Os SSDs sofrem, de facto, alterações de desempenho com o uso, mas a maior parte da diminuição de velocidade que as pessoas notam no uso diário não é causada pelo envelhecimento do hardware. A maior parte da perda de desempenho deve-se a fatores reversíveis, tais como espaço em disco insuficiente, cache SLC esgotado ou configurações inadequadas do sistema, e não ao desgaste físico da memória flash. A degradação do desempenho causada pelo envelhecimento efetivo da memória flash só se torna normalmente percetível perto do fim da vida útil de um SSD. No uso doméstico normal, é quase impossível notar essa degradação num período de cinco a dez anos. Com uma utilização e configurações adequadas, um SSD pode manter um desempenho estável durante muito tempo.
A lógica subjacente às alterações no desempenho dos SSD
Para compreender por que razão o desempenho dos SSD varia, temos primeiro de compreender uma característica física fundamental dos Memória flash NAND: ao contrário de um disco rígido mecânico, não é possível sobrescrever diretamente os dados antigos. As células de armazenamento correspondentes têm de ser primeiro apagadas antes de se poderem gravar novos dados. As células de memória flash têm uma hierarquia clara. A unidade mais pequena para gravação é denominada «página», com um tamanho normalmente entre 4 KB e 16 KB. A unidade mais pequena para apagamento é denominada «bloco», que é geralmente composto por 64 a 256 páginas, com uma capacidade de 256 KB a 41 TP5T. Quando um utilizador modifica um ficheiro pequeno, o SSD não pode sobrescrever diretamente a página de dados original. Apenas pode gravar os novos dados numa página vazia e marcar a página de dados antiga como inválida.
Quando não há blocos vazios suficientes, o Controlador do SSD precisa de realizar recolha de lixo: seleciona blocos de armazenamento que contêm um grande número de páginas inválidas, copia os dados que ainda estão válidos para novos blocos vazios e, em seguida, apaga completamente os blocos antigos para libertar espaço. Durante este processo, uma gravação lógica ao nível do utilizador pode desencadear múltiplas operações físicas de leitura e gravação no interior do SSD. Este fenómeno é designado por amplificação de gravação. Numa unidade nova e vazia, existem muitos blocos vazios, pelo que o fator de amplificação de gravação é próximo de 1. Quando o espaço em disco se torna limitado e os dados estão dispersos, o fator de amplificação de gravação pode aumentar para várias vezes ou até mais de dez vezes, causando diretamente um grande aumento na latência de gravação.
A degradação de desempenho reversível mais comum
Na utilização diária, a maioria das reduções de desempenho dos SSD que os utilizadores conseguem realmente notar não são causadas pelo envelhecimento do hardware. Trata-se de fenómenos normais em determinadas condições de utilização e é possível recuperar o desempenho original após um ajuste.
O impacto do mecanismo de cache SLC
Atualmente, a maioria dos SSDs de consumo generalista utiliza memória flash TLC ou QLC. A velocidade de gravação nativa destes tipos de memória flash não é particularmente elevada. A TLC tem uma velocidade de gravação nativa de cerca de 500 a 1500MB por segundo, enquanto a QLC é ainda mais lenta. Para melhorar a experiência de utilização no dia a dia, os fabricantes utilizam temporariamente parte do espaço da memória flash no modo SLC de bit único, conhecido como cache SLC. A sua velocidade de gravação pode atingir o nível de alta velocidade anunciado.
Quando o tamanho dos ficheiros que estão a ser gravados é inferior à capacidade da cache, os dados são rapidamente gravados na área da cache, e os utilizadores podem usufruir do desempenho de alta velocidade anunciado. No entanto, quando o volume de gravação contínua excede o limite da cache, os dados só podem ser gravados diretamente na área nativa de TLC ou QLC, e a velocidade diminui drasticamente. A maioria dos SSD para consumidores utiliza um design de cache SLC dinâmico. Quanto mais espaço livre restar na unidade, maior será a capacidade de cache que pode ser utilizada. Quando a utilização do disco excede 70%, o cache disponível pode diminuir significativamente e a queda na velocidade de gravação contínua ocorrerá mais cedo.
Perda de desempenho causada por espaço livre insuficiente
A falta de espaço livre é o fator mais importante que faz com que os SSDs fiquem mais lentos durante a utilização diária. Quando o espaço livre restante desce para valores entre 15% e 20%, o número de blocos vazios que o controlador consegue gerir torna-se gravemente insuficiente. A recolha de lixo já não pode ser concluída discretamente durante os períodos de inatividade e, em vez disso, tem de ser executada em simultâneo com as operações de gravação do utilizador. A isto chama-se recolha passiva de lixo.
