SSDセクターの書き込み耐久性が制限されているのはなぜですか？

SSDセクターは、特にセクターの劣化ではなく、機械的故障が原因で失敗する古典的な（回転ディスク）ハードドライブと比較すると、SSDセクターが劣化する前に書き込み回数に制限があるとよく言われます。なぜそうなのか興味があります。

技術的でありながら消費者志向の説明、つまり失敗する正確なコンポーネントと、頻繁な書き込みがそのコンポーネントの品質に影響する理由を探していますが、SSDに関する極端な知識を必要としない方法で説明しています。

「Flashが磨耗する理由と長持ちさせる方法」からコピー：

NANDフラッシュは、「フローティングゲート」と呼ばれる領域の電子量を制御することで情報を保存します。これらの電子は、メモリセルの導電特性（セルのオンとオフを切り替えるために必要なゲート電圧）を変更し、セル内の1ビット以上のデータを格納するために使用されます。これが、フローティングゲートが電荷を保持する能力が、データを確実に保存するセルの能力にとって重要である理由です。

書き込みと消去のプロセスが摩耗を引き起こす

通常の使用中に書き込まれ、消去されると、フローティングゲートを基板から分離する酸化物層が劣化し、長時間にわたって電荷を保持する能力が低下します。各ソリッドステートストレージデバイスは、信頼性が低下する前に有限量の劣化に耐えることができます。つまり、機能する可能性はありますが、一貫性はありません。一貫性のある予測可能な出力を維持しながら、NANDデバイスが保持できる書き込みと消去（P / Eサイクル）の回数が、その耐久性を定義します。

普通の紙と鉛筆を想像してください。これで、用紙上の1箇所に好きなだけ何度でも自由に書き込みおよび消去できます。論文を読むまでにどれくらいかかりますか？

SSDとUSBフラッシュドライブにはこの基本的な概念がありますが、電子レベルです。

問題は、使用するNANDフラッシュ基板が消去ごとに劣化することです。消去プロセスは、比較的でフラッシュセルを打つことを含む電気エネルギーの大きな電荷、これはチップ自体の上の半導体層をわずかに劣化させます。

長い目で見たこの損傷は、ソフトウェアで修正できるビットエラーレートを増加させますが、最終的にフラッシュコントローラーのエラー修正コードルーチンはこれらのエラーに追いつかず、フラッシュセルは信頼できなくなります。

私の答えは、私よりも知識のある人からのものです！

SSDは、いわゆるフラッシュメモリを使用します。物理プロセスは、データがセルに書き込まれるときに発生します（電子が出入りします）。これが発生すると、物理構造が侵食されます。このプロセスは、水の浸食によく似ています。最終的には多すぎて壁が崩れます。これが発生すると、セルは役に立たなくなります。

別の方法は、これらの電子が「スタック」する可能性があり、セルを正しく読み取ることが難しくなることです。これに対する類推は、多くの人が同時に話していることであり、誰の声も聞こえにくい。あなたは一つの声を選ぶかもしれませんが、それは間違ったものかもしれません！

SSDは、使用中のセル間で負荷を均等に分散させ、均等に摩耗するようにします。最終的に、セルは死に、使用不可としてマークされます。SSDには、「オーバープロビジョニングされたセル」、つまりスペアセルの領域があります（スポーツの代替品を考えてください）。セルが死ぬと、代わりにこれらの1つが使用されます。最終的には、これらの余分なセルもすべて使用され、SSDは徐々に読み取り不能になります。

うまくいけば、それは消費者に優しい答えでした！

編集：ここのソース

ほとんどすべての民生用SSDは、NANDフラッシュメモリと呼ばれるメモリテクノロジーを使用しています。書き込み耐久性の制限は、フラッシュメモリの動作方法によるものです。

