Проблема надежности твердотельных накопителей

Первые серийные образцы флэш-носителей не радовали пользователей скоростью обмена информацией, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет даже смотреть полноформатный фильм или запускать операционную систему. Некоторые производители уже представили компьютеры, в которых вместо жесткого диска используется флэш-память, и чересчур оптимистичные пользователи поторопились отказаться не только от флоппи-дисков, но и от винчестеров.

Однако у флэш-памяти есть один очень неприятный недостаток, препятствующий тому, чтобы этот тип носителя заменил все существующие оптические и магнитные накопители: ненадежность и недолговечность. Дело в том, что в силу своего устройства флэш-память допускает ограниченное количество циклов стирания и записи, вполне достижимое даже для владельцев цифровых фотоаппаратов и USB-брелоков, используемых для переноса информации, не говоря уже о более «тяжелых» способах применения типа загрузки с подобного носителя операционной системы или использования ее в качестве рабочего твердотельного диска.

Дело в том, что флэш-накопители построены на свойстве полевых транзисторов хранить электрический заряд в «плавающем» затворе. Наличие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. Для записи и стирания данных в NAND-памяти используется туннелирование электронов методом Фаулера — Нордхейма через диэлектрик (FN-туннелирование), что не требует высокого напряжения и позволяет сделать ячейки минимального размера. Однако именно процесс туннелирования заряда физически изнашивает эти ячейки, поскольку при помощи электрического тока заставляет электроны проникать в затвор, проходя сквозь барьеры из диэлектрика. Собственно, срок хранения информации в такой памяти декларируется достаточно длительный — 10 лет, но изнашивает микросхему памяти не чтение информации, а процессы стирания и записи, ведь для чтения через канал просто пропускается электрический ток, не изменяющий его структуры.

Причем по мере роста емкости чипов и удешевления процесса производства заявленный ресурс заметно снижался: от примерно 1 млн циклов записи в один блок, что декларировалось еще несколько лет назад, до 50−100 тыс. в новых моделях. А в дешевой памяти MLC (Multi-Level Cell) ограничение на количество циклов записи еще меньше — до 10 тыс.

Разумеется, производители памяти принимают меры для увеличения срока службы твердотельных накопителей этого типа: в первую очередь они стремятся обеспечить равномерность процессов записи/стирания по всем ячейкам массива, чтобы какие-то из них не подвергались большему износу, чем другие. Равномерность нагрузки обеспечивается различными путями, причем в основном программными. Например, для борьбы с этим явлением применяется технология «выравнивания износа» (wear leveling) — часто изменяемые данные перемещаются по адресному пространству флэш-памяти, так что запись производится по разным физическим адресам. В каждый контроллер заложен свой алгоритм выравнивания, и сравнивать их эффективность у тех или иных моделей затруднительно, поскольку подробности реализации не разглашаются.

Одним из таких путей является резервирование некоторого объема памяти, за счет которого при интенсивной работе с флэшкой обеспечивается равномерная нагрузка и коррекция возникающих ошибок при помощи специальных алгоритмов «подмены» физических блоков в логической адресации. А в целях предотвращения потери информации вышедшие из строя ячейки выводятся из работы — заменяются на «резервные» или блокируются. В результате подобного программного распределения блоков и обеспечения равномерности нагрузки количество циклов удается поднять в 3−5 раз, но этого все равно недостаточно.

Отметим также, что в служебную область любого накопителя записывается таблица файловой системы, чтобы предотвратить сбои чтения данных на логическом уровне, возможные, к примеру, при некорректном отключении накопителя или при внезапном отключении электроэнергии. А поскольку в случае применения сменных устройств система не использует кэширования записи (на случай, если пользователь решит выдернуть флэшку сразу после обращения к ней), то от частой перезаписи особенно страдают области оглавления каталогов и таблицы размещения файлов. Например, если пользователь при однократном обращении переписал тысячу файлов и вроде бы всего лишь по разу использовал на запись те блоки, где они размещаются, то служебные области переписывались при каждом обновлении любого из файлов, то есть таблицы размещения файлов переписывались тысячу раз, а следовательно, занимаемые ими блоки выйдут из строя в первую очередь. Технология «выравнивания износа», конечно, работает и с такими блоками, но ее эффективность ограниченна.

К сожалению, с увеличением емкости микросхем флэш-памяти снижается и общее количество циклов записи, поскольку ячейки становятся все более миниатюрными и для рассеивания оксидных перегородок, изолирующих «плавающий» затвор, требуется все меньшее напряжение. Поэтому с увеличением емкости используемых флэш-накопителей проблема надежности только усугубляется.

Причем надежность работы флэш-памяти определяется не только техническими особенностями ее конструкции, но и ситуацией на рынке. Жесткая конкуренция вынуждает производителей любыми путями снижать себестоимость продукции, в том числе за счет упрощения конструкции, перехода на более дешевые комплектующие, ослабления контроля при производстве и т. д. Все это однозначно отражается на надежности. Проблемы при эксплуатации возникают даже у модулей от известных компаний-производителей, что уж говорить об изделиях категории no name, которых с ростом популярности этого типа носителей развелось великое множество.

Практика показывает, что гигабайтная флэш-карточка при интенсивном ежедневном использовании в цифровом фотоаппарате может начать выходить из строя уже через год-два после начала применения.

Миниатюрные флэшки (особенно это касается дешевых моделей) нередко страдают и от грубого обращения. Брелоки зачастую имеют непрочный корпус, тонкую плату и слабое крепление разъема USB, а карты памяти выходят из строя из-за деформации: у них может расслаиваться корпус, выпадать задвижка разрешения записи, смещаться или истираться разделители контактов или сами контакты. Нагрузки на корпус вызывают микротрещины на плате, приводят к нарушению контактов и растрескиванию деталей. От ударов и падений страдает кварцевый резонатор. Большинство устройств имеют негерметичный корпус, допускающий попадание влаги, а некоторые — ненадежную пайку элементов. Карты с открытыми контактами часто страдают от повреждения статическим разрядом в процессе вставки или извлечения из слота.

Поэтому реальный ресурс по записи для каждого конкретного модуля памяти зависит не только от технологии, но и от качества его изготовления, а также от условий эксплуатации, так что на практике ресурс может быть гораздо ниже заявленного. В то же время, как мы уже упоминали, число считываний ничем не ограничено и гарантируется хранение единожды записанных данных в течение 10 лет. Так что если обычные карточки флэш-памяти и USB-брелоки не использовать в качестве постоянного накопителя, не редактировать на них документы и изображения, не держать на них базы данных и не работать с операционной системой, записанной непосредственно на карточку памяти, то они будут служить вам достаточно долго и безотказно.