Durée des disques SSD et surveillance de leur cycle de vie

Contrairement aux lecteurs de disque dur traditionnels, les données sur disques SSD ne sont pas stockées sur une surface magnétique mais sur des puces à mémoire flash NAND. Un disque électronique est composé d'une carte mère, de quelques puces mémoire (en fonction de la taille en Go du lecteur) et d’un contrôleur qui contrôle toutes les opérations.

La mémoire des disques électroniques est une mémoire rémanente, c'est-à-dire qu'elle peut stocker les données même sans courant. On peut voir les données stockées dans les puces flash NAND comme une charge électrique préservée dans chaque cellule. Ceci étant dit, une question se pose : quelle est la durée de vie d'un disque électronique ?

Les types de mémoires flash et l'usure naturelle des cellules mémoire

On sait que les opérations d'écriture déclenchent l'usure des cellules mémoire d'un disque électronique, réduisant ainsi sa vie. Mais est-ce que les mémoires s'usent toutes de la même manière ? La réponse à cette question nous permettra d'en savoir plus sur le cycle de vie potentiel de notre disque électronique.

Les mémoires utilisées dans les puces flash ne sont pas toutes les mêmes, il y a en réalité trois types de NAND :

• SLC (Single Level Cell) - 1 bit de données par cellule,
• MLC (Multi Level Cell) - 2 bits de données par cellule,
• TLC (Triple Level Cell) ou 3bit MLC - trois bits de données par cellule.

Plus une cellule a de niveaux, plus le nombre de bits pouvant être stockés sur une cellule est élevé et, en définitive, plus le nombre de puces de grande capacité pouvant être produit est important.  Grâce aux avancées technologiques actuelles, nous avons à notre disposition des disques électroniques de plusieurs gigaoctets pour un prix abordable. Il n'est guère étonnant qu'un rapport récent montre que les mémoires de type TLC devraient représenter, dans le dernier trimestre de l'année, environ 50% du nombre total de puces NAND, avec un coût de production inférieur d’environ 15%-20% par rapport aux puces MCL.

Cependant, il y a un inconvénient : ajouter plus de bits aux cellules réduit leur fiabilité, leur longévité et leur performance. Il est assez simple de déterminer l'état d'une cellule SLC (vide/pleine) alors qu'il est plus difficile d'en faire de même avec les cellules MLC. En outre, une cellule TLC requiert un temps d'écriture 4 fois supérieur et un temps de lecture 2.5 fois supérieur à ceux d'une cellule SLC. Concernant le cycle de vie d'un disque électronique, stocker plusieurs bits par cellule signifie également accélérer le processus d'usure de la mémoire NAND.

Une cellule mémoire est constituée d'un transistor à grille flottante. Il se compose de deux grilles que l'on appelle Grille de contrôle (Control Gate) et Grille flottante (Floating Gate) isolées par une couche d'oxyde (Oxide). À chaque fois que des opérations sont effectuées, par exemple programmer ou effacer la cellule, la couche d'oxyde qui piège les électrons sur la grille flottante s'use. Par conséquent, comme la couche d'oxyde est fragilisée, il se peut qu'un électron se détache de la grille flottante.

Étant donné que l'état d'une cellule NAND correspond au nombre d'électrons sur la grille flottante, même une petite quantité d'électrons peut faire la différence entre un état et un autre. Dans les cellules SLC, le problème est moins présent car il n'y a que deux états à prendre en compte, mais dans les cellules TLC (ou 3-bit MLC), le problème est sérieux car il existe 8 états différents. En outre, avec le progrès des processus de production, la géométrie utilisée diminue et la couche d'oxyde est de plus en plus fine, l'usure se fait alors plus rapidement et les cellules sont plus sujettes aux pertes de données car moins capables de préserver la charge électrique.

Combien de temps un disque électronique peut-il fonctionner ?

C'est la question à 1 million d'euros, de toute évidence il n'est pas possible de répondre de manière scientifique mais... lisez la suite !

La tendance en matière de disques électroniques est de se concentrer sur le développement de produits basés sur une mémoire 3-bit MLC (TLC). La mémoire TLC commence à dominer le marché des disques électroniques. Couramment, il semble que la technologie MLC 2-bit soit excessive en termes de longévité et de performance, sans parler de la SLC dont les caractéristiques ne sont nécessaires que pour quelques applications et qui est presque en train de disparaître complètement.  En d'autres termes, les fabricants ont décidé de mettre de côté un excès de cycle de vie pour favoriser une réduction des coûts significative de manière à étendre le développement de la mémoire flash et de sa capacité de stockage.

Cependant, il semble qu'il n'y ait aucune inquiétude concernant la durée d'utilisation d'un disque SSD. Dans une expérience réalisée par The TechReport sur 6 disques électroniques, lors d'un test pour comprendre comment un disque électronique peut supporter les opérations d'écriture, 2 lecteurs sur 6 sont parvenus à écrire des opérations pour 2 pétaoctets de données et dans tous les cas, tous les disques électroniques testés ont pu écrire des centaines de téraoctets sans aucune difficulté.

