Mengapa sektor SSD memiliki daya tahan tulis yang terbatas?

Saya sering melihat orang-orang menyebutkan bahwa sektor SSD memiliki jumlah penulisan yang terbatas sebelum rusak, terutama bila dibandingkan dengan hard drive klasik (disk berputar) di mana sebagian besar gagal karena kegagalan mekanis, bukan sektor yang rusak. Saya ingin tahu mengapa itu terjadi.

Saya mencari penjelasan teknis namun berorientasi konsumen, yaitu komponen persis yang gagal dan mengapa sering menulis mempengaruhi kualitas komponen itu, tetapi menjelaskan sedemikian rupa sehingga tidak memerlukan pengetahuan ekstrim tentang SSD.

Disalin dari "Mengapa Flash Wears Out dan Cara Membuatnya Lebih Lama" :

NAND flash menyimpan informasi dengan mengendalikan jumlah elektron di suatu daerah yang disebut "gerbang mengambang". Elektron-elektron ini mengubah sifat konduktif dari sel memori (tegangan gerbang diperlukan untuk menghidupkan dan mematikan sel), yang pada gilirannya digunakan untuk menyimpan satu atau lebih bit data dalam sel. Inilah sebabnya mengapa kemampuan gerbang mengambang untuk menahan muatan sangat penting bagi kemampuan sel untuk secara andal menyimpan data.

Proses Menulis dan Menghapus Penyebab Memakai

Ketika ditulis dan dihapus selama penggunaan normal, lapisan oksida yang memisahkan gerbang mengambang dari substrat terdegradasi, mengurangi kemampuannya menahan muatan untuk waktu yang lama. Setiap perangkat penyimpanan solid-state dapat mempertahankan jumlah degradasi yang terbatas sebelum menjadi tidak dapat diandalkan, yang berarti masih dapat berfungsi tetapi tidak secara konsisten. Jumlah penulisan dan penghapusan (siklus P / E) yang dapat dipertahankan oleh perangkat NAND dengan tetap mempertahankan output yang konsisten dan dapat diprediksi, menentukan daya tahannya.

Bayangkan selembar kertas dan pensil biasa. Sekarang merasa bebas untuk menulis dan menghapus sebanyak yang Anda inginkan di satu tempat di atas kertas. Berapa lama sebelum Anda berhasil menembus kertas?

SSD dan USB flash drive memiliki konsep dasar ini tetapi pada tingkat elektron.

Masalahnya adalah bahwa media flash NAND yang digunakan mengalami degradasi pada setiap penghapusan. Proses menghapus melibatkan memukul sel flash dengan muatan energi listrik yang relatif besar , ini menyebabkan lapisan semikonduktor pada chip itu sendiri menurun sedikit.

Kerusakan ini dalam jangka panjang, meningkatkan laju bit-error yang dapat diperbaiki dengan perangkat lunak, tetapi akhirnya kode koreksi kesalahan rutin dalam pengontrol flash tidak dapat mengimbangi kesalahan ini dan sel flash menjadi tidak dapat diandalkan.

Jawaban saya diambil dari orang-orang yang memiliki lebih banyak pengetahuan daripada saya!

SSD menggunakan apa yang disebut memori flash. Sebuah proses fisik terjadi ketika data ditulis ke sel (elektron bergerak masuk dan keluar.) Ketika ini terjadi, itu mengikis struktur fisik. Proses ini sangat mirip dengan erosi air; akhirnya terlalu banyak dan tembok memberi jalan. Ketika ini terjadi, sel dianggap tidak berguna.

Cara lain adalah bahwa elektron-elektron ini dapat "macet," membuatnya lebih sulit bagi sel untuk dibaca dengan benar. Analogi untuk ini adalah banyak orang berbicara pada saat yang bersamaan, dan sulit untuk mendengar siapa pun. Anda dapat memilih satu suara, tetapi mungkin yang salah!

SSD mencoba untuk menyebarkan beban secara merata di antara sel-sel yang digunakan sehingga mereka melemah secara merata. Akhirnya sebuah sel akan mati dan ditandai sebagai tidak tersedia. SSD memiliki area "sel overprovisioned," yaitu sel cadangan (pikirkan pengganti dalam olahraga). Ketika sel mati, salah satunya digunakan sebagai gantinya. Akhirnya semua sel ekstra ini digunakan juga dan SSD perlahan-lahan akan menjadi tidak dapat dibaca.

Semoga itu adalah jawaban yang ramah konsumen!

Edit: Sumber Di Sini

Hampir semua SSD konsumen menggunakan teknologi memori yang disebut NAND flash memory. Batas ketahanan tulis disebabkan oleh cara kerja memori flash.

