Насколько надежны твердотельные накопители?

Что не нравится в твердотельных накопителях (SSD)? Они быстрее, чем обычные жесткие диски (HDD), более компактны, не имеют движущихся частей, невосприимчивы к магнитным полям и могут противостоять большему количеству ударов и вибрации, чем обычные диски с магнитным диском. И они становятся доступными в больших и больших мощностях, в то время как их стоимость снижается.

Если вы обновили старый компьютер с помощью SSD, вы, несомненно, сразу же увидели преимущества. Ваш компьютер загружался за меньшее время, ваши приложения загружались быстрее, и даже когда вам не хватало памяти, а приложения и данные приходилось выгружать на диск, казалось, что все гораздо быстрее.

Сейчас мы видим SSD с емкостью, которая раньше была зарезервирована для жестких дисков и по ценам, которые больше не заставляют нас задуматься. SSD-накопители емкостью 500 ГБ теперь доступны по цене (менее 100 долл. США), а накопители емкостью 1 ТБ — по разумной цене (от 100 до 150 долл. США). Даже твердотельные накопители емкостью 2 ТБ попадают в бюджетный диапазон для создания высокопроизводительной настольной системы (от 300 до 400 долларов США).

Мы неоднократно писали в этом блоге о твердотельных накопителях и считали, что они лучше всего подходят для твердотельных накопителей по сравнению с жесткими дисками. Мы также написали о будущем твердотельных накопителей и о том, как мы их используем в наших центрах обработки данных, и планируем ли мы использовать их в будущем.



В этом посте мы рассмотрим вопрос надежности SSD. При всех своих достоинствах можно ли доверять твердотельным накопителям ваши данные, и будут ли они работать так же долго или дольше, чем если бы вы использовали вместо этого жесткий диск? Возможно, вы читали, что твердотельные накопители ограничены конечным числом операций чтения и записи до того, как они потерпят неудачу. О чем это все?

Суть вопроса в том, что диски SSD выходят из строя? Конечно, они делают, как и все диски в конце концов. Важные вопросы, которые нам действительно нужно задать, это: 1) они выходят из строя быстрее, чем жесткие диски, и 2) как долго мы можем разумно ожидать, что они продлятся?

Резервное копирование это здорово сделать
Конечно, как компания по хранению и резервному копированию данных, вы знаете, что мы собираемся сказать сразу. Мы всегда рекомендуем, чтобы независимо от того, какой носитель вы используете, у вас всегда должна быть резервная копия ваших данных. Даже если диск надежен и находится в хорошем состоянии, он не принесет пользы, если ваш компьютер будет украден, затоплен или потерян в результате пожара или другого стихийного бедствия. Возможно, вы слышали, что повреждение водой — самая частая компьютерная авария, и лишь немногие компоненты компьютера могут выдержать тщательное замачивание, особенно при питании.

Факторы надежности SSD для рассмотрения
Как правило, твердотельные накопители более долговечны, чем жесткие, в экстремальных и жестких условиях, поскольку в них нет движущихся частей, таких как рычаги привода. SSD лучше, чем HDD, могут противостоять случайным падениям и другим ударам, вибрации, экстремальным температурам и магнитным полям Добавьте к этому их небольшой размер и низкое энергопотребление, и вы поймете, почему они идеально подходят для ноутбуков и мобильных приложений.

Во-первых, давайте рассмотрим основы. Почти все типы современных твердотельных накопителей используют флэш-память NAND. NAND не является аббревиатурой от многих компьютерных терминов. Вместо этого это имя, которое происходит от логических элементов, называемых «НЕ И».



Термин, следующий за NAND, флэш, относится к энергонезависимой твердотельной памяти, которая сохраняет данные, даже когда источник питания удален. Хранилище NAND имеет особые свойства, которые влияют на его продолжительность. Когда данные записываются в ячейку NAND (также известную как программирование), данные должны быть удалены, прежде чем новые данные могут быть записаны в эту же ячейку. NAND программируется и стирается путем подачи напряжения для отправки электронов через изолятор. Расположение этих электронов (и их количество) определяет, когда ток будет течь между источником и стоком (так называемый порог напряжения), определяя данные, хранящиеся в этой ячейке (1 и 0). При записи и стирании NAND он отправляет электроны через изолятор и обратно, и изолятор начинает изнашиваться — точное число этих циклов в каждой отдельной ячейке зависит от конструкции NAND. В конце концов, изолятор изнашивается до такой степени, что он может испытывать трудности с удержанием электронов в их правильном (запрограммированном) положении, что делает все более трудным определение того, находятся ли электроны там, где они должны быть, или они мигрировали самостоятельно.

