为什么SSD扇区的写入耐力有限？

我经常看到有人提到，SSD扇区在坏之前要进行有限的写入操作，特别是与传统（旋转磁盘）硬盘相比，其中大多数硬盘由于机械故障而不是扇区损坏。我很好奇为什么会这样。

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的原因，但其解释方式是不需要太多有关SSD的知识。

摘自“为什么Flash会磨损以及如何使其使用寿命更长”：

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。这些电子改变了存储单元的导电特性（打开和关闭该单元所需的栅极电压），进而将其用于在该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存储数据的能力至关重要的原因。

写入和擦除过程导致磨损

当在正常使用过程中对其进行写入和擦除时，将浮栅与基板隔离的氧化层会退化，从而降低其在较长时间内保持电荷的能力。每个固态存储设备在变得不可靠之前都可以承受一定数量的降级，这意味着它可能仍在起作用，但不一致。NAND设备可以维持的写入和擦除次数（P / E周期），同时仍保持一致，可预测的输出，这决定了其耐用性。

想象一下普通纸和铅笔。现在，您可以在纸上的任意位置随意书写和擦除任意多次。通过论文要花多长时间？

SSD和USB闪存驱动器具有此基本概念，但在电子层面上。

问题在于，所使用的NAND闪存基板在每次擦除时都会劣化。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，这种损坏增加了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。

我的答案来自比我更有知识的人！

SSD使用所谓的闪存。当数据写入单元时（电子移入和移出），就会发生物理过程。发生这种情况时，它将侵蚀物理结构。这个过程很像水蚀。最终它太多了，墙让位了。发生这种情况时，该单元格将变得无用。

另一种方法是这些电子会被“卡住”，使细胞难以正确读取。这样的比喻是很多人同时讲话，很难听到任何人的声音。您可能会选择一种声音，但可能是错误的声音！

SSD尝试在使用中的各个单元之间平均分配负载，以使它们均匀磨损。最终，一个单元将死亡并被标记为不可用。SSD具有“预留空间过多”的区域，即备用电池（在运动中可替代）。当细胞死亡时，将使用其中之一代替。最终，所有这些额外的单元也会被使用，SSD将逐渐变得不可读。

希望这是对消费者友好的答案！

编辑：源这里

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

简而言之，闪存通过将电子存储在绝缘壁垒中来进行操作。读取闪存单元涉及检查其电荷水平，因此要保留存储的数据，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使用闪存来区分两个可能的电荷级别（每个单元一位，SLC），但四个（每个单元两位，MLC），八个（每个单元三位，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，以使电子移动通过绝缘体，该过程逐渐使绝缘体磨损。随着绝缘材料的磨损，单元将无法保持其电子电荷稳定，最终导致单元无法保存数据。对于TLC尤其是QLC NAND，由于需要在更多级别之间进行区分以存储数据的多个位，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大缩小，如今已缩小至15nm，而且较小的单元损耗更快。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周期，但MLC NAND通常只适用约3,000个周期，而TLC仅为750至1,500个周期。

将NAND单元一个接一个地堆叠的3D NAND可以实现更高的存储密度，而不必将单元缩小到最小，从而实现更高的写入耐久性。尽管三星为其3D NAND恢复了40nm工艺，但其他闪存制造商（如美光公司）仍决定采用小工艺（尽管不如平面NAND小）来提供最大的存储密度和最低的成本。3D TLC NAND的典型耐用性等级约为2,000至3,000个周期，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。

由英特尔和美光公司开发的一种新兴的内存技术称为3D XPoint，它使用一种完全不同的方法来存储不受闪存持久性限制的数据。3D XPoint也比闪存快得多，速度足以取代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。尽管我相信出于成本原因，3D NAND（主要是TLC品种）将在未来几年成为大容量存储的主要形式，但采用该技术的消费类SSD可能会在2017年上市。

闪光灯储存静电。您可以在充气的气球上存储的电荷与这种电荷完全相同：您在其上放置了一些额外的电子^∗。

静电的特殊之处在于它可以留在原地。通常，在电子产品中，所有事物都通过导体以某种方式连接到其他事物，即使气球和地面之间有一个大电阻，电荷也会很快消失^†。气球保持带电的原因是空气实际上是绝缘体：它具有无限的电阻率。

