Tại sao các lĩnh vực SSD có độ bền ghi hạn chế?

Tôi thường thấy mọi người đề cập rằng các lĩnh vực SSD có số lần ghi hạn chế trước khi chúng bị hỏng, đặc biệt là khi so sánh với các ổ đĩa cứng (đĩa quay) cổ điển trong đó hầu hết các lỗi đó là do lỗi cơ học, không phải là các lĩnh vực xấu. Tôi tò mò tại sao lại như vậy.

Tôi đang tìm kiếm một lời giải thích kỹ thuật nhưng hướng tới người tiêu dùng, tức là thành phần chính xác bị lỗi và tại sao việc viết thường xuyên lại ảnh hưởng đến chất lượng của thành phần đó, nhưng giải thích theo cách mà nó không đòi hỏi nhiều kiến ​​thức về SSD.

Sao chép từ "Tại sao Flash làm mất đi và làm thế nào để nó tồn tại lâu hơn" :

Đèn flash NAND lưu trữ thông tin bằng cách kiểm soát lượng điện tử trong một khu vực được gọi là cổng nổi nổi trực tuyến. Các điện tử này thay đổi tính chất dẫn của ô nhớ (điện áp cổng cần thiết để bật và tắt ô), lần lượt được sử dụng để lưu trữ một hoặc nhiều bit dữ liệu trong ô. Đây là lý do tại sao khả năng giữ cổng nổi có thể rất quan trọng đối với khả năng lưu trữ dữ liệu của tế bào một cách đáng tin cậy.

Viết và xóa quá trình gây ra hao mòn

Khi được viết và xóa trong quá trình sử dụng thông thường, lớp oxit ngăn cách cổng nổi khỏi chất nền bị suy giảm, làm giảm khả năng giữ điện tích trong một khoảng thời gian dài. Mỗi thiết bị lưu trữ trạng thái rắn có thể duy trì một mức độ xuống cấp hữu hạn trước khi nó trở nên không đáng tin cậy, có nghĩa là nó vẫn có thể hoạt động nhưng không nhất quán. Số lần ghi và xóa (chu kỳ P / E) mà thiết bị NAND có thể duy trì trong khi vẫn duy trì đầu ra nhất quán, có thể dự đoán được, xác định độ bền của nó.

Hãy tưởng tượng một mảnh giấy và bút chì thông thường. Bây giờ hãy thoải mái viết và xóa nhiều lần như bạn muốn ở một chỗ trên tờ giấy. Mất bao lâu trước khi bạn thực hiện nó qua giấy?

SSD và ổ flash USB có khái niệm cơ bản này nhưng ở cấp độ điện tử.

Vấn đề là chất nền flash NAND được sử dụng chịu sự xuống cấp trên mỗi lần xóa. Các erase quá trình liên quan đến việc đánh các tế bào flash với một tương đối phí lớn năng lượng điện , điều này gây ra lớp bán dẫn trên chip riêng của mình để làm suy giảm nhẹ.

Thiệt hại này về lâu dài, làm tăng tỷ lệ lỗi bit có thể được sửa bằng phần mềm, nhưng cuối cùng, các quy tắc mã sửa lỗi trong bộ điều khiển flash không thể theo kịp các lỗi này và ô flash trở nên không đáng tin cậy.

Câu trả lời của tôi được lấy từ những người có kiến ​​thức nhiều hơn tôi!

SSD sử dụng cái được gọi là bộ nhớ flash. Một quá trình vật lý xảy ra khi dữ liệu được ghi vào một ô (các electron di chuyển vào và ra.) Khi điều này xảy ra, nó làm xói mòn cấu trúc vật lý. Quá trình này khá giống như xói mòn nước; cuối cùng thì quá nhiều và bức tường nhường chỗ. Khi điều này xảy ra, tế bào là vô dụng.

Một cách khác là các electron này có thể bị "kẹt", khiến cho tế bào khó đọc chính xác hơn. Sự tương tự cho điều này là rất nhiều người nói cùng một lúc, và thật khó để nghe ai. Bạn có thể chọn ra một giọng nói, nhưng nó có thể là một giọng nói sai!