Sederhananya, memori flash beroperasi dengan menyimpan elektron di dalam penghalang isolasi. Membaca sel memori flash melibatkan memeriksa tingkat dayanya, sehingga untuk mempertahankan data yang tersimpan, muatan elektron harus tetap stabil dari waktu ke waktu. Untuk meningkatkan kepadatan penyimpanan dan mengurangi biaya, sebagian besar SSD menggunakan memori flash yang membedakan antara tidak hanya dua level pengisian yang mungkin (satu bit per sel, SLC), tetapi empat (dua bit per sel, MLC), delapan (tiga bit per sel, TLC ), atau bahkan 16 (empat bit per sel, TLC).

Menulis ke memori flash memerlukan penggerak tegangan tinggi untuk memindahkan elektron melalui isolator, suatu proses yang secara bertahap memakainya. Sebagai isolasi habis, sel kurang mampu menjaga muatan elektronnya stabil, akhirnya menyebabkan sel gagal menyimpan data. Dengan TLC dan khususnya QLC NAND, sel-sel sangat sensitif terhadap muatan yang melayang ini karena kebutuhan untuk membedakan antara lebih banyak level untuk menyimpan banyak bit data.

Untuk lebih meningkatkan kepadatan penyimpanan dan mengurangi biaya, proses yang digunakan untuk memproduksi memori flash telah diperkecil secara dramatis, hingga sekecil 15nm saat ini — dan sel-sel yang lebih kecil cepat rusak. Untuk flash NAND planar (bukan 3D NAND), ini berarti bahwa sementara SLC NAND dapat bertahan puluhan atau bahkan ratusan ribu siklus tulis, MLC NAND biasanya baik untuk hanya sekitar 3.000 siklus dan TLC hanya 750 hingga 1.500 siklus.

3D NAND, yang menumpuk sel NAND satu di atas yang lain, dapat mencapai kepadatan penyimpanan yang lebih tinggi tanpa harus mengecilkan sel sebagai kecil, yang memungkinkan daya tahan penulisan yang lebih tinggi. Sementara Samsung telah kembali ke proses 40nm untuk NAND 3D-nya, produsen memori flash lain seperti Micron telah memutuskan untuk menggunakan proses kecil pula (meskipun tidak sekecil planar NAND) untuk memberikan kepadatan penyimpanan maksimum dan biaya minimum. Peringkat daya tahan umum untuk 3D TLC NAND adalah sekitar 2.000 hingga 3.000 siklus, tetapi dapat lebih tinggi di perangkat kelas perusahaan. 3D QLC NAND biasanya diberi peringkat sekitar 1.000 siklus.

Teknologi memori yang muncul yang disebut 3D XPoint, yang dikembangkan oleh Intel dan Micron, menggunakan pendekatan yang sama sekali berbeda untuk menyimpan data yang tidak tunduk pada keterbatasan daya tahan memori flash. 3D XPoint juga jauh lebih cepat daripada memori flash, cukup cepat untuk berpotensi menggantikan DRAM sebagai memori sistem. Intel akan menjual perangkat menggunakan teknologi 3D XPoint di bawah merek Optane, sementara Micron akan memasarkan perangkat 3D XPoint di bawah merek QuantX. SSD konsumen dengan teknologi ini dapat memasuki pasar segera setelah 2017, meskipun saya yakin bahwa karena alasan biaya, 3D NAND (terutama dari jenis TLC) akan menjadi bentuk penyimpanan massal yang dominan untuk beberapa tahun ke depan.

Sel flash menyimpan listrik statis . Ini persis sama dengan muatan yang dapat Anda simpan di balon yang melambung: Anda menempatkan beberapa elektron tambahan di atasnya ^∗ .

Apa yang istimewa tentang listrik statis adalah tetap di tempatnya . Biasanya dalam elektronik, semuanya terhubung ke segala sesuatu dengan konduktor, dan bahkan jika ada resistor besar antara balon dan tanah maka muatannya akan hilang dengan cepat ^† . Alasan mengapa balon tetap diisi adalah karena udara sebenarnya adalah isolator: ia memiliki resistivitas tak terbatas .

Biasanya begitu. Karena semua materi ^‡ terdiri dari elektron dan pantat atom, Anda dapat menjadikan apa pun sebagai konduktor: cukup gunakan energi yang cukup, dan beberapa elektron akan terlepas dan (untuk sementara waktu) bebas bergerak mendekati balon, atau lebih jauh dari saya t. Ini sebenarnya terjadi di udara dengan listrik statis: kita tahu proses ini sebagai kilat !

Saya tidak perlu menekankan bahwa kilat adalah proses yang agak kasar. Elektron ini adalah bagian penting dari struktur kimia materi. Dalam kasus udara, petir menyisakan sedikit oksigen dan nitrogen diubah menjadi ozon dan nitrogen dioksida. Hanya karena udara terus bergerak dan berbaur dan zat-zat itu pada akhirnya bereaksi kembali ke oksigen dan nitrogen, maka tidak ada "bahaya terus-menerus" yang dilakukan, dan udara masih merupakan isolator.

