Żywotność dysków SSD

Dysk SSD jest dyskiem półprzewodnikowym w odróżnieniu od dysku HDD, który jest dyskiem magnetycznym.

Od sposobu w jaki są przechowywane dane (od ich nośnika) jest zależna żywotność urządzenia.

Żywotność dysku SSD

Określenie jej dla dysków SSD jest trudne. Związane jest to min. z faktem, że komórki pamięci urządzenia z czasem się zużywają. Czynniki mające wpływ na ich zużycie nie mają ściśle określonych wartości a jedynie pewne przedziały, wewnątrz których poruszamy się przy określaniu długości życia pamięci (np. ilość skasowań zawartości komórki w przedziale od 1500 do 3000).

Za każdym razem, gdy kasujemy i następnie zapisujemy komórkę następuje jej powolna degradacja. Każda komórka ma z góry określoną w trakcie produkcji ilość możliwych jej kasowań (jest to wielkość statystyczna, a ponieważ nie można jej dokładnie określić, dlatego podaje się przedziały). Wiąże się to z ubywaniem elektronów, które są „wyrywane” ze struktury, z której jest zbudowana komórka.

Odpowiednio duża liczba operacji zapisu i kasowania spowoduje, że komórka pamięci NAND w końcu ulegnie awarii. Ponieważ nie znamy dokładnej wartości ilości skasowań przy jakiej może wystąpić awaria to może się zdarzyć, że w jednym dysku komórka przeżyje „tylko” 1500 operacji a w innym 3000.

Przy małych obciążeniach (zapisu i kasowania) nie ma to znaczenia, przy dużych już tak. Jest to istotne dla tematu jak długo dyski SSD mogą działać.

Odczytywanie wartości z komórki nie ma wpływu na jej żywotność. Aby móc wydłużyć żywotność dysku SSD stosuje się tzw. wear leveling – wyrównywanie zużycia to technika mająca na celu przedłużenie żywotności niektórych rodzajów wymazywalnych komputerowych nośników pamięci, takich jak pamięć flash, stosowana w dyskach półprzewodnikowych (SSD) i dyskach flash USB. Istnieje kilka mechanizmów wyrównywania zużycia, które zapewniają różne poziomy zwiększenia trwałości takich systemów pamięci.
Nośniki pamięci EEPROM i flash mają indywidualnie kasowalne segmenty, z których każdy można poddać ograniczonej liczbie cykli kasowania, zanim staną się zawodne. Zwykle jest to około 150 do 100000 cykli, dodatkowo wiele urządzeń flash ma jeden blok o specjalnie wydłużonej żywotności ponad 100000 cykli, który może być używany przez kontroler pamięci Flash do śledzenia zużycia i ruchu danych w segmentach.
Wyrównanie zużycia próbuje obejść te ograniczenia, organizując dane w taki sposób, aby wymazywania i ponowne zapisy były równomiernie rozłożone na nośniku. W ten sposób żaden pojedynczy blok kasowania nie ulegnie przedwczesnej awarii z powodu dużej koncentracji cykli zapisu. W pamięci flash pojedynczy blok w chipie zaprojektowano z myślą o dłuższej żywotności niż pozostałe, dzięki czemu kontroler pamięci może przechowywać dane operacyjne z mniejszym ryzykiem ich uszkodzenia.

Rozwój mikroelektroniki powoduje, że na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat zmieniła się konstrukcja komórek pamięci. Starsze urządzenia były konstruowane z użyciem pamięci NAND z komórkami typu SLC (single-level cel), następnie były pamięci MLC (2 bity informacji na każdą komórkę), TLC (3 bity na komórkę) aktualnie są wykorzystywane pamięci QLC (4 bity, czyli 16 stanów logicznych w komórce pamięci) i PTC (5 bitów – 32 stany logiczne).

Ilość możliwych kombinacji zapisu danych w różnych typach komórek:

Wiąże się to z jednej strony ze wzrostem pojemności układów pamięci NAND Flash oraz zwiększeniem gęstości zapisu danych na jednostkę objętości.

Wadą jest to, że zmniejszają się granice pomiędzy poszczególnymi stanami (rys. przedstawiające rozkład ładunków w komórce) i zwiększa się podatność na błędy. Można sobie wyobrazić jak skomplikowane muszą być rozkłady ładunków w komórkach QLC i PLC. Aby zredukować możliwe wystąpienia błędów stosuje się większą ilość pamięci nadmiarowej w urządzeniach.

Rozkład ładunków w komórce w zależności od typu.
Komórka SLC

Komórka MLC

Jak pisaliśmy wcześniej, utrudnieniem jakie występuje wraz ze zwiększeniem ilości możliwych stanów komórki jest zmniejszenie cykli zapisu/kasowania komórki.

Dla pamięci SLC parametr ten jest na poziomie 100000 cykli, MLC to już około 10000, pamięci QLC to już jedynie około 500 do 1000 cykli. Wszystkie te zmiany w konstrukcji pamięci powodują, że mikrokontroler pamięci zaczyna się więcej zajmować korektą danych, niż ich przetwarzaniem.

Parametry określające czas życia dysku SSD:

TBW – możliwa ilość zapisanych danych w TB,
Średni czas do awarii dysku.