Nesta fase, uma grande parte dos recursos computacionais do controlador é ocupada pela movimentação de dados, e o fator de amplificação de gravação aumenta acentuadamente. Quando o utilizador grava 1 GB de dados lógicos, o SSD pode ter de movimentar internamente vários GB de dados válidos. Isto não só reduz diretamente a velocidade de gravação, como também consome resistência adicional de gravação/apagamento da memória flash. Os SSDs de gama básica, com menos espaço reservado, apresentarão uma degradação de desempenho mais evidente em taxas de utilização elevadas.
Aceleração térmica
Nos SSDs PCIe 4.0 e PCIe 5.0 mais recentes, o consumo de energia e a geração de calor do controlador aumentaram significativamente em comparação com as gerações anteriores. Durante operações contínuas de leitura e gravação sob elevada carga, a temperatura do núcleo do SSD pode facilmente ultrapassar o limiar de 75 °C a 85 °C. Para evitar que o chip sobreaqueça e seja danificado, o controlador reduz automaticamente a sua frequência de funcionamento para controlar a temperatura. Este fenómeno denomina-se «limitação térmica» e, nessa altura, as velocidades de leitura e gravação diminuem significativamente.
Esta redução de velocidade é totalmente reversível. Assim que a temperatura voltar a situar-se dentro do intervalo seguro, o desempenho será imediatamente restabelecido. A instalação de um dissipador de calor no SSD e a manutenção de um bom fluxo de ar no interior da caixa do computador podem, ambas, reduzir eficazmente as flutuações de desempenho causadas pela limitação térmica.
Interferências causadas por configurações incorretas do sistema
Algumas definições do sistema operativo também podem dar a impressão de que um SSD ficou mais lento. O comando TRIM é uma funcionalidade importante do sistema para os SSDs. Depois de um utilizador eliminar um ficheiro, este comando informa imediatamente o SSD de que as páginas de dados correspondentes já não são válidas, permitindo que o controlador efetue a eliminação e a recolha de dados inúteis antecipadamente. Se o TRIM Se o comando não estiver devidamente ativado, a eficiência da recolha de resíduos diminuirá significativamente e o desempenho de gravação poderá deteriorar-se gradualmente após uma utilização prolongada. Além disso, ativar o cache de gravação em disco e evitar ferramentas de disco antigas que não suportem o TRIM pode tornar a experiência real com o SSD mais fluida.
Alterações causadas pelo envelhecimento físico efetivo
À medida que o número de ciclos de gravação/apagamento aumenta, as células da memória flash sofrem uma degradação física irreversível. É isto que, na verdade, faz com que um SSD fique mais lento devido ao envelhecimento, mas o limiar a partir do qual esta alteração se torna percetível é muito elevado.
Aumento da sobrecarga de correção do ECC
Cada operação de gravação/apagamento provoca pequenos danos físicos na camada de óxido das células da memória flash. À medida que o número de ciclos de P/E aumenta, o efeito de tunelamento de eletrões das células flash enfraquece gradualmente, a distribuição da tensão de limiar das células torna-se mais ampla e a taxa bruta de erros de bits durante a leitura de dados aumenta de forma aproximadamente linear.
O mecanismo de verificação e correção de erros ECC integrado no SSD é responsável por corrigir os erros de bits que ocorrem durante a leitura. À medida que a taxa de erros aumenta, o mecanismo ECC necessita de mais recursos computacionais e tempo para concluir a correção de erros, pelo que a latência de leitura aumenta gradualmente. Atualmente, os SSDs TLC convencionais utilizam, em geral, códigos de correção de erros LDPC, que oferecem uma forte capacidade de correção de erros. Durante a fase intermédia da vida útil do SSD, o aumento da sobrecarga de correção de erros é muito lento e é quase impossível de se notar durante a utilização diária.
Aumento dos blocos defeituosos e do consumo de espaço sobreprovisionado
Os chips de memória flash já contêm um pequeno número de blocos defeituosos iniciais quando saem da fábrica, e novos blocos defeituosos continuam a surgir durante a utilização. O controlador do SSD utiliza blocos de reserva do espaço sobreprovisionado para substituir os blocos danificados, mantendo inalterada a capacidade disponível do utilizador.