簡単に言えば、フラッシュメモリは、絶縁障壁内に電子を保存することで動作します。フラッシュメモリセルの読み取りには、電荷レベルのチェックが含まれます。そのため、保存されたデータを保持するには、電子の電荷が時間とともに安定している必要があります。ストレージ密度を高め、コストを削減するために、ほとんどのSSDは2つの可能な充電レベル（セルあたり1ビット、SLC）だけでなく、4（セルあたり2ビット、MLC）、8（セルあたり3ビット、TLC）を区別するフラッシュメモリを使用します）、または16（セルあたり4ビット、TLC）。

フラッシュメモリへの書き込みには、絶縁体を介して電子を移動させるために高電圧を駆動する必要があります。このプロセスは、絶縁体を徐々に磨耗させます。絶縁体が摩耗すると、セルは電子の電荷を安定に保つことができなくなり、最終的にセルはデータを保持できなくなります。TLC、特にQLC NANDでは、複数ビットのデータを保存するためにより多くのレベルを区別する必要があるため、セルはこの電荷ドリフトに特に敏感です。

ストレージ密度をさらに高め、コストを削減するために、フラッシュメモリの製造に使用されるプロセスは劇的に縮小され、今日では15nmにまで小さくなりました。平面NANDフラッシュ（3D NANDではない）の場合、これは、SLC NANDが数十または数十万の書き込みサイクルに耐えることができることを意味しますが、MLC NANDは通常約3,000サイクルのみであり、TLCはわずか750から1,500サイクルです。

NANDセルを上下に積み重ねる3D NANDは、セルを小さく縮小することなく、より高いストレージ密度を実現でき、書き込み耐久性が向上します。サムスンは3D NANDの40nmプロセスに戻りましたが、Micronなどの他のフラッシュメモリメーカーは、とにかく小さなプロセス（平面NANDほどではありませんが）を使用して、最大のストレージ密度と最小コストを実現することにしました。3D TLC NANDの一般的な耐久性評価は約2,000〜3,000サイクルですが、エンタープライズクラスのデバイスではより高い可能性があります。3D QLC NANDの定格は通常、約1,000サイクルです。

IntelとMicronによって開発された3D XPointと呼ばれる新しいメモリテクノロジーは、フラッシュメモリの耐久性の制約を受けないデータを格納するためにまったく異なるアプローチを使用します。3D XPointはフラッシュメモリよりも非常に高速であり、システムメモリとしてDRAMを置き換えるのに十分な速度です。IntelはOptaneブランドで3D XPointテクノロジーを使用したデバイスを販売し、MicronはQuantXブランドで3D XPointデバイスを販売します。このテクノロジーを搭載した民生用SSDは2017年に市場に登場する可能性がありますが、コスト上の理由から、今後数年間は3D NAND（主にTLCの種類）が大容量ストレージの主要な形態になると考えています。

フラッシュセルは静電気を蓄えます。それは、膨張したバルーンに保存できる電荷とまったく同じです。その上にいくつかの余分な電子を配置します^∗。

静電気の特別な点は、静電気が所定の位置に留まることです。通常、電子機器では、すべてが何らかの方法で導体で他のすべてに接続されており、風船と地面の間に大きな抵抗器があったとしても、電荷はすぐに消えます^†。バルーンが充電されたままの理由は、空気が実際に絶縁体であるということである：それは持っている無限の抵抗を。

通常、そうです。すべての物質^‡は電子と原子のしわで構成されているため、何でも導体にすることができます：十分なエネルギーを加えるだけで、電子の一部がゆるやかに揺れ、（少しの間）風船に近づいたり、遠くから自由に動くことができますそれ。これは実際に静電気を伴う空気中で起こります。このプロセスは稲妻として知られています！

雷がかなり暴力的なプロセスであることを強調する必要はありません。これらの電子は、物質の化学構造の重要な部分です。空気の場合、稲妻により酸素と窒素の一部がオゾンと二酸化窒素に変換されます。空気が動き続けて混ざり合い、それらの物質が最終的に酸素と窒素に反応するため、「永続的な害」は発生せず、空気は依然として絶縁体です。

