SSD (Katı Hal Sürücü) Neden Arızalanır?

SSD (Solid State Drive - Katı Hal Sürücü), verileri Flash-NAND yongalarda depolar. Üreticilerin ve satıcıların iddia ettiği şekliyle, mekanik sabit disklerden daha hızlı ve daha verimlidir. Sessiz çalışırlar ve daha az elektrik tüketirler. Verileri entegre devrelerde depoladıkları için karmaşık, hassas ve hataya sebebiyet veren mekanizmaları yoktur. SSD, mekanik arıza vermemesi nedeniyle pazarlama materyallerinde bir güvenilirlik dogması haline geldi.
SSD fiyatlarının düşmesi, SSD’leri son yıllarda çok popüler hale getirdi. Fakat aynı zamanda, hatasız oldukları efsanesini de acımasızca ortadan kaldırdı. Teorik olarak, birkaç yıl hatta birkaç düzine yıl boyunca hatasız çalışabilen elektronik cihazlar inşa etmek mümkündür. Ancak pratikte, operasyonun ilk gününde arızalanan bilgisayar bileşenleriyle karşılaşmak da mümkündür. Çoğu zaman da işletim sistemini kurma aşamasında problem çıkartan da SSD'dir. Peki SSD'ler neden bu kadar yüksek bir arıza oranına sahiptir ve veri depolayıcı olarak ne ölçüde güvenilirdirler?

SSD’de Veri Depolama

Modifiye edilmiş NPN alan etkili FET’ler (Field Effect Trasistor - Alan Etkili Transistör), Flash-NAND yongaları içerisinde (Flash-NAND’lar yalnızca SSD’lerde değil aynı zamanda flash diskler, hafıza kartları, akıllı telefonların içinde yerleşik olarak bulunan belleklerde de kullanılır.) veri depolamaktan sorumludur. Böyle bir transistör, oluk (drain), kapı (gate) ve kaynak (source) olmak üzere üç bağlantı ucuna sahiptir. FET, yani alan etkili transistör, yarıiletken malzeme içerisinde kanal akımını ve iletkenliğini yük taşıyıcıları yardımıyla değiştirmeye yarayan bir elemandır. Kaynak ucundan taşıyıcılar giriş yaparken, oluk ucundan çıkış yaparlar. Kapı ucuna voltaj uygulandığında ise kontrollü bir şekilde kanal iletkenliği sağlanır. Kapı ucuna uygulanan ters gerilime (ters polarma) göre oluk-kaynak uçlarından akan akımın değeri değişir.
FET’ler tek kutuplu ve gerilim kontrollü transistörler olup çift kutuplu olan BJT transistörlerden önce bulunmuşlardır. N-Kanallı ve P-Kanallı olmak üzere iki çeşit FET vardır. Oluk ile kaynak arasında, transistörü kontrol etmek için kullanılan, elektriksel olarak izole edilmiş bir kapı ucu vardır. FET’lerin çalışması kısaca şu şekildedir: Kapı ucuna uygulanan gerilime bağlı olarak oluk-kaynak arasından geçen akımın değeri değişmektedir. Yani, kapı ucuna gelen ters yönlü gerilime (polarmaya) göre oluk-kanyak arasındaki kanal daralır ya da genişler. N-Kanallı FET’lerde elektron bakımından zengin (N tipi madde) oluk ve kanyak alanları, elektron bakımından fakir olan bir alan (P tipi madde) ile ayrılmıştır. P-Kanallı FET’lerde durum tam tersidir. Elektron bakımından fakir (P tipi madde) olan oluk ve kanyak alanları, elektron bakımından zengin (N tipi madde) bir alan ile ayrılmıştır. Ancak P-Kanallı FET’ler flaş yongalarında kullanılmaz. Alan etkili transistörlere tek kutuplu denir. Çünkü içlerindeki akım yalnızca çoğunluk taşıyıcıları tarafından taşınır. Çoğunluk taşıyıcıları N-Kanallı FET için elektronlar olurken P-Kanallı FET için oyuklardır.
Tek kutuplu transistörlere ek olarak, elektrik akımının hem çoğunluk hem de azınlık taşıyıcıları tarafından taşındığı bipolar transistörler (BJT) de vardır. Bipolar transistörlere jonksiyon (birleşim yüzeyli) veya katman transistörleri de denir. Alan etkili transistörde, bir elektrik alanının etkisi altında (bu nedenle transistöre alan etkili denir), elektronların oluk ve kanyak arasında akmasına izin verilen bir n-kanal oluşturulur. Ancak kapı ucuna voltaj uygularsak n-kanalı kapanır ve oluk ile kanyak arasındaki akım akışı durur. Kapı ucuna voltaj uygulandığında açık olan n-kanalının kapandığı transistörlere kanal ayarlamalı (depletion) transistörler denir. Şayet kapı ucuna bir voltaj uygulandığında kapalı olan transistör kanalı açılıyorsa bu transistöre kanal oluşturmalı (enhancement) transistör denir.
Şayet uçucu olmayan (kalıcı) veri depolama yapabilmek için böyle bir transistör kullanılacaksa, kapı ucunu değiştirmek gerekir. Kapı ucu, kontrol kapısı (control gate) ve bilgi depolamak için en önemli kısım olan kayan kapı (floating gate) olarak bölünür. Kayan bir kapı, cihazın güç kaynağıyla bağlantısı kesildikten sonra kalan elektrik yükünün birikebileceği, elektriksel olarak izole edilmiş bir alandır. Ve bu depolamanın anlamı şudur: Medyanın güç kaynağıyla bağlantısı kesildiğinde verileri kaybetmemek. Kayan kapıda bir elektrik yükü biriktirirsek, tıpkı kapı ucuna bir voltaj uygulamışız gibi n-kanalını kapatma etkisi elde ederiz. Kayan kapı boş ise, n-kanalı açık olacak ve akım oluk ile kanyak ucu arasında serbestçe akabilecektir. Bu nedenle, genellikle boş bir kayan kapı mantıksal bir kapı olarak yorumlanır ve n-kanalını kapatan yüklü bir kapı- mantıksal sıfır (lojik 0) olarak yorumlanır.

