Képes-e vajon egy EEPROM 100 évig tárolni az adatokat? Teszteljük le!
Az adatmegőrzés furcsa dolog. Az Atmel teljes bizonyossággal állítja, hogy az ATmega32A flashmemóriája szobahőmérsékleten képes 100 évig megőrizni az adatokat. Sőt, a Microchip szerint az EEPROM-ok több mint 200 évig képesek ugyanerre. Nos, az emberiség mostanáig szinte alig ismerte az elektromosságot. Magát a szilícium chipet is csak 1958-ban találták fel, s hogy mást ne mondjunk, maga az EEPROM és a flash-tárolók is sokkal kevesebb ideje léteznek száz vagy kétszáz évnél.
Hogyan állhatnak hát elő a gyártók ilyen merész, már-már vad állításokkal, hiszen kizárt, hogy ilyen hosszú ideig tesztelhették volna az alkatrészeiket! Nyilvánvalóan arra játszanak, hogy 2216-ban már úgysem leszel ott, hogy szidhasd őket, amikor a projekted hirtelen meghibásodik a bitrohadás miatt.
Nos, a kérdésre létezik egy tudományos válasz. Lépj be a gyorsított kopásvizsgálat gyakorlatába!
Gyorsabban, gyorsabban, és azonnal!
Az EEPROM és a NAND flash memóriák egyaránt mérhetetlenül fontos technológiák. Az EEPROM-okat mindenféle eszköz firmware-jének tárolására használják, valamint olyan dolgok megőrzésére, mint a kriptográfiai kulcsok és más hasonló, nagyrészt statikus adatok. A legtöbb EEPROM több évtizedes, ha nem évszázados adatmegőrzési minősítéssel rendelkezik. A flash nagyjából ugyanígy használható, de tömeges tárolóként is használják. Ez utóbbi nem olyan jó a megőrzésben, mint az EEPROM. Egyes alkatrészek csak néhány évig bírják, ha hagyják őket állni, különösen magas hőmérsékleten. Más flash alkatrészek sokkal hosszabb ideig képesek megőrizni az adatokat, amennyiben persze úgy tervezték őket.
A kérdés azonban az, hogy hogyan határozzuk meg ezeket a számokat? Mivel a valós idejű tesztelés egy évszázadon keresztül nem kivitelezhető, az iparág ehelyett a gyorsított élettartam-vizsgálati módszerekre támaszkodik. Ezeknél a technikáknál a memóriaeszközöket fokozott stresszfaktoroknak, például megemelt hőmérsékletnek teszik ki, hogy felgyorsítsák az öregedési folyamatot. Az alapelv az Arrhenius-egyenleten alapul, amely szerint a kémiai reakciók sebessége exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel.
Elrohad, mint az alma…
A memóriacellák degradációja alapvetően a