Почему твёрдотельные накопители со временем деградируют.
По мере развития технологий использование твёрдотельных накопителей (SSD) становится всё более популярным для компьютеров и ноутбуков. Но, даже при их преимуществах перед традиционными жёсткими дисками (HDD), твёрдотельные накопители со временем могут начать деградировать. Если у вас есть твёрдотельный накопитель или вы планируете его приобрести, важно понимать, почему с возрастом его производительность снижается.
Объяснён износ твёрдотельных накопителей
Твёрдотельные накопители со временем изнашиваются, поскольку данные на них можно записывать только определённое количество раз. При превышении циклов программирования и стирания твёрдотельные накопители становятся не надёжными. Механизмы проверки и исправления ошибок (ECC) не успевают за количеством ошибок, что приводит к отказу накопителя.
Одна из причин выхода из строя жёстких дисков — механические детали. С течением времени на эти накопители записывается всё больше данных, они изнашиваются, что в конечном итоге приводит к отказу.
С другой стороны, твёрдотельные накопители читают и записывают данные в электронном виде – так как же они могут подвергаться износу? Чтобы полностью разобраться в износе твёрдотельных накопителей, нам нужно изучить архитектуру твёрдотельных накопителей и то, как они хранят и удаляют данные.
Архитектура твёрдотельных накопителей
Каждый твёрдотельный накопитель, представленный на рынке, состоит из следующих компонентов:
- Флэш-память NAND: носитель информации, который может хранить данные даже при отключенном питании твёрдотельного накопителя. Он сделан из нескольких флэш-накопителей, которые состоят из нескольких блоков, в которых хранятся большие объёмы данных.
- Страницы: наименьшая единица данных, которую может хранить твёрдотельный накопитель.
- Контроллеры твёрдотельных накопителей: “мозги” твердотельных накопителей.
- Ячейки: основные строительные блоки твёрдотельных накопителей. Они могут хранить биты данных, а архитектура определяет, сколько битов может одновременно содержать ячейка.
Существует четыре типа флэш-накопителей NAND, о которых вам следует знать:
- Одноуровневая ячейка (SLC): один бит на ячейку.
- Многоуровневая ячейка (MLC): Два бита на ячейку.
- Трёхуровневая ячейка (TLC): три бита на ячейку
- Четырёхуровневая ячейка (QLC): четыре бита на ячейку
Компьютеры понимают двоичный язык и обмениваются данными – единицы и 0. Они представлены переключателями включения и выключения. Когда переключатель включен, он обозначается цифрой 1, а когда выключен — 0.
С этой точки зрения давайте внимательно рассмотрим флэш-память SLC NAND. Когда твёрдотельный накопитель хочет записать данные в одну из ячеек, он выполняет проверку напряжения, чтобы увидеть, заполнена ячейка или нет. Поскольку SLC может содержать только один бит на ячейку, возможны только два состояния – 1 и 0.
Теперь, если вы посмотрите на MLC, который может содержать два бита в каждой ячейке, это увеличивает количество состояний с 2 до 4. Аналогично, TLC допускает три бита на ячейку, что означает, что существует восемь возможных состояний напряжения.
Как твёрдотельные накопители хранят данные
Лучший способ понять, почему твёрдотельные накопители деградируют — это в первую очередь посмотреть, как они хранят данные. Когда вы захотите скопировать файл на накопитель, контроллер разобьет его на несколько частей. Они имеют размер страницы, который может варьироваться от 4 килобайт (КБ) до 16 килобайт (КБ).
У жёстких дисков нет проблем с хранением данных в одном и том же месте. Когда вам нужно сохранить новую информацию, программа занесёт эти данные в неиспользуемую часть вращающегося диска. Твёрдотельные накопители функционируют по другому, поскольку им необходимо стереть данные, прежде чем они смогут сохранить новые.
Твёрдотельные накопители имеют ограниченное количество программ и циклов стирания (P / E Cycles).
Твёрдотельный накопитель не может удалять страницы, если он хочет записать новые данные. Он может стирать только блоки, представляющие собой комбинацию нескольких страниц. Это происходит, даже если вы хотите удалить данные только с одной страницы.
Каждое флэш-хранилище NAND имеет ограничение на количество циклов записи и стирания данных, известных как циклы программирования и стирания (P / E).
Вы можете видеть недостаток в том, как твёрдотельные накопители обрабатывают данные, особенно при удалении информации. Многократное стирание целых блоков со временем приведёт к значительному износу. Хуже всего то, что износ не будет равномерным по всему устройству хранения, поскольку только некоторые ячейки будут подвержены большему износу, чем другие.
