Особенности твердотельной NAND памяти. То о чем надо помнить владельцам SSD накопителей

В предыдущих наших статьях "Твердотельные накопители. Может пора брать?" и "Практика использования SSD накопителей. На что обратить внимание при покупке?" мы достаточно подробно остановились на плюсах и минусах современных технологий хранения данных. Определились с основными вопросами выбора твердотельных накопителей. В сегодняшней статье нам хотелось бы остановиться на нюансах практического использования твердотельных накопителей, так как они хоть и выступают альтернативой современным жестким дискам - не совсем таковыми являются. Знание всех данных тонкостей позволит вам определиться с практическим применением твердотельных накопителей в каждом конкретном случае и увеличить срок их существования.
Как мы уже говорили в статье "Практика использования SSD накопителей. На что обратить внимание при покупке?", производительность современного твердотельного накопителя во многом зависит от примененного в его архитектуре контроллера и достаточно мало от примененного типа твердотельной памяти, так как MLC и SLC типы памяти практически сравнялись по быстродействию. Но не многие помнят о том, что длительность службы твердотельной памяти ограничен и его долговечность зависит от того, сколько процессов записи и удаления данных вы осуществите в каждую конкретную ячейку. Именно поэтому, понимание особенностей твердотельной постоянной памяти необходимо.

-- Картинка кликабельна --

Официально постоянная память для твердотельных накопителей NAND была создана относительно недавно и представлена в 1989 году. Память твердотельных накопителей отличается от таковой для флэш-накопителей. В современных твердотельных накопителях используется MLC память и SLC память. Отличие данных чипов заключается в степени плотности хранения данных. Все ячейки для хранения данных в SLC чипах расположены в одной плоскости, поэтому данную память называют одноуровневой. Одноуровневые ячейки SLC памяти способны хранить лишь 1 бит информации. MLC память является более плотной, так как в ее структуре лежать многоуровневые ячейки. Тем самым в многоуровневых ячейках можно хранить сразу несколько бит информации, что упрощает проблему занимаемой площади и количества транзисторов. Также MLC память оказывается дешевле в производстве. На сегодняшний день известны четырехуровневые чипы MLC памяти для твердотельных накопителей, которые способны хранить 4 бита информации.

Более сложная организация MLC памяти достигается путем изменения типа заряда подаваемого на каждую ячейку и его оценки. Естественно, увеличение количества уровней приводит к увеличению количества необходимого вида заряда и его распознавания с каждого уровня. Последнее обстоятельство значительно усложняет производство MLC памяти, что до сих пор ограничивает снижение стоимости свободного пространства на твердотельных накопителях. Но если о дешевых твердотельных накопителях на типах памяти MLC мы можем хоть мечтать, то в случае с чипами SLC - ресурс снижения стоимости и увеличения объема устройств практически исчерпан.

-- Картинка кликабельна --

С созданием многоуровневых чипов памяти появляется внутренняя задержка передачи информации в чипах MLC. Если информация с ячеек SLC памяти может быть практически моментально получена и отправлена на контроллер, то чипы MLC памяти имеют внутреннею задержку в связи с необходимостью формирования специального сигнала для каждой ячейки и распознавания его с каждого уровня. Усложнение создает риски возникновения ошибок, которые будет вынужден корригировать контроллер и отправлять повторные запросы к чипу памяти. Информация для каждого уровня ячеек кодируется не путем битов 0 или 1, а усложняется в виде 11, 10, 01 или 00. Усложнение кодирования позволяет легче выявлять и корректировать ошибки. Пожалуй, это та минимальная плата, которую мы платим за удешевление конечной стоимости твердотельных накопителей.

-- Картинка кликабельна --

Из-за особенностей реализации и своей простоты SLC память хоть и оказывается менее экономически эффективной и достаточно громоздкой, но она имеет одно явное преимущество - долговечность. Срок службы SLC твердотельных накопителей превосходит срок службы накопителей на чипах MLC. Тем не менее, современный уровень технологий дошел до такого уровня, что долговечность MLC чипов памяти стала сопоставимой с выигрышем в цене, которую пользователь получает при приобретении данных решений. Как правило, накопители на чипах MLC в два и более раза дешевле накопителей на чипах SLC.

-- Картинка кликабельна --

Ключевым элементов NAND памяти является полевой транзистор с плавающим затвором. Важнейшей особенностью данного транзистора является возможность сохранять полученный электрический заряд и именно на этом основана способность хранения информации любой твердотельной памяти MLC или SLC. Производителем заявлено, что транзистор может хранить информацию в течение десяти лет. Из этого вытекает практический вывод, что средний срок службы твердотельного накопителя даже в режиме простоя не может превышать десяти лет.

Запись данных в ячейки памяти осуществляется путем управления транзистором и переходом электроном на плавающем затворе. Чтение данных осуществляется простым анализом положением данных электронов. Из этого нюанса построения процессов чтения и записи вытекает следующее обстоятельство - при чтении данных расходуется ничтожное количество электричества, а при записи его требуется гораздо больше. Тем самым, чем больше вы будете осуществлять запись данных на твердотельный накопитель, тем меньше он вам прослужит.

