De solid state drive (SSD) is niet de gedroomde opvolger van de traditionele harde schijf. De kans op fouten neemt zienderogen toe naarmate de gebruikte NAND Flash-geheugenchips kleiner worden. Dat blijkt uit nieuw Amerikaans onderzoek.

De SSD wordt nu in brede kring gezien als ideale vervanger van de harde schijf met kwetsbare mechanische onderdelen. Een solid state drive is veel sneller, minder kwetsbaar en compacter. Alleen de prijs is nog veel hoger dan van een gewone harddisk, maar daar komt snel verandering in.

Laura Grupp, studente aan de Universiteit van Californië in San Diego (UCSD), bederft het feestje rond de SSD met haar bevindingen. Volgens haar nemen problemen met leesfouten en 'latency' (traagheid) bij het wegschrijven en teruglezen van data toe als de fabrikanten van NAND-flashchips hun producten steeds verder miniaturiseren. Fabrikanten maken de chips steeds kleiner om de opslagcapaciteit op hetzelfde chipoppervlak te kunnen vergroten. Maar het krimpen van de chips vergroot de kans op fouten.

Grupp presenteerde de bevindingen van haar onderzoeksgroep deze week op en conferentie over opslagtechnologie, meldt Computerworld. Aan het onderzoek werd meegewerkt door Steven Swanson, hoofd van het Non-Volatile Systems Laboratory van UCSD, en John Davis van Microsoft Research.

Team voelde 45 NAND-chips aan de tand

Het onderzoeksteam testte 45 verschillende NAND-chips, uiteenlopend van 72 nanometer tot de meest recente procestechnologie van 25 nanometer, afkomstig van 6 fabrikanten. Daaruit bleek dat de schrijfsnelheid 'dramatisch' te lijden heeft onder de miniaturisering. Bovendien leidde slijtage van de flashchips tot leesfouten, met grote onderlinge verschillen tussen de geteste chips. De zogeheten multi-level cell chips kwamen het slechtst uit de bus; de single-level cell chips (SLC) vertoonden nog de minste problemen. De nieuwste maar ook kwetsbaarste variant is TLC, met 3 bits per geheugencel.

Over 12 jaar SSD van 16 terabyte

Als de huidige trend doorzet, zullen NAND-chips over 12 jaar in 6,5 nanometer worden gefabriceerd. Dat maakt SSD's mogelijk van 4 terabyte (op basis van MLC-chips) tot 16 terabyte (met TLC-chips). Tegen die tijd zal de schrijf/leesvertraging volgens de onderzoekers verdubbelen voor MLC-chips en ruim 2,5 keer zo groot zijn voor TLC-chips. De 'bit errors' zullen zelfs meer dan verdrievoudigen, verwacht Grupp. Volgens haar zullen we moeten kiezen of delen tussen opslagcapaciteit of performance.

Grupp verwacht daarom dat naarmate NAND-flashchips krimpen, de prestatiekloof met harddisks noodgedwongen weer zal afnemen. Volgens haar is 6,5 nanometer het "einde van de rit": het is niet zinvol om SSD's te maken met nog kleinere chips.

Het voordeel van miniaturisering neemt steeds verder af omdat extra voorzieningen voor foutcorrectie nodig zijn die de lees- en schrijfsnelheid drukken. Wel zal een SSD met chips van 6,5 nm nog steeds een veel hogere doorvoersnelheid hebben dan een harde schijf: 32.000 versus 200 input/out operations per seconde (IOPS).

NAND-flashchips gevoelig voor slijtage

De foutgevoeligheid van SSD's houdt verband met de al eerder geconstateerde slijtage van NAND-flashchips. Een geheugencel kan maar een beperkt aantal keren worden geprogrammeerd, weer gewist en met nieuwe data gevuld. Grupp en haar collega's ontdekten dat deze zogeheten P/E-cyclus voor TLC-chips in het ergste geval beperkt is tot 500 keer. De MLC-variant is een stuk minder slijtgevoelig en kan wel 5000 tot 10.000 P/E-cycli aan en SLC-flash is met 50.000 tot 100.000 programmeercycli het duurzaamst.