Hoe lang gaan ssd’s echt mee?

Over de levensduur van ssd’s doen heel wat verhalen de ronde. Om erachter te komen hoelang de disks het echt volhouden, hebben we 12 schijven gedurende vijf maanden het vuur aan de schenen gelegd. Dat leverde verrassende resultaten op.

Omdat computers door een ssd flink sneller worden en exemplaren met meer capaciteit eindelijk goed betaalbaar zijn, worden ze steeds vaker in een pc ingebouwd. In theorie heeft flashgeheugen echter één groot nadeel: de levensduur van de geheugencellen is beperkt. Hierdoor twijfelen veel mensen nog steeds over de aanschaf.

Het is inderdaad waar dat je flashgeheugen niet zo vaak kunt overschrijven als je wilt. Een cel houdt het maar een bepaald aantal schrijfcycli vol. Om de levensduur te verhogen, hanteren de fabrikanten diverse trucs. Ssd-controllers gebruiken ingewikkelde algoritmen en verdelen de schrijfacties gelijkmatig over het beschikbare flashgeheugen (wear-leveling). Maar daarmee zijn de cellen nog steeds niet onbeperkt te gebruiken.

Consumenten-ssd’s bevatten multi of triple-level-cell-flash (MLC/TLC). Met MLC-flash kun je hogere schrijfsnelheden halen en zijn per cel een paar duizend schrijfcycli mogelijk. TLC-cellen slaan 50 procent meer informatie op, maar schrijven langzamer en halen met dezelfde structuurgrootte slechts een derde van de levensverwachting. Om de prijzen te drukken gebruiken fabrikanten steeds fijnere fabricageprocessen waarmee de gemiddelde levensduur per cel nog korter wordt. Met een toenemende geheugendichtheid en steeds kleiner wordende structuurbreedtes wordt het alsmaar complexer. Ook wordt de foutcorrectie steeds lastiger.

Bij aanschaf van een ssd zul je niet de levensduur van een enkele cel relevant vinden, maar de Terabyte Written (TBW). Dat komt overeen met de hoeveelheid data die je volgens de fabrikant gegarandeerd naar de schijf moet kunt schrijven voor hij kapot gaat. Deze waarde ligt bij een typische TLC-schijf van ca. 250 GB afhankelijk van het merk tussen 60 en 80, wat prima is voor dagelijks gebruik. Om in de buurt van 70 TBW te komen zou je namelijk een jaar lang dagelijks ruim 190 GB moeten schrijven. Daarvoor zou je de schijf dus elke dag voor tweederde moeten beschrijven met nieuwe data, wat niet heel realistisch is.

Op een gemiddelde werkcomputer wordt in de praktijk dagelijks tussen 20 en 30 gigabyte geschreven. Onze steekproeven op computers van collega’s bevestigden dat. Het dagelijkse schrijfvolume liep gemiddeld uiteen van een kleine 8 tot 35 GB. Zelfs als je daar met 40 GB per dag net boven zit, zou een gemiddelde ‘endurance’ van 70 TBW pas na een kleine vijf jaar worden gehaald. De meeste ssd’s kunnen echter absoluut meer aan.

Om in te schatten hoe je zelf je eigen ssd gebruikt, kun je je richten op de hoeveelheid data die je al hebt geschreven. Fabrikanten bieden hier speciale tools voor aan, waar ook nog enkele handige extra functies in zitten (de een meer dan de ander). Er bestaan ook alternatieven als CrystalDiskInfo. Het gratis Smartmontools leest veel informatie uit. Hier lees je hoe je de schrijfbelasting verder verlaagt en je ssd in conditie houdt – ook zul je niet meer geloven in de verhalen die over ssd’s rondgaan.

De TBW-waarde geeft een makkelijk vergelijkbare grootte. De echte waarde hangt echter af van het toegangspatroon en van de te schrijven blokgrootte. Ssd’s zijn verdeeld in blokken van 512 tot 8092 kB. Deze bestaan op hun beurt weer uit pages van 4 tot 16 kB. Gegevens kunnen alleen in lege pages worden geschreven. Blokken die deels zijn gevuld, raken niet makkelijk vol. Als dus veel kleine datapakketjes naar de ssd worden gestuurd, neemt elk pakketje een heel blok in – zelfs als het maar één page nodig heeft.

De firmware probeert met behulp van trimming, garbage collection en andere mechanismen de gegevens samen te voegen. Dat verhoogt het aantal schrijfacties die de feitelijke bestandsgrootte overschrijden (write amplification). Bij sequentiële toegang schrijft de controller de blokken idealiter achterelkaar vol. Daarmee hoeft minder te worden opgeruimd en het ontziet ook de flashcellen wat meer. Verschillende gebruiksscenario’s zorgen echter voor diverse toegangspatronen. Zo komen meer willekeurige schrijfacties voor bij toepassingen als tekstverwerking, beeldbewerking en programmeren. Bij streamen, videobewerking of downloads zijn het eerder sequentiële acties.

