Gli SSD subiscono effettivamente variazioni di prestazioni con l’uso, ma la maggior parte del rallentamento che si nota nell’uso quotidiano non è causato dall’invecchiamento dell’hardware. La perdita di prestazioni deriva principalmente da fattori reversibili, quali spazio su disco insufficiente, cache SLC esaurita o impostazioni di sistema errate, piuttosto che dall’usura fisica della memoria flash. Il calo delle prestazioni causato dall’effettivo invecchiamento della memoria flash di solito diventa evidente solo verso la fine della vita utile di un SSD. Nel normale utilizzo domestico, è quasi impossibile notarlo entro cinque o dieci anni. Con un uso e delle impostazioni corrette, un SSD può mantenere prestazioni stabili per molto tempo.
La logica alla base delle variazioni nelle prestazioni degli SSD
Per capire perché le prestazioni degli SSD variano, dobbiamo innanzitutto comprendere una caratteristica fisica fondamentale dei Memoria flash NAND: a differenza di un disco rigido meccanico, non è in grado di sovrascrivere direttamente i dati precedenti. Le celle di memoria interessate devono prima essere cancellate prima di poter scrivere nuovi dati. Le celle di memoria flash presentano una chiara gerarchia. L’unità più piccola per la scrittura è chiamata “pagina”, di dimensioni solitamente comprese tra 4 KB e 16 KB. L’unità più piccola per la cancellazione è chiamata “blocco”, che in genere è composto da 64 a 256 pagine, con una capacità che va da 256 KB a 41 TP5T. Quando un utente modifica un file di piccole dimensioni, l’SSD non può sovrascrivere direttamente la pagina di dati originale. Può solo scrivere i nuovi dati su una pagina vuota e contrassegnare la vecchia pagina di dati come non valida.
Quando non ci sono abbastanza blocchi vuoti, il Controller dell'SSD deve eseguire raccolta dei rifiuti: seleziona i blocchi di memoria contenenti un numero elevato di pagine non valide, copia i dati ancora validi in nuovi blocchi vuoti e quindi cancella completamente i vecchi blocchi per liberare spazio. Durante questo processo, una singola operazione di scrittura logica a livello utente può innescare molteplici operazioni fisiche di lettura e scrittura all’interno dell’SSD. Questo fenomeno è denominato “amplificazione di scrittura”. Su un’unità nuova di zecca e vuota, i blocchi vuoti sono numerosi, quindi il fattore di amplificazione della scrittura è vicino a 1. Quando lo spazio su disco diventa limitato e i dati sono sparsi, il fattore di amplificazione della scrittura può aumentare fino a diverse volte o addirittura più di dieci volte, causando direttamente un forte aumento della latenza di scrittura.
I casi più comuni di calo reversibile delle prestazioni
Nell'uso quotidiano, la maggior parte dei cali di prestazioni degli SSD effettivamente percepibili dagli utenti non è causata dall'invecchiamento dell'hardware. Si tratta di fenomeni normali in determinate condizioni d'uso e, una volta apportate le opportune regolazioni, è possibile ripristinare le prestazioni originali.
L'impatto del meccanismo di cache SLC
La maggior parte degli SSD di fascia consumer attualmente utilizza memorie flash TLC o QLC. La velocità di scrittura nativa di questi tipi di memorie flash non è particolarmente elevata. La memoria TLC ha una velocità di scrittura nativa compresa tra circa 500 e 1500MB al secondo, mentre la QLC è ancora più lenta. Per migliorare l’esperienza d’uso quotidiano, i produttori utilizzano temporaneamente una parte dello spazio della memoria flash in modalità SLC a bit singolo, nota come cache SLC. La sua velocità di scrittura può raggiungere il livello di alta velocità pubblicizzato.
Quando la dimensione dei file in fase di scrittura è inferiore alla capacità della cache, i dati vengono scritti rapidamente nell’area della cache e gli utenti possono beneficiare delle prestazioni ad alta velocità pubblicizzate. Tuttavia, quando il volume di scrittura continua supera il limite della cache, i dati possono essere scritti solo direttamente nell’area TLC o QLC nativa e la velocità subirà un calo drastico. La maggior parte degli SSD di fascia consumer utilizza un design con cache SLC dinamica. Maggiore è lo spazio libero rimanente sull’unità, maggiore è la capacità della cache utilizzabile. Quando l’utilizzo del disco supera il 70%, la cache disponibile può ridursi in modo significativo e il calo della velocità di scrittura continua si verificherà prima.
