Pourquoi les secteurs SSD ont une endurance en écriture limitée?

Je vois souvent des gens dire que les secteurs des disques SSD ont un nombre limité d'écritures avant de se détériorer, en particulier par rapport aux disques durs classiques (disques rotatifs) où la plupart de ces écritures échouent à cause de pannes mécaniques et non de secteurs. Je suis curieux de savoir pourquoi.

Je cherche une explication technique mais orientée vers le consommateur, à savoir le composant exact qui échoue et pourquoi des écritures fréquentes affectent la qualité de ce composant, mais expliqué de manière à ne pas nécessiter une connaissance extrême des disques SSD.

Copié à partir de "Pourquoi Flash s'use-t-il et comment le faire durer plus longtemps" :

La mémoire flash NAND stocke les informations en contrôlant la quantité d'électrons dans une région appelée «porte flottante». Ces électrons modifient les propriétés conductrices de la cellule de mémoire (la tension de grille nécessaire pour allumer et éteindre la cellule), qui est utilisée pour stocker un ou plusieurs bits de données dans la cellule. C'est pourquoi la capacité de la porte flottante à retenir une charge est essentielle à la capacité de la cellule à stocker des données de manière fiable.

Les processus d'écriture et d'effacement causent l'usure

Lorsqu’elle est écrite et effacée au cours de son utilisation normale, la couche d’oxyde séparant la grille flottante du substrat se dégrade, ce qui réduit sa capacité à retenir une charge pendant une période de temps prolongée. Chaque périphérique de stockage à l'état solide peut subir une dégradation finie avant de devenir peu fiable, ce qui signifie qu'il peut toujours fonctionner mais de manière non cohérente. Le nombre d'écritures et d'effacements (cycles P / E) qu'un appareil NAND peut gérer tout en maintenant une sortie cohérente et prévisible définit son endurance.

Imaginez un morceau de papier ordinaire et un crayon. Maintenant, n'hésitez pas à écrire et effacer autant de fois que vous le souhaitez à un endroit du papier. Combien de temps faut-il avant que vous passiez à travers le papier?

Les SSD et les clés USB ont ce concept de base mais au niveau électronique.

Le problème est que le substrat flash NAND utilisé subit une dégradation à chaque effacement. Le processus d’ effacement implique de frapper la cellule flash avec une charge relativement importante d’énergie électrique , ce qui entraîne une légère dégradation de la couche semi-conductrice sur la puce elle-même.

Ces dommages sur le long terme augmentent les taux d'erreur sur les bits qui peuvent être corrigés avec le logiciel, mais les routines de code de correction d'erreur du contrôleur de mémoire flash ne peuvent pas suivre ces erreurs et la cellule flash devient peu fiable.

Ma réponse est tirée de personnes ayant plus de connaissances que moi!

Les SSD utilisent ce qu'on appelle la mémoire flash. Un processus physique se produit lorsque des données sont écrites dans une cellule (les électrons entrent et sortent.) Lorsque cela se produit, ils érodent la structure physique. Ce processus ressemble beaucoup à l'érosion hydrique; finalement c'est trop et le mur cède la place. Lorsque cela se produit, la cellule est rendue inutile.

Une autre façon est que ces électrons peuvent rester "bloqués", ce qui rend plus difficile la lecture correcte de la cellule. L'analogie avec ceci est que beaucoup de gens parlent en même temps, et il est difficile d'entendre qui que ce soit. Vous pouvez choisir une voix, mais ce peut être la mauvaise!

Les disques SSD essaient de répartir la charge de manière uniforme entre les cellules en cours d'utilisation, de manière à ce qu'ils s'usent de manière uniforme. Finalement, une cellule mourra et sera marquée comme indisponible. Les disques SSD ont une zone de «cellules sur-approvisionnées», c’est-à-dire des cellules de réserve (pensez aux substituts dans le sport). Lorsqu'une cellule meurt, l'un d'entre eux est utilisé à la place. Finalement, toutes ces cellules supplémentaires sont également utilisées et le disque SSD deviendra lentement illisible.

J'espère que c'était une réponse conviviale pour le consommateur!

Edit: Source Here

Presque tous les disques SSD grand public utilisent une technologie de mémoire appelée mémoire flash NAND. La limite d'endurance en écriture est due au mode de fonctionnement de la mémoire flash.

