耐用性
任何包含在快閃儲存裝置中的 NAND 快閃記憶體,每經過一次 NAND 快閃記憶格的程式化或抹除 (P/E),其可靠地儲存資料位元的能力就會降低,直到 NAND 快閃記憶體區塊再也無法可靠地儲存資料為止。此時,降級或錯誤區塊會從使用者可定址的存放集區移走,並且將邏輯區塊 (或 LBA) 移至 NAND 快閃儲存陣列上的新實體位址。藉由使用屬於 SSD 上過度配置 (OP) 儲存設備一部分的備品區塊集區,新的儲存區塊會取代錯誤區塊。
當記憶單元持續地被寫入或抹除的同時,BER 也呈直線性的趨勢增加,因為這個原因,必須在企業端 SSD 固態硬碟控制器上執行一組複雜的管理技巧,藉以管理記憶單元在 SSD 固態硬碟產品壽命期間可靠地儲存資料的能力。{{Footnote.N52083}}
特定 NAND 快閃記憶體的程式化或抹除耐用性可能會有相當大的不同,端視當前平版印刷製造流程及所製造的 NAND 快閃記憶體類型而定。
NAND 快閃記憶體類型 | QLC | TLC | MLC | SLC |
架構 |
每格 4 位元 |
每格 3 位元 |
每格 2 位元 |
每格 1 位元 |
儲存容量 |
最高容量 |
較高容量 |
最大容量 |
最低容量 |
耐用性 (程式化或抹除) |
最低耐用性 |
較低耐用性 |
中等耐用性 |
最高耐用性 |
成本 |
$ |
$$ |
$$$ |
$$$$ |
大約的 NAND 位元錯誤率 (BER) |
10^4 |
10^4 |
10^7 |
10^9 |
表 2 - NAND 快閃記憶體類型 {{Footnote.N52084}}{{Footnote.N52085}}
企業端 SSD 固態硬碟和用戶端 SSD 固態硬碟可能因任務周期有所不同。企業端 SSD 固態硬碟必須能夠承受資料中心伺服器在日常環境中繁重的讀寫活動,這些伺服器需要每天 24 小時、每週 7 天不斷存取資料。與此相比,用戶端 SSD 固態硬碟通常一週內每日僅需充分運作 8 小時即可。
與具備 20/80 任務周期 (在電腦使用期間,20% 的使用中時間、80% 處於閒置或休眠模式) 的用戶端 SSD 固態硬碟相較之下,企業端 SSD 固態硬碟有 24 小時全天候任務週期。
瞭解任何應用或 SSD 固態硬碟的寫入耐用性所牽涉的層面可能相當複雜,這也是為何 JEDEC 委員會建議以「寫入兆位元組」(Terabytes Written,TBW) 值來表示在 SSD 固態硬碟中的 NAND 快取記憶體變成不可靠的儲存媒體,且在硬碟應當淘汰之前,可以寫入 SSD 固態硬碟之原始主機資料的數量。
若使用 JEDEC 所建議的 JESD218A 測試方法與 JESD219 企業端工作量,則可更輕鬆的透過 TBW 來說明 SSD 固態硬碟製造商耐用程度,並推論出一種更容易瞭解且可用於任何資料中心的耐用性度量方法。
如文件 JESD218 和 JESD219 中所述,不同的應用類別的工作量會受到寫入放大因數 (WAF) 數量級高於主機提交的實際寫入所影響。這樣的情況很容易導致 NAND 快閃記憶體的磨損變得難以管理,隨著時間推移出現過度寫入而導致較高的 NAND 快閃記憶體錯誤率 (BER),以及 SSD 固態硬碟上廣泛分布的無效頁面致效能降低。
雖然 TBW 是企業端和用戶端 SSD 固態硬碟之間討論的重要話題,然而 TBW 只是 NAND Flash 層級的耐用性預測模型。平均故障間隔 (MTBF) 的觀察標準應根據設備上使用的元件可靠性來預測元件層級的耐用性和可靠性的模型。對企業端 SSD 固態硬碟元件的要求,包括在 SSD 固態硬碟產品壽命期間內,能更持久且更努力地管理整個 NAND 快閃記憶體上的電壓。所有企業端 SSD 固態硬碟都應該被額定為至少 200 萬小時 MTBF,也可以說是超過 230 年!Kingston 會非常保守擬定 SSD 固態硬碟規格,而且提高 SSD 固態硬碟的 MTBF 規格並不罕見,重要的是以企業端 SSD 固態硬碟來說 200 萬小時非常充裕。
對企業端 SSD 固態硬碟進行 S.M.A.R.T. 監控與回報,可讓系統根據目前的寫入放大 (WAF) 因數及磨損的程度,在產品壽命結束前對裝置進行故障前查詢。通常也支援針對斷電、實體介面顯示的位元錯誤,或不平均的耗損分布等故障事件所發出的故障前預警。可從 Kingston 網站下載 Kingston SSD Manager 程式,並用來檢視硬碟的狀態。
用戶端 SSD 固態硬碟可能僅具備最少的 S.M.A.R.T. 輸出資料,以便在標準使用期間內或故障後用於監控 SSD 固態硬碟。
亦可依據應用等級與 SSD 固態硬碟的容量,分配更多的 NAND 快閃記憶體保留容量,以作為預留空間 (OP) 的備用容量。預留空間 (OP) 的容量對使用者和作業系統來說是隱藏的,無法存取。它可作為暫時的寫入緩衝以獲得更高的持續效能,並且在固態硬碟的產品壽命期間內,取代有瑕疵的快閃記憶格,藉以加強 SSD 固態硬碟 (備用區塊的數量增加) 的可靠度與耐用性。