Calo delle prestazioni causato da spazio libero insufficiente
Lo spazio libero insufficiente è il fattore principale che causa il rallentamento degli SSD durante l'uso quotidiano. Quando lo spazio libero rimanente scende al di sotto di 15%-20%, il numero di blocchi vuoti che il controller è in grado di gestire diventa gravemente insufficiente. La garbage collection non può più essere completata in modo silenzioso durante i periodi di inattività e deve invece essere eseguita contemporaneamente alle operazioni di scrittura dell'utente. Questo processo è denominato garbage collection passiva.
A questo punto, gran parte delle risorse di elaborazione del controller è occupata dallo spostamento dei dati e il fattore di amplificazione di scrittura aumenta notevolmente. Quando l’utente scrive 1 GB di dati logici, l’SSD potrebbe dover spostare internamente diversi GB di dati validi. Ciò non solo riduce direttamente la velocità di scrittura, ma consuma anche ulteriore resistenza di scrittura/cancellazione della memoria flash. Gli SSD entry-level con meno spazio riservato mostreranno un calo delle prestazioni più evidente in caso di utilizzo intensivo.
Throttling termico
Per gli SSD PCIe 4.0 e PCIe 5.0 di nuova generazione, il consumo energetico e la generazione di calore del controller sono aumentati in modo significativo rispetto alle generazioni precedenti. Durante operazioni continue di lettura e scrittura ad alto carico, la temperatura interna dell’SSD può facilmente superare la soglia compresa tra 75 °C e 85 °C. Per evitare il surriscaldamento e il danneggiamento del chip, il controller riduce automaticamente la propria frequenza operativa per controllare la temperatura. Questo fenomeno è noto come “thermal throttling” e, in tali circostanze, le velocità di lettura e scrittura subiscono un calo significativo.
Questa riduzione delle prestazioni è completamente reversibile. Non appena la temperatura tornerà entro i limiti di sicurezza, le prestazioni torneranno immediatamente ai livelli normali. L'aggiunta di un dissipatore di calore all'SSD e il mantenimento di un buon flusso d'aria all'interno del case del computer possono entrambi ridurre efficacemente le fluttuazioni delle prestazioni causate dal throttling termico.
Interferenze causate da impostazioni di sistema errate
Anche alcune impostazioni del sistema operativo possono dare l'impressione che un SSD sia diventato più lento. Il comando TRIM è una funzionalità di sistema importante per gli SSD. Quando un utente elimina un file, il comando comunica immediatamente all'SSD che le pagine di dati corrispondenti non sono più valide, consentendo al controller di eseguire in anticipo la cancellazione e la raccolta dei dati non più necessari. Se il TRIM Se il comando non è abilitato correttamente, l'efficienza della garbage collection diminuirà in modo significativo e le prestazioni di scrittura potrebbero ridursi gradualmente dopo un uso prolungato. Inoltre, abilitare la cache di scrittura su disco ed evitare strumenti obsoleti che non supportano il TRIM può rendere l'esperienza d'uso dell'SSD più fluida.
Cambiamenti causati dall'invecchiamento fisico effettivo
Con l'aumentare del numero di cicli di scrittura/cancellazione, le celle della memoria flash subiscono un degrado fisico irreversibile. È proprio questo il vero motivo per cui un SSD diventa più lento a causa dell'invecchiamento, ma la soglia alla quale tale cambiamento diventa percepibile è molto alta.
Aumento del sovraccarico di correzione ECC
Ogni operazione di scrittura/cancellazione provoca lievi danni fisici allo strato di ossido delle celle della memoria flash. Con l'aumentare del numero di cicli di scrittura/cancellazione (P/E), l'effetto di tunneling degli elettroni nelle celle flash si indebolisce gradualmente, la distribuzione della tensione di soglia delle celle si allarga e il tasso di errore binario grezzo durante la lettura dei dati aumenta in modo approssimativamente lineare.
Il motore di controllo e correzione degli errori ECC integrato nell’SSD è responsabile della correzione degli errori di bit che si verificano durante la lettura. Man mano che il tasso di errore aumenta, il motore ECC necessita di maggiori risorse di calcolo e di più tempo per completare la correzione degli errori, pertanto la latenza di lettura aumenta gradualmente. Gli SSD TLC di fascia media attualmente utilizzano generalmente codici di correzione degli errori LDPC, che offrono una forte capacità di correzione degli errori. Durante la fase centrale della vita utile dell’SSD, l’aumento del sovraccarico dovuto alla correzione degli errori è molto lento ed è quasi impossibile notarlo durante l’uso quotidiano.
Aumento dei blocchi danneggiati e del consumo di spazio in eccesso
I chip di memoria flash contengono già un numero limitato di blocchi difettosi iniziali al momento dell'uscita dalla fabbrica, e durante l'uso continuano a comparire nuovi blocchi difettosi. Il controller dell'SSD utilizza i blocchi di riserva provenienti dallo spazio di over-provisioning per sostituire i blocchi danneggiati, mantenendo invariata la capacità disponibile per l'utente.