Dit verschil wordt veroorzaakt door de TBW-definitie van de Amerikaanse halfgeleider-standaardisatieorganisatie JEDEC. In de specificatie JESD218B wordt onderscheid gemaakt tussen gebruik voor bedrijven (Enterprise) en particulieren (Client). Het enterpriseprofiel bestaat uit puur willekeurige schrijfacties. De clienttest bestaat daarentegen grotendeels uit sequentiële benaderingen.

Voor het uitlezen van SMART-waarden bestaan algemene programma’s (hier: CrystalDiskInfo met een Samsung 850 EVO). Daarnaast bieden fabrikanten vaak eigen tools.

Tot zover de theorie. Ons interesseerde uiteindelijk hoelang veel verkochte ssd’s van dit moment het in de praktijk uithouden. We hebben steeds twee exemplaren van de volgende TLC-schijven gekocht: Crucial BX200, Toshiba OCZ TR150, Samsung SSD 750 Evo en SanDisk Ultra II. Hetzelfde geldt voor de duurdere MLC- ssd’s Samsung SSD 850 Pro en SanDisk Extreme Pro (ca. 250 GB). We bouwden steeds drie schijven bij een Windows-systeem in dat van een normale schijf opstartte. Alle ssd’s werkten met de firmware die bij het begin van de test actueel was.

De test werd uitgevoerd door een script dat voor elke schijf apart draaide. Als eerste werden na elke ronde met de Smartmontools de SMART-waardes (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) bijgehouden. Daarna schreven we de volledig beschikbare ruimte vol met een zelf geschreven testtool. De logbestanden bieden ons informatie om de levensduur van de schijf te bepalen. We wilden de ontwikkeling van de gezondheidstoestand in de gaten houden – dat was in elk geval het plan. Na elke tiende run controleerde de tool ook de geschreven data. We begonnen eind juni 2016 met deze test. Vijf maanden later – vlak na Sinterklaas – hadden negen van de twaalf ssd’s het begeven.

Deze manier van werken staat niet dicht bij de realiteit. Een dergelijke permanente sequentiële schrijfbelasting komt in de praktijk namelijk niet voor. Daarnaast heeft de firmware door het vele schrijven amper gelegenheid om op de achtergrond op te ruimen. Daar staat tegenover dat we de test zonder deze compromissen niet in een te overziene periode hadden kunnen uitvoeren.

Alle schijven hielden het gelukkig veel langer uit dan de fabrikant garandeerde. Eind augustus hielden de eerste schijven het voor gezien: de twee schijven van Crucial gaven het op na 188 resp. 283 terabyte – de fabrikant had nota bene ‘slechts’ 72 beloofd. De eerste SanDisk Ultra II haalde in dezelfde periode nog 691 terabyte en gaf het toen op. Zijn tweelingbroer volgde midden september met 749 TB. SanDisk vermeldt voor deze serie geen TBW.

Begin oktober staakte met telkens een week ertussen eerst een SanDisk Extreme Pro en vervolgens ook de beide TR150-modellen van OCZ. De laatste twee bleven steken op 934 resp. 946 terabyte. SanDisks ssd had de week ervoor al 2,77 petabyte aan een stuk geschreven – zo’n beetje het drievoudige dus. De gegarandeerde TBW van 60 (OCZ) en 80 (SanDisk) werd daarbij een aanzienlijk aantal keer vaker overtroffen. Eind november hield de eerste Samsung SSD 750 Evo ermee op, ruim een week later de andere. Eindstand: 1175 resp. 1268 terabyte van gegarandeerde 70 TBW: achttien keer meer dan de belofte van de fabrikant!

Daarmee waren nog drie ssd’s in de race. Twee daarvan waren enigszins nakomertjes: een SanDisk Extreme Pro en een Samsung SSD 850 Pro zaten in dezelfde testcomputer, maar aan het begin van de test hadden we per ongeluk een configuratiefout over het hoofd gezien. Nadat we eerst verschillende instellingen hadden gewijzigd, bleek dat we gewoon waren vergeten de Windows-schrijfcache weer in te schakelen. Zodoende schreven de twee schijven wekenlang ver onder hun kunnen en haalden ze ‘slechts’ 2,2 petabyte. Ze waren wel even lang aan het werk geweest als de andere. De andere SSD 850 Pro had er op dat moment 4,5 petabyte op zitten, dertig keer meer dus dan de beloofde 150 TBW. Wel maakten de SMART-waarden melding van een rap naderend einde: de Used Reserve Block Count, die de levensverwachting in stappen van een procent aftelt, stond al op 1.

Zoals vermeld logden we voor elke run ook de SMART-waarden. Zo konden we zien hoe de ssd’s hun eigen gezondheid inschatten. De daarop volgende analyse was ontnuchterend: snel bleek dat fabrikanten verschillende waarden loggen, identieke waarden een andere naam geven of waarden op verschillende plekken in het SMART-rapport noteren. Toen we alle gegevens hadden en die ook universeel waren, hadden we alleen niets aan de entries 9 (Power_on_Hours) en 12 (Power_Cycle_Count).

