Frågan om hållbarhet

I föregående sektion beskrev vi hur hållbarheten hos olika typer av NAND-minnen sjunker i takt med att antalet bitar per cell ökar. Flera nivåer, eller tillstånd, per minnescell sliter mer på cellen. Här nedanför beskrivs ungefärlig förväntad hållbarhet för de olika NAND-minnestyperna, och metoder som används för att förlänga deras livslängd.

Konceptet med utslitna bitar

De olika typerna av NAND Flash-minne har olika nivåer av förväntad livslängd och antal skrivningar per minnescell. Här finns två huvudsakliga faktorer att räkna med: slitage över tid, och förändrad elektronpotential för minnescellerna.

Slitage över tid handlar om att minnescellerna helt enkelt försämras med varje skrivning, och detta motverkas av tillverkarna genom något som kallas "wear leveling". NAND-lagring är uppdelad i olika block. Varje block av minnesceller kan hantera ett visst antal skrivningar innan deras förmåga att pålitligt behålla information försämras.

Wear leveling handlar helt enkelt om att sprida ut slitaget över samtliga minnesceller så att belastningen på de individuella cellerna blir mindre. Om många skrivningar görs till ett litet antal minnesceller kommer dessa slitas ut snabbare, något som motverkas genom att slita lite på alla celler över tid.

Denna utspridning av skrivningar hanteras typiskt sett av enhetens minneskontroller, där en algoritm ansvarar för att sprida ut skrivningarna till de olika fysiska blocken med minnesceller. Ett annat känt begrepp inom SSD-lagring är TRIM, en funktion där operativsystemet meddelar den NAND-baserade lagringen om vilka block som är tillgängliga för skrivning.

Behovet av felhantering

Nästa problem är alltså förändrad elektronpotential över tid, eller så kallad "bit rot", och detta ligger till grund för sämre prestanda och hållbarhet för minnesceller med flera bitar per cell. Det handlar om att ju fler tillstånd en minnescell har, desto större blir dess potential för elektronläckage. Cellerna matas med olika nivåer av strömstyrkor för att växla mellan olika tillstånd, och när detta sker ökas risken för instabilitet i de omgivande cellerna.

Tillverkare av NAND-minnen med flera bitar lagrad data per cell behöver därför inrätta kontrollsystem som förhindrar denna instabilitet som kan leda till fel. Samtliga SSD-enheter som nyttjar MLC-, TLC- eller QLC NAND använder sig av någon form av felkorrigerande tekniker, Error Correction Control (ECC), för att minska instabiliteten och sannolikheten för att fel uppstår.

Minnesteknikerna och hållbarhet

  • SLC – enkelhet ger uthållighet
    Enkelheten i att endast en bit lagras per cell gör att slitaget blir litet med SLC-baserat NAND-minne. En minnescell i ett SLC-baserat NAND-minne har en förväntad livslängd på cirka 90 000 till 100 000 skrivningar per cell. Den här minnestypen är också mindre känslig för högre temperaturer, vilket tillsammans med hållbarheten gör den lämpad för krävande enterprise-tillämpningar.

  • MLC – hållbarhet går i bitar
    Att dubblera antalet tillstånd per minnescell har rejält effekt på den förväntade livslängden, då MLC-baserad NAND-lagring har en förväntad livslängd på cirka 10 000 skrivningar per cell.

  • TLC – nästan en halvering
    Steget från fyra tillstånd per cell i MLC till hela åtta tillstånd per cell i TLC påverkar inte cellernas hållbarhet i samma utsträckning som siffrorna antyder. Den förväntade livslängden för TLC NAND är cirka 1 000 till 3 000 skrivningar per cell, även om detta ökats till cirka 3 000 till 5 000 skrivningar per cell med förbättringar av tekniken.

  • QLC – på pappret begränsat
    Med hela 16 tillstånd att bearbeta per cell tar QLC NAND ytterligare steg nedåt i hållbarhet, även om även detta har förbättrats med förbättringar av tekniken. Inledningsvis kunde QLC NAND erbjuda så lite som 100 skrivningar per cell, men moderna lösningar kan nå en hållbarhet på cirka 1 000 skrivningar per cell.

Vad innebär det för Intel 660p?

QLC NAND har alltså sämre hållbarhet än de tidigare minnestyperna, men frågan om hållbarhet handlar återigen om vilken typ av arbetsuppgifter enheten ska utsättas för. Intels QLC-baserade 660p-familj har en uppskattad livslängd på 0,1 skrivningar per dag i fem års tid. Det kan jämföras med 0,3 skrivningar per dag hos majoriteten av dagens MLC/TLC-baserade enheter.

För en Intel 660p med 512 GB lagringskapacitet motsvarar detta skrivningar på 100 TB under enhetens livslängd. För 1 terabyte lagring motsvarar det 200 TB skriven data under livslängden och för 2 TB lagringskapacitet ger det 400 TB skrivningar. En motsvarande TLC-baserad enhet kan bjuda på hållbarhet om cirka 300 TB skriven data för 512 GB lagring och 600 TB skriven data för 1 TB lagring.

Den som ska utsätta enheten för stora mängder skrivningar per dag, exempelvis som lagringsenhet i serversammanhang, kommer slita ut enheten relativt snabbt. En typisk konsument skriver inte till lagringen alls lika ofta, och kan därför sannolikt använda enheten i flera år innan problem med prestanda eller pålitlighet visar sig. Intel ger därför fem års garanti för Intel SSD 660p-produkterna då enheterna garanteras hålla åtminstone så länge vid typisk konsumentanvändning.