フラッシュセルの場合はそうではありません。ここでは、絶縁体はもっとコンパクトでなければなりません。これは、固体酸化物層でのみ実現可能です。丈夫なものですが、それも導電性材料に電荷を強制する効果に影響されません。そして、頻繁に状態を変更すると、最終的にフラッシュセルが壊れます。

対照的に、DRAMセルには適切な絶縁体がありません。そのため、情報が失われないように、1秒間に何度も定期的に更新する必要があります。ただし、それはすべて通常の導電性電荷輸送であるため、RAMセルの状態を変更しても、通常はそれほど悪いことは起こりません。したがって、RAMはフラッシュよりも多くの読み取り/書き込みサイクルに耐えます。

^∗ _{または、正電荷の場合、分子結合から電子をいくつか除去します。これが検出可能な方法で化学構造に影響を与えないように、ほんの少しだけ取る必要があります。}

^† _{これらの静電気は実際にはごくわずかです。何年も続く最小の時計のバッテリーでさえ、何百もの風船を充電するのに十分な充電を毎秒供給します！注目すべき潜在的な障壁を打ち破るのに十分な電圧がありません。}

^‡ _{少なくとも、地球上のすべての問題...中性子星に行くことで事態を複雑にしないようにしましょう。}

技術的ではなく、OPの意味に対する答えセクターが悪くなるのではなく、機械的な故障です。」
OPの質問は、「SSDは錆びを回すよりはるかに頻繁に故障するので、どのように使用すると妥当な信頼性が得られるのでしょうか？」と解釈します。

信頼性と障害には2つのタイプがあります。1つは、年齢、品質、乱用などが原因で完全に失敗することです。または、大量の読み取り/書き込みが原因でセクターエラーが発生する場合があります。

セクターエラーはすべてのメディアで発生します。ドライブコントローラー（SSDまたは回転）は、障害のあるセクターデータを新しいセクターに再マッピングします。完全に失敗した場合、再マッピングは可能ですが、データは失われます。SSDでは、セクターが大きく、多くの場合完全に失敗します。

SSDには、1つまたは両方のタイプの信頼性があります。読み取り/書き込みサイクルの問題は
、より大きなドライブを使用すると役立ちます。小さいドライブがあり、WindowsなどのOSで使用する場合、多くの読み取り/書き込みサイクルが発生します。はるかに大容量のドライブ上の同じOSでは、サイクルが少なくなります。したがって、各セクタが頻繁に消去されなければ、数千サイクルの「ドライブ」であっても問題にならない可能性があります。
データのバランス-SSDは、使用頻度の高いセクターから使用頻度の低いセクターにデータを移動します。もう一度OSについて考え、更新します。それに対して、撮った写真だけを保存しておきます。ある時点で、SSDは写真の物理的な場所とOSファイルを交換して、サイクルのバランスを取ります。
圧縮-データの圧縮に必要なスペースが少ないため、書き込みが少なくなります。

次に、コンポーネントの品質があります。最も安価なSSDまたはUSBを入手することはしばらくは有効かもしれませんが、企業で使用するために作成された高品質のSSDは、消去サイクルだけでなく、完全に使用する場合でもはるかに長い時間持続します。

ドライブがますます大きくなると（100〜1000GBなど）、書き込みサイクルが少なくても消去サイクルの問題は少なくなります。一部のドライブでは、DRAMをキャッシュとして使用して、書き込みサイクルを削減します。キャッシュ用にSSDの高品質セグメントを使用し、低コストおよび大サイズ用に低品質を使用するものもあります。

最新の高品質のコンシューマーSSDは、コンシューマーマシンで長期間使用できます。私はまだ働いている5歳以上を持っています。また、数か月後に故障した安価で新しいものがいくつかあります。時にはそれは単なる（悪い）運です。