาย ๆ ครั้งตามที่คุณต้องการในจุดหนึ่งบนกระดาษ ใช้เวลานานแค่ไหนก่อนที่คุณจะทำผ่านกระดาษ?

SSD และ USB แฟลชไดรฟ์มีแนวคิดพื้นฐานนี้ แต่ในระดับอิเล็กตรอน

ปัญหาคือสารตั้งต้นแฟลช NAND ที่ใช้งานได้รับความเสียหายจากการลบแต่ละครั้ง ลบกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการกดปุ่มเซลล์แฟลชที่มีค่อนข้างเสียค่าใช้จ่ายมากของพลังงานไฟฟ้านี้ทำให้เซมิคอนดักเตอร์ชั้นบนชิปตัวเองเพื่อลดเล็กน้อย

ความเสียหายนี้ในระยะยาวเพิ่มอัตราข้อผิดพลาดบิตที่สามารถแก้ไขได้ด้วยซอฟต์แวร์ แต่ในที่สุดรหัสการแก้ไขข้อผิดพลาดในตัวควบคุมแฟลชจะไม่สามารถติดตามข้อผิดพลาดเหล่านี้ได้และเซลล์แฟลชจะไม่น่าเชื่อถือ

คำตอบของฉันมาจากคนที่มีความรู้มากกว่าฉัน!

SSD ใช้สิ่งที่เรียกว่าหน่วยความจำแฟลช กระบวนการทางกายภาพเกิดขึ้นเมื่อข้อมูลถูกเขียนลงในเซลล์ (อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าและออก) เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นมันจะกัดกร่อนโครงสร้างทางกายภาพ กระบวนการนี้ค่อนข้างคล้ายกับการกัดเซาะของน้ำ ในที่สุดมันก็มากเกินไปและกำแพงก็เปิดออก เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นเซลล์ก็จะไร้ประโยชน์

อีกวิธีคืออิเล็กตรอนเหล่านี้สามารถ "ติด" ทำให้เซลล์อ่านยากขึ้น การเปรียบเทียบสำหรับสิ่งนี้คือผู้คนจำนวนมากพูดคุยในเวลาเดียวกันและมันยากที่จะได้ยินใคร คุณอาจเลือกเสียงหนึ่งเสียง แต่อาจเป็นเสียงที่ผิด!

SSD พยายามกระจายโหลดอย่างสม่ำเสมอระหว่างเซลล์ที่ใช้งานอยู่เพื่อให้มันสึกหรออย่างเท่าเทียมกัน ในที่สุดเซลล์จะตายและถูกทำเครื่องหมายว่าไม่พร้อมใช้งาน SSD มีพื้นที่ของ "เซลล์ที่ได้รับการจัดสรรมากเกินไป" เช่นเซลล์สำรอง (คิดว่าทดแทนในรูปแบบกีฬา) เมื่อเซลล์ตายเซลล์หนึ่งจะถูกใช้แทน ในที่สุดเซลล์พิเศษเหล่านี้ทั้งหมดจะถูกใช้เช่นกันและ SSD จะช้าลงไม่สามารถอ่านได้

หวังว่านั่นเป็นคำตอบที่เป็นมิตรกับผู้บริโภค!

แก้ไข: แหล่งที่มาที่นี่

SSD สำหรับผู้บริโภคเกือบทั้งหมดใช้เทคโนโลยีหน่วยความจำที่เรียกว่าหน่วยความจำแฟลช NAND ขีดจำกัดความทนทานการเขียนเกิดจากการทำงานของหน่วยความจำแฟลช

ใส่เพียงแค่หน่วยความจำแฟลชทำงานโดยเก็บอิเล็กตรอนไว้ในสิ่งกีดขวางที่เป็นฉนวน การอ่านเซลล์หน่วยความจำแฟลชเกี่ยวข้องกับการตรวจสอบระดับประจุดังนั้นเพื่อเก็บข้อมูลที่เก็บไว้ประจุอิเล็กตรอนจะต้องคงที่ตลอดเวลา เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของสตอเรจและลดต้นทุน SSD ส่วนใหญ่ใช้หน่วยความจำแฟลชที่แยกความแตกต่างระหว่างระดับการชาร์จที่เป็นไปได้ไม่เพียงสองระดับ (หนึ่งบิตต่อเซลล์ SLC) แต่สี่ (สองบิตต่อเซลล์, MLC), แปด (สามบิตต่อเซลล์, TLC) ) หรือแม้แต่ 16 (สี่บิตต่อเซลล์ TLC)