Quando il numero di blocchi danneggiati raggiunge un certo livello, i blocchi di riserva si esauriscono gradualmente. Lo spazio di over-provisioning originariamente utilizzato per la garbage collection e il livellamento dell’usura si riduce, lasciando al controller meno spazio operativo e causando indirettamente un calo delle prestazioni. Quando il numero di blocchi danneggiati supera una soglia di sicurezza, l’SSD entra in modalità di protezione in sola lettura e impedisce ulteriori operazioni di scrittura per evitare la perdita di dati.
Capacità ridotta di conservazione dei dati
Con l'invecchiamento, le celle della memoria flash perdono capacità di trattenere gli elettroni e il tasso di dispersione degli elettroni aumenta, riducendo il tempo durante il quale i dati possono essere conservati. Per garantire l'affidabilità dei dati, il controller esegue più frequentemente operazioni di aggiornamento dei dati e di verifica della lettura, aumentando l'attività di lettura e scrittura in background e influenzando indirettamente le prestazioni in primo piano.
Per un normale utilizzo domestico, la quantità giornaliera di dati scritti si aggira solitamente tra i 10 e i 30 GB. Prendendo come esempio un SSD TLC da 1 TB di fascia media, la sua resistenza nominale è solitamente di circa 600 TBW. Con 30 GB di scrittura al giorno, la sua durata teorica può raggiungere diversi decenni. Durante i primi 70%-80% della sua vita utile, il calo delle prestazioni causato dall’invecchiamento fisico è estremamente contenuto. Solo i test di benchmark professionali sono in grado di rilevare la differenza, mentre è quasi impossibile notarla durante l’uso quotidiano.
Riferimento per le variazioni delle prestazioni nelle diverse fasi
Gli SSD presentano caratteristiche prestazionali ben definite nelle diverse fasi di utilizzo, come illustrato nella tabella seguente:
| Fase di utilizzo | Caratteristiche prestazionali | Fattori determinanti |
|---|---|---|
| Un’unità vuota nuova di zecca | Prestazioni massime, amplificazione di scrittura vicina a 1 | Ampi blocchi liberi, cache SLC più capiente |
| Uso normale (al di sotto della capacità 70%) | Nel complesso stabile, con lievi fluttuazioni | La raccolta regolare dei rifiuti e la cache dinamica funzionano normalmente |
| Elevata capacità (oltre 85% a pieno carico) | Evidente rallentamento nella scrittura, maggiore latenza nella scrittura casuale | Aumento vertiginoso dell'amplificazione in scrittura, GC passivo frequente |
| Fase intermedia (al di sotto di 801 cicli P/E TP6T) | Prestazioni in lettura stabili, leggero calo delle prestazioni in scrittura | Aumento graduale dell'overhead ECC, pochi blocchi danneggiati |
| Fine vita (oltre 90% cicli P/E) | Latenza di lettura/scrittura notevolmente più elevata, occasionali interruzioni | Numero elevato di blocchi danneggiati, forte pressione sull'ECC |
Modi pratici per ritardare il deterioramento delle prestazioni
Per garantire prestazioni stabili dell'SSD nel lungo periodo, è possibile adottare le seguenti misure.
Innanzitutto, assicurati di avere spazio libero a sufficienza. Nell'uso quotidiano, cerca di mantenere libero uno spazio compreso tra 10% e 15% della capacità dell'unità, in modo da garantire al controller spazio operativo sufficiente per la garbage collection e il livellamento dell'usura. Se la stabilità delle prestazioni è particolarmente importante, puoi anche allocare manualmente ulteriore spazio in over-provisioning per ottenere prestazioni più stabili nel lungo termine.
In secondo luogo, assicurati che il comando TRIM funzioni correttamente. Windows 7 e le versioni successive supportano la funzione TRIM per impostazione predefinita. Cerca di evitare l'uso di vecchi strumenti per la gestione dei dischi che non supportano la funzione TRIM e non impostare l'SSD in modalità RAID se non è strettamente necessario.
In terzo luogo, garantire un raffreddamento adeguato. Per gli SSD PCIe 4.0 e versioni successive, si consiglia di installare un dissipatore di calore adeguato, assicurando al contempo un buon flusso d'aria all'interno del case del computer, al fine di evitare il throttling termico e riduzioni di velocità durante lunghi periodi di carico elevato.
Infine, aggiorna regolarmente il firmware dell'SSD. I produttori ottimizzano gli algoritmi di garbage collection e risolvono i problemi di prestazioni noti tramite aggiornamenti del firmware, migliorando così la stabilità a lungo termine. Verificare regolarmente la disponibilità di aggiornamenti del firmware e installarli può migliorare efficacemente l'esperienza utente.