SSD’de Veri Adresleme

Kullanıcılar açısından bakıldığında, dosya sistemlerinin mantıksal yapılarındaki veri adreslemeyi ele almaya alışkınız. Her gün bölümleri (partition), dosyaları ve dizinleri kullanıyoruz. Bilgisayarlara biraz ilgimiz varsa kümelenmeleri (cluster) ve sektörleri (sector) de biliyoruz. Buna karşılık NAND çiplerinin sektörler hakkında hiçbir fikirleri yoktur.
LBA sektörleri çeşitli cihazlar ve yazılımlar arasındaki iletişimde kullanılır. SSD sürücüleri, belirli LBA adresleri üzerinde işlem gerçekleştirmek için komutları kabul eder ve bunları ATA protokolü gibi iletişim protokolleriyle uyumluluk için harici bir arabirime dönüştürür. Bununla birlikte, denetleyici ile bellek sistemleri arasındaki dahili iletişim ONFI standardına uygun olarak gerçekleştirilir.
Bu standarda göre veriler sayfalar ve bloklar halinde adreslenmektedir. Bir sayfa, okuma ve yazma işlemlerinin (programlama) minimum birimidir. Bir sayfanın boyutu şu anda yaklaşık 16 kB'ye ulaşmaktadır. Bu değer, denetleyicinin bilgisayarın isteğine yanıt olarak uygun sayfadan kestiği, her biri 512 B'lik 32 LBA sektörüne eşdeğerdir. Kullanıcı sektörlerine ek olarak, sayfada ayrıca, SSD'nin doğru çalışması için gerekli olan çeşitli veri türlerini depolayan fazladan bilgiler de bulunur. Kullanıcı verilerinin ve fazladan bilgilerin bir sayfa içinde düzenlenmesine yönelik yapıya sayfa formatı denir.
Denetleyici aradığı sektörün hangi sayfada olduğunu nasıl biliyor? Bundan mantıksal adresleri fiziksel adreslere çeviren alt sistem (FTL - Flash Translation Layer - Flaş Çeviri Katmanı) sorumludur. Bu konuya daha sonra birkaç kez daha döneceğiz. Bir sonraki adresleme birimi birkaç ila birkaç yüz sayfalık bir bloktur. Bu minimum veri silme birimidir.
Manyetik medyanın aksine, flaş sistemleri doğrudan önceki içeriğin üzerine yazamaz. Yalnızca kayan kapıları daha önce silinmiş, elektronları boşaltılmış transistörleri programlayabiliriz. Dolayısıyla programlayıcıda okunan yepyeni veya tamamen boş çipler, 0xFF değerini döndürür. Bu değer şayet var ise sayfa bölümlerinde kullanılmayan alanları, boş blokları ve sayfaların programlanmamış geri kalan kısımlarını da döndürür.

