۱۰۰ هزار در برابر ۱۰۰۰ چرخه P/E: ساختار سلول‌های NAND چگونه عمر و قیمت SSD را تعیین می‌کند؟

طول عمر یک درایو حالت جامد (SSD) نه با سال، بلکه با چرخه‌های نوشتن/پاک‌کردن (P/E) سنجیده می‌شود. هر بار که داده‌ای روی یک سلول حافظه فلش NAND نوشته می‌شود، ولتاژ بالایی اعمال می‌گردد تا الکترون‌ها را با فشار از یک لایه عایق اکسید عبور داده و وارد یک «گیت شناور» کند؛ جایی که برای نمایش داده‌ها به دام می‌افتند [۱].

برای پاک کردن داده‌ها، ولتاژ به مراتب بالاتری الکترون‌ها را به بیرون می‌کشد [۲]. این فرآیند، لایه اکسید را از نظر فیزیکی فرسوده می‌کند. در نهایت، این لایه آن‌قدر آسیب می‌بیند که دیگر نمی‌تواند الکترون‌ها را به‌طور قابل‌اعتمادی نگه دارد و سلول از کار می‌افتد [۳].[1][2][3]

اینکه یک درایو پیش از وقوع این خرابی چند چرخه P/E را می‌تواند دوام بیاورد، کاملاً به این بستگی دارد که تولیدکننده چه روشی را برای ذخیره داده‌ها انتخاب کرده است. بده‌بستان بنیادین در مهندسی SSD بین «تراکم» و «دوام» است و این مسئله با تعداد حالت‌های ولتاژی که از یک سلول انتظار می‌رود حفظ کند، کنترل می‌شود [۴].[4]

در یک درایو با سلول تک‌سطحی (SLC)، هر سلول حافظه دقیقاً یک بیت داده ذخیره می‌کند: صفر یا یک [۴]. درایو تنها باید بین دو حالت ولتاژ تمایز قائل شود—خالی یا پر [۵]. از آنجا که حاشیه خطا بسیار گسترده است، لایه اکسید می‌تواند پیش از آنکه درایو سلول را اشتباه بخواند، به میزان قابل‌توجهی فرسوده شود.

در نتیجه، درایوهای SLC دوامی در حدود ۱۰۰ هزار چرخه P/E دارند [۲]. آن‌ها بادوام‌ترین، سریع‌ترین و البته گران‌ترین درایوهای بازار هستند که تقریباً منحصراً برای سرورهای سازمانی و کاربردهای صنعتی که در آن‌ها حجم کاری سنگین و مداوم نوشتن یک رویه عادی است، رزرو شده‌اند [۳].[2][3][4][5]

برای کاهش هزینه‌ها و افزایش ظرفیت، تولیدکنندگان فناوری سلول چندسطحی (MLC) را توسعه دادند که دو بیت داده را در هر سلول ذخیره می‌کند [۴]. این کار ایجاب می‌کند که درایو بین چهار حالت ولتاژ متمایز تفاوت قائل شود [۵].

حاشیه خطا در اینجا کوچک‌تر می‌شود؛ به این معنی که سلول نمی‌تواند پیش از بروز خطای خواندن، فرسودگی فیزیکی زیادی را تحمل کند. دوام MLC به بین ۳۰۰۰ تا ۱۰ هزار چرخه P/E کاهش می‌یابد [۲]. این استانداردِ درایوهای SSD اولیه برای مصرف‌کنندگان بود که تعادلی بین قیمت و طول عمر ارائه می‌داد [۳].[2][3][4][5]

سپس بازار مصرف‌کنندگان به سمت NAND با سلول سه‌سطحی (TLC) حرکت کرد که سه بیت را در هر سلول ذخیره می‌کند [۴]. این فناوری به هشت حالت ولتاژ نیاز دارد [۵]. دقتی که برای خواندن و نوشتن این هشت حالت لازم است، بسیار بالاست و به همان نسبت تحمل در برابر فرسودگی اکسید پایین می‌آید. درایوهای TLC معمولاً بین ۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ چرخه P/E دوام می‌آورند [۲].