Tidak demikian halnya dengan sel flash: di sini, isolator harus jauh lebih ringkas. Ini hanya layak dengan lapisan oksida padat. Benda yang kokoh, tetapi juga tidak tahan terhadap efek pemaksaan muatan melalui bahan konduktif. Dan itulah yang akhirnya merusak sel flash, jika Anda mengubah kondisinya terlalu sering.

Sebaliknya, sel DRAM tidak memiliki isolator yang tepat di dalamnya. Itu sebabnya perlu disegarkan secara berkala, berkali-kali per detik, agar tidak kehilangan informasi; Namun, karena itu semua hanya pengangkutan muatan konduktif biasa, tidak ada hal buruk yang biasanya terjadi jika Anda mengubah keadaan sel RAM. Oleh karena itu, RAM mengalami lebih banyak siklus baca / tulis daripada flash.

^∗ _{Atau, untuk muatan positif, Anda menghilangkan beberapa elektron dari ikatan molekul. Anda perlu mengambil sedikit sehingga ini tidak mempengaruhi struktur kimia dengan cara yang dapat dideteksi.}

^Charges _{Muatan statis ini sebenarnya kecil . Bahkan baterai arloji terkecil yang bertahan selama bertahun-tahun memasok daya yang cukup setiap detik untuk mengisi daya ratusan balon! Hanya saja tidak memiliki voltase yang cukup untuk menembus penghalang potensial yang patut diperhatikan.}

^‡ _{Setidaknya, semua materi di bumi ... jangan mempersulit hal-hal dengan pergi ke bintang neutron.}

Kurang teknis, dan jawaban untuk apa yang saya yakini OP maksudkan dengan "Saya sering melihat orang-orang menyebutkan bahwa SSD memiliki jumlah penulisan yang terbatas di sektor mereka sebelum menjadi buruk, terutama dibandingkan dengan hard disk drive berputar klasik, di mana sebagian besar drive gagal karena kerusakan mekanis, bukan sektor yang rusak. "
Saya akan menafsirkan pertanyaan OP sebagai, "Karena SSD gagal jauh lebih sering daripada pemintalan karat, bagaimana bisa menggunakan satu memberikan keandalan yang masuk akal?"

Ada dua jenis keandalan dan kegagalan. Salah satunya adalah hal yang gagal sepenuhnya karena usia, kualitas, penyalahgunaan, dll. Atau, mungkin ada kesalahan sektor karena banyak baca / tulis.

Kesalahan sektor terjadi di semua media. Pengontrol drive (SSD atau pemintalan) akan memetakan kembali data sektor yang gagal ke sektor baru. Jika gagal sepenuhnya, maka mungkin masih memetakan kembali, tetapi data hilang. Dalam SSD, sektor ini besar dan sering gagal total.

SSD dapat memiliki satu atau kedua jenis keandalan. Masalah siklus baca / tulis dapat dibantu dengan
memiliki drive yang lebih besar. Jika Anda memiliki drive kecil dan menggunakannya untuk OS seperti Windows, maka ia akan mendapatkan banyak siklus baca / tulis. OS yang sama pada drive kapasitas yang jauh lebih besar akan memiliki siklus lebih sedikit. Jadi, bahkan drive dengan "hanya" beberapa ribu siklus mungkin tidak menjadi masalah jika setiap sektor tidak sering dihapus.
Menyeimbangkan data - SSD akan memindahkan data dari sektor yang sering digunakan ke yang lebih jarang digunakan. Pikirkan tentang OS lagi, dan perbarui, vs. foto yang Anda ambil dan hanya ingin disimpan. Pada titik tertentu, SSD mungkin menukar lokasi fisik foto dan file OS untuk menyeimbangkan siklus.
Kompresi - mengompresi data membutuhkan lebih sedikit ruang, sehingga lebih sedikit penulisan.

Lalu ada kualitas komponen. Mendapatkan SSD atau USB termurah yang mungkin Anda temukan mungkin bekerja untuk sementara waktu, tetapi kualitas yang dibuat untuk penggunaan perusahaan akan bertahan lebih lama, tidak hanya dalam siklus penghapusan tetapi dalam penggunaan total.

Ketika drive menjadi lebih besar dan lebih besar (seperti 100-1000GB) kemudian menghapus siklus menjadi lebih sedikit masalah meskipun mereka dapat mempertahankan lebih sedikit penulisan. Beberapa drive akan menggunakan DRAM sebagai cache untuk membantu menurunkan siklus penulisan. Beberapa akan menggunakan segmen SSD berkualitas tinggi untuk cache dan kualitas lebih rendah untuk biaya rendah dan ukuran besar.

SSD konsumen modern berkualitas baik dapat bertahan lama di mesin konsumen. Saya masih berusia 5+ tahun yang masih bekerja. Saya juga punya beberapa yang murah dan baru yang gagal setelah beberapa bulan. Terkadang itu hanya keberuntungan (buruk).