Как твёрдотельные накопители предотвращают износ
Они разработаны с использованием алгоритмов выравнивания износа
Твёрдотельные накопители выйдут из строя, даже если перестанет работать один блок. Так как же эти устройства хранения данных могут сохранять износ даже во всех ячейках? Это происходит с помощью алгоритмов выравнивания износа. В зависимости от того, как они спроектированы, эти алгоритмы перемещают страницы по кругу, даже между разными блоками. Это гарантирует, что износ распространяется по всем ячейкам.
Избыточное предоставление обеспечивает дополнительное хранилище
Возможно, вы заметили несоответствие между объёмом памяти, заявленным на твёрдотельных накопителях, и тем, сколько вы получаете после установки. Например, вы приобрели твёрдотельный накопитель ёмкостью 500 ГБ, но он в вашей системе показывает только 465 ГБ. Это несоответствие известно как перепроизводство. Это играет решающую роль в поддержании равномерного износа твёрдотельных накопителей.
Если твёрдотельный накопитель хочет удалить биты с одной страницы, он должен стереть блок. Это связано с тем, что флэш-память NAND позволяет записывать данные на страницу только тогда, когда она пуста.
К счастью, избыточное выделение ресурсов выгодно для твёрдотельных накопителей, предоставляя дополнительную память для накопителя. Он может перемещать данные с нескольких страниц на эти запасные блоки. Это позволяет устройству хранения удалить блок и восстановить сохраненную информацию в предыдущем блоке без какой-либо потери данных. Этот процесс известен как сборка мусора, который необходим для правильной функциональности твёрдотельных накопителей.
Избыточное пространство позволяет контроллеру выполнять различные функции для выравнивания износа ячеек. Он также приходит на помощь накопителю, когда твёрдотельный накопитель больше не может хранить информацию в виде блока. Устройство хранения данных заменит вышедший из строя блок на тот, который работает правильно, из переполненного пространства.
Если твёрдотельный накопитель должен пройти через этот процесс, это указывает на то, что вам необходимо заменить накопитель.
Коэффициент усиления записи (WAF) обеспечивает равномерный износ
Когда вы копируете файл со своего компьютера на твёрдотельный накопитель, вы не обязательно перемещаете данные, равные размеру файла.
Фактически, данные, записанные на твёрдотельный накопитель, могут быть больше, чем размер файла в вашей системе. Это несоответствие известно как коэффициент усиления записи (WAF). В идеале соотношение 1: 1 обеспечивает равномерный износ при копировании файлов.
Но это зависит от твёрдотельного накопителя и производителя. Более высокий WAF означает, что копирование файлов на твёрдотельный накопитель выполняется быстро. Но ячейки накопителя изнашиваются быстрее и выходят из строя раньше, чем ожидалось.
Почему твердотельные накопители со временем выходят из строя
Твёрдотельный накопитель достиг максимального номинального цикла P / E
Циклы стирания программ относятся к количеству раз, когда твёрдотельный накопитель может записать данные в определённый блок, прежде чем он начнёт деградировать. По мере того, как на твёрдотельный накопитель записывается всё больше данных, его блоки изнашиваются всё больше, пока один или несколько из них в конечном итоге не выходят из строя, что приводит к потере данных.
Чтобы пользователи твёрдотельных накопителей могли избежать этого, важно, чтобы они понимали ограничения своего конкретного накопителя и то, как часто его следует заменять — или, по крайней мере, регулярно создавать резервные копии — для обеспечения безопасности своих данных.
Вот соответствующие циклы ввода-вывода для различных архитектур:
- SLC – 100 000 циклов ввода-вывода.
- MLC – 10 000 циклов ввода-вывода.
- TLC – 3000 циклов ввода-вывода.
- QLC – 1000 циклов ввода-вывода.
Несмотря на то, что твёрдотельные накопители рассчитаны на такое количество циклов ввода в эксплуатацию, такие методы, как выравнивание износа, чрезмерная подготовка и удаление мусора, могут помочь увеличить срок службы твердотельных накопителей.
Твёрдотельный накопитель больше не может производить точные электрические разряды
MLC и TLC требуют значительной электрической точности для хранения данных. Это связано с количеством возможных состояний напряжения в ячейках. Например, поскольку TLC имеет 3 бита на ячейку, контроллеру потребуется в три раза больше времени для проверки состояния напряжения по сравнению с SLC.
Как это влияет на надежность?
Со временем способность устройства производить точные электрические разряды уменьшается. Вы можете думать об этом как о том, как люди становятся физически слабее в более позднем возрасте.
Из-за недостаточной точности контроллеру твёрдотельного накопителя будет трудно интерпретировать различные состояния напряжения. Например, он начнёт ошибочно принимать состояние off за on и наоборот.
Как правило, на твёрдотельных накопителях есть проверка и исправление ошибок (ECC) для решения этой проблемы, например, как очки могут помочь людям с плохим зрением правильно видеть. Эти механизмы помогают выявлять и исправлять ошибки, гарантируя, что запоминающее устройство точно считывает данные.
