Dysk SSD - jak długo będzie działał?

Bardzo lubimy dyski SSD, bo są wygodne - gwarantują szybki i łatwy dostęp do zapisanych na nich danych. Pytanie jednak czy są bezpieczne? Przyjrzyjmy się im bliżej. W przeciwieństwie do tradycyjnych twardych dysków HDD, dane na dyskach SSD nie są przechowywane w postaci zapisu magnetycznego na powierzchni magnetycznej, ale jako stan bramki logicznej w układzie scalonym  (jest to pamięć typu NAND flash). Sam dysk zbudowany jest z płyty głównej, kilku chipów (od ich ilości i typu zależy pojemność nośnika) i kontrolera odpowiedzialnych za działanie całego urządzenia. Pamięć flash jest pamięcią trwałą (w przeciwieństwie do ulotnej pamięci operacyjnej) - oznacza to, że będzie utrzymywała dane nawet po wyłączeniu zasilania. Efekt ten uzyskany jest dzięki temu, że w procesie zapisu danych, każda komórka pamięci uzyskuje określony ładunek elektryczny, będący nośnikiem bitu pamięci. Niestety - i jest to największa wada pamięci flash - każda z takich komórek ma ograniczoną liczbę cykli zapisu danych, które można na niej wykonać w ciągu całego cyklu życia urządzenia.

Typy pamięci flash i zużywanie się komórek pamięci

Każda operacja zapisu danych powoduje zużywanie komórek pamięci flash - a co za tym idzie skraca długość cyklu życia dysku SSD. Ale nie każdy typ pamięci flash zużywa się w tym samym stopniu - tak naprawdę NAND flash ma kilka typów, które diametralnie różnią się parametrami, także potencjalną żywotnością komórek pamięci. Przyjrzyjmy się najpopularniejszym obecnie na rynku rozwiązaniom:

• SLC (Single Level Cell) - mieści jeden bit danych w każdej komórce
• MLC (Multi Level Cell) - mieści dwa bity danych na komórkę
• TLC (Triple Level Cell) albo 3-bitowy MLC - mieści trzy bity danych.

Zależność jest dość oczywista - im więcej poziomów ma komórka, tym więcej bitów może przechowywać i ostatecznie chip ma większą pojemność. To właśnie dzięki technologii TLC dostępne są dyski SSD o sporej pojemności w stosunkowo niskich cenach ( koszty produkcji takich dysków są o około 15-20% niższe niż MLC). Nic więc dziwnego, że ten typ pamięci flash zaczyna dominować na rynku -  już około 50% wyprodukowanych w tym roku układów scalonych wykorzystywało technologię TLC.

Ale jest też druga strona medalu - czym większa liczba bitów na komórkę, tym niższa niezawodność, trwałość i wydajność nośnika. O ile całkiem łatwo odczytać (i zapisać) stan komórki SLC (może albo pełna albo pusta), to już trudniej jest odczytać dane z komórki TLC (która może przybierać aż 8 różnych stanów). Różnice są spore - najbardziej pojemna komórka TLC potrzebuje cztery razy więcej czasu na zapisanie i 2,5 raza więcej na odczytanie danych niż komórka SLC. Proces zapisu w przypadku TLC znacznie przyspiesza także zużywanie się komórki.

Każda komórka flash zbudowana jest z dwóch tranzystorów, tzw. bramek: sterującej i pływającej (ilustracja obok). Bramka pływająca jest odpowiedzialna za przechowywanie ładunku elektrycznego i to właśnie w niej zapisywane są dane. Przyłożenie napięcia umożliwia przepływ elektronów z podłoża (hannel) do bramki pływającej lub w przeciwnym kierunku; zanik napięcia powoduje natomiast odcięcie bramki pływającej i znajdujących się w niej elektronów, odizolowanych warstwą tlenku.

