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

Costumo ver as pessoas mencionarem que os setores de SSD têm um número limitado de gravações antes de ficarem ruins, especialmente quando comparados aos discos rígidos clássicos (discos rotativos), onde a maioria deles falha devido a uma falha mecânica, e não a setores que estão mal. Estou curioso sobre o porquê disso.

Estou procurando uma explicação técnica, mas orientada para o consumidor, ou seja, o componente exato que falha e por que as gravações freqüentes afetam a qualidade desse componente, mas explicado de tal maneira que não requer uma quantidade extrema de conhecimento sobre SSDs.

Copiado de "Por que o Flash se desgasta e como fazer com que ele dure mais tempo" :

O flash NAND armazena as informações controlando a quantidade de elétrons em uma região chamada “portão flutuante”. Esses elétrons alteram as propriedades condutoras da célula de memória (a voltagem necessária para ligar e desligar a célula), que por sua vez é usada para armazenar um ou mais bits de dados na célula. É por isso que a capacidade do portão flutuante de reter uma carga é fundamental para a capacidade da célula de armazenar dados de maneira confiável.

Processos de gravação e exclusão causam desgaste

Quando gravada e apagada durante o curso normal de uso, a camada de óxido que separa a porta flutuante do substrato se degrada, reduzindo sua capacidade de reter uma carga por um longo período de tempo. Cada dispositivo de armazenamento de estado sólido pode sustentar uma quantidade finita de degradação antes de se tornar não confiável, o que significa que ainda pode funcionar, mas não de forma consistente. O número de gravações e apagamentos (ciclos P / E) que um dispositivo NAND pode suportar, mantendo uma saída consistente e previsível, define sua resistência.

Imagine um pedaço de papel comum e lápis. Agora, sinta-se à vontade para escrever e apagar quantas vezes quiser, em um ponto do papel. Quanto tempo leva para você passar no papel?

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

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

Esse dano a longo prazo aumenta as taxas de erros de bits que podem ser corrigidas com o software, mas eventualmente as rotinas do código de correção de erros no controlador flash não conseguem acompanhar esses erros e a célula flash se torna não confiável.

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, eles corrói a estrutura física. Esse processo é muito parecido com a erosão hídrica; eventualmente é demais e a parede cede. Quando isso acontece, a célula fica inútil.

Outra maneira é que esses elétrons podem "ficar presos", dificultando a leitura correta da célula. A analogia para isso é muita gente falando ao mesmo tempo, e é difícil ouvir alguém. Você pode escolher uma voz, mas pode ser a errada!

Os SSDs tentam distribuir a carga uniformemente 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, um deles é usado. Eventualmente, todas essas células extras também são usadas e o SSD lentamente se torna ilegível.

Espero que tenha sido uma resposta amigável ao consumidor!

Editar: Fonte Aqui

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

Simplificando, a memória flash opera armazenando elétrons dentro de uma barreira isolante. A leitura de uma célula de memória flash envolve a verificação do nível de carga, 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 entre não apenas dois níveis de carga possíveis (um bit por célula, SLC), mas quatro (dois bits por célula, MLC), oito (três bits por célula, TLC ) ou até 16 (quatro bits por célula, TLC).

Gravar na memória flash requer direcionar uma voltagem elevada para mover elétrons através do isolador, um processo que o desgasta gradualmente. À medida que o isolamento se desgasta, a célula é menos capaz de manter estável a carga de elétrons, causando, eventualmente, a falha da célula em reter dados. Com o TLC e, em particular, o QLC NAND, as células são particularmente sensíveis a esse desvio de carga devido à necessidade de distinguir entre mais níveis para armazenar vários 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 hoje - e células menores se desgastam mais rapidamente. Para flash NAND planar (não 3D NAND), isso significa que, embora o SLC NAND possa durar dezenas ou até centenas de milhares de ciclos de gravação, o MLC NAND normalmente é bom para apenas cerca de 3.000 ciclos e o TLC apenas 750 a 1.500 ciclos.

O 3D NAND, que empilha as células NAND umas sobre as outras, pode atingir maior densidade de armazenamento sem precisar diminuir as células como pequenas, o que permite maior resistência à gravação. Embora a Samsung tenha voltado a um processo de 40 nm para o 3D NAND, outros fabricantes de memória flash, como a Micron, decidiram usar pequenos processos de qualquer maneira (embora não tão pequenos quanto o NAND plano) para oferecer densidade máxima de armazenamento e custo mínimo. As classificações típicas de resistência do 3D TLC NAND são de 2.000 a 3.000 ciclos, mas podem ser mais altas em dispositivos de classe empresarial. O 3D QLC NAND é normalmente classificado para cerca de 1.000 ciclos.