Temel İşlemler ve Bunların Flash-NAND Çiplerinin Üzerindeki Etkileri

Flaş yongaları söz konusu olduğunda, mevcut içeriğin üzerine doğrudan yazacak fiziksel yeteneğe sahip olmadığımızdan, yalnızca transistörün boş kayan kapılarına veri kaydedebiliriz (programlayabiliriz). Bu nedenle üç temel işlemi desteklemek gerekir: istenen içeriği programlamak, onu okumak ve eski verileri silmek. Fiziksel düzenleme, orijinal içeriğin ara belleğe alınmasını, değiştirilmesini ve fiziksel olarak farklı bir konuma kaydedilmesini içerir.
Burada yine Flaş Çeviri Katmanı (FTL)’na bir kez daha değinmemiz gerekiyor. Flaş Çeviri Katmanı, LBA adreslerinin başka bir fiziksel yere aktarımını yapmak ve silinmek üzere hedef ve orijinal konumlarını kaydetmelidir. Silinen bloklar sonraki yazma işlemleri sırasında kullanılabilir ve daha sonra bunlara çeviri tablolarından (translation tables) yeni uygun LBA adresleri atanır.
Flash-NAND çipleri yavaş yavaş yıpranacak şekilde tasarlanmıştır. Bu durumun, programlama işlemi sırasında elektronların kayan kapılara yerleştirilmesi ve silinmesi sırasında serbest bırakılma şekliyle ilgisi vardır. Kayan kapı, bir yalıtkan aracılığıyla transistörün geri kalanından elektriksel olarak ayrıldığı için, kayan kapının içine elektron yerleştirmek veya buradaki elektronları serbest bırakmak istiyorsak, elektronların yalıtkanın yarattığı potansiyel bariyeri aşmaları gerekir. Bu görev genellikle kuantum mekaniğinden bilinen Fowler-Nordheim tünelleme fenomeni kullanılarak gerçekleştirilir.
Fowler-Nordheim tünellemesi, potansiyel bariyeri aşmak için elektronların dalga özelliklerini kullanır, ancak birkaç hatta 20 V'a kadar ulaşan voltajların kullanılmasını gerektirir. Bu işlem, elektrik iş ısısı şeklinde ortaya çıkan enerji kayıpları ile ilişkilidir (Joule ısısını en iyi ısınan yongalardan ki üzerlerine soğutucu yerleştirmemiz gerekir ve elektrikli ısıtıcıların çalışmasından biliyoruz) ve aynı zamanda yalıtkan ısı ile yüklenerek zamanla hasar görür. Yalıtkanın zarar görmesi neticesinde artık kayan kapı yük tutamaz, bu da elektronların kaçmasına ve veri sızıntısına neden olur.
Okuma, kaynak ile oluk arasına bir voltaj uygulanmasını içerir (n kanalının açık mı yoksa kapalı mı olduğunu ve dolayısıyla dolaylı olarak kayan kapının boş mu yoksa yüklü mü olduğunu kontrol ederiz). Transistör açıksa, kontrolör bunu "mantıksal bir", olarak yorumlar, kapalıysa "mantıksal sıfır" olarak yorumlanır. Bu işlem kayan kapı izolatörünü yüklemez ve bu nedenle sistemin ömrü açısından nötrdür. Bu nedenle NAND yongalarının ömrü, programlama/silme (P/E) döngülerinin sayısıyla ölçülür.

Transistörde depolanan bit sayısını artırmaya ne dersiniz?

