NANDフラッシュメモリは、図1に示すように、その中核となる多数の個別のセルで構成されています。

セルは実質的にはストレージエレメントが組み込まれたトランジスタです。トランジスタはリレーとして機能し、ゲートに印加された電荷によってソースとドレイン間の電流をオンまたはオフにできます。フラッシュセルも同様ですが、追加のストレージエレメントが含まれており、ゲート電圧または蓄積された電荷、あるいはその２つの組み合わせによってソースとドレイン間の電流をオンまたはオフにできます。市場には、フローティングゲート(FG)とチャージトラップセル(CTC)の2種類のフラッシュセルが一般的に存在します。さらに、2DNANDと3DNANDの構造には多くの物理的な違いがあります。

これらには非常に重要な違いが多数ありますが、動作と耐久性の観点からは、同様のものとして扱うことができます。

　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図1: NANDセル構造

フラッシュセルは電荷を保持するように作られています。そのため、ストレージ要素とその他の電子機器の間には絶縁が必要です。この絶縁、つまり図1に示す絶縁酸化物層により、電源がなくてもセルが充電された状態が保たれ、不揮発性メモリになります。読み取り操作はセル内の電荷を検出するためだけに使用され、電荷の追加や削除には使用されず、絶縁要素に意味のある影響を与えることはありません。ただし、絶縁要素はセルのプログラミングや消去に関して重大な問題を引き起こします。セルをプログラミングまたは消去するには、絶縁を克服してセルに電荷を強制的に送り込む(プログラミング)か、セルから電荷を強制的に送り出す(消去)のに十分な大きさの電圧を使用する必要があります。

このプログラム消去(PE)サイクルの繰り返しプロセスにより、時間の経過とともに酸化層が劣化します。酸化層が劣化すると、セル内に電荷を保持する絶縁体として効果的に機能しなくなります。特に高温で顕著になる電荷の散逸が増加すると、セルは時間の経過とともに確実に読み取ることができる状態で電荷を保存できなくなります。この動作はNANDフラッシュテクノロジに固有のものであり、NANDベースのストレージデバイスが書き込み耐久性の定格を指定する理由です。

 

上記で説明したように、PEサイクルによって酸化膜層が劣化し、NANDが長期間にわたって電荷を保存できなくなるのです。
耐久性 (NANDセルが実行できるPEサイクルの数)とデータ保持(NANDがデータを確実に保存できる時間)は表裏一体です。
PEサイクルとデータ保持には反比例関係があり、PEサイクルが増加すると、データ保持は減少します。
データ保持は、「電源オフ」時のデータ保持にのみ指定されます。最新のSSDのほとんどには、特定のNANDブロックが書き込まれてからどのくらいの時間が経過したかを監視する電源オン時のバックグラウンドタスクがあり、ビットエラー率が高いブロックや設計された保持期間の終わりに近づいているブロックをアクティブに更新します。

SSDは、定格耐久性の全期間を通じて、これらの電源オフ時のデータ保持要件を満たす必要があります。
SSD内のNANDが寿命に達すると、データが特定の期間保持されることは期待できなくなります。クライアントSSDのデータ保持期間がエンタープライズSSDよりも長いことは直感に反するように思えるかもしれません。ただし、エンタープライズSSDの一般的な使用例は、ドライブの導入時から廃棄時まで、限られた電源中断のみで24時間365日電源オンで動作することです。一方、クライアントSSDは、毎日電源オンで動作することが限られ、動作しない期間が長い消費者向けデバイスで使用される場合があります。したがって、クライアントSSDの電源オフ時のデータ保持の予想期間は長くなります。

