플래시 스토리지 예상 수명 이해

개요

어플리케이션에 적합한 플래시 기반 스토리지를 선택하려면 비용, 용량, 견고성 간의 균형이 필요합니다. 예를 들어. SLC(Single-Level Cell) 기반 드라이브는 내구성과 수명이 가장 길지만, MLC(Multi-Level Cell) 기반 드라이브보다 GB당 비용이 더 높습니다. 그러나 MLC 기반 드라이브는 SLC 드라이브보다 수명이 훨씬 짧고 고온에서 보관할 때는 특히 문제가 될 수 있습니다. 사용할 플래시 메모리 유형을 결정하려면 각 옵션의 예상 수명을 이해하고 이를 어플리케이션의 요구 사항과 비교해야 합니다. 다음과 같은 질문에서 시작해야 합니다. • 어떤 플래시 아키텍처를 사용할 수 있는가? • 플래시를 얼마나 효율적으로 사용할 수 있는가? • 비작동(보관) 온도는 얼마인가? • 최소 비작동(보관) 기간은 얼마인가? 이 문서는 이러한 요소 각각에 대해 설명하며, 얼마나 많은 데이터를 기록해야 드라이브가 신뢰할 수 없는 상태가 되는지 계산할 때 이러한 요소들이 드라이브 내구성 수식에 어떤 영향을 미치는지를 보여 줍니다.

Contents

용어

  • 하드 디스크 드라이브(HDD): 회전식 자기 미디어를 사용하여 데이터를 저장하는 대용량 저장 장치
  • 솔리드 스테이트 드라이브(SSD): 플래시 메모리를 사용하여 데이터를 저장하는 대용량 저장 장치
  • 드라이브 내구성: 드라이브가 신뢰할 수 없는 상태가 될 때까지 드라이브에 기록되는 데이터의 양
  • 드라이브 쓰기(DW): 드라이브가 신뢰할 수 없는 상태가 될 때까지 드라이브를 채울 수 있는 횟수
  • 총 기록된 바이트 수(TBW): 드라이브가 신뢰할 수 없는 상태가 될 때까지 드라이브에 기록할 수 있는 데이터의 양
  • 쓰기 증폭 인자(WAF): 플래시 사용 효율의 측정치입니다.  WAF가 높을수록 플래시 사용 효율이 떨어집니다
  • 워크로드: 어플리케이션에 필요한 데이터 트랜잭션 유형의 프로필입니다.  워크로드는 WAF와 직접 관련됩니다.
  • P/E 사이클: 데이터가 플래시에 저장될 때마다 발생하는 프로그램/삭제 사이클입니다.
  • 플래시 셀: 데이터를 나타내는 전하를 저장하는 트랜지스터입니다.
  • 플래시 셀 내구성: 셀이 신뢰할 수 없는 상태가 될 때까지 개별 셀에 기록할 수 있는 P/E 사이클의 수입니다.
  • 온도 가속 인자(AT): 보관 온도가 드라이브 내구성에 미치는 영향에 대한 조정입니다.  이 인자는 Arrhenius 방정식을 사용하여 계산됩니다.
  • Storage Time Factor(STF): 데이터 무결성을 유지하면서 보관 기간을 조정.  이 인자는 (N/12)로 계산되며, 여기서 N은 보관 기간(개월)입니다.
  • 데이터 보존: 전원 공급 없이 시간이 경과해도 플래시가 저장된 데이터의 데이터 무결성을 유지하는 능력입니다.
  • SLC NAND: 2가지 전압 레벨을 사용하여 셀당 1비트의 데이터를 저장하는 SLC(Single Level Cell) 플래시
  • MLC NAND: 4가지 전압 레벨을 사용하여 셀당 2비트의 데이터를 저장하는 MLC(Multi-Level Cell) 플래시
  • eMLC NAND: MLC 아키텍처에 1비트의 데이터를 저장하는 엔터프라이즈 MLC 플래시. 비용, 내구성 및 용량 측면에서 SLC와 MLC의 중간에 위치합니다.  pSLC(유사 SLC) 또는 iMLC(산업용 MLC)라고도 합니다.
  • TLC NAND: 8가지 전압 레벨을 사용하여 셀당 3비트의 데이터를 저장하는 TLC(Triple-Level Cell) 플래시
  • 평면 NAND: 셀이 실리콘에서 단층으로 구성됩니다.
  • 수직 NAND(V-NAND): 셀이 여러 층으로 구성되어 셀 열을 만듭니다.  3D NAND라고도 합니다.