SSD cố gắng phân bổ tải đồng đều giữa các ô đang sử dụng để chúng hao mòn đều. Cuối cùng, một tế bào sẽ chết và được đánh dấu là không có sẵn. SSD có một khu vực "các tế bào được cung cấp quá mức", tức là các tế bào dự phòng (nghĩ rằng thay thế trong thể thao). Khi một tế bào chết, một trong số chúng được sử dụng thay thế. Cuối cùng, tất cả các ô bổ sung này cũng được sử dụng và SSD sẽ dần không thể đọc được.

Hy vọng rằng đó là một câu trả lời thân thiện với người tiêu dùng!

Chỉnh sửa: Nguồn tại đây

Gần như tất cả các ổ SSD tiêu dùng đều sử dụng công nghệ bộ nhớ gọi là bộ nhớ flash NAND. Giới hạn độ bền ghi là do cách thức hoạt động của bộ nhớ flash.

Nói một cách đơn giản, bộ nhớ flash hoạt động bằng cách lưu trữ các electron bên trong một hàng rào cách điện. Đọc một ô nhớ flash liên quan đến việc kiểm tra mức sạc của nó, vì vậy để giữ lại dữ liệu được lưu trữ, điện tích phải ổn định theo thời gian. Để tăng mật độ lưu trữ và giảm chi phí, hầu hết các ổ SSD sử dụng bộ nhớ flash phân biệt giữa không chỉ hai mức sạc có thể (một bit trên mỗi ô, SLC), mà là bốn (hai bit cho mỗi ô, MLC), tám (ba bit cho mỗi ô, TLC ) hoặc thậm chí 16 (bốn bit cho mỗi ô, TLC).

Ghi vào bộ nhớ flash đòi hỏi phải điều khiển điện áp cao để di chuyển các electron qua chất cách điện, một quá trình dần dần làm hao mòn nó. Khi lớp cách điện bị mòn, tế bào ít có khả năng giữ điện tích ổn định, cuối cùng khiến tế bào không thể giữ được dữ liệu. Với TLC và đặc biệt là QLC NAND, các tế bào đặc biệt nhạy cảm với sự tích điện này do phải phân biệt giữa nhiều cấp độ hơn để lưu trữ nhiều bit dữ liệu.

Để tăng thêm mật độ lưu trữ và giảm chi phí, quy trình được sử dụng để sản xuất bộ nhớ flash đã được thu nhỏ lại đáng kể, nhỏ đến 15nm ngày nay và các tế bào nhỏ hơn hao mòn nhanh hơn. Đối với flash NAND phẳng (không phải 3D NAND), điều này có nghĩa là trong khi SLC NAND có thể kéo dài hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm nghìn chu kỳ ghi, MLC NAND thường chỉ tốt cho khoảng 3.000 chu kỳ và TLC chỉ từ 750 đến 1.500 chu kỳ.

3D NAND, xếp chồng các ô NAND lên nhau, có thể đạt được mật độ lưu trữ cao hơn mà không phải thu nhỏ các ô nhỏ, cho phép độ bền ghi cao hơn. Trong khi Samsung đã quay lại quy trình 40nm cho NAND 3D của mình, các nhà sản xuất bộ nhớ flash khác như Micron đã quyết định sử dụng các quy trình nhỏ (dù không nhỏ như NAND phẳng) để cung cấp mật độ lưu trữ tối đa và chi phí tối thiểu. Xếp hạng độ bền thông thường cho 3D TLC NAND là khoảng 2.000 đến 3.000 chu kỳ, nhưng có thể cao hơn trong các thiết bị cấp doanh nghiệp. 3D QLC NAND thường được đánh giá trong khoảng 1.000 chu kỳ.

