Warum haben SSD-Sektoren eine begrenzte Schreibdauer?

Ich sehe oft Leute, die erwähnen, dass SSD-Sektoren eine begrenzte Anzahl von Schreibvorgängen haben, bevor sie fehlerhaft werden, insbesondere im Vergleich zu klassischen (rotierenden Disketten-) Festplatten, bei denen die meisten aufgrund eines mechanischen Fehlers ausfallen, und nicht die Sektoren, die fehlerhaft werden. Ich bin gespannt, warum das so ist.

Ich bin auf der Suche nach einer technischen und doch verbraucherorientierten Erklärung, dh der genauen Komponente, die ausfällt und warum häufige Schreibvorgänge die Qualität dieser Komponente beeinflussen, aber so erklärt, dass keine extremen Kenntnisse über SSDs erforderlich sind.

Kopiert aus "Warum sich Flash abnutzt und wie man es länger hält" :

NAND-Flash speichert die Informationen, indem die Anzahl der Elektronen in einem Bereich gesteuert wird, der als "Floating Gate" bezeichnet wird. Diese Elektronen ändern die Leitungseigenschaften der Speicherzelle (die zum Ein- und Ausschalten der Zelle erforderliche Gate-Spannung), die wiederum zum Speichern eines oder mehrerer Datenbits in der Zelle verwendet wird. Aus diesem Grund ist die Fähigkeit des Floating Gate, eine Ladung zu halten, entscheidend für die Fähigkeit der Zelle, Daten zuverlässig zu speichern.

Schreib- und Löschvorgänge verursachen Verschleiß

Beim Beschreiben und Löschen während des normalen Gebrauchs verschlechtert sich die Oxidschicht, die das Floating-Gate vom Substrat trennt, und verringert die Fähigkeit, eine Ladung über einen längeren Zeitraum zu halten. Jedes Festkörperspeichergerät kann eine begrenzte Verschlechterung erfahren, bevor es unzuverlässig wird, was bedeutet, dass es möglicherweise immer noch funktioniert, jedoch nicht durchgehend. Die Anzahl der Schreib- und Löschvorgänge (P / E-Zyklen), die ein NAND-Gerät unter Beibehaltung einer konsistenten, vorhersagbaren Ausgabe ausführen kann, definiert seine Lebensdauer.

Stellen Sie sich ein Stück normales Papier und Bleistift vor. Schreiben und löschen Sie jetzt so oft Sie möchten an einer Stelle auf dem Papier. Wie lange dauert es, bis Sie das Papier durcharbeiten?

SSDs und USB-Sticks haben dieses Grundkonzept, jedoch auf elektronischer Ebene.

Das Problem ist, dass das verwendete NAND-Flash-Substrat bei jedem Löschen eine Verschlechterung erfährt. Beim Löschvorgang wird die Flash-Zelle mit einer relativ hohen Ladung elektrischer Energie getroffen , wodurch sich die Halbleiterschicht auf dem Chip selbst geringfügig verschlechtert.

Dieser Schaden erhöht auf lange Sicht die Bitfehlerraten, die mit Software korrigiert werden können, aber schließlich können die Fehlerkorrekturcode-Routinen im Flash-Controller mit diesen Fehlern nicht Schritt halten, und die Flash-Zelle wird unzuverlässig.

Meine Antwort stammt von Leuten mit mehr Wissen als ich!

SSDs verwenden einen sogenannten Flash-Speicher. Ein physikalischer Prozess findet statt, wenn Daten in eine Zelle geschrieben werden (Elektronen bewegen sich hinein und heraus). Dabei wird die physikalische Struktur zerstört. Dieser Prozess ähnelt in etwa der Wassererosion. Irgendwann ist es zu viel und die Wand gibt nach. In diesem Fall wird die Zelle unbrauchbar.

Ein anderer Weg ist, dass diese Elektronen "stecken bleiben" können, was es schwieriger macht, die Zelle korrekt zu lesen. Die Analogie dazu ist, dass viele Leute gleichzeitig sprechen und es schwer ist, jemanden zu hören. Sie können eine Stimme auswählen, aber es kann die falsche sein!