드라이브 내구성, 플래시 셀 내구성, 보관 온도, 보관 기간 및 쓰기 증폭 간 관계

다양한 작동 및 보관 조건에서 SSD의 정확한 내구성을 계산하는 것은 매우 복잡한 작업이며, 측정 및 통계 속성을 가진 여러 요소가 포함됩니다.  
그러나 예상 드라이브 내구성에 대한 훌륭한 모델이 하나 있습니다.

여기서,
     드라이브 내구성 = 기록할 수 있는 총 데이터 양(단위: 드라이브 쓰기)
    플래시 셀 내구성 = 특정 플래시 아키텍처의 최대 프로그램/삭제(P/E) 사이클 수
     STF = 보관 기능을 조정하는 Storage Time Factor
     AT = 보관 기능을 조정하는 온도 가속 인자
    WAF = 플래시 사용 효율을 조정하는 쓰기 증폭 인자

플래시 아키텍처 간 차이

SSD는 일반적으로 NAND 플래시를 사용하여 플로팅 게이트 트랜지스터로 구성된 셀에 데이터를 저장합니다.  각 셀에 저장된 전하량에 따라 데이터 값이 결정됩니다.  전하가 셀의 상태를 결정하기에 충분하거나 ECC(에러 교정 코드)를 사용하여 교정될 수 있는 한, 데이터 무결성이 유지됩니다.  각 셀에 저장된 데이터의 비트 수와 셀이 기록될 수 있는 횟수는 플래시 메모리 디바이스가 사용하는 구조에 따라 결정됩니다.

 

플래시 아키텍처 셀 층 수 셀당 비트 셀 전압 상태 수 셀 내구성1(P/E 사이클)
평면 SLC 1 1 2 ~100,000
평면 MLC 1 2 4 ~3,000
평면 eMLC/iMLC/pSLC 1 1 2 ~20,000
평면 TLC 1 3 8 <1,000
수직 SLC 다양함, 일반적으로 64 1 2 TBD2
수직 MLC 다양함, 일반적으로 64 2 4 TBD2

1내구성은 셀 수명 종료 시 40°C에서 보관될 경우 1년 이상 데이터 보존을 가정합니다.

2수직 SLC 및 MLC 플래시는 내구성 측면에서 평면 플래시와 유사할 것으로 예상됩니다. 

플래시 셀 내구성 

셀 내구성은 데이터를 더 이상 보존할 수 없고 셀을 신뢰할 수 없는 상태가 될 때까지 플래시 셀이 받아들일 수 있는 프로그램/삭제(P/E) 사이클의 수로 설명됩니다.  플래시 셀이 기록될 때마다(P/E 사이클 한 번) 셀의 산화층이 약간 열화됩니다.  이 산화층이 P/E 사이클의 스트레스로 약화되면서 저장된 전하가 쉽게 누출되고 셀의 데이터 보존 능력이 저하됩니다.

플래시 데이터 보존

데이터 무결성을 유지하려면 각 셀의 전하 수준을 특정 임계값 이내로 유지해야 합니다.  안타깝지만 시간이 경과하면서 플래시 셀에서 전하가 누출되고 너무 많은 전하가 손실되면 저장된 데이터도 손실됩니다.  


정상 작동 중에는 플래시 드라이브 펌웨어가 정기적으로 셀을 새로 고쳐 손실된 전하를 복원합니다.  그러나 플래시에 전원이 공급되지 않으면 전하 상태는 시간이 경과함에 따라 자연스럽게 저하됩니다.  전하 손실률 및 그러한 손실에 대한 플래시의 민감도는 플래시 구조, 플래시 마모량(셀에서 수행된 P/E 사이클 수) 및 보관 온도의 영향을 받습니다.  플래시 셀 내구성 사양은 일반적으로 드라이브 수명 종료 시 최소 12개월의 데이터 보존 기간을 가정합니다.  


다른 보존 기간의 경우 STF(Storage Time Factor)를 사용하여 드라이브 내구성 방정식을 조정할 수 있습니다.   STF는 표준 12개월을 기준으로 측정됩니다.  예를 들어, 36개월의 보관 기간이 필요한 경우 STF는 3(36개월/12개월)입니다.  다양한 보관 기간에 대한 STF 값은 다음과 같습니다.