Ошибки привели к перегрузке механизмов ECC
Механизмы ECC не могут обрабатывать бесконечное количество ошибок, и со временем они могут перегружаться. В результате накопитель выйдет из строя и переключится в режим только для чтения. Это означает, что вы больше не сможете записывать данные на накопитель и вам придётся немедленно создавать резервные копии всего, что есть на диске.
На данном этапе данные будут доступны вам в течение ограниченного промежутка времени. По истечении этого периода срок службы твёрдотельного накопителя истечет, что означает, что данные будут потеряны навсегда.
Как проверить работоспособность вашего твердотельного накопителя
Если у вас уже есть твёрдотельный накопитель в вашей системе, вы можете задаться вопросом, сколько времени у вас есть до его выхода из строя. К счастью, производители используют технологию самоконтроля, анализа и отчётности (SMART).
Здесь представлена информация о твёрдотельном накопителе, например, время включения устройства хранения, его рабочая температура, продолжительность использования устройства и общий объём памяти. В зависимости от производителя вашего твёрдотельного накопителя вы можете загрузить их программное обеспечение.
Например, Samsung предлагает Samsung Magician Software, а Crucial — Crucial Store Executive. Это программное обеспечение также поставляется с функциями, которые помогут оптимизировать работу вашего накопителя.
Если производитель вашего твердотельного накопителя не предоставляет никакого программного обеспечения или вы ищете программное обеспечение, совместимое с большинством устройств хранения данных, вы можете ознакомиться с CrystalDiskInfo. Это бесплатное программное обеспечение предоставляет такую информацию, как:
- Оставшийся срок службы.
- Частота ошибок необработанного чтения.
- Количество ошибок при удалении.
- Перераспределенное количество блоков NAND.
Благодаря этой информации вы будете иметь чёткое представление о том, когда срок службы устройства хранения данных подходит к концу.
Почему твердотельные накопители различаются по цене
Если вы зайдёте на любой веб-сайт электронной коммерции, то обнаружите огромную разницу в цене между производителями твёрдотельных накопителей.
Имейте в виду, что дорогие твёрдотельные накопители не всегда могут быть лучше своих более дешёвых аналогов. Необходимо учитывать множество факторов, поэтому всегда лучше проверять отзывы технических обозревателей и пользователей, прежде чем принимать решение.
Количество циклов ввода-вывода
Как подчеркивалось ранее, в зависимости от архитектуры NAND flash, каждый твёрдотельный накопитель имеет определённое количество циклов ввода-вывода. Но чаще всего контроллеры определённых устройств хранения данных сталкиваются с проблемами, которые могут привести к сбоям.
Контроллеры
Контроллеры необходимы, поскольку они влияют на уровень износа устройства хранения данных. Им необходимо определить, как они будут разбивать данные на пакеты, где их хранить, их важность и как долго они будут оставаться на диске.
Также необходимо убедиться, что устройство хранения данных не использует одни и те же ячейки повторно. Другими словами, это будет копирование, удаление и передача данных на протяжении всего срока службы устройства хранения.
Принимая во внимание все эти проблемы, возникает потребность в надёжных контроллерах и алгоритмах.
Динамическая оперативная память (DRAM)
Ещё одним фактором, влияющим на стоимость, является динамическая оперативная память (DRAM) на кристалле твёрдотельного накопителя. Когда накопителю требуется расположение данных и место для хранения для различных функций чтения и записи, DRAM играет решающую роль в обеспечении выполнения этих функций.
Это повышает производительность при постоянном использовании твёрдотельного накопителя, гарантируя, что вы не столкнётесь с задержками или заиканиями в работе устройства. Без DRAM производительность твёрдотельных накопителей резко упадёт и достигнет точки, когда она может быть хуже скорости чтения и записи жёстких дисков.
Высококачественные контроллеры и алгоритмы могут увеличить срок службы твёрдотельных накопителей. Вот почему разные производители по-разному оценивают долговечность накопителей. В результате произойдет увеличение стоимости.
Место для хранения
Вы можете задаться вопросом, почему вы не видите твёрдотельных накопителей SLC на рынке. Они обладают превосходной надёжностью и работают быстрее, чем другие архитектуры.
Но создание дисков с большим объёмом памяти может быть дорогостоящим. Лучшим вариантом, особенно для потребителей, являются твёрдотельные накопители TLC. Они обеспечивают больший объём памяти при незначительной стоимости.
Заключение
Когда вы используете твёрдотельные накопители после завершения цикла ввода-вывода, они становятся ненадёжными при хранении данных. Другие факторы, такие как дешёвые контроллеры и алгоритмы выравнивания износа, влияют на их надёжность в течение всего срока службы.