SSDs versuchen, die Last gleichmäßig auf die verwendeten Zellen zu verteilen, so dass sie sich gleichmäßig abnutzen. Irgendwann stirbt eine Zelle und wird als nicht verfügbar markiert. SSDs haben einen Bereich von "überprovisionierten Zellen", dh Ersatzzellen (denken Sie an Ersatzzellen im Sport). Wenn eine Zelle stirbt, wird stattdessen eine davon verwendet. Irgendwann werden auch alle diese zusätzlichen Zellen verwendet und die SSD wird langsam unlesbar.

Hoffentlich war das eine verbraucherfreundliche Antwort!

Bearbeiten: Quelle hier

Nahezu alle Consumer-SSDs verwenden eine Speichertechnologie namens NAND-Flash-Speicher. Die maximale Schreibdauer hängt von der Funktionsweise des Flash-Speichers ab.

Kurz gesagt, der Flash-Speicher speichert Elektronen in einer isolierenden Barriere. Das Lesen einer Flash-Speicherzelle beinhaltet die Überprüfung ihres Ladezustands. Um gespeicherte Daten zu erhalten, muss die Elektronenladung über die Zeit stabil bleiben. Um die Speicherdichte zu erhöhen und die Kosten zu senken, verwenden die meisten SSDs einen Flash-Speicher, der nicht nur zwei mögliche Ladezustände (ein Bit pro Zelle, SLC), sondern vier (zwei Bits pro Zelle, MLC), acht (drei Bits pro Zelle, TLC) unterscheidet ) oder sogar 16 (vier Bits pro Zelle, TLC).

Das Schreiben in einen Flash-Speicher erfordert das Ansteuern einer erhöhten Spannung, um Elektronen durch den Isolator zu bewegen, ein Prozess, der ihn allmählich abnutzt. Wenn die Isolierung nachlässt, ist die Zelle weniger in der Lage, ihre Elektronenladung stabil zu halten, was schließlich dazu führt, dass die Zelle keine Daten mehr speichert. Mit TLC und insbesondere QLC-NAND sind die Zellen besonders empfindlich gegenüber dieser Ladungsdrift, da zwischen mehr Pegeln unterschieden werden muss, um mehrere Datenbits zu speichern.

Um die Speicherdichte weiter zu erhöhen und die Kosten zu senken, wurde das Verfahren zur Herstellung von Flash-Speichern drastisch auf bis zu 15 nm verkleinert - und kleinere Zellen nutzen sich schneller ab. Für planaren NAND-Flash (nicht 3D-NAND) bedeutet dies, dass SLC-NAND zwar Zehntausende oder sogar Hunderttausende von Schreibzyklen aushalten kann, MLC-NAND jedoch in der Regel nur für etwa 3.000 Zyklen und TLC nur für 750 bis 1.500 Zyklen geeignet ist.

Mit 3D-NAND, bei dem NAND-Zellen übereinander gestapelt werden, kann eine höhere Speicherdichte erzielt werden, ohne dass die Zellen so klein wie möglich verkleinert werden müssen, was eine längere Schreibdauer ermöglicht. Während Samsung für sein 3D-NAND auf einen 40-nm-Prozess zurückgegriffen hat, haben andere Flash-Speicherhersteller wie Micron beschlossen, ohnehin kleine Prozesse zu verwenden (wenn auch nicht ganz so klein wie planares NAND), um maximale Speicherdichte und minimale Kosten zu erzielen. Die typischen Haltbarkeitswerte für 3D TLC NAND liegen bei etwa 2.000 bis 3.000 Zyklen, können jedoch bei Geräten der Enterprise-Klasse höher sein. 3D-QLC-NAND wird normalerweise für ungefähr 1.000 Zyklen bewertet.