การเขียนไปยังหน่วยความจำแฟลชต้องใช้แรงดันไฟฟ้าสูงเพื่อเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนผ่านฉนวนซึ่งเป็นกระบวนการที่ค่อยๆเสื่อมสภาพลง เมื่อฉนวนลดลงเซลล์จะไม่สามารถเก็บประจุอิเล็กตรอนให้เสถียรได้ในที่สุดทำให้เซลล์ไม่สามารถเก็บข้อมูลได้ ด้วย TLC และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง QLC NAND เซลล์มีความไวต่อประจุนี้มากเป็นพิเศษเนื่องจากความจำเป็นที่จะต้องแยกความแตกต่างระหว่างระดับมากขึ้นเพื่อจัดเก็บข้อมูลหลายบิต

เพื่อเพิ่มความหนาแน่นในการจัดเก็บข้อมูลและลดต้นทุนกระบวนการที่ใช้ในการผลิตหน่วยความจำแฟลชได้ถูกลดขนาดลงอย่างมากจนถึง 15nm ในปัจจุบันและเซลล์ขนาดเล็กจะเสื่อมสภาพเร็วขึ้น สำหรับแฟลช NAND แบบภาพถ่าย (ไม่ใช่ 3D NAND) นี่หมายความว่าแม้ว่า SLC NAND จะสามารถเขียนรอบการเขียนได้นับหมื่นหรือหลายแสนครั้ง แต่โดยทั่วไปแล้ว MLC NAND นั้นดีเพียง 3,000 รอบและ TLC เพียง 750 ถึง 1,500 รอบ

3D NAND ซึ่งอยู่ในเซลล์ NAND ที่ซ้อนทับกันสามารถบรรลุความหนาแน่นในการจัดเก็บที่สูงขึ้นโดยไม่ต้องทำให้เซลล์มีขนาดเล็กลงซึ่งจะทำให้ความอดทนในการเขียนสูงขึ้น ในขณะที่ Samsung กลับไปใช้กระบวนการ 40nm สำหรับ 3D NAND ของตนผู้ผลิตหน่วยความจำแฟลชอื่นเช่น Micron ได้ตัดสินใจใช้กระบวนการขนาดเล็กอย่างไรก็ตาม (ไม่ได้ค่อนข้างเล็กเท่ากับ planar NAND) เพื่อมอบความหนาแน่นในการจัดเก็บสูงสุดและต้นทุนต่ำสุด คะแนนความอดทนโดยทั่วไปสำหรับ 3D TLC NAND อยู่ที่ประมาณ 2,000 ถึง 3,000 รอบ แต่สามารถสูงกว่าในอุปกรณ์ระดับองค์กร 3D QLC NAND ได้รับการจัดอันดับโดยทั่วไปประมาณ 1,000 รอบ

เทคโนโลยีหน่วยความจำที่เกิดขึ้นใหม่ที่เรียกว่า 3D XPoint พัฒนาโดย Intel และ Micron ใช้วิธีการที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงในการจัดเก็บข้อมูลซึ่งไม่อยู่ภายใต้ข้อ จำกัด ด้านความอดทนของหน่วยความจำแฟลช 3D XPoint นั้นเร็วกว่าหน่วยความจำแฟลชเร็วพอที่จะเปลี่ยน DRAM เป็นหน่วยความจำระบบได้อย่างมากมาย Intel จะขายอุปกรณ์โดยใช้เทคโนโลยี 3D XPoint ภายใต้แบรนด์ Optane ในขณะที่ Micron จะทำตลาดอุปกรณ์ 3D XPoint ภายใต้แบรนด์ QuantX SSD ผู้บริโภคที่ใช้เทคโนโลยีนี้อาจเข้าสู่ตลาดทันทีในปี 2560 แม้ว่าฉันจะเชื่อว่าด้วยเหตุผลด้านราคา แต่ 3D NAND (ส่วนใหญ่ของ TLC หลากหลาย) จะเป็นรูปแบบที่โดดเด่นของที่เก็บข้อมูลขนาดใหญ่ในอีกหลายปีถัดไป

โดยมีห้างเซลล์แฟลชไฟฟ้าสถิต มันตรงชนิดเดียวกันของค่าใช้จ่ายที่คุณสามารถจัดเก็บบนบอลลูนที่สูงเกินจริง: คุณวางอิเล็กตรอนพิเศษไม่กี่ที่มัน*

มีอะไรพิเศษเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตคือว่ามันอยู่ในสถานที่ โดยปกติในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกอย่างจะเชื่อมต่อกับทุกสิ่งทุกอย่างในทางกับตัวนำบางส่วนและแม้ว่าจะมีตัวต้านทานขนาดใหญ่ระหว่างบอลลูนและพื้นดินแล้วค่าใช้จ่ายจะหายไปอย่างรวดเร็วสวย† เหตุผลที่บอลลูนยังคงมีประจุอยู่คืออากาศนั้นเป็นฉนวน: มันมีความต้านทานไม่ จำกัด

โดยปกตินั่นคือ เนื่องจากทุกเรื่อง^‡ประกอบด้วยอิเล็กตรอนและ rumps อะตอมคุณสามารถทำอะไรตัวนำ: เพียงแค่ใช้พลังงานเพียงพอและบางส่วนของอิเล็กตรอนจะเขย่าหลวมและจะ (ขณะที่ระยะสั้น) อิสระที่จะย้ายใกล้ชิดกับบอลลูนหรือเพิ่มเติมจาก มัน. สิ่งนี้เกิดขึ้นในอากาศด้วยไฟฟ้าสถิตย์: เรารู้ว่ากระบวนการนี้เหมือนสายฟ้า !

ฉันไม่ต้องเน้นว่าสายฟ้าเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างรุนแรง อิเล็กตรอนเหล่านี้เป็นส่วนสำคัญของโครงสร้างทางเคมีของสสาร ในกรณีของอากาศฟ้าผ่าทำให้ออกซิเจนและไนโตรเจนเปลี่ยนไปเป็นโอโซนและไนโตรเจนไดออกไซด์เล็กน้อย เพียงเพราะอากาศยังคงเคลื่อนที่และปะปนอยู่ในที่สุดและสารเหล่านั้นจะตอบสนองกลับไปยังออกซิเจนและไนโตรเจนในที่สุดก็คือ "อันตรายถาวร" ที่ทำได้และอากาศยังคงเป็นฉนวน

ไม่เช่นนั้นในกรณีของเซลล์แฟลช: ที่นี่ฉนวนต้องมีขนาดกะทัดรัดกว่า สิ่งนี้เป็นไปได้เฉพาะกับชั้นออกไซด์ของแข็ง สิ่งที่มีความทนทาน แต่มันก็ไม่ได้เป็นผลต่อการบังคับใช้ค่าใช้จ่ายผ่านวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และนั่นคือสิ่งที่ทำลายเซลล์แฟลชในที่สุดหากคุณเปลี่ยนสถานะบ่อยเกินไป

ในทางตรงกันข้ามเซลล์ DRAM นั้นไม่มีฉนวนในตัวมัน นั่นเป็นสาเหตุที่ต้องมีการรีเฟรชเป็นระยะ ๆ หลายครั้งต่อวินาทีเพื่อไม่ให้ข้อมูลสูญหาย อย่างไรก็ตามเนื่องจากเป็นเพียงการขนส่งประจุไฟฟ้าทั่วไปจึงไม่มีอะไรเลวร้ายนักหากคุณเปลี่ยนสถานะของเซลล์แรม ดังนั้นแรมจึงมีรอบการอ่าน / เขียนที่มากกว่าแฟลช

^∗ _{หรือประจุบวกคุณกำจัดอิเล็กตรอนออกจากพันธะโมเลกุล คุณจำเป็นต้องใช้เวลาไม่กี่เพื่อที่นี้ไม่ได้ส่งผลกระทบต่อโครงสร้างทางเคมีในทางที่ตรวจพบ}

^† _{ค่าใช้จ่ายคงที่เหล่านี้เป็นจริงเล็ก ๆ แม้แต่แบตเตอรี่นาฬิกาที่เล็กที่สุดที่มีอายุการใช้งานนานหลายปีก็สามารถชาร์จได้เพียงพอทุก ๆ วินาทีเพื่อชาร์จลูกโป่งนับร้อย! มันมีแรงดันไฟฟ้าไม่เพียงพอที่จะเจาะผ่านสิ่งกีดขวางที่อาจเป็นไปได้}