Một công nghệ bộ nhớ mới nổi có tên 3D XPoint, được phát triển bởi Intel và Micron, sử dụng một cách tiếp cận hoàn toàn khác để lưu trữ dữ liệu không bị giới hạn độ bền của bộ nhớ flash. 3D XPoint cũng nhanh hơn rất nhiều so với bộ nhớ flash, đủ nhanh để có khả năng thay thế DRAM làm bộ nhớ hệ thống. Intel sẽ bán các thiết bị sử dụng công nghệ 3D XPoint dưới nhãn hiệu Optane, trong khi Micron sẽ tiếp thị các thiết bị 3D XPoint dưới thương hiệu QuantX. SSD tiêu dùng với công nghệ này có thể xuất hiện trên thị trường ngay sau năm 2017, mặc dù tôi tin rằng vì lý do chi phí, 3D NAND (chủ yếu thuộc loại TLC) sẽ là hình thức lưu trữ lớn trong vài năm tới.

Một tế bào flash lưu trữ tĩnh điện . Đó là chính xác cùng một loại phí mà bạn có thể lưu trữ trên một quả bóng thổi phồng: bạn đặt một vài electron thêm vào nó ^* .

Điều đặc biệt về tĩnh điện là nó giữ nguyên vị trí . Thông thường trong thiết bị điện tử, tất cả mọi thứ được kết nối với mọi thứ khác một cách nào đó với dây dẫn, và thậm chí nếu có một điện trở lớn giữa một quả bóng và mặt đất thì phí sẽ biến mất khá nhanh chóng ^† . Lý do mà một quả bóng được tích điện là không khí thực sự là một chất cách điện: nó có điện trở suất vô hạn .

Thông thường, đó là. Vì tất cả các vấn đề ^‡ gồm electron và mông nguyên tử, bạn có thể làm bất cứ điều gì một dây dẫn: chỉ áp dụng đủ năng lượng, và một số các electron sẽ lắc lỏng lẻo và được (trong một thời gian ngắn) tự do di chuyển gần hơn với quả bóng, hoặc thêm từ nó Điều này thực sự xảy ra trong không khí với tĩnh điện: chúng ta biết quá trình này là sét !

Tôi không phải nhấn mạnh rằng sét là một quá trình khá bạo lực. Những electron này là một phần quan trọng trong cấu trúc hóa học của vật chất. Trong trường hợp không khí, sét để lại một chút oxy và nitơ chuyển thành ozone và nitơ dioxide. Chỉ bởi vì không khí tiếp tục di chuyển và hòa lẫn và những chất đó cuối cùng phản ứng lại với oxy và nitơ là tác hại không có liên tục của người Viking, và không khí vẫn là một chất cách điện.

Không phải như vậy trong trường hợp của một tế bào flash: ở đây, cách điện phải gọn hơn. Điều này chỉ khả thi với các lớp oxit trạng thái rắn. Công cụ mạnh mẽ, nhưng nó cũng không ảnh hưởng đến tác động của việc buộc một số điện tích thông qua vật liệu dẫn điện. Và đó là những gì cuối cùng phá hủy một tế bào flash, nếu bạn thay đổi trạng thái của nó quá thường xuyên.

Ngược lại, một tế bào DRAM không có chất cách điện thích hợp trong nó. Đó là lý do tại sao nó cần được làm mới định kỳ, nhiều lần trong một giây, để không bị mất thông tin; tuy nhiên, vì tất cả chỉ là vận chuyển điện tích thông thường, không có gì xấu thường xảy ra nếu bạn thay đổi trạng thái của một tế bào RAM. Do đó, RAM chịu đựng nhiều chu kỳ đọc / ghi hơn so với flash.

^* _{Hoặc, đối với một điện tích dương, bạn loại bỏ một số electron từ trái phiếu phân tử. Bạn cần lấy quá ít để điều này không ảnh hưởng đến cấu trúc hóa học theo cách có thể phát hiện được.}

^† _{Những cáo buộc tĩnh thực sự nhỏ . Ngay cả pin đồng hồ nhỏ nhất tồn tại trong nhiều năm cũng cung cấp đủ lượng sạc mỗi giây để sạc hàng trăm quả bóng bay! Nó chỉ không có đủ điện áp để vượt qua bất kỳ rào cản tiềm năng đáng chú ý nào.}