Это означает, что ячейки флэш-памяти могут быть запрограммированы и стерты только ограниченное количество раз. Это измеряется в циклах P / E, что означает программирование и стирание.

Циклы P / E являются важным измерением надежности SSD, но есть и другие факторы, которые также необходимо учитывать. Это циклы P / E, TBW (записанные терабайты) и MTBF (среднее время между сбоями).

Производитель SSD предоставит эти спецификации для своих продуктов, и они помогут вам понять, как долго будет работать ваш накопитель и подходит ли конкретный накопитель для вашего приложения.

Циклы P / E — цикл стирания программы в твердотельном хранилище — это последовательность событий, в которой данные записываются в твердотельную ячейку флэш-памяти NAND, затем стираются, а затем перезаписываются. Сколько циклов P / E может выдержать SSD, зависит от используемой технологии, где-то между 500 и 100 000 циклов P / E.

TBW — записанные терабайты — это общий объем данных, которые можно записать на твердотельный накопитель до того, как он может выйти из строя. Например, вот гарантии TBW для популярного твердотельного накопителя Samsung 860 EVO: 150 TBW для модели на 250 ГБ, 300 TBW для модели на 500 ГБ, 600 TBW для модели на 1 ТБ, 1200 TBW для модели на 2 ТБ и 2400 TBW для модели на 4 ТБ, Примечание: на эти модели предоставляется гарантия 5 лет или TBW, в зависимости от того, что наступит раньше.

MTBF — MTBF (среднее время между отказами) — это показатель надежности аппаратного продукта или компонента в течение ожидаемого срока его службы. Для большинства компонентов мера обычно составляет тысячи или даже десятки тысяч часов между отказами. Например, среднее время наработки на отказ жесткого диска может составлять 300 000 часов, а на твердотельном накопителе — 1,5 миллиона часов.

Это не означает, что ваш SSD прослужит столько часов, что означает, что, учитывая набор образцов этой модели SSD, ошибки будут возникать с определенной частотой. MTBF 1,2 миллиона часов означает, что, если диск используется в среднем по 8 часов в день, ожидается, что при выборке из 1000 твердотельных накопителей будет происходить один сбой каждые 150 дней или примерно два раза в год.

Типы SSD
Существует целый ряд различных типов твердотельных накопителей, и развитие технологий продолжается быстрыми темпами. Как правило, твердотельные накопители основаны на четырех различных технологиях ячеек NAND:

SLC (одноуровневая ячейка) — один бит на ячейку
Когда хранится один бит (SLC), нет необходимости держать закрытые вкладки о расположении электронов, поэтому миграция нескольких электронов не представляет большой проблемы. Поскольку сохраняется только 1 или 0, необходимо только точно определить, течет ли напряжение или нет.

MLC (многоуровневая ячейка) — два бита на ячейку
MLC хранит два бита на ячейку, поэтому требуется большая точность (определение порога напряжения является более сложным). Необходимо различать 00, 01, 10 или 11. Мигрирующие электроны оказывают большее влияние, поэтому изолятор нельзя носить так же часто, как с SLC.

TLC (трехуровневая ячейка) — три бита на ячейку
Эта тенденция продолжается с TLC, где хранятся три бита: 001, 010, 100,… 110 и 111. Мигрирующие электроны имеют больший эффект, чем в MLC, что дополнительно снижает допустимый износ изолятора.

QLC (Quad Level Cell) — четыре бита на ячейку
QLC хранит четыре бита (16 возможных комбинаций 1 и 0). С QLC мигрирующие электроны имеют наиболее значительный эффект. Допустимый износ изолятора еще больше уменьшается.

QLC хорошо подходит для рабочих нагрузок, ориентированных на чтение, потому что ячейки NAND изнашиваются пренебрежимо мало при чтении данных, а больше — при записи данных (программирование и стирание). При записи и перезаписи большого количества данных изолятор изнашивается быстрее. Если ячейка NAND может выдержать этот износ, она хорошо подходит для смешанного доступа для чтения / записи. Чем меньше износоустойчивых ячеек NAND, тем лучше они подходят для рабочих нагрузок и приложений, ориентированных на чтение.

Каждая последующая технология для NAND позволяет хранить дополнительный бит. Чем меньше бит на ячейку NAND, тем быстрее, надежнее и энергоэффективнее технология, а также она дороже. Технически твердотельный накопитель SLC будет самым надежным твердотельным накопителем, поскольку он может выдерживать большее количество операций записи, а QLC наименее надежный. Если вы выбираете SSD для приложения, в котором оно будет записано больше, чем прочитано, то выбор технологии ячейки NAND может стать важным фактором в вашем решении. Если ваше приложение предназначено для общего использования на компьютере, оно, скорее всего, будет иметь для вас меньшее значение.