보관 기간 STF
1개월 0.08
3개월 0.25
6개월 0.5
1년 1
3년 3
5년 5
10년 10

 

데이터 보존 및 보관 온도

작동 온도와 비작동(보관) 온도 모두 데이터 보존에 영향을 주지만, 비작동 온도는 드라이브 내구성을 계산할 때 훨씬 큰 영향을 미칩니다.  


보관 온도가 낮으면 데이터 보존 기간이 길어지고 보관 온도가 높으면 크게 줄어듭니다.  예를 들어, 보관 온도를 40°C에서 70°C로 높이면 드라이브 내구성이 10배 이상 감소하며, 수명이 종료한 드라이브의 데이터 보존 기간은 1년에서 불과 몇 주로 단축됩니다.


AT(온도 가속 인자)를 사용하여 보관 온도를 조정할 수 있습니다.  이것은 Arrhenius 방정식에서 파생되었으며 다음 표로 요약할 수 있습니다.

보관 온도(°C) AT
25 0.13
30 0.26
40 1
55 6.4
70 35
85 168

플래시 내구성 및 데이터 보존 기간에 대한 온도의 영향과 AT 계산 방법에 대한 자세한 내용은 SSD 내구성에 대한 온도의 영향을 참조하십시오. 

쓰기 증폭 인자 및 데이터 워크로드

플래시 메모리는 완벽하게 활용되는 경우가 드뭅니다. 일반적으로 약간의 비효율성이 존재하며, 이는 드라이브 마모 가속화로 이어집니다.  WAF(쓰기 증폭 인자)는 플래시가 얼마나 효과적으로 사용되는지를 나타내며, WAF가 높을수록 효율이 낮습니다.  WAF를 결정하는 요소가 몇 가지 있으며, 그중 일부는 어플리케이션에 의해 결정됩니다.

  • 기록된 데이터 크기(플래시 블록 크기와 정렬)
  • 데이터 기록 방법(임의 또는 순차)
  • 사용된 웨어 레벨링 알고리즘 유형(드라이브 펌웨어로 제어)

일반적으로 더 큰 순차 쓰기가 더 작은 임의 쓰기보다 효율적입니다.  산업용 또는 임베디드 어플리케이션에 WAF를 설정하기 위한 공식 같은 것은 없지만, JEDEC 어플리케이션 워크로드 표준을 프록시로 사용할 수 있습니다(자세한 내용은 JEDEC JESD218 및 JESD219 참조).  엔터프라이즈는 임의 데이터로 다양한 파일 크기를 나타내는 반면, 클라이언트

또한 WAF는 웨어 레벨링 및 지능형 블록 관리를 통해 드라이브 펌웨어가 플래시 사용률을 얼마나 잘 관리하느냐에 따라 영향을 받습니다.  WAF는 어플리케이션 워크로드 및 드라이브 펌웨어에 크게 의존하기 때문에 “경험 법칙”으로 WAF=4가 사용되는 경우도 가끔 있습니다.  

워크로드 액세스 유형 일반적인 WAF
엔터프라이즈(JESD219) SSD에 저장된 임의 데이터 ~15
"경험 법칙" 다른 모델을 사용할 수 없는 경우 WAF의 근사값으로 사용되는 임의 및 순차 데이터의 혼합 4
클라이언트(JESD219) 일반적인 소비자 노트북, 주로 긴 순차 쓰기(예: 사진, 음악)와 일부 작은 임의 액세스로 구성됩니다. ~2
"100% 순차" 모든 쓰기는 큰 파일을 사용하여 순차로 수행됩니다. ~1

드라이브 성능을 직접 측정하면 WAF를 보다 정확하게 결정할 수 있습니다. 특정 플래시 및 어플리케이션 사용 사례에 대한 WAF는 어플리케이션을 몇 시간 동안 실행한 뒤에, 드라이브에 기록된 실제 데이터 양과 수행된 P/E 사이클 수를 측정하여 계산할 수 있습니다.  WAF가 드라이브 내구성에 미치는 영향을 고려하면, 어플리케이션을 프로파일링해서 WAF를 결정하는 게 좋습니다. 

 

드라이브 내구성 계산 

플래시 셀 내구성, STF(Storage Time Factor), 온도 증폭 인자 및 쓰기 증폭 인자를 알고 있으면 드라이브 내구성을 결정할 수 있습니다.  


드라이브 내구성 공식을 상기하십시오.