Bij nadere beschouwing van de verschillende SMART-logboeken bleken vier van de zes modellen alsnog entries te bevatten die achteraf toch nuttig waren. Zo geven Samsung en Crucial met (Wear_Leveling_Count) resp. (Remaining_ Lifetime_Perc) aan hoe lang de ssd nog meegaat. Beide parameters tellen af vanaf 100. Ook OCZ heeft iets dergelijks met Total_Bad_Block_Count. Dat getal staat echter niet – zoals de naam doet vermoeden – voor het aantal niet meer bruikbare blokken. Het betreft de resterende leeftijd als percentage. Bij onze twee schijven gebeurde dat zelfs vrij accuraat.

Samsung en Crucial hebben de waarden veel te conservatief aangegeven. Daarmee zijn ze ook niet geschikt om de resterende leeftijd in te schatten. Bij de SSD 750 Evo stond de Wear Leveling Count al na 32 TB geschreven te hebben op 1 procent. De schijf schreef tot de werkelijke uitval echter meer dan een petabyte. Ook de Crucial BX 200 gaf al vroeg aan dat hij op het punt stond het te begeven – bij 235 terabyte al. De twee fabrikanten hebben echter nog een parameter om een slechtere gezondheidstoestand aan te geven. Bij Crucial gaf een toenemende Erase Fail Count het nadere einde aan, bij Samsung een afnemend percentage van de Used Reserve Block Count. SanDisk toonde als enige geen nuttige waarde om een diagnose te stellen.

Verwacht geen hulp van de eigen tools van fabrikanten om schijven te onderhouden en te configureren. Ook deze hadden in de zin van SMART-analyse hun zwaktes. SanDisks SSD Dashboard gaf aan dat de defecte Ultra II nog beschikte over meer dan 100 procent reserveblokken. De toestand was verder ‘normaal’. OCZ interpreteerde de SMART-indicatoren blijkbaar precies verkeerd om: de Bad Block Count van 0 was volgens de ssdutility van OCZ perfect (foutloos), maar tegelijk gaf hij de waarschuwing dat de schijf elk moment de geest kon geven.

Update: de laatst overgebleven ssd begaf het uiteindelijk na 9,1 petabyte.

Tegen de verwachting in konden we de meeste ssd’s niet meer benaderen nadat ze zichzelf hadden doodgeschreven – de data op de schijf waren dus onherstelbaar verloren. We hadden eigenlijk gehoopt dat we ze nog wel konden lezen.

In enkele gevallen meldde Windows dat de ssd zijn einde rap naderde of dat de dood inmiddels in werking trad. Onmiddellijk daarna bevroor het systeem dan. Na een herstart werden de flashschijven, die via SATA op diverse moederborden waren aangesloten, niet meer herkend of startte Windows niet meer op – zelfs niet nadat we de SMART-controle in het BIOS hadden uitgeschakeld. De schijven van Crucial waren als enige nog tot leven te wekken met een usb-adapter. Ze stelden de opgeslagen gegevens beschikbaar en konden ook nog worden beschreven.

Een ssd wordt niet alleen passief omdat het flashgeheugen slijt. Net als bij andere elektronische onderdelen zijn er nog meer redenen voor uitval: een mislukte firmware-update, bugs in de versleuteling, koude soldeerplekken en defecte controllers. Er bestaat uiteindelijk maar één effectieve manier om dataverlies tegen te gaan: back-ups op een ander medium.

Alle TLC-schijven hielden het duidelijk langer uit dan door de fabrikant was gegarandeerd. Zelfs het slechtste resultaat haalde meer dan twee keer zo veel als beloofd, het beste was zelfs meer dan achttien keer. Dat is fijn en geruststellend. Bij MLC-geheugen blijkt de garantiebuffer nog groter. Omdat onze resultaten alleen met sequentiële schrijfacties tot stand kwamen, komt de bepaalde levensverwachting aardig in de buurt van ‘het ideale geval’. Je ssd houdt het dus echt wel lang genoeg uit.

Om in te schatten hoeveel je eigen gebruik van de ssd vergt, kan het handig zijn om elke twee à drie maanden te bekijken hoeveel data er zijn geschreven – bijvoorbeeld met de tool van de fabrikant. Beschouw onze resultaten als hulpmiddel, niet als algemeen geldende regel. Bovendien gelden ze alleen voor de huidige techniek en de geteste schijven. Met een volgende firmwareversie zouden de resultaten er heel anders uit kunnen komen te zien – zowel in positieve als negatieve zin.

Als je als administrator op de centen moet letten, moet je door de verrassend hoge levensverwachting niet in de verleiding komen goedkope ssd’s in kritische omgevingen in te zetten. SanDisk attendeert er bij de Ultra II uitdrukkelijk op dat de schijf niet gemaakt is voor permanente schrijfacties. Zoek je een betaalbare ssd met een lange houdbaarheid en een continu hoge schrijfsnelheid, ga dan voor een MLC-schijf. Als bonus bieden de fabrikanten bij deze schijven langer garantie: bij Samsung en SanDisk tien jaar – in plaats van drie zoals bij de geteste TLC-modellen. De meerprijs voor een Pro is dus voor bepaalde scenario’s zeker de moeite waard.

(Benjamin Kraft / Marcel van der Meer, c’t magazine)