Как факторы надежности влияют на ваш выбор SSD
Насколько эти факторы важны для вас, зависит от того, как используется SSD. Правильный вопрос — как диск будет работать в вашем приложении? Существуют разные критерии производительности и надежности в зависимости от того, будет ли SSD использоваться на домашнем настольном компьютере, в центре обработки данных или на исследовательской машине на Марсе.

Производители иногда указывают тип рабочей нагрузки приложения, для которой предназначен SSD, такой как интенсивная запись, интенсивное чтение или смешанное использование. Некоторые поставщики позволяют заказчику выбрать оптимальный уровень выносливости и емкости для конкретного твердотельного накопителя. Например, корпоративный пользователь с базой данных с большим количеством транзакций может выбрать большее число операций записи на диск за счет емкости. Или пользователь, работающий с базой данных, которая выполняет редкие записи, может выбрать меньшее число записей на диске и большую емкость.

Признаки отказа SSD
SSD в конечном итоге выйдет из строя, но обычно есть предварительные предупреждения о том, когда это произойдет. Вы, вероятно, столкнулись со страшным щелкающим звуком, который исходит от умирающего жесткого диска. SSD не имеет движущихся частей, поэтому мы не получим звукового предупреждения о том, что SSD собирается подвести нас. Вам следует обратить внимание на ряд показателей того, что срок службы вашего SSD приближается к концу, и принять меры, заменив этот диск на новый.

1) Ошибки, связанные с плохими блоками
Подобно плохим секторам на жестких дисках, на SSD есть плохие блоки. Обычно это сценарий, когда компьютер пытается прочитать или сохранить файл, но это занимает необычно много времени и заканчивается неудачей, поэтому система в конечном итоге сдается с сообщением об ошибке.

2) Файлы не могут быть прочитаны или записаны
Существует два способа, которыми плохой блок может повлиять на ваши файлы: 1) система обнаруживает плохой блок при записи данных на диск и, таким образом, отказывается записывать данные, и 2) система обнаруживает плохой блок после того, как данные был написан, и поэтому отказывается читать эти данные.

3) Файловая система нуждается в восстановлении
Получение сообщения об ошибке на экране может происходить просто потому, что компьютер не был выключен должным образом, но это также может быть признаком того, что на SSD возникают плохие блоки или другие проблемы.

4) Сбой во время загрузки
Сбой во время загрузки компьютера является признаком того, что на вашем диске может возникнуть проблема. Вы должны убедиться, что у вас есть текущая резервная копия всех ваших данных, прежде чем она ухудшится и диск выйдет из строя полностью.

5) диск становится только для чтения
Ваш диск может отказаться записывать больше данных на диск и может только читать данные. К счастью, вы все еще можете получить свои данные с диска.

Как правило, твердотельные накопители будут работать столько, сколько вам нужно
Давайте вернемся к двум вопросам, которые мы задали выше.

Вопрос 1: SSD отказывают быстрее, чем HDD?

Ответ: Это зависит от технологии накопителей и от того, как они используются. Жесткие диски лучше подходят для одних приложений и SSD для других. Можно ожидать, что твердотельные накопители будут работать дольше или дольше, чем жесткие диски в большинстве общих приложений.

Вопрос 2: Как долго мы можем ожидать, что SSD будет работать долго?

Ответ: В идеале твердотельный накопитель должен длиться столько, сколько его производитель ожидает (например, пять лет), при условии, что использование накопителя не является чрезмерным для технологии, которую он использует (например, использование QLC в приложении с большим количеством пишет). Ознакомьтесь с рекомендациями производителя, чтобы убедиться, что использование SSD соответствует его наилучшему использованию.

SSD — это другое поколение животных, нежели HDD, и они имеют свои сильные и слабые стороны по сравнению с другими носителями. Хорошей новостью является то, что их сильные стороны — скорость, долговечность, размер, энергопотребление и т. Д. — подкреплены довольно хорошей общей надежностью.

Пользователи твердотельных накопителей гораздо чаще заменяют свои накопители, потому что они готовы перейти на более новую технологию, более высокую емкость или более быстрый накопитель, чем необходимость замены накопителя из-за короткого срока службы. При нормальном использовании мы можем ожидать SSD до последних лет. Если вы заменяете компьютер каждые три года, как это делают большинство пользователей, вам, вероятно, не нужно беспокоиться о том, будет ли ваш SSD работать столько же, сколько и ваш компьютер. Важно то, будет ли SSD достаточно надежным, чтобы вы не потеряли свои данные в течение срока его службы.

Как мы видели выше, если вы будете обращать внимание на свою систему, вы получите достаточно предупреждений о надвигающемся сбое диска, и вы можете заменить диск до того, как данные станут недоступны для чтения.