예 1

비작동(보관) 온도가 40°C이고, 스트리밍 데이터 로깅(순차 쓰기)을 사용하고, 희망 데이터 보존 기간이 1년인 64GB SLC SSD.  SLC 플래시 셀 내구성은 100,000 P/E 사이클이고 STF 및 AT는 모두 1이며(40°C에서 1년 기준이므로) 100% 순차 모델에서 WAF는 1입니다.

수명 종료 전 총 기록된 바이트 수 = 64GB x 100,000 드라이브 쓰기 = 6,400TB

예 2

비작동(보관) 온도가 55°C이고, 스트리밍 데이터 로깅(순차 쓰기)을 사용하고, 희망 데이터 보존 기간이 1년인 64GB SLC SSD.  SLC 플래시 셀 내구성은 100,000 P/E 사이클, STF는 1, AT는 55°C에서 6.4, WAF는 "100% 순차" 모델에서 1입니다.

수명 종료 전 총 기록된 바이트 수 = 64GB x 15,614 드라이브 쓰기 = 1,000TB

예 3

비작동(보관) 온도가 55°C이고, 쓰기 프로필은 알 수 없고, 희망 데이터 보존 기간이 24개월인 128GB eMLC SSD. eMLC 플래시 셀 내구성은 20,000 P/E 사이클, STF는 2(24/12개월), AT는 55°C 보관 온도에서 6.4, WAF는 "경험 법칙" 모델을 사용하여 4입니다.

수명 종료 전 총 기록된 바이트 수 = 128GB x 390 드라이브 쓰기 = 50TB

예 4 

비작동(보관) 온도가 70°C이고, 스트리밍 데이터 로깅(순차 쓰기)을 사용하고, 희망 데이터 보존 기간이 3개월인 480GB MLC SSD.  MLC 플래시 셀 내구성은 3,000 P/E 사이클, STF는 0.25(3/12개월), AT는 70°C 보관 온도에서 35, WAF는 "100% 순차" 모델에서 1입니다.

수명 종료 전 총 기록된 바이트 수 = 480GB x 342 드라이브 쓰기 = 164TB

데이터 시트 내구성 사양 사용 

드라이브 내구성 공식을 사용하여 어플리케이션의 환경 및 성능 요소에 맞게 드라이브 사양을 조정할 수 있습니다.  


안타깝지만 드라이브 내구성을 지정하는 일관된 방법은 없습니다.  일부 데이터 시트에는 단순히 드라이브 용량과 플래시 기술이 나열되고 다른 데이터 시트에는 특정 테스트 조건 하의 특정 드라이브 내구성 사양이 나열됩니다. 이러한 사양에는 계산에 사용된 보관 온도 및 데이터 보존 기간이 나열될 수 있지만, 이 정보가 명시되지 않는 경우도 있습니다.  지정되지 않은 경우 40°C 보관 온도 및 1년 데이터 보존 기간을 가정할 수 있습니다.  


드라이브의 데이터 시트에는 다음과 같은 사양이 나열됩니다.

플래시 타입 SLC
드라이브 용량 64GB
내구성: 총 기록된 바이트 수(엔터프라이즈) 500TB
내구성: 총 기록된 바이트 수(클라이언트) 3,855TB

대상 어플리케이션의 보관 온도는 55°C이고 예상 보관 기간은 1년이며 소비자 저장 장치와 유사하게 사용되고 있습니다.  


데이터 시트를 분석하면 SLC(100k P/E 사이클)에서 엔터프라이즈 및 클라이언트의 유효 WAF가 각각 12.8 및 1.7임을 확인할 수 있습니다.   대상 어플리케이션은 소비자 장치와 유사하므로 클라이언트 WAF 1.7 및 해당 내구성 사양 3,855TB(또는 60k 드라이브 쓰기)를 사용할 수 있습니다.  


다음으로 보관 온도 및 기간을 조정해야 합니다.  이것은 다음 방정식으로 수행할 수 있습니다.

지정된 내구성은 40°C 보관 온도(ATSPEC = 1), 1년 보관 기간(STFSPEC = 1) 및 WAFSPEC 1.7로 가정한 3,855TB입니다.  대상 어플리케이션은 55°C 보관 온도(ATADJ = 6.4), 1년 보관 기간(STFADJ = 1) 및 WAFADJ 1.7입니다.  따라서 조정된 드라이브 내구성 사양은 다음과 같습니다.