NANDは、特定の数のPEサイクルでクライアントまたは企業のデータ保持要件を満たすように指定されています。
SSDは、ホストによって書き込まれる特定のデータ量に対して指定されています。その間に、SSDコントローラーにはフラッシュ変換レイヤー (FTL)とファームウェアがあり、データの書き込み、ブロックの消去、ガベージコレクションの実行、バックグラウンドタスクの処理を行います。
FTLは通常、ホストに書き込まれるデータ量よりも多くのPEサイクルを必要とし、この2つの比率はライトアンプリフィケーション (WAF)と呼ばれます。
WAFには、NANDページと消去ブロックのサイズ、SSDオーバープロビジョニング、DRAMの量、ファームウェアなど、多くの要因が影響します。ただし、最も影響が大きい要因の1つはワークロードです。通常、大きなブロックのシーケンシャル書き込みワークロードのWAFは低く、小さなブロックのランダム書き込みワークロードのWAFは高くなります。

SSDは一般的なブロックストレージデバイスであるため、販売時にSSDがどのようなアプリケーションやワークロードに導入されるかは不明です。業界全体で耐久性評価を標準化するために、耐久性が特徴付けられるワークロードを定義するJEDEC(JESD219 STANDARD)に依存しています。この仕様では、ドライブの耐久性評価を決定するためのワークロード、テスト前のSSDの事前調整要件、およびテスト手順が定義されています。

Raw NAND PEサイクル仕様と容量に基づいて、SSDベンダーは、そのワークロードを使用して書き込むことができるホスト書き込みの量を計算し、定格耐久性を決定できます。クライアントデバイスの場合、この定格耐久性は通常、Terabytes Written(TBW)で提供されますが、エンタープライズデバイスの場合、この定格耐久性は通常、Drive Writes Per Day(DW/D)で提供されます。どちらの場合も、評価は、Raw NANDのPEサイクル仕様に達する前にドライブが耐えられると予想される書き込み回数をユーザーに示します。
ただし、非常に重要なのは、定格耐久性は特定の作業負荷に基づいているということです。

実際のワークロードは、評価に使用されるワークロードとは必ず異なります。
SSDを選択するユーザーは、この定格耐久性を、ドライブがアプリケーションでどのくらい持続するかの推定値として使用できますが、アプリケーションによっては、評価に使用されるJEDECワークロードよりもWAFが高くなったり低くなったりする場合があります。したがって、ドライブの耐久性を理解するための最も重要な指標は、ドライブファームウェアによって提供される実際の残り寿命のパーセンテージになります。SATA、SAS、NVMeのいずれの場合でも、最新のSSDは、残り寿命のパーセンテージをSMARTまたはログデータで報告します。この残り寿命のパーセンテージは、ホスト書き込みではなく、ドライブで使用されるNANDの実際のPEサイクルに基づきます。

耐久性以外にも、SSDには平均故障間隔（MTBF）の評価や、または年間故障率(AFR)がありますが、この評価は耐久性とはほとんど関係ありません。

MTBF/AFRは、SSDの故障の可能性です。これは通常、SSD内のさまざまな個別の電気部品の故障率に基づいており、統計モデルを使用してドライブ全体の予想故障率を決定します。ドライブの故障はランダムなプロセスであり、時間の経過とともにドライブの特定の部分に影響を及ぼすことが予想されます。

一方、定格耐久性は、ドライブに保存されているデータを読み戻す個々のドライブの能力を予測します。定格耐久性に達したドライブは、定格耐久性を超えてかなり長い期間、電気的障害なしで動作できる可能性がありますが、読み取りエラー率が大幅に増加するため、ドライブは一定期間にわたってデータを保存することはできません。

SSDの耐久性は、よく知られた現象、つまりNANDフラッシュセルがPEサイクルを繰り返すにつれて予測可能な劣化率に基づいています。定格耐久性は、ドライブが一定期間にわたって保存データを保持する能力に関係しており、ドライブの故障の可能性とは関係がありません。

重要なデータの場合、定格耐久性に達したドライブは使用しないでください。定格耐久性に達した後、データ保持がどのくらい早く低下するかについての仕様がないため、ドライブを交換する必要があります。
SSDは、定格耐久性の全期間を通じて、これらの電源オフ時のデータ保持要件を満たす必要があります。

文献
Western Digital WHITE PAPER SSD Endurance and HDD Workloads P.2-5

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