Quando o número de blocos danificados atinge um determinado nível, os blocos de reserva esgotam-se gradualmente. O espaço sobredimensionado, originalmente utilizado para a recolha de lixo e o nivelamento de desgaste, fica reduzido, deixando o controlador com menos espaço operacional e causando, indiretamente, uma degradação do desempenho. Quando o número de blocos danificados excede um limiar de segurança, o SSD entra no modo de proteção de leitura exclusiva e impede novas gravações para evitar a perda de dados.
Capacidade reduzida de retenção de dados
À medida que as células da memória flash envelhecem, a sua capacidade de reter eletrões diminui e a taxa de fuga de eletrões aumenta, reduzindo o tempo durante o qual os dados podem ser mantidos. Para manter a fiabilidade dos dados, o controlador realiza atualizações de dados e verificações de leitura com maior frequência, aumentando a atividade de leitura e gravação em segundo plano e afetando indiretamente o desempenho em primeiro plano.
Para uma utilização doméstica normal, a quantidade diária de dados gravados situa-se normalmente entre os 10 e os 30 GB. Tomando como exemplo um SSD TLC de 1 TB comum, a sua resistência nominal ronda normalmente os 600 TBW. A uma taxa de 30 GB de gravações por dia, a sua vida útil teórica pode atingir várias décadas. Durante os primeiros 70% a 80% da sua vida útil, a degradação do desempenho causada pelo envelhecimento físico é extremamente reduzida. Apenas testes de benchmark profissionais conseguem detetar a diferença, sendo praticamente impossível notá-la durante a utilização diária.
Referência para alterações de desempenho em diferentes fases
Os SSD apresentam características de desempenho bem definidas nas diferentes fases de utilização, conforme ilustrado na tabela abaixo:
| Fase de utilização | Características de desempenho | Fatores determinantes |
|---|---|---|
| Unidade nova em folha e vazia | Desempenho máximo, amplificação de gravação próxima de 1 | Blocos livres abundantes, cache SLC de maior capacidade |
| Utilização normal (abaixo da capacidade de 70%) | Em geral, estável, com pequenas flutuações | A recolha regular de lixo e a cache dinâmica estão a funcionar normalmente |
| Alta capacidade (acima de 85% a plena capacidade) | Abrandamento evidente na gravação, maior latência na gravação aleatória | Aumento acentuado da amplificação de escrita, GC passivo frequente |
| Fase intermédia (abaixo dos 80% ciclos P/E) | Desempenho de leitura estável, ligeira queda no desempenho de escrita | Aumento gradual da sobrecarga do ECC, poucos blocos danificados |
| Fim da vida útil (mais de 90% ciclos P/E) | Latência de leitura/gravação significativamente mais elevada, interrupções ocasionais | Muitos blocos danificados, pressão elevada do ECC |
Formas práticas de retardar a degradação do desempenho
Para manter um desempenho estável do SSD a longo prazo, pode tomar as seguintes medidas.
Em primeiro lugar, mantenha espaço livre suficiente. Na utilização diária, tente manter livre um espaço entre 10% e 15% da capacidade da unidade, proporcionando ao controlador espaço de funcionamento suficiente para a recolha de lixo e o nivelamento de desgaste. Se o desempenho estável for particularmente importante, também pode alocar manualmente espaço adicional com sobreprovisão, em troca de um desempenho mais estável a longo prazo.
Em segundo lugar, certifique-se de que o comando TRIM está a funcionar corretamente. O Windows 7 e as versões posteriores suportam a função TRIM por predefinição. Tente evitar a utilização de ferramentas de disco antigas que não suportem a função TRIM e não configure o SSD no modo RAID, a menos que seja necessário.
Em terceiro lugar, assegure uma refrigeração adequada. No caso dos SSDs PCIe 4.0 e mais recentes, recomenda-se instalar um dissipador de calor adequado, garantindo simultaneamente um bom fluxo de ar no interior da caixa do computador, para evitar a limitação térmica e reduções de velocidade durante longos períodos de carga elevada.
Por fim, atualize regularmente o firmware do SSD. Os fabricantes otimizam os algoritmos de recolha de lixo e corrigem problemas de desempenho conhecidos através de atualizações de firmware, melhorando a estabilidade a longo prazo. Verificar regularmente se existem atualizações de firmware e instalá-las pode melhorar eficazmente a experiência do utilizador.