^‡ _{อย่างน้อยทุกเรื่องบนโลก ... ให้ไม่สิ่งที่ซับซ้อนโดยไปที่ดาวนิวตรอน}

ทางเทคนิคน้อยลงและคำตอบสำหรับสิ่งที่ฉันเชื่อว่า OP หมายถึง "ฉันมักจะเห็นคนพูดว่า SSD มีจำนวน จำกัด ในการเขียนในภาคของพวกเขาก่อนที่พวกเขาจะเสียโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเทียบกับฮาร์ดไดรฟ์หมุนดิสก์แบบคลาสสิก ความล้มเหลวทางกลไม่ใช่ภาคที่จะแย่ "
ฉันจะตีความคำถาม OP ว่า "เนื่องจาก SSD ล้มเหลวบ่อยกว่าการเกิดสนิมหมุนวิธีใช้หนึ่งให้ความน่าเชื่อถือที่สมเหตุสมผล"

ความน่าเชื่อถือและความล้มเหลวมีสองประเภท สิ่งหนึ่งคือสิ่งที่ล้มเหลวอย่างสมบูรณ์เนื่องจากอายุคุณภาพการละเมิด ฯลฯ หรืออาจมีข้อผิดพลาดในภาคเนื่องจากการอ่าน / เขียนจำนวนมาก

ข้อผิดพลาดของเซกเตอร์เกิดขึ้นในสื่อทั้งหมด ตัวควบคุมไดรฟ์ (SSD หรือการหมุน) จะแมปข้อมูลเซกเตอร์ที่ล้มเหลวไปยังเซกเตอร์ใหม่ ถ้ามันล้มเหลวอย่างสมบูรณ์มันอาจยังคงทำการแมปใหม่ แต่ข้อมูลหายไป ใน SSD ส่วนที่มีขนาดใหญ่และมักจะล้มเหลวอย่างสมบูรณ์

SSD สามารถมีความน่าเชื่อถือหนึ่งหรือทั้งสองประเภท ปัญหาการอ่าน / เขียนรอบสามารถช่วยให้
มีไดรฟ์ขนาดใหญ่ หากคุณมีไดรฟ์ขนาดเล็กและใช้สำหรับระบบปฏิบัติการเช่น Windows แล้วมันจะได้รับรอบการอ่าน / เขียนจำนวนมาก ระบบปฏิบัติการเดียวกันบนไดรฟ์ความจุขนาดใหญ่กว่ามากจะมีรอบการทำงานน้อยลง ดังนั้นแม้แต่ไดรฟ์ที่มี "เพียง" สองสามพันรอบอาจไม่เป็นปัญหาหากแต่ละภาคไม่ถูกลบบ่อยครั้ง
ข้อมูลที่สมดุล - SSD จะย้ายข้อมูลจากภาคที่ใช้งานบ่อยไปยังส่วนที่ใช้งานน้อยกว่า ลองนึกถึงระบบปฏิบัติการอีกครั้งและอัปเดตกับรูปภาพที่คุณถ่ายและต้องการเก็บไว้ ในบางจุด SSD อาจสลับตำแหน่งทางกายภาพของภาพถ่ายและไฟล์ OS เพื่อสร้างสมดุลให้กับวงจร
การบีบอัด - การบีบอัดข้อมูลใช้พื้นที่น้อยลงทำให้การเขียนลดลง

จากนั้นก็มีคุณภาพของส่วนประกอบ การได้รับ SSD หรือ USB ที่ถูกที่สุดที่คุณสามารถหาได้อาจใช้งานได้ระยะหนึ่ง แต่คุณภาพที่ทำขึ้นเพื่อการใช้งานในองค์กรจะใช้เวลานานกว่าไม่เพียงแค่ลบรอบ แต่ในการใช้งานทั้งหมด

เมื่อไดรฟ์มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ (เช่น 100-1000GB) ดังนั้นการลบรอบจะกลายเป็นปัญหาน้อยลงแม้ว่าพวกเขาจะสามารถเขียนได้น้อยลง ไดรฟ์บางตัวจะใช้ DRAM เป็นแคชเพื่อช่วยลดรอบการเขียน บางคนจะใช้เซ็กเมนต์ที่มีคุณภาพสูงของ SSD สำหรับแคชและคุณภาพที่ต่ำกว่าสำหรับค่าใช้จ่ายต่ำและขนาดใหญ่

SSD สำหรับผู้บริโภคที่มีคุณภาพดีทันสมัยสามารถใช้งานได้นานในเครื่องอุปโภคบริโภค ฉันอายุ 5 ปีขึ้นไปที่ยังใช้งานได้ ฉันยังมีของใหม่ราคาถูกสองสามชิ้นที่ล้มเหลวหลังจากไม่กี่เดือน บางครั้งมันก็เป็นเพียงโชคร้าย