En termes simples, la mémoire flash fonctionne en stockant des électrons à l'intérieur d'une barrière isolante. La lecture d'une cellule de mémoire flash implique la vérification de son niveau de charge. Par conséquent, pour conserver les données stockées, la charge des électrons doit rester stable dans le temps. Pour augmenter la densité de stockage et réduire les coûts, la plupart des disques SSD utilisent une mémoire flash qui distingue non seulement deux niveaux de charge possibles (un bit par cellule, SLC), mais quatre (deux bits par cellule, MLC), huit (trois bits par cellule, TLC). ), voire 16 (quatre bits par cellule, TLC).

Ecrire dans une mémoire flash nécessite de générer une tension élevée pour déplacer des électrons à travers l'isolant, un processus qui l'usure progressivement. À mesure que l'isolant s'use, la cellule est moins capable de garder sa charge d'électrons stable, ce qui finit par empêcher la cellule de conserver les données. Avec la CCM et en particulier avec la technologie QLC NAND, les cellules sont particulièrement sensibles à cette dérive de charge en raison de la nécessité de distinguer davantage de niveaux pour stocker plusieurs bits de données.

Pour augmenter encore la densité de stockage et réduire les coûts, le processus utilisé pour fabriquer la mémoire flash a été considérablement réduit à 15 nm aujourd'hui, et les cellules plus petites s'usent plus rapidement. Cela signifie que même si le NAND SLC peut durer des dizaines, voire des centaines de milliers de cycles d’écriture, le NAND MLC n’est bon que pour environ 3 000 cycles et le TLC pour seulement 750 à 1 500 cycles.

La 3D NAND, qui empile les cellules NAND les unes sur les autres, peut atteindre une densité de stockage plus élevée sans devoir réduire la taille des cellules, ce qui permet une plus grande endurance à l'écriture. Alors que Samsung est revenu à un processus de 40 nm pour sa NAND 3D, d’autres fabricants de mémoires flash, tels que Micron, ont néanmoins décidé d’utiliser des processus de petite taille (mais pas aussi petits que la NAND planaire) pour offrir une densité de stockage maximale et un coût minimal. Les valeurs nominales d'endurance pour la NAND 3D TLC sont d'environ 2 000 à 3 000 cycles, mais peuvent être supérieures dans les dispositifs d'entreprise. 3D QLC NAND est généralement évalué pour environ 1 000 cycles.

Une technologie de mémoire émergente appelée 3D XPoint, développée par Intel et Micron, utilise une approche complètement différente pour stocker des données qui ne sont pas soumises aux limites d'endurance de la mémoire flash. 3D XPoint est également beaucoup plus rapide que la mémoire flash, suffisamment rapide pour remplacer potentiellement la mémoire DRAM en tant que mémoire système. Intel vendra des appareils utilisant la technologie 3D XPoint sous la marque Optane, tandis que Micron commercialisera des appareils 3D XPoint sous la marque QuantX. Les SSD grand public dotés de cette technologie pourraient arriver sur le marché dès 2017, même si je suis convaincu que, pour des raisons de coût, la 3D NAND (principalement de la gamme TLC) constituera la forme dominante de stockage de masse au cours des prochaines années.

Une cellule flash stocke l'électricité statique . C'est exactement le même genre de frais que vous pouvez stocker sur un ballon gonflé: vous placez quelques électrons supplémentaires à ce sujet ^* .

L’électricité statique a la particularité de rester en place . Normalement, dans l’électronique, tout est relié aux conducteurs d’une manière ou d’une autre, et même s’il ya une grande résistance entre un ballon et la terre, la charge disparaîtra assez rapidement ^† . La raison pour laquelle un ballon reste chargé est que l'air est en réalité un isolant: sa résistivité est infinie .

Normalement, c'est. Étant donné que toute la matière ^‡ se compose d'électrons et croupes atome, vous pouvez faire quoi que ce soit un conducteur: il suffit d' appliquer suffisamment d' énergie, et certains des électrons ébranlerez lâche et être (pendant une courte période) libre de se déplacer plus près du ballon, ou encore de il. Cela se produit réellement dans l'air avec de l'électricité statique: nous savons que ce processus est un éclair !

Je n'ai pas à souligner que la foudre est un processus plutôt violent. Ces électrons sont une partie cruciale de la structure chimique de la matière. Dans le cas de l'air, la foudre laisse une partie de l'oxygène et de l'azote transformés en ozone et en dioxyde d'azote. Ce n'est que parce que l'air continue à se déplacer et à se mélanger et que ces substances réagissent en retour à l'oxygène et à l'azote que le «dommage persistant» n'est pas causé, et que l'air est toujours un isolant.