Flash-NAND çipleri piyasaya çıktıkları ilk günlerde çok pahalıydı. Bu nedenle üreticilerin kapasite-fiyat oranını iyileştirmenin bir yolunu araması gerekiyordu. Çiplerin kapasitesini ikiye katlamanın bir yolu da bir transistöre iki veri bitini yerleştirmektir. Bu etki, kayan kapının belirli bir seviyeye kadar şarj edilmesiyle elde edilebilir. Bu durum, n-kanalının kontrol edilen bir şekilde kapanmasına neden olur. Bir transistörde iki bit depolayabilmek için, 4 mantıksal durumu (00, 01, 10 ve 11) ve dolayısıyla bu durumlara karşılık gelen kayan kapı şarj seviyelerini bilmemiz gerekir. Ancak bu o kadar basit değildir.
Hesaplama uzmanlarının bu fikri beğenmeleri ve mühendislerden çok durumlu teknolojiyi (multi-state technology) daha da geliştirmelerini beklemeleri doğaldı, ancak bu o kadar basit değildi. Üçüncü bitin transistöre yerleştirilmesi çipin kapasitesini iki katından daha fazlaya çıkarmaz, yalnızca yarı yarıya artırır. Peki transistörün şarj seviyelerine ne olur? Evet yine de sayılarını ikiye katlama ihtiyacı duyuyoruz. Bir transistöre üç bit kadar yerleştirmek istiyorsak, 000'den 111'e kadar olan mantıksal değerlere karşılık gelen 8 yük seviyesini bilmemiz gerekir. Ve elbette, transistöre her bir sonraki bitin eklenmesi, sistemin kapasitesinde giderek daha az bir artışa neden olurken aynı zamanda bilinmesi gereken kayan kapı şarj seviyelerinde üstel bir artışa neden olur.
Sonraki mantıksal durumları temsil eden voltaj değerleri arasındaki boşluğun giderek azalması nedeniyle bozulan sinyal-gürültü oranı, okuma hatalarını ve bit hatalarını destekler. Transistörlerin programlanmasının da giderek daha hassas bir şekilde yapılması gerekir, çünkü yazma sırasında da hatalar meydana gelebilir. Kuantum mekaniğini kullanarak kayan kapılara elektronları dahil etmek, tekrarlanabilir kesinlik ve doğruluğa izin vermez. En fazla, bu kapıları yaklaşık olarak ihtiyaç duyulan elektron sayısı ile doldurmak mümkündür. Bu durum, birçok kayan kapının komşu mantıksal durumlara benzer değerlere sahip yükler içerdiği ve bazılarının amaçlanan durumların dışındaki durumları temsil ettiği anlamına gelir.
Teorik olarak her yazma hatasına işlemin tekrarlanmasını isteyerek yanıt vermek mümkün olabilir ancak pratikte bu mümkün değildir. Binlerce bayt yani on binlerce bitlik bir sayfayı yeniden programlarken, bir sonraki yazım sırasında bazı hataların tekrar ortaya çıkması çok muhtemeldir. Bu şekilde, yazma işleminin başarıyla tamamlanmasını dört gözle bekleyebilirsiniz. Unutmayalım ki, sonraki her yazma işlemi çipi yıpratmakta ve bizi nihai başarısızlığa daha da yaklaştırmaktadır. Bu nedenle, hata sayısı kabul edilebilir derecede az olduğunda, mükemmellik çabasından vazgeçmek ve düzeltme matematiğine (ECC - Error Correction Code - Hata Düzeltme Kodu) güvenmek gerekir.
