Если первые твердотельные накопители не могли похвастаться особой надежностью, то современные модели способны дать фору традиционным винчестерам. Значительное расширение рабочего ресурса SSD-дисков стало возможным как за счет совершенствования технологии производства флеш-памяти, так и благодаря разработке улучшенных алгоритмов выравнивания износа. Именно о них мы и расскажем в сегодняшней публикации.
Почему «умирают» SSD?
Для начала необходимо понять, как вообще работает флеш-память. Каждый ее чип представляет собой матрицу, состоящую из миниатюрных транзисторов с плавающим затвором, изолированным слоями диэлектрика — материала, относительно плохо проводящего электрический ток, однако способного к поляризации под его воздействием. Запись каждого бита информации осуществляется путем изменения величины заряда на плавающем затворе: к транзистору подводится высокое напряжение, в результате чего электроны проникают сквозь слои диэлектрика.
С точки зрения физики мы имеем дело с управляемым пробоем диэлектрика, и чем чаще данный процесс будет повторяться, тем сильнее диэлектрические слои, которые обеспечивают сохранение заряда на плавающем затворе, будут изнашиваться. Проще говоря, через определенное количество циклов записи/удаления информации транзистор больше не сможет выполнять свою функцию и удерживать заряд, а значит, и хранить данные.
Именно поэтому ресурс SSD-накопителей характеризуется параметром TBW (Terabytes Written), который указывает, сколько всего терабайтов данных может быть записано на устройство в течение срока службы. Величина этого параметра зависит не только от типа флеш-памяти, но также от объема диска и особенностей прошивки микроконтроллера.
Выравнивание износа в твердотельных накопителях
Представьте, что вы купили новенький SSD WD Black SN750 на 1 терабайт и начали активно использовать его, заполняя разнообразными файлами. Израсходовав где-то 500 ГБ, вы решили провести «генеральную уборку», удалив несколько просмотренных сериалов и освободив 100 ГБ. Затем вы скачали игру, которая весит около 30 ГБ. Казалось бы, она должна занять место удаленного видео. На самом же деле для сохранения игры будут задействованы участки флеш-памяти, которые ранее никогда не использовались. В освобожденном вами пространстве файлы начнут сохраняться только тогда, когда на диске не останется ни одного транзистора, который не прошел цикл записи/стирания данных хотя бы один раз.
Это очень упрощенное описание (алгоритмы, отслеживающие запись и удаление файлов, функционируют куда сложнее), однако оно дает представление о том, как работает технология «Wear Leveling» («выравнивание износа»). Микроконтроллер следит за тем, чтобы нагрузка равномерно распределялась по всему доступному объему памяти, что помогает значительно увеличить ресурс SSD-диска и предотвратить снижение его емкости, которое в противном случае неминуемо наступило бы из-за того, что наиболее часто используемые транзисторы выходили бы из строя раньше других.
Выравнивание износа в том или ином виде используют все производители твердотельных накопителей, но некоторые пошли дальше. Например, приобретение компании SanDisk стало одной из важнейших вех в развитии Western Digital — благодаря этому ей удалось получить возможность самостоятельно производить как сами флеш-чипы, так и микроконтроллеры для SSD, что предоставило уникальную возможность адаптировать алгоритмы выравнивания износа под текущее физическое состояние памяти.
Как вы уже знаете, рабочий ресурс транзисторов расходуется с каждым циклом записи/стирания. Но вот что интересно: по мере износа диэлектрика, для изменения заряда на плавающем затворе требуется уже меньшее напряжение, также сокращается и минимальное время, в течение которого приложенное напряжение должно воздействовать на диэлектрик. При разработке прошивки для линейки WD Black SN750 данный факт был учтен: контроллер отслеживает физические характеристики флеш-памяти, корректируя перечисленные выше параметры в зависимости от состояния диэлектрических слоев и, таким образом, минимизируя негативное воздействие электрического тока на полупроводниковые структуры.
Это позволило значительно увеличить ресурс SSD-дисков «черной» серии: двухтерабайтный флагман способен похвастаться рекордным TBW в 1200 ТБ, что делает данную модель практически вечной. Накопитель морально устареет гораздо раньше, чем выйдет из строя. О потере же важных данных при таком уровне надежности речь и вовсе не идет.