Eine aufkommende Speichertechnologie namens 3D XPoint, die von Intel und Micron entwickelt wurde, verwendet einen völlig anderen Ansatz zum Speichern von Daten, die nicht den Einschränkungen der Lebensdauer von Flash-Speichern unterliegen. 3D XPoint ist auch viel schneller als Flash-Speicher, schnell genug, um DRAM als Systemspeicher zu ersetzen. Intel wird Geräte mit 3D XPoint-Technologie unter der Marke Optane verkaufen, während Micron 3D XPoint-Geräte unter der Marke QuantX vermarkten wird. Consumer-SSDs mit dieser Technologie werden möglicherweise bereits 2017 auf den Markt kommen, obwohl ich der Ansicht bin, dass 3D-NAND (hauptsächlich der TLC-Variante) aus Kostengründen in den nächsten Jahren die dominierende Form des Massenspeichers sein wird.

Eine Blitzzelle speichert statische Elektrizität . Es ist genau die gleiche Art von Ladung, die Sie auf einem aufgeblasenen Ballon speichern können: Sie platzieren ein paar zusätzliche Elektronen darauf ^∗ .

Das Besondere an statischer Elektrizität ist, dass sie an Ort und Stelle bleibt . Normalerweise ist in der Elektronik alles auf irgendeine Weise mit Leitern verbunden, und selbst wenn sich zwischen einem Ballon und Masse ein großer Widerstand befindet, verschwindet die Ladung ziemlich schnell ^† . Der Grund, warum ein Ballon geladen bleibt, ist, dass Luft tatsächlich ein Isolator ist: Sie hat einen unendlichen spezifischen Widerstand.

Normalerweise ist das so. Da alle Materie ^‡ von Elektronen und Atomrümpfe besteht, können Sie machen alles , was einen Leiter: gerade genug Energie anwenden, und einige der Elektronen schütteln lose und sein (für kurze Zeit) frei näher an dem Ballon zu bewegen, oder weiter von es. Dies geschieht tatsächlich in Luft mit statischer Elektrizität: Wir kennen diesen Vorgang als Blitz !

Ich muss nicht betonen, dass der Blitz ein ziemlich heftiger Prozess ist. Diese Elektronen sind ein entscheidender Bestandteil der chemischen Struktur der Materie. Im Falle von Luft hinterlässt ein Blitz ein wenig Sauerstoff und Stickstoff, die in Ozon und Stickstoffdioxid umgewandelt werden. Nur weil sich die Luft weiter bewegt und vermischt und diese Substanzen schließlich auf Sauerstoff und Stickstoff zurückreagieren, wird kein „anhaltender Schaden“ angerichtet, und die Luft ist immer noch ein Isolator.

Nicht so bei einer Flash-Zelle: Hier muss der Isolator wesentlich kompakter sein. Dies ist nur mit Festkörperoxidschichten möglich. Robustes Material, aber es ist auch nicht unempfindlich gegen die Auswirkungen des Erzwingens einer Ladung durch das leitende Material. Und das ist es, was letztendlich eine Flash-Zelle zerstört, wenn Sie ihren Zustand zu oft ändern.

Im Gegensatz dazu enthält eine DRAM-Zelle keine geeigneten Isolatoren. Aus diesem Grund muss es regelmäßig aktualisiert werden, viele Male pro Sekunde, um keine Informationen zu verlieren. Da es sich jedoch nur um gewöhnliche leitende Ladungstransporte handelt, passiert normalerweise nicht viel Schlimmes, wenn Sie den Zustand einer RAM-Zelle ändern. Daher hält RAM viel mehr Lese- / Schreibzyklen aus als Flash.

