Ein SSD-Schreibzyklus ist der Prozess der Programmierung von Daten auf einem NAND-Flash-Speicherchip in einem Solid-State-Speichergerät.
Ein auf einem Flash-Speicherchip gespeicherter Datenblock muss elektrisch gelöscht werden, bevor neue Daten auf das Solid-State-Laufwerk (SSD) geschrieben oder programmiert werden können. Der SSD-Schreibzyklus wird auch als Programm-/Löschzyklus (P/E) bezeichnet.
Wenn eine SSD neu ist, werden alle Blöcke gelöscht und neue, eingehende Daten werden direkt auf das Flash-Medium geschrieben. Sobald die SSD alle freien Blöcke auf dem Flash-Speichermedium gefüllt hat, muss sie zuvor programmierte Blöcke löschen, um Platz für neu zu schreibende Daten zu schaffen. Blöcke, die gültige, ungültige oder unnötige Daten enthalten, werden in andere Blöcke kopiert, wodurch die alten Blöcke zum Löschen freigegeben werden. Der SSD-Controller löscht in regelmäßigen Abständen die ungültigen Blöcke und gibt sie in den freien Blockpool zurück.
Der Hintergrundprozess, den eine SSD verwendet, um die unnötigen Blöcke zu löschen und Platz für neue Daten zu schaffen, wird Garbage Collection genannt. Der Garbage-Collection-Prozess ist im Allgemeinen für den Benutzer unsichtbar, und der Programmierprozess wird oft einfach als Schreibzyklus und nicht als Schreib/Lösch- oder P/E-Zyklus bezeichnet.
Warum Schreibzyklen wichtig sind
Eine NAND-Flash-SSD kann nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen aushalten. Der Programm-/Löschvorgang verursacht eine Verschlechterung der Oxidschicht, die Elektronen in einer NAND-Flash-Speicherzelle einfängt, und die SSD wird schließlich unzuverlässig, verschleißt und verliert ihre Fähigkeit, Daten zu speichern.
Die Anzahl der Schreibzyklen oder die Ausdauer variiert je nach Typ der NAND-Flash-Speicherzelle. Eine SSD, die ein einzelnes Datenbit pro Zelle speichert, bekannt als Single-Level-Cell (SLC) NAND-Flash, kann normalerweise bis zu 100.000 Schreibzyklen unterstützen. Eine SSD, die zwei Datenbits pro Zelle speichert, gemeinhin als Multi-Level-Cell (MLC)-Flash bezeichnet, hält im Allgemeinen bis zu 10.000 Schreibzyklen mit planarem NAND und bis zu 35.000 Schreibzyklen mit 3D-NAND aus. Die Ausdauer von SSDs, die drei Datenbits pro Zelle speichern, so genannter Triple-Level-Cell (TLC)-Flash, kann bis zu 300 Schreibzyklen mit planarem NAND und bis zu 3.000 Schreibzyklen mit 3D-NAND betragen. Der neueste Quadruple-Level-Cell (QLC)-NAND wird wahrscheinlich maximal 1.000 Schreibzyklen unterstützen.
Wenn die Anzahl der Bits pro NAND-Flash-Speicherzelle steigt, sinken die Kosten pro Gigabyte (GB) der SSD. Allerdings sind auch die Ausdauer und die Zuverlässigkeit der SSD geringer.
Gängige Schreibzyklusprobleme
Zu den Herausforderungen, die SSD-Hersteller angehen mussten, um NAND-Flash-Speicher zur zuverlässigen Speicherung von Daten über einen längeren Zeitraum zu nutzen, gehören Interferenzen zwischen den Zellen, wenn die Chips kleiner werden, Bit-Ausfälle und -Fehler, langsame Datenlöschungen und Schreibverstärkung.
Die Hersteller haben die Ausdauer und Zuverlässigkeit aller Arten von SSDs durch Controller-Software-basierte Mechanismen wie Wear-Leveling-Algorithmen, externe Datenpufferung, verbesserten Fehlerkorrekturcode (ECC) und Fehlermanagement, Datenkompression, Overprovisioning, besseres internes NAND-Management und Block-Wear-out-Feedback verbessert. Infolgedessen haben sich Flash-basierte SSDs nicht so schnell abgenutzt, wie die Nutzer einst befürchtet hatten.
Hersteller bieten üblicherweise SSD-Garantien an, die eine maximale Anzahl von Schreibvorgängen pro Tag (DWPD) oder Terabytes Written (TBW) angeben. DWPD ist die Anzahl, wie oft die gesamte Kapazität des SSD während der Garantiezeit täglich überschrieben werden kann. TBW ist die Gesamtmenge an Daten, die eine SSD schreiben kann, bevor sie wahrscheinlich ausfällt. Anbieter von Flash-basierten Systemen und SSDs bieten oft Garantien von fünf Jahren oder mehr auf ihre Unternehmenslaufwerke an.
Hersteller geben manchmal die Art der Anwendungsarbeitslast an, für die ein SSD ausgelegt ist, wie zum Beispiel schreibintensiv, leseintensiv oder gemischte Nutzung. Einige Hersteller ermöglichen es dem Kunden, das optimale Maß an Ausdauer und Kapazität für eine bestimmte SSD zu wählen. Ein Unternehmensnutzer mit einer Datenbank mit vielen Transaktionen könnte sich zum Beispiel für eine höhere DWPD-Zahl auf Kosten der Kapazität entscheiden. Oder ein Nutzer, der eine Datenbank betreibt, die nur selten schreibt, könnte sich für einen niedrigeren DWPD-Wert und eine höhere Kapazität entscheiden.