^‡ _{Ít nhất, tất cả các vấn đề trên trái đất ... chúng ta không làm phức tạp mọi thứ bằng cách vào sao neutron.}

Ít kỹ thuật hơn và câu trả lời cho những gì tôi tin OP có nghĩa là "Tôi thường thấy mọi người đề cập rằng SSD có số lượng ghi hạn chế trong các lĩnh vực của họ trước khi chúng bị hỏng, đặc biệt là so với các ổ đĩa cứng quay cổ điển, nơi hầu hết các ổ đĩa đều bị lỗi thất bại cơ học, không phải là ngành xấu. "
Tôi sẽ giải thích câu hỏi của OP là "Vì SSD không hoạt động thường xuyên hơn nhiều so với việc quay vòng rỉ sét, làm thế nào để sử dụng một thiết bị có độ tin cậy hợp lý?"

Có hai loại độ tin cậy và thất bại. Một là điều thất bại hoàn toàn do tuổi tác, chất lượng, lạm dụng, v.v. Hoặc, nó có thể có lỗi ngành do đọc nhiều / ghi.

Lỗi ngành xảy ra trên tất cả các phương tiện truyền thông. Bộ điều khiển ổ đĩa (SSD hoặc quay) sẽ ánh xạ lại dữ liệu khu vực bị lỗi sang một khu vực mới. Nếu nó đã thất bại hoàn toàn, thì nó vẫn có thể ánh xạ lại, nhưng dữ liệu bị mất. Trong SSD, khu vực này rất lớn và thường bị lỗi hoàn toàn.

SSD có thể có một hoặc cả hai loại độ tin cậy. Vấn đề chu trình đọc / ghi có thể được giúp đỡ
khi có ổ đĩa lớn hơn. Nếu bạn có một ổ đĩa nhỏ và sử dụng nó cho HĐH như Windows, thì nó sẽ nhận được rất nhiều chu kỳ đọc / ghi. Hệ điều hành tương tự trên một ổ đĩa dung lượng lớn hơn nhiều sẽ có ít chu kỳ hơn. Vì vậy, ngay cả một ổ đĩa "chỉ" vài nghìn chu kỳ có thể không thành vấn đề nếu mỗi khu vực không được xóa thường xuyên.
Cân bằng dữ liệu - SSD sẽ chuyển dữ liệu từ các lĩnh vực được sử dụng thường xuyên sang các lĩnh vực ít được sử dụng hơn. Hãy suy nghĩ lại về HĐH và các bản cập nhật, so với ảnh bạn đã chụp và chỉ muốn giữ lại. Tại một số điểm, SSD có thể hoán đổi vị trí thực của ảnh và tệp hệ điều hành để cân bằng các chu kỳ.
Nén - nén dữ liệu tốn ít không gian hơn, do đó ít ghi hơn.

Sau đó là chất lượng của các thành phần. Có được ổ SSD hoặc USB rẻ nhất bạn có thể tìm thấy có thể hoạt động trong một thời gian, nhưng chất lượng được tạo ra để sử dụng cho doanh nghiệp sẽ tồn tại lâu hơn rất nhiều, không chỉ trong các chu kỳ xóa mà còn trong tổng số sử dụng.

Khi các ổ đĩa ngày càng lớn hơn (như 100-1000GB), thì các chu kỳ xóa sẽ trở thành vấn đề ít hơn mặc dù chúng có thể duy trì việc ghi ít hơn. Một số ổ đĩa sẽ sử dụng DRAM làm bộ đệm để giúp giảm chu kỳ ghi. Một số sẽ sử dụng phân khúc SSD chất lượng cao cho bộ nhớ cache và chất lượng thấp hơn với chi phí thấp và kích thước lớn.

SSD tiêu dùng chất lượng tốt hiện đại có thể tồn tại lâu dài trong một máy tiêu dùng. Tôi có một số hơn 5 tuổi vẫn còn làm việc. Tôi cũng có một vài cái rẻ tiền, mới thất bại sau vài tháng. Đôi khi nó chỉ là (xấu) may mắn.