Bir transistörde iki bitin saklanmasını sağlayan çipler piyasaya sürüldüğünde, transistör başına bir bit veri depolayan eski sistemlere SLC (Single Level Cell- Tek Seviyeli Hücre) adı verilirken, transistör başına iki bit içeren sistemlere MLC (Multi Level Cell - Çok Seviyeli Hücre) adı verildi. Her transistörde üç bit depolayan yongalara TLC (Triple Level Cell - Üç Seviyeli Hücre) denir. Şu anda mevcut olan en yeni Flash-NAND yongaları, QLC (Quad Level Cell- Dört Seviyeli Hücre) olarak adlandırılır ve her transistörde 4 bit depolar. MLC tanımı bazen tüm bu çok durumlu bellek türlerini belirtmek için genel olarak kullanıldığından, dürüst olmayan bazı satıcılar da bu kısaltmayı düşük kalitedeki TLC ve QLC çiplerini belirtmek için de kullanır.
Bir sonraki bilgi bitlerinin transistöre yerleştirilmesi yalnızca sinyal-gürültü oranını kötüleştirmekle kalmaz, aynı zamanda Flash-NAND çiplerinin performansını ve ömrünü de olumsuz etkiler. Okuma işlemi, ölçülen voltajın birkaç referans voltajıyla karşılaştırılmasını gerektirir ve bu da zaman alır. Ayrıca programlama birkaç aşamada gerçekleştirilir, bu durum sadece daha uzun çalışma süresine yol açmakla kalmaz, aynı zamanda kayan kapı izolatörleri üzerinde daha fazla yük oluşmasına neden olur. Sonuç olarak, SLC hafızasının 100.000 programlama/silme işlemini aşması durumunda yalıtkan hızlıca bozulur, sistemin ömrü hızlıca azalır, MLC bellek için birkaç bin P/E döngüsü gibi hala makul bir seviyeye düşer. TLC bellek için üreticilerin beyan ettiği değerler genellikle 3-5 bin döngü aralığındadır ancak bu sınıfın en zayıf sistemleri yalnızca ortalama olarak 1.500 döngüye dayanabilmektedir. En yeni QLC belleği söz konusu olduğunda, bunların ömrü birkaç yüz döngüye düşer (tipik olarak yaklaşık 600 programlama/silme işlemi).
NAND yongalarının dayanıklılığındaki büyük düşüş nedeniyle üreticiler, programlama/silme işlemlerinin yeteneği hakkındaki bilgileri TBW (Total Bytes Written - Yazılan Toplam Bayt) parametresiyle değiştirmek gibi bir pazarlama hilesine başvuruyor. 1 TB SSD'nin 1,5 PB’lik bir TBW’ye sahip olduğu bilgisi, 1500 P/E döngü ömrüne sahip sistemden kesinlikle çok daha fazla güven uyandıracaktır. TBW parametresini medya kapasitesine bölerek bu ömrü hesaplayabiliriz. Minimum kayıt biriminin genellikle 8 veya 16 kB olan bir sayfa olduğunu hatırlayalım. Dolayısıyla yazılmış bu baytları genellikle ilk bakışta göründüğünden çok daha hızlı kaybederiz.
Bit hatalarının ortaya çıkması ve çiplerin ömrü ile ilgili katlanarak artan sorunlara rağmen, bazı üreticiler halihazırda her transistörde 5 bit depolayan ve PLC sembolüyle gösterilecek sistemlerin tanıtımını yapıyor. PLC çiplerinin 2⁵=32 şarj seviyesini ayırt etmesi gerekir. Bunun anlamı şudur: 3,3 V nominal besleme voltajıyla, her ~0,1 V'a karşılık bir sonraki mantıksal durumun ayırt edilmesi gerekeceğidir. Aynı zamanda bu tür sistemlerin ömrünün 100 programlama/silme değerini aşmasını beklemek de zordur. Yeniden yazılabilir bir medya için bu pek de fazla bir şey değildir.