با وجود این افت شدید در دوام نسبت به SLC، فناوری TLC به استاندارد غالب درایوهای مصرفی تبدیل شد، چرا که هزینه به ازای هر گیگابایت را به‌شدت کاهش داد؛ ضمن اینکه ۱۰۰۰ چرخه P/E هنوز هم برای یک کاربر معمولی که بیشتر داده‌ها را می‌خواند (مانند بارگذاری سیستم‌عامل یا یک بازی) تا اینکه مدام آن‌ها را بنویسد، کاملاً کافی است [۳].[2][3][4][5]

مرز فعلی کاهش هزینه‌ها، NAND با سلول چهارسطحی (QLC) است که چهار بیت را در هر سلول ذخیره می‌کند [۴]. این یعنی درایو باید ۱۶ حالت ولتاژ متمایز را در همان گیت شناور میکروسکوپی مدیریت کند [۵]. تاوان این کار برای دوام درایو بسیار سنگین است: درایوهای QLC عموماً برای کمتر از ۱۰۰۰ چرخه P/E رتبه‌بندی می‌شوند و بسته به فرآیند تولید خاص و کیفیت کنترلر، اغلب در محدوده ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه نوسان دارند [۲].[2][4][5]

صنعت در حال حاضر روی توسعه فناوری سلول پنج‌سطحی (PLC) کار می‌کند که قرار است پنج بیت را در هر سلول ذخیره کند و به ۳۲ حالت ولتاژ نیاز دارد [۴]. انتظار می‌رود دوام PLC حتی از QLC هم پایین‌تر باشد و مرزهای میزان فرسودگی قابل‌تحمل لایه اکسید را پیش از ناخوانا شدن سلول، به چالش بکشد [۴].[4]

برای کاهش اثرات این محدودیت‌های فیزیکی ذاتی، تولیدکنندگان SSD از کنترلرها و الگوریتم‌های فرم‌ور پیچیده‌ای استفاده می‌کنند. «توزیع سایش» (Wear Leveling) تضمین می‌کند که عملیات نوشتن به‌طور یکنواخت در تمام سلول‌های درایو پخش شود و از خرابی زودهنگام هر سلول منفرد جلوگیری می‌کند [۱].

«تأمین مازاد» (Over-provisioning) نیز بخشی از ظرفیت کل درایو—اغلب بین ۷ تا ۲۸ درصد—را که برای کاربر نامرئی است، کنار می‌گذارد [۱]. وقتی یک سلول به‌طور اجتناب‌ناپذیری از کار می‌افتد، کنترلر به‌طور یکپارچه داده‌ها را به یکی از این سلول‌های رزرو منتقل کرده و عمر مفید درایو را افزایش می‌دهد [۱].[1]

بازاریابی درایوهای SSD به‌ندرت این تفاوت‌های معماری را مستقیماً برجسته می‌کند. در عوض، تولیدکنندگان روی شاخص «ترابایت‌های نوشته‌شده» (TBW) مانور می‌دهند که یک تخمین محاسباتی از میزان داده‌ای است که می‌توان در طول عمر درایو و پیش از پایان گارانتی روی آن نوشت [۱]. یک درایو ۱ ترابایتی TLC ممکن است TBW برابر با ۶۰۰ داشته باشد؛ به این معنی که می‌توانید پیش از آنکه انتظار خرابی برود، ۶۰۰ ترابایت داده روی آن بنویسید [۱].

برای مصرف‌کننده‌ای که روزی ۲۰ گیگابایت داده می‌نویسد، این درایو از نظر تئوری بیش از ۸۰ سال دوام می‌آورد. با این حال، برای یک تدوینگر ویدیو که روزانه صدها گیگابایت داده می‌نویسد، محدودیت TBW به یک مانع بسیار واقعی تبدیل می‌شود و ساختار زیربنایی سلول‌ها را به یک فاکتور حیاتی در خرید بدل می‌کند [۳].[1][3]