Uma tecnologia de memória emergente chamada 3D XPoint, desenvolvida pela Intel e Micron, usa uma abordagem completamente diferente para armazenar dados que não está sujeito às limitações de resistência da memória flash. O 3D XPoint também é muito mais rápido que a memória flash, rápido o suficiente para substituir a 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 consumidores com essa 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.

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 a eletricidade estática é que ela permanece no lugar . Normalmente, na eletrônica, tudo está conectado de alguma forma aos condutores, e mesmo que haja um grande resistor entre um balão e o terra, a carga desaparecerá rapidamente ^† . A razão pela qual um balão permanece carregado é que o ar é realmente um isolador: possui resistividade infinita .

Normalmente é isso. Como toda a matéria ^‡ consiste em elétrons e aglomerados de átomos, você pode transformar qualquer coisa em um condutor: basta aplicar energia suficiente, e alguns elétrons se soltarão e ficarão (por um curto período de tempo) livres para se aproximar do balão ou mais longe. isto. Na verdade, isso acontece no ar com eletricidade estática: conhecemos esse processo como um raio !

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, os raios deixam 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 acabam reagindo ao oxigênio e ao nitrogênio é que não há “dano persistente”, e o ar ainda é um isolador.

Não é assim no caso de uma célula flash: aqui, o isolador deve ser muito mais compacto. Isso só é possível 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 acaba destruindo uma célula flash, se você mudar de estado com muita frequência.

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

^∗ _{Ou, para uma carga positiva, você remove alguns elétrons das ligações das moléculas. Você precisa de tão poucos que isso não afete a estrutura química de maneira detectável.}

^† _{Essas cargas estáticas são realmente pequenas . Até a menor bateria de relógio que dura anos fornece carga suficiente a cada segundo para carregar centenas de balões! Ele simplesmente não possui voltagem suficiente para atravessar qualquer barreira potencial notável.}

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

Menos técnico e uma resposta ao que eu acredito que OP significa por "Eu sempre vejo as pessoas mencionarem que os SSDs têm uma quantidade limitada de gravações em seus setores antes de ficarem ruins, especialmente em comparação com os discos rígidos rotativos clássicos, nos quais a maioria das unidades falha 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 pode proporcionar uma confiabilidade razoável?"

Existem dois tipos de confiabilidade e falha. Um é que a coisa falha completamente devido à idade, qualidade, abuso, etc. Ou pode haver um erro no setor devido a muita leitura / gravação.

Erros do setor ocorrem em todas as mídias. O controlador da unidade (SSD ou rotação) irá mapear novamente os dados do setor com falha para um novo setor. Se falhar completamente, ainda poderá remapear, mas os dados serão perdidos. No SSD, o setor é grande e geralmente falha completamente.

Os SSDs podem ter um ou ambos os tipos de confiabilidade. Os problemas do ciclo de leitura / gravação podem ser ajudados com
uma unidade maior. Se você possui uma unidade pequena e a utiliza para sistemas operacionais como o Windows, haverá muitos ciclos de leitura / gravação. O mesmo sistema operacional em uma unidade de capacidade muito, muito maior terá menos ciclos. Portanto, 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 dados de setores usados ​​com frequência para setores usados ​​com menos frequência. Pense no sistema operacional novamente e nas atualizações versus uma foto que você tirou e apenas deseja manter. Em algum momento, o SSD pode trocar os locais físicos da foto e um arquivo do SO para equilibrar os ciclos.
Compactação - a compactação de dados ocupa menos espaço e, portanto, menos gravação.

Depois, há qualidade dos componentes. A obtenção do SSD ou USB mais barato que você pode encontrar pode funcionar por um tempo, mas uma qualidade feita para uso corporativo durará muito mais tempo, não apenas em ciclos de apagamento, mas em uso total.

À medida que as unidades aumentam e aumentam (como 100-1000 GB), os ciclos de apagamento se tornam menos problemáticos, embora possam suportar menos gravações. Algumas unidades usarão a DRAM como cache para ajudar a diminuir os ciclos de gravação. Alguns usarão um segmento de alta qualidade do SSD para cache e qualidade inferior para baixo custo e tamanho grande.

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