-- Картинка кликабельна --

Как уже говорилось выше, любая запись или удаление информации сопровождается перетеканием электроном. В одном поле электроны удерживаются благодаря их перетеканию через слои специального диэлектрика, а само перетекание осуществляется с помощью электромагнитных полей, создаваемых транзистором. Именно данный слой диэлектрика, является еще одним слабым местом памяти для твердотельных накопителей. В процессе записи и удаления информации данный слой диэлектрика разрушается, и компенсировать данное состояние возможно только путем изменения напряжения подаваемого сигнала.

На рисунке представлен пример, когда возможный диапазон напряжений между ячейками MLC составляет 0,5 вольт и сами ячейки довольствуются данным зарядом. Тесное расположение элементов MLC памяти не позволяет увеличить ширину данного напряжения, что можно сделать в чипах SLC памяти. Поэтому долговечность, которую можно достичь, применяя SLC память в твердотельных накопителях практически недостижима при применении MLC памяти. MLC чипы памяти всегда будут иметь меньший резерв напряжения плавающего затвора транзистора, чем чипы SLC памяти.

-- Картинка кликабельна --

Как уже указывалось, для чтения информации с ячеек твердотельной памяти NAND нет необходимости дополнительно заставлять перетекать электроны через диэлектрические барьеры, тем самым, срок жизни каждой ячейки при чтении данных практически не изменяется, что является ключевым моментов в применении твердотельных накопителей. На сегодняшней день производителями учитывается лишь износ при записи данных в ячейки памяти, а износ при чтении данных "опускается" из-за своей незначительности. В спецификациях большинства твердотельных накопителей можно встретить информацию о количествах циклов для него. Под циклом понимается удаление и запись информации в ячейку памяти. К примеру, SLC твердотельные накопители имеют прочность на 1 миллиона циклов, а накопители на MLC памяти лишь на 100 000 циклов.

Производители добились увеличения сроков службы современных твердотельных накопителей путем создания специальных резервных зон в чипах твердотельной памяти. Выходящие из строя ячейки памяти постепенно пополняются новыми из "резервного фонда". Это необходимо, так как современные компьютеры привыкли работать с физическими жесткими дисками и могут многократно использовать один и тот же блок ячеек и применять некоторые из них только при максимальном заполнении устройства.

-- Картинка кликабельна --

Все указанные обстоятельства приводят к более сложному построению принципа хранения информации на твердотельных накопителях. Как правило, в современных SSD накопителях применены массивы ячеек с суммарным объемом 4 Кб. Данные массивы именуются среди "технарей" страницами. 128 страниц по 4 килобайта объединены в единый блок с суммарным объемом в 512 килобайт. Наиболее большим в современных контроллерах является массив данных по 512 Мб, который состоит из нескольких блоков по 512 килобайт. Это необходимо понимать, так как одним массивом данных в твердотельных накопителях управляет уже контроллер. По объему "отказа" работать части памяти можно выявить локализацию проблемы и решить дальнейшую судьбу накопителя.

-- Картинка кликабельна --

Контроллер твердотельного накопителя осуществляет запись информации по страницам, а удаляет ее только блоками. То есть, минимальный объем записываемой информации на твердотельный накопитель - это одна страница или 4 килобайта, а удаляемой 512 килобайт или один блок.

Естественно, это не позволяет рационально расходовать свободное пространство. Контроллер накопителя всегда ищет максимальное количество свободных страниц, а уже потом начинает освобождать их, путем оптимизации размещения информации. Освобождение новых страниц, путем оптимизации частично занятых приводит к замедлению работы твердотельного накопителя на запись и к повышенному износу ячеек памяти.

Аналогичные процессы оптимизации производятся при записи новой информации на частично свободные блоки. Следует понимать, что физическое уничтожение информации с твердотельного накопителя осуществляется, если только весь блок свободен.

-- Картинка кликабельна --

Для благовременной подготовки ячеек твердотельных накопителей для записи данных вначале в операционной системе Windows 7, а затем и в самих контроллерах твердотельных накопителей были реализованы команды тримминга - TRIM. Данная технология позволяет оптимизировать размещение информации в блоках данных и подготовить цепь информации для контроллера об освобождающихся блоках памяти. Это позволяет более быстро осуществить запись данных и сэкономить время, что благоприятно сказывается на производительности SSD накопителей при более "тугом" наполнении. Тем не менее, по данным производителей, функция TRIM наиболее эффективна только при наполненности накопителя информацией менее чем на 75%.

---

Заключение
Резюмируя все вышесказанное, можно прийти к некоторым выводам по практическому использованию современных SSD накопителей для увеличения срока их жизни:
- не хранить на полке в течение нескольких лет - это не увеличит их срок службы,
- не записывать и удалять информацию по надобности и не надобности (тем самым, любые программы тестирования производительности сокращают срок службы накопителя),
- контроль поддержки технологии TRIM, как накопителем, так и контроллером,
- никакой самовольной дефрагментации информации программами на твердотельных накопителях,
- наличие свободного пространства на твердотельном накопителе, не менее 15% от исходного объема,
- не применять старые технологии кэширования для жестких дисков, в виде папки Prefetch в Windows.

Все вышесказанное говорит о том, что новая технология чипсетов Intel Z68 Express по кэшированию информации на жестких дисках, путем ее временного хранение на твердотельном накопителе значительно ускорит "смерть" последнего из-за технического износа ячеек памяти.