^∗ _{Oder Sie entfernen bei einer positiven Ladung einige Elektronen aus den Molekülbindungen. Sie müssen so nur einige nehmen , dass dies nicht die chemische Struktur in einer nachweisbaren Weise beeinträchtigt.}

^† _{Diese statischen Aufladungen sind eigentlich winzig . Selbst die kleinste Uhrbatterie, die jahrelang hält, liefert jede Sekunde genug Ladung, um Hunderte von Luftballons aufzuladen! Die Spannung reicht einfach nicht aus, um eine nennenswerte potenzielle Barriere zu durchbrechen.}

^‡ _{Zumindest alle Materie auf der Erde ... lassen Sie uns die Dinge nicht komplizieren, indem wir zu Neutronensternen gehen.}

Weniger technisch und eine Antwort auf das, was OP meiner Meinung nach bedeutet: "Oft wird erwähnt, dass SSDs nur eine begrenzte Anzahl von Schreibvorgängen in ihren Sektoren ausführen, bevor sie fehlerhaft sind, insbesondere im Vergleich zu klassischen Festplatten mit rotierenden Festplatten, bei denen die meisten Laufwerke aufgrund von Fehlern ausfallen mechanisches Versagen, keine schlechten Sektoren. "
Ich interpretiere die OP-Frage wie folgt: "Da SSDs weitaus häufiger ausfallen als Rost, wie kann die Verwendung einer SSD eine angemessene Zuverlässigkeit ergeben?"

Es gibt zwei Arten von Zuverlässigkeit und Ausfall. Eines ist, dass die Sache aufgrund von Alter, Qualität, Missbrauch usw. völlig ausfällt. Oder es kann einen Sektorfehler aufgrund von viel Lesen / Schreiben geben.

Branchenfehler treten auf allen Medien auf. Der Laufwerkcontroller (SSD oder drehendes Laufwerk) ordnet fehlerhafte Sektordaten einem neuen Sektor zu. Wenn es vollständig fehlgeschlagen ist, kann es dennoch neu zugeordnet werden, aber die Daten gehen verloren. Bei SSD ist der Sektor groß und fällt häufig vollständig aus.

SSDs können eine oder beide Arten von Zuverlässigkeit aufweisen. Probleme mit dem Lese- / Schreibzyklus können mit
einem größeren Laufwerk behoben werden. Wenn Sie ein kleines Laufwerk haben und es für ein Betriebssystem wie Windows verwenden, werden viele Lese- / Schreibzyklen ausgeführt. Das gleiche Betriebssystem auf einem Laufwerk mit sehr viel größerer Kapazität hat weniger Zyklen. Selbst ein Laufwerk mit "nur" ein paar tausend Zyklen ist möglicherweise kein Problem, wenn nicht jeder Sektor häufig gelöscht wird.
Daten ausgleichen - SSDs verschieben Daten aus häufig verwendeten Sektoren in weniger häufig verwendete Sektoren. Denken Sie noch einmal über das Betriebssystem nach und über Updates im Vergleich zu einem Foto, das Sie aufgenommen haben und einfach behalten möchten. Irgendwann tauscht die SSD möglicherweise die physischen Speicherorte des Fotos und eine Betriebssystemdatei aus, um die Zyklen auszugleichen.
Komprimierung - Das Komprimieren von Daten nimmt weniger Platz in Anspruch und verringert somit den Schreibaufwand.

Dann gibt es die Qualität der Komponenten. Die billigste SSD oder USB, die Sie finden können, funktioniert möglicherweise für eine Weile, aber eine Qualität, die für den Einsatz im Unternehmen entwickelt wurde, hält viel länger, nicht nur in Löschzyklen, sondern im gesamten Betrieb.

Wenn die Laufwerke immer größer werden (z. B. 100-1000 GB), werden Löschzyklen weniger problematisch, obwohl sie weniger Schreibvorgänge unterstützen können. Einige Laufwerke verwenden DRAM als Cache, um die Schreibzyklen zu verkürzen. Einige verwenden ein qualitativ hochwertiges Segment der SSD für den Cache und eine geringere Qualität für niedrige Kosten und große Abmessungen.

Moderne SSDs für Endverbraucher von guter Qualität können in einem Endverbrauchergerät eine lange Lebensdauer haben. Ich habe einige 5+ Jahre alt, die noch arbeiten. Ich habe auch ein paar billige, neue, die nach ein paar Monaten versagten. Manchmal ist es einfach (Pech).