为什么 SSD 扇区的写入耐久性有限？

Question

为什么 SSD 扇区的写入耐久性有限？

我经常看到人们提到 SSD 扇区在变坏之前的写入次数是有限的，尤其是与经典（旋转磁盘）硬盘驱动器相比时，其中大多数故障是由于机械故障而不是扇区变坏。我很好奇这是为什么。

我正在寻找一种技术性但面向消费者的解释，即发生故障的确切组件以及为什么频繁写入会影响该组件的质量，但以不需要对 SSD 有大量知识的方式进行解释。

Answer 1

NAND 闪存通过控制称为“浮栅”的区域中的电子数量来存储信息。这些电子会改变存储单元的导电特性（打开和关闭单元所需的栅极电压），而后者又用于在单元中存储一位或多位数据。这就是为什么浮动栅极保持电荷的能力对于单元可靠地存储数据的能力至关重要。

写入和擦除过程会导致磨损

在正常使用过程中写入和擦除时，将浮栅与衬底隔开的氧化层会退化，从而降低其长时间保持电荷的能力。每个固态存储设备在变得不可靠之前都可以承受一定程度的退化，这意味着它可能仍能正常工作，但不会始终如一。NAND 设备在保持一致、可预测的输出的同时可以维持的写入和擦除（P/E 周期）的数量定义了它的耐用性。

最简单的物理学原理是您通过施加高电压迫使电子穿过（非常薄的）绝缘体。有时，这会导致原子之间的键断裂并以不同的排列重新形成，这会降低绝缘性能。最终，存储单元会发生泄漏或短路，从而无法再可靠地存储数据。维基很有趣：https://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory#Memory_wear。可以通过加热（退火）在相对较大的芯片块上进行擦除和修复循环。 (10认同)
闪存写入周期的限制并非特定于 NAND 类型，但通常适用于闪存。例如 https://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory#Write_endurance (8认同)
我发布的链接也将 NOR 描述为“浮动门”。实际的闪存单元似乎是*相同*，而 NAND 只是指它们串联的方式（因此类似于 NAND 门）。寻址逻辑和多路复用细节与闪存本身的磨损机制无关。 (4认同)
确实——所有的闪存都将信息作为电荷存储在浮栅中，这基本上就是闪存的定义；除了闪存之外，还有其他类型的电子可擦除可编程只读存储器，它们有不同的降级方法，但闪存被定义为一种 EEPROM，将信息存储在浮栅电荷中。NAND 与 NOR 定义了如何读取或写入数据的机制，而不是如何存储数据。 (2认同)

Answer 2

Mon*_*eus 64

想象一张普通的纸和铅笔。现在可以随意在纸上的一个地方随意书写和擦除。在你通过论文之前需要多长时间？

SSD 和 USB 闪存驱动器具有此基本概念，但处于电子级别。

我喜欢这个比喻，但这个答案可以使用一些事实来解释*实际*发生的事情。 (36认同)
@BenVoigt 好的：DRAM 是铅笔 + 橡皮擦，闪存是墨水 + [墨水橡皮擦](https://en.wikipedia.org/wiki/Ink_eraser)。墨水更持久，代价是去除造成更多损坏。（嘿，这对于类比来说实际上非常有效......） (28认同)
同样的类比用于 DRAM 也无济于事，它对写入周期有许多数量级的更高限制。 (11认同)
太好了。我想象一张纸和一支铅笔。但是闪存并不像一张纸和一支铅笔，那么它有什么帮助呢？你不妨说，“想象一下你的车。如果你开得足够多，发动机就会停止工作。” 简单地给出另一个在多次使用后会损坏的例子并不能解释为什么这个特定的系统在多次使用后会损坏。 (9认同)
@Sahuagin 但是_为什么_是这样的？为什么它不像一个水瓶，我可以随心所欲地装满和倒空，而不会对瓶子造成任何可测量的侵蚀？这就是这个类比的问题：它让我相信记忆就像其他系统，但两个系统之间的唯一联系是类比有效的说法。 (6认同)
@Juha 但是黑板不是这样工作的。与墙不同，黑板的全部意义在于您可以书写、擦除和再次书写，并且新书写的内容清晰易读。我很欣赏记忆单元和水瓶之间的规模差异。我的问题有些修辞，要说明的是，您不能只声称某事是类比而不解释_为什么_这是一个类比，并且_如何_该类比有助于理解真实情况。这里的答案没有做这两件事。 (2认同)