Przykładowe wartości dla dysków Samsunga z rodziny 870 w tabeli poniżej:

Pojemność dysku	TBW
250 GB	150 TBW
500 GB	300 TBW
1 TB	600 TBW
2 TB	1200 TBW
4 TB	2400 TBW

Zakładając, że dziennie mamy zapisać na dysku około 100GB to dysk o pojemności 250GB powinien przeżyć około 150TB/100GB = 4 lata.

Producent daje na niego 5 lat gwarancji lub 150TBW w zależności od tego, co prędzej nastąpi.

W praktyce badania pokazują, że wartości TBW bywają w przypadku dysków SSD większe niż zakładane przez producentów.

Jednak musimy wziąć pod uwagę również ilość cykli zapisu/kasowania dysku. Dla pamięci TLC jest to 1500 do 3000 cykli. Jeżeli dysk pracuje w niesprzyjających warunkach (np. temperatura jest wyższa niż określona przez producenta, zazwyczaj 20⁰C lub 25⁰C) to możemy spodziewać się uszkodzeń komórek, w których po 1500 (lub mniej ze względu właśnie na niesprzyjające warunki) cyklach mogą zacząć występować błędy.

Producenci, by wydłużyć czas życia dysku SSD stosują większe ilości pamięci niż dostępna pojemność dysku.

Ma to umożliwić kontrolerowi wyrównanie zużycia pamięci w dysku. W dyskach SSD nowej generacji dane są rozdzielane na całą pamięć i dzięki temu wszystkie komórki są traktowane równo (opisywany wcześniej wear leveling). Ilość pamięci całego dysku może być o około 20-25% większa niż pamięć dostępna dla użytkownika.

Drugi z parametrów to średni czas do awarii dysku, który jest wyliczany przez producenta na podstawie wykonanych przez niego testów.

Wartość ta nie oznacza, że długość życia dysku to np. 1000000 godzin, ale to, że „liczba łącznych godzin pracy wszystkich wyprodukowanych urządzeń podzielona przez ich liczbę” daje tę wartość.

Liczone może to być w ten sposób, że producent bierze np. 20 tys. dysków i testuje je przez ok. 7 miesięcy (ok. 5000 godzin). Jeżeli w tym czasie uszkodzeniu ulegnie np.100 dysków średni czas awarii (20000 dysków x 5000 godzin) /100 dysków = 1000000 godzin.

W końcowym rozrachunku nie można dokładnie określić, jaka jest żywotność dysku SSD.

Jak dbać o dysk SSD?

Inaczej niż dyski HDD, które zużywają się zarówno w trakcie operacji zapisu jak i odczytu, dyski SSD w trakcie odczytu nie powodują degeneracji komórek pamięci. Nie powinno się również wykonywać defragmentacji dysku SSD, ponieważ dostęp do pamięci jest jednakowy dla każdego adresu i nie ma najmniejszej potrzeby układania danych jak to ma miejsce w dyskach talerzowych, gdzie defragmentacja pozwalała uzyskać szybszy dostęp do danych i przy okazji głowica odczytująca miała mniej pracy. Defragmentacja w dyskach SSD wiąże się z kasowaniem komórek, więc skracałaby życie naszemu dyskowi.

Jeżeli będziemy używali dysku SSD jako urządzenia, na którym przechowujemy dane i je odtwarzamy, np. bazy danych, do których zapisujemy dane (nie kasujemy a jedynie pobieramy) lub zbiory filmów (są tylko odtwarzane) to taki dysk może dłużej funkcjonować niż wynikałoby to z gwarancji danej przez producenta. Ponieważ dyski SSD oferują wysoką przepustowość, to dobrze nadają się do obsługi ww. prac.

Innym problemem, który nie jest bezpośrednio związany z żywotnością dysku, ale z czasem przechowywania zapisywanych danych jest to, że komórki pamięci NAND Flash, bez dostarczania im energii mogą tracić swoją zawartość po kilku latach. Zakłada się, że jeżeli do komórki nie będzie dostarczonej energii pomiędzy 3 do 10 lat, to może utracić swój pierwotny stan i wtedy dane zginą.

Czasy dostępu, czasy zapisywania dysku danymi lub ich odczytu są od kilku do kilkudziesięciu (a może i w niektórych przypadkach kilkuset) razy większe niż w dyskach HDD. Jeżeli dysk będziemy mocno dociążali danymi, będziemy kasowali i nagrywali duże ilości danych, to dysk może nam pracować krócej. Należy jednak przypuszczać, że czasy gwarancji podawane przez producentów dysków SSD są wyliczane dla najmniej korzystnych przypadków obciążeń. Powstaje pytanie ilu z nas będzie zapisywać na dysku codziennie po kilka terabajtów danych. Pozwala to mieć nadzieję, że w wielu przypadkach dysk raczej wcześniej zostanie wymieniony przez nas na nowy, o większej pojemności, niż się uszkodzi.

Jeżeli będziemy chcieli zapisać więcej danych, to dyski półprzewodnikowe dzisiaj oferują większe pojemności niż dyski HDD, np. IBM produkuje nośniki o pojemności 19,2TB, Samsung 15,36TB, WD 32TB. W laboratoriach są dyski o pojemnościach 100TB. Należy wierzyć, że opracowywane dyski będą miały dłuższą żywotność i będą bardziej bezawaryjne.