Transistörün Boyutunun Küçültülmesi.

Boyut küçültme, modern elektroniğin başlangıcından beri vardır. Entegre devrelerin ortaya çıkmasından önce bile bileşenlerin boyutunu küçültmek için çalışmalar yapılmıştır. Litografik sürecin (lithographic process) azaltılması, giderek daha ucuz, daha küçük, daha az güç tüketen, daha az ısı üreten ve aynı zamanda daha yüksek entegrasyon derecesine sahip, giderek daha da verimli hale gelen entegre devrelerin üretilmesine olanak tanır. Bu süreç flaş yongalar için de geçerlidir. Transistörlerin boyutunu küçültürsek, standart boyutlardaki bir entegre devre paketine (integrated circuit package) daha fazla transistör sığdırabilir ve böylece entegrenin devrenin kapasitesini artırabiliriz.
Ancak böyle bir süreç sonsuza kadar geliştirilemez. Burada atomların fiziksel boyutları gibi sınırlamalarla karşı karşıya kalmaktayız. Örneğin bir silikon (Si) atomunun çapı nanometrenin dörtte birinden azdır. Birkaç nm boyutunda transistörler söz konusu olduğunda, bu transistörlerin üretimini laboratuvarlardan fabrikadaki seri üretim koşullarına aktarmak çok zordur.
Transistörlerin boyutlarının küçültülmesinin önündeki bir diğer engel ise litografi işleminde giderek daha kısa dalga boylarına sahip ışığın kullanılması ihtiyacıdır. Zaten aşırı ultraviyole sınırları dahilindeki dalga boyu aralıklarının kullanılması gerekir. Transistörler daha da küçültülürse X ışınlarının kullanılması gerekecektir. Giderek daha yüksek frekanslı dalgaların kullanılması aynı zamanda giderek daha temiz bir ortam gereksinimi yaratır. Bu nedenle derin ultraviyole ışınlarının kullanıldığı imalat işlemlerinin vakumlu ortam koşullarında yapılması gerekmektedir.
Bu sorunu, üretimdeki zorluklar ve büyük miktarda atık nedeniyle pazar beklentilerini karşılamakta giderek zorlanan işlemci üreticileri de yaşamaktadır. Onlarca yıldır bir çipteki transistör sayısının her bir buçuk yılda iki katına çıktığını belirten Moore Yasasında yakın zamanda düzeltilmeye gidildi. Şu anda bir çipteki transistör sayısının her iki yılda bir ikiye katlandığı varsayılmaktadır. Ayrıca Moore Yasasının yakında tamamen işlevini sonlandırması da mümkün görünmektedir.
Bir transistörün boyutunun küçültülmesi aynı zamanda yalıtkan katmanın kalınlığının ve kayan kapının hacmi de dahil olmak üzere tüm bileşenlerinin boyutunun da küçültülmesi anlamına gelir. Yalıtkanın kalınlığı, kayan kapıda biriken yükün tutulmasındaki dayanıklılığı ve etkinliği de etkiler. Bunlar güvenilir veri depolama için kritik faktörlerdir. Çok ince bir yalıtkan katman, yalnızca silme ve programlama işlemleri sırasında daha kolay bozulmakla kalmaz, aynı zamanda tek tek elektronların kaçmasına da neden olur, bu da şarj durumunda, içerik okunurken farklı bir mantıksal duruma yol açabilir.
Kayan kapının hacmi, daha doğrusu barındırdığı atom sayısı da bilgi depolama üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bilindiği üzere negatif yüklü elektronlar birbirlerini itme eğilimindedir. Bunun anlamı şudur; küçük boyutlarına rağmen çok miktarda elektron kayan kapıya doldurulamaz. Elektronlar, atomların dış değerlik kabuğunda (outer valence shell) yer almalıdır. Elektron sayısı çoğu atom türü için atom başına maksimum 8 olabilir. Bu durum kuantum mekaniğindeki her bir yörüngenin en fazla iki elektron içerebileceğini belirten Pauli Yasasından kaynaklanan bir sınırlamadır. Transistörlerin yapıldığı silikonun dış değerlik kabuğunda bu tür 4 yörünge bulunur.
Kalıcı ve güvenli veri depolama için önerilen yalıtkan katman kalınlığı yaklaşık 4 nm'dir. Bu oran 15 nm litografide yapılan çiplerde ise yaklaşık 2 nm’ye düşmektedir. Kayan kapıda depolanabilecek elektronların sayısı da birkaç binden daha azdır. Bu durum pratikte, en yeni TLC ve QLC çiplerinde yalnızca birkaç düzine elektronun kaçmasının yanlış bir mantıksal durumun okunmasına neden olacağı anlamına gelir. Yalıtkan ne kadar ince olursa elektronlar da o kadar kolay kaçar. Bu nedenle, en yüksek başarısızlık oranının, 20 nm'nin altındaki litografide yapılan ve aynı zamanda bir transistörde üç veya dört bit depolayan sistemlerde meydana gelmesi sürpriz olmamalıdır.

3D-NAND.