Odczyt stan komórki uzależniony jest od ilości elektronów w bramce pływającej. O ile w SLC nie stwarza to większego problemu, ponieważ taka komórka może mieć jedynie dwa stany (pusta/pełna), to w przypadku komórek złożonych sprawa się komplikuje - jak już wcześniej pisałem TLC może przybierać 8 różnych stanów, co oznacza, że już kilka elektronów może robić różnicę. Co więcej - prace nad przyspieszeniem działania pamięci flash idą w kierunku redukcji grubości warstwy tlenku, co rzeczywiście zwiększa szybkość procesów zapisu/odczytu, ale także sprawia, że zużywanie się komórki jest szybsze, zmniejsza się też jej zdolność do utrzymywania ładunku, co może zwiększać ryzyko utraty danych.

Jak długo będzie działał dysk SSD?

W teorii dyski SSD zaprojektowano w taki sposób, że ilość danych, które będziemy mogli na nich zapisać, wydaje się bardzo satysfakcjonująca. Eksperyment przeprowadzony przez The TechReport na 6 różnych dyskach SSD, rzuca światło na to, jak urządzenia te radzą sobie z wielokrotnymi procesami zapisu danych: 2 z 6 przetestowanych urządzeń było w stanie sprawnie przeprowadzić proces zapisu 2PB (petabajtów, 1PT = 1000TB) danych, a nawet najmniej wydajne z nich zapisywały kilkaset TB danych bez żadnych problemów.

Oznacza to, że jeśli na naszym dysku będziemy zapisywać 2 TB danych na rok, zgodnie z wynikami eksperymentu, w najlepszym wypadku urządzenie posłuży nam 1000 lat (2 PB = 2000 TB / 2 TB na rok = 1000 lat). Nawet jeśli zapiszemy więcej niż 2 TB danych na rok, a nasze urządzenie będzie słabszej jakości, tak czy inaczej powinniśmy korzystać z niego wiele, wiele lat.

Jest jednak kilka ale…

Monitorowanie stanu pamięci SSD

Pamięć NAND flash posiada technologiczne ograniczenie ilości procesów zapisu danych w komórkach - jednak, jak wynika z przytoczonych wcześniej wyników eksperymentu, ograniczenie to nie powinno w istotny sposób zaboleć przeciętnych użytkowników. Niestety rzeczywistość nieco różni się od teorii. Żywotność dysku uzależniona jest od wielu innych czynników. Na długość życia urządzenia będą miały wykorzystane do jego produkcji komponenty, jak i sam sposób użytkowania samego urządzenia i warunki, w których urządzenie działa. Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że zużycie poszczególnych komórek nie powoduje jeszcze uszkodzenia całej pamięci - dopiero stan całości pozwoli nam ocenić, jak długo nasz dysk będzie nam jeszcze służył.

Zywotność MTBF

Dyski SSD posiadają często wbudowany mechanizm oceniający stan dysku (S.M.A.R.T), który - jeśli taką funkcję włączymy - będzie nas informował, jeśli któryś z parametrów użytkowania przekroczył zdefiniowaną granicę. Jednym z takich parametrów jest MTBF (Mean Time Between Failure), czyli parametr wskazujący typowy dla urządzenia statystyczny czas między awariami. Dla dysków SSD jest to zazwyczaj średnio 1,5 - 2 milionów godzin. Innym parametrem jest całkowita ilość zapisanych na dysku danych. Na podstawie tych parametrów program jest w stanie ocenić stan nośnika. Poniżej przykładu odczytu parametrów S.M.A.R.T.

Inne programy do oceny stanu dysku mogą posiadać znacznie więcej funkcji, lub dostarczyć dodatkowe informacje na temat nośnika - na przykład SSDLife stworzony przez BinarySense, dostarcza prognozę tego, jak długo nasz dysk będzie jeszcze pracował.

W kolejnym poście opublikujemy wskazówki dotyczące “zdrowego stylu życia” Twojego dysku SSD, dzięki którym urządzenie będzie Ci służyło długo i bez problemów.