Answer 3

jcb*_*rmu 25

问题是所使用的 NAND 闪存基板在每次擦除时都会退化。所述擦除方法包括击打具有相对快闪单元大的充电电能，这将导致芯片本身上的半导体层略微降低。

从长远来看，这种损坏会增加可以用软件纠正的误码率，但最终闪存控制器中的纠错代码例程无法跟上这些错误，闪存单元变得不可靠。

Answer 4

Lis*_*ter 11

我的回答来自比我知识渊博的人！

SSD 使用所谓的闪存。将数据写入单元时会发生物理过程（电子进出）。发生这种情况时，它会侵蚀物理结构。这个过程很像水蚀；最终它太多了，墙壁让位。当这种情况发生时，单元格就变得无用了。

另一种方式是这些电子可能会“卡住”，从而更难正确读取细胞。这个比喻是很多人同时在说话，很难听到任何人的声音。你可能会选择一种声音，但它可能是错误的！

SSD 尝试在其使用的单元之间均匀分布负载，以便它们均匀磨损。最终一个单元格将死亡并被标记为不可用。SSD 有一个“过度配置单元”的区域，即备用单元（想想运动中的替代品）。当细胞死亡时，将使用其中之一。最终，所有这些额外的单元也会被使用，SSD 将慢慢变得无法读取。

希望这是一个消费者友好的答案！

编辑：来源在这里

Answer 5

bwD*_*aco 10

几乎所有消费类 SSD 都使用一种称为 NAND 闪存的存储技术。写耐久性限制是由于闪存的工作方式。

简而言之，闪存的工作原理是将电子存储在绝缘屏障内。读取闪存单元涉及检查其电荷水平，因此为了保留存储的数据，电子电荷必须随时间保持稳定。为了提高存储密度并降低成本，大多数 SSD 使用闪存来区分两种可能的电荷水平（每单元一位，SLC），而是四种（每单元两位，MLC），八（每单元三位，TLC） )，甚至 16 个（每个单元 4 位，TLC）。

写入闪存需要驱动升高的电压来移动电子通过绝缘体，这个过程会逐渐磨损它。随着绝缘层的磨损，电池保持电子电荷稳定的能力降低，最终导致电池无法保留数据。对于 TLC，尤其是 QLC NAND，由于需要区分更多级别以存储多位数据，因此单元对这种电荷漂移特别敏感。

为了进一步提高存储密度并降低成本，用于制造闪存的工艺已大幅缩减，如今已小至 15 纳米，而且更小的单元磨损得更快。对于平面 NAND 闪存（不是 3D NAND），这意味着虽然 SLC NAND 可以持续数万甚至数十万个写入周期，但 MLC NAND 通常仅适用于约 3,000 个周期，而 TLC 仅为 750 至 1,500 个周期。

3D NAND 将 NAND 单元堆叠在另一个顶部，可以实现更高的存储密度，而无需将单元缩小到最小，从而实现更高的写入耐久性。虽然三星的 3D NAND 已经回到 40 纳米工艺，但其他闪存制造商如美光已经决定使用小工艺（虽然不如平面 NAND 小）以提供最大的存储密度和最低的成本。3D TLC NAND 的典型耐久性等级约为 2,000 至 3,000 次循环，但在企业级设备中可能更高。3D QLC NAND 通常额定约 1,000 个周期。

由英特尔和美光开发的一种名为 3D XPoint 的新兴内存技术使用完全不同的方法来存储数据，并且不受闪存耐久性限制的限制。3D XPoint 也比闪存快得多，快得足以取代 DRAM 作为系统内存。英特尔将以 Optane 品牌销售使用 3D XPoint 技术的设备，而美光将以 QuantX 品牌销售 3D XPoint 设备。采用这种技术的消费类 SSD 最早可能会在 2017 年上市，但我相信出于成本原因，3D NAND（主要是 TLC 类型）将成为未来几年大容量存储的主要形式。

归档时间：	9 年，6 月前
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最近记录：	7 年，2 月前