Każdy dysk SSD ma ograniczoną liczbę zapisów. Wynika to z fizyki komórki pamięci, a nie z wady produktu. Wyjaśniamy, skąd bierze się zużycie, ile zapisów wytrzymują różne rodzaje pamięci i jak kontroler stara się wydłużyć życie dysku.

Cykl zapisu i kasowania

Blok pamięci flash pracuje w cyklu. Najpierw jest kasowany, potem strona po stronie zapisywany danymi, a gdy trzeba zrobić miejsce, ponownie kasowany. Jeden taki obieg to cykl P/E (od ang. program/erase, czyli zapis i kasowanie).

Przy każdym zapisie i kasowaniu elektrony przechodzą przez cienką warstwę izolatora (tzw. tlenek tunelowy). Z czasem część elektronów zostaje w tej warstwie uwięziona, a jej jakość się pogarsza. Badacze nazywają to zjawisko zużyciem (ang. wearout): im więcej zapisów przeszedł blok, tym więcej błędnych bitów trzeba w nim korygować.

Pomiary na prawdziwych kościach TLC pokazały, co dzieje się po 3000 cyklach. „Okienka” napięć poszczególnych stanów przesuwają się w górę i robią się szersze. Im szersze okienka, tym bardziej na siebie zachodzą, a to oznacza więcej błędów odczytu.

Ile zapisów wytrzyma pamięć

Blok uznaje się za zużyty, gdy nie jest już w stanie bezpiecznie przechować danych przez minimalny czas gwarantowany przez producenta. Wytrzymałość spadała z każdą generacją płaskiej (2D) pamięci, bo komórki stawały się mniejsze, a w jednej komórce zapisywano więcej bitów.

Pamięć trójwymiarowa (3D NAND), opisana w artykule 5, odwróciła na pewien czas ten trend. W publikacji z 2017 roku jej wytrzymałość była ponad dziesięciokrotnie wyższa, bo komórki w pierwszych generacjach 3D są większe.

Od czego zależy żywotność dysku

Producenci szacują żywotność dysku z kilku składników:

• Wytrzymałość bloków (liczba cykli P/E).
• Zapas pojemności (overprovisioning). Dysk ma więcej pamięci, niż widzi system. Ta ukryta rezerwa daje kontrolerowi miejsce na prace porządkowe.
• Intensywność użytkowania: ile razy dziennie zapisuje się całą pojemność dysku. W zastosowaniach z przewagą odczytów to zwykle mniej niż jeden pełny zapis dziennie, w zastosowaniach intensywnie zapisujących do 5.
• Wzmocnienie zapisu (write amplification). Porządkując bloki, kontroler sam przepisuje dane. Do pamięci trafia więc więcej danych, niż wysłał komputer.
• Kompresja, jeśli kontroler ją stosuje.

Te parametry wzajemnie się ograniczają. Większy zapas pojemności zmniejsza wzmocnienie zapisu, ale z coraz mniejszym efektem. Silniejsza korekcja błędów pozwala blokom pracować dłużej, ale zajmuje miejsce, które mogłoby służyć jako zapas. Przykład z publikacji (dysk o pojemności 2,0 TB i 2,4 TB pamięci fizycznej):

Jak kontroler chroni pamięć

• Wyrównywanie zużycia. Do zapisu kontroler wybiera bloki o najmniejszej liczbie cykli, by żaden nie zużył się przedwcześnie.
• Oddzielanie danych „ciepłych” od „zimnych”. Badania pokazały, że w wielu typowych zastosowaniach niemal 100% zapisów trafia do mniej niż 1% stron dysku. Trzymanie często zmienianych danych w osobnych blokach ogranicza zbędną pracę kontrolera.
• Wyłączanie uszkodzonych bloków. Już w fabryce część bloków jest oznaczana jako wadliwa (zwykle mniej niż 2%). Kolejne bloki mogą ulec uszkodzeniu w trakcie pracy. Kontroler wykrywa je po nieudanym zapisie lub kasowaniu i przestaje ich używać, a dane z takiego bloku odtwarza z zapisanej parzystości.

Co pokazują dyski pracujące w centrach danych

Pomiary w laboratorium uzupełniają duże badania dziesiątek, a nawet setek tysięcy dysków pracujących w centrach danych. Publikacja wymienia pięć głównych obserwacji:

1. Awaryjność nie rośnie równomiernie wraz z liczbą cykli. Występują wyraźne okresy, między którymi wskaźnik awarii różni się nawet o 81,7%.
2. Liczba błędnych bitów rośnie z wiekiem dysku nawet przy stałej liczbie cykli. To sugeruje, że znaczenie ma też starzenie się samego krzemu.
3. Rzeczywista awaryjność dysków była znacznie wyższa niż podawana przez producentów.
4. Wyższa temperatura pracy może zwiększać awaryjność. Nowoczesne dyski ograniczają jednak wtedy tempo pracy (throttling), co wyraźnie ten wpływ zmniejsza.
5. Błędów nie do naprawienia było mniej, niż oczekiwano. Pomaga skuteczne wyłączanie uszkodzonych bloków.

Co to oznacza w praktyce

Zużycie pamięci flash jest procesem fizycznym i nieuniknionym. Można je spowolnić, ale nie zatrzymać. Odzyskiwanie danych z dysków SSD staje się coraz trudniejsze, a jeśli masz jakiś problem zapraszamy do kontaktu. Najważniejszy wniosek dla użytkownika płynie z badań w centrach danych i laboratoriach odzyskiwania danych: dyski psują się częściej, niż wynikałoby ze specyfikacji producentów. Kopia zapasowa ważnych danych na osobnym nośniku pozostaje więc jedyną pewną ochroną.