Ce n’est pas le cas dans le cas d’une cellule flash: ici, l’isolant doit être beaucoup plus compact. Cela n'est possible qu'avec des couches d'oxydes à l'état solide. Le matériel solide, mais il n'est pas non plus imperméable aux effets de forcer une charge à travers le matériau conducteur. Et c'est ce qui finit par détruire une cellule flash, si vous changez son état trop souvent.

En revanche, une cellule DRAM ne contient pas d’isolants appropriés. C'est pourquoi il doit être actualisé périodiquement, plusieurs fois par seconde, pour ne pas perdre d'informations. Cependant, comme il ne s'agit que de transports de charges conductrices ordinaires, il ne se passe généralement rien de grave si vous modifiez l'état d'une cellule RAM. Par conséquent, la RAM subit beaucoup plus de cycles de lecture / écriture que le flash.

^* _{Ou, pour une charge positive, vous supprimez des électrons de liaisons molécule. Vous devez en prendre si peu que cela n'affecte pas la structure chimique de manière détectable.}

^† _{Ces charges statiques sont réellement minuscules . Même la plus petite pile de montre qui dure des années fournit suffisamment de charge chaque seconde pour charger des centaines de ballons! Il n'a tout simplement pas assez de tension pour percer une barrière potentielle notable.}

^‡ _{Au moins, toute la matière sur la terre ... ne compliquons pas les choses en allant aux étoiles à neutrons.}

"Je vois souvent des gens dire que les disques SSD ont un nombre limité d'écritures dans leur secteur avant de se détériorer, en particulier par rapport aux disques durs à disques rotatifs classiques, où la plupart des disques tombent en panne en raison de défaillance mécanique, pas de secteurs qui vont mal. "
J'interprète la question du PO comme suit: "Puisque les disques SSD échouent beaucoup plus souvent que la rouille en rotation, comment utiliser l'un d'eux donne-t-il une fiabilité raisonnable?"

Il existe deux types de fiabilité et d'échec. La première est que la chose échoue complètement en raison de l’âge, de la qualité, des abus, etc. Elle peut aussi avoir une erreur de secteur en raison de beaucoup de lecture / écriture.

Les erreurs de secteur se produisent sur tous les supports. Le contrôleur de lecteur (SSD ou spinning) réaffectera les données d'un secteur défaillant à un nouveau secteur. Si le processus a complètement échoué, il est toujours possible de procéder à un remappage, mais les données sont perdues. En SSD, le secteur est vaste et échoue souvent complètement.

Les disques SSD peuvent avoir un ou deux types de fiabilité. Les problèmes de cycle lecture / écriture peuvent être aidés avec
un lecteur plus grand. Si vous avez un petit lecteur et que vous l'utilisez pour un système d'exploitation tel que Windows, il subira de nombreux cycles de lecture / écriture. Le même système d'exploitation sur un lecteur de capacité beaucoup plus grande aura moins de cycles. Ainsi, même un disque avec "seulement" quelques milliers de cycles peut ne pas être un problème si chaque secteur n'est pas effacé fréquemment.
Équilibrage des données - Les disques SSD déplaceront les données des secteurs fréquemment utilisés vers ceux qui le sont moins. Pensez à nouveau au système d'exploitation et aux mises à jour, par rapport à une photo que vous avez prise et que vous souhaitez conserver. À un moment donné, le SSD peut permuter les emplacements physiques de la photo et un fichier du système d'exploitation pour équilibrer les cycles.
Compression - La compression des données prend moins de place, donc moins d'écriture.

Ensuite, il y a la qualité des composants. Obtenir le disque SSD ou USB le moins cher que vous pouvez trouver peut fonctionner pendant un certain temps, mais un disque de qualité conçu pour une utilisation en entreprise durera beaucoup plus longtemps, pas seulement en cycles d’effacement, mais également en utilisation totale.

À mesure que les disques deviennent de plus en plus gros (100-1000 Go, par exemple), les cycles d'effacement deviennent moins problématiques, même s'ils peuvent supporter moins d'écritures. Certains lecteurs utiliseront la mémoire DRAM comme cache pour réduire les cycles d’écriture. Certains utiliseront un segment de haute qualité du disque SSD pour la mémoire cache et une qualité inférieure pour un coût réduit et une taille importante.

Les disques SSD grand public modernes et de bonne qualité peuvent durer très longtemps sur une machine grand public. J'ai quelque 5 ans qui fonctionnent toujours. J'ai aussi quelques nouveaux, bon marché, qui ont échoué après quelques mois. Parfois, ce n'est que de la malchance.