通常是这样。由于所有物质^‡都是由电子和原子团簇组成的，因此您可以使任何物质成为导体：只需施加足够的能量，其中一些电子就会摇晃散开，并（短时间）自由移动到更靠近气球的位置，或者远离气球它。这实际上是在空气中带有静电的情况下发生的：我们知道这个过程就是闪电！

我不必强调闪电是一个相当暴力的过程。这些电子是物质化学结构的关键部分。对于空气，雷电会留下少量的氧气和氮气，转化为臭氧和二氧化氮。仅因为空气不断移动并混合，并且那些物质最终反应回氧气和氮气，才不会造成“持续伤害”，并且空气仍然是绝缘体。

对于闪光灯，情况并非如此：此处，绝缘子必须更紧凑。这仅对于固态氧化物层是可行的。坚固的东西，但是它对强迫某些电荷穿过导电材料的影响也不是没有影响。如果您经常更改其状态，那将最终破坏闪存单元。

相比之下，DRAM单元中没有合适的绝缘体。这就是为什么需要定期刷新一次（每秒多次）以免丢失信息。但是，由于这只是普通的导电电荷传输，因此，如果更改RAM单元的状态，通常不会发生任何严重的不良情况。因此，RAM比闪存具有更多的读/写周期。

^∗ _{或者，对于正电荷，您可以除去分子键中的一些电子。你需要花这么少的是这不影响化学结构的检测方式。}

^† _{这些静电荷实际上很小。即使是寿命长达数年的最小手表电池，也能每秒提供足够的电量来为数百个气球充电！它只是没有足够的电压来穿透任何值得注意的势垒。}

^‡ _{至少，地球上的所有物质……让中子星不让事情复杂化。}

技术欠佳，是对我认为OP的回答：“我经常看到人们提到SSD在变坏之前在其扇区中的写入量有限，尤其是与传统的旋转磁盘硬盘相比，大多数驱动器由于机械故障，而不是扇区变坏。”
我将OP问题解释为：“由于SSD发生故障的机会远多于生锈，因此如何使用SSD才能提供合理的可靠性？”

可靠性和故障有两种类型。一个是由于使用年限，质量，滥用等导致事物完全失败。或者，由于大量读/写操作，它可能会出现扇区错误。

扇区错误发生在所有介质上。驱动器控制器（SSD或旋转驱动器）会将失败的扇区数据重新映射到新扇区。如果完全失败，则它可能仍会重新映射，但数据会丢失。在SSD中，扇区很大，通常会完全失败。

SSD可以具有一种或两种类型的可靠性。
更大的驱动器可以帮助解决读/写周期问题。如果您的驱动器较小，并且将其用于Windows等操作系统，则将获得很多读写周期。容量更大得多的驱动器上的相同操作系统将具有更少的周期。因此，如果每个扇区不经常擦除，即使只有“数千个”周期的驱动器也可能不是问题。
平衡数据-SSD将数据从频繁使用的扇区转移到不经常使用的扇区。再考虑一下操作系统，并进行更新，并与您拍摄并只想保留的照片进行对比。在某些时候，SSD可能会交换照片和OS文件的物理位置以平衡周期。
压缩-压缩数据占用较少的空间，因此减少了写入。

然后是组件的质量。获得最便宜的SSD或USB可能会工作一段时间，但是为企业使用而制造的高质量的SSD将持续更长的时间，不仅在擦除周期上，而且在总体上使用。

随着驱动器变得越来越大（例如100-1000GB），即使它们可以承受更少的写入，擦除周期也不再是问题。一些驱动器将使用DRAM作为缓存来帮助缩短写入周期。有些将使用SSD的高质量段进行高速缓存，而将较低质量的段用于低成本和大尺寸。

现代高质量的消费型SSD可以在消费型计算机中持续较长时间。我有5岁以上的孩子仍然可以工作。我也有一些便宜的新产品，几个月后就失败了。有时候，这只是（不幸的）运气。