NAND yongalarının kapasitesini artırmanın bir başka yolu da transistörleri birden fazla katman halinde üst üste istiflemektir. Bu sayede yonganın yüzey alanı arttırılmadan hafıza kapasitesi arttırılabilir. Bu çözüm nispeten yakın zamanda ortaya çıkmıştır. Her ne kadar fikrin kendisi o kadar önemsizmiş gibi görünse de uzun zaman önce ortaya çıkması gerekiyordu. Bu çözümün dezavantajları da yok değil.
İlk sorun bitişik transistörler arasındaki indüksiyondur. Aynı zamanda iki boyutlu düzlemsel çiplerde de parazitik kapasitansların ortaya çıkmasına neden olur ve bu da hatalı bit riskine neden olur. Çipte sonraki katmanlar ortaya çıktığında ne olur? Düzlemdeki bitişik transistörlerde biriken yüklerden kaynaklanan indüksiyona ek olarak, üst ve alt katmanlarda bulunan yüklerden de ilave indüksiyon oluşur. Diğer bir problem ise daha önce bahsettiğimiz, özellikle verilerin silinmesi ve programlanması işlemi sırasında yayılan Joule ısısıdır. Ortaya çıkan ısının kayan kapı izolatörünün bozulmasına neden olduğunu zaten biliyoruz. Bu nedenle ısının mümkün olduğu kadar çabuk uzaklaştırılması gerekmektedir.
Isı salınım hızı birçok faktöre bağlıdır; bunlardan en önemlisi ısı salınım yüzeyidir. Bu nedenle en iyi ısı emiciler (soğutucular) geniş bir yüzey alanı sağlayan çok sayıda ince plakaya sahiptir. Ve bir soğutucu yardımıyla çipin ısı dağılma yüzeyini artırabiliriz. Ancak çok katmanlı yongalar söz konusu olduğunda problemin püf noktası, yonganın içinde ısı birikiminin önlenmesi ve ısının katmanlar arasından uygun şekilde uzaklaştırılmasında yatmaktadır.
Katman sayısı arttıkça ve katmanlar arası mesafe azaldıkça her iki sorun da artar. Elektromanyetik alan mesafenin karesiyle azalır, dolayısıyla transistörler arasındaki mesafe ne kadar küçük olursa, içlerinde depolanan yükler arasındaki indüktif etkileşimler o kadar güçlü olur. Silikon yüzeye yerleştirilen nesnelerin boyutları küçültüldüğünde termal etkileşimler de daha yıkıcı olmaktadır.

Yarıiletken Veri Taşıyıcılarının En Yaygın Arızaları

Flash-NAND yongalarının çalışması sırasında yıprandıklarını ve bunun da bit hatalarının ana nedeni olduğunu artık biliyoruz. Tipik olarak, bit hatalarının sayısı bu hataların ECC kodlarıyla düzeltilme kapasitesini aştığında, belirli bir bloğun hasarlı olduğu kabul edilerek kusur listesine kaydedilir ve daha sonraki işlemlerden çıkarılır. Yakın zamana kadar, hata yönetimi algoritmaları o kadar etkiliydi ki arızadan önce meydana gelen okuma sorunları, dosyalara veya mantıksal yapılara zarar gelmesi gibi uyarı sinyallerine neredeyse hiç mahal vermemekteydi. Ve yine de arızalar genellikle aniden ortaya çıkmaktadır. Bilgisayar, başlatıldıktan sonra işletim sistemini aniden sıfırlanabilir veya işletim sistemini yüklemeyebilir. Bir tanılama (diagnostic) yaptığımızda, BIOS'un SSD'yi tanımadığınıi veya onu garip bir ad ile tanıdığını; sıfır veya şüphe uyandıracak kadar düşük bir kapasitede tanıdığını görürüz.
Bunun nedeni, yalnızca kullanıcı bilgilerinin saklandığı blokların değil, aynı zamanda verilerin doğru bir şekilde adreslenmesi için önemli olan çeviri tablolarının bulunduğu blokların da yıpranıp hasar görmesidir. Sorun bu tür tablolardaki girişleri etkiliyorsa mantıksal adreslerin, uygun fiziksel adreslere doğru bir şekilde atanması mümkün değildir. Denetleyici, mantıksal yapıların görüntüsünü doğru şekilde oluşturamaz veya kullanıcı dosyalarına erişim sağlayamaz. Ürün yazılımının (firmware) bu bölümünde hatalar meydana gelirse denetleyici, NAND yongalarına erişimi keser. BIOS’un kimlik bildirme isteğine yanıt olarak SSD modeli yerine meşgul durumda (busy state), beklemede (suspend) veya “teknolojik pasaport” (technological passport) olarak söylenen (örneğin SATAFIRM S11 hatası) durumunda kalır, ve yine tüm SSD kapasitesinin yerine bazı kullanılabilir arabelleklerin kapasitesini bildirir.