En supposant une écriture de 2 téraoctets par an, les résultats de l'expérience font état d'une longévité des disques électroniques équivalente à 1000 ans (2 Po = 2000 To / 2 To par an = 1000 ans). Cependant, si nous devions écrire encore plus que 2To/an, cela signifierait, dans tous les cas, être capable d'utiliser notre disque électronique tranquillement pendant de nombreuses années.

Surveillez l'état de santé d'un disque électronique

Comme pour les lecteurs de disque dur, il y a également un temps moyen entre pannes pour les disques électroniques.  Sur les feuilles techniques qui mettent en avant la Fiabilité, cette valeur est d'environ 1.5 - 2 millions d'heures. La technologie S.M.A.R.T s'applique également aux disques électroniques. Si elle est activée, cette technologie peut vous indiquer si un ou plusieurs paramètres de fonctionnement dépassent les seuils préréglés.

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pour prévoir la panne d’un disque dur

Habituellement, les fabricants de disques mettent à disposition, avec leurs produits, des utilitaires spécifiques qui permettent non seulement de voir les paramètres S.M.A.R.T., mais aussi la quantité totale de données écrites sur l'appareil, tout en fournissant une indication synthétique sur sa santé.

D'autres utilitaires vont encore plus loin et essaient également d'estimer la durée de vie restante du lecteur en fonction de l'utilisation qui en a été faite jusqu'à présent. Un exemple d'outil vous est présenté dans la capture d'écran suivante où le lecteur semble être en excellente santé et le cycle de vie estimé est d'un peu plus de neuf ans. Nous avons utilisé ici SSDLife par BinarySense. Vous pourrez sûrement trouver sur Internet l'utilitaire qui correspond le mieux à vos besoins.

Quelques astuces pour  offrir un « style de vie » sain à votre disque électronique

Voici quelques précautions pour garder votre lecteur en bonne santé pendant longtemps :

• Évitez la défragmentation : il n'est pas nécessaire d'utiliser un utilitaire de défragmentation pour réduire la fragmentation des fichiers sur un disque SSD. Cette opération est effectuée avec les disques durs pour réduire les mouvements (et le temps) utilisés par les têtes pour accéder aux différents fragments (groupes) d'un fichier. Mais sur le disque SSD, toutes les cellules mémoire ont le même temps d'accès et l'opération n'est pas nécessaire et peut même être nuisible (déplacer des groupes dans des espaces contigus nécessite l'écriture d'opérations qui provoque l'usure du disque électronique),

• Ne saturez pas la capacité du lecteur et utilisez « l’over-provisioning » : n'utilisez pas le disque SSD aux limites de ses capacités. De nombreux fabricants mettent en place sur leurs lecteurs ce qu’on appelle un over-provisioning, c'est-à-dire qu'ils réservent un espace libre permanent sur le disque électronique (en principe environ 10% de sa capacité). Cet espace libre, qui n'est pas accessible à l'utilisateur ou au système d'exploitation, est utilisé par le disque électronique comme une sorte de tampon mémoire pour stocker les données temporairement pendant que le contrôleur effectue l'effacement des blocs flash NAND, prépare des blocs libres pour l'utilisation et « déplace » les données pour assurer un niveau d'usure constant à toutes les cellules (algorithmes de nivellement de l'usure),

• Activez TRIM dans le système d'exploitation : la plupart des disque SSD intègrent une fonction que l'on appelle récupération de place qui est une fonction qui prépare les cellules mémoire à recevoir les nouvelles données. La commande TRIM sur de nombreux systèmes d'opération rend la récupération de place plus efficace. À l'aide de TRIM, le système d'exploitation prévient le disque électronique lorsque des données sont signalées comme effaçables ou invalides et le système d'exploitation envoie cette commande au lecteur chaque fois que vous supprimez un fichier. Assurez-vous que le système d'exploitation supporte la commande TRIM et vérifiez qu’elle soit active,

• Utilisez le disque électronique là où c'est utile : l'un des avantages majeurs du SSD est la vitesse importante de la lecture des données tandis que les opérations d'écriture provoquent l’usure du lecteur et sont plus lentes car avant d'écrire un bloc, il doit être supprimé. Par conséquent, le disque SSD offre une meilleure performance et plus d'avantages dans les applications où la lecture est prépondérante par rapport à l'écriture.

Et finalement, une suggestion toujours valide pour tous les appareils : faites une sauvegarde de vos données de manière périodique. La durée de vie estimée d'un disque électronique ne garantit pas le fonctionnement de l'appareil jusqu'à la date estimée et ne peut pas prendre en considération des événements inattendus comme des chocs, des pics de tension, des erreurs humaines et d’autres situations qui peuvent causer des dégâts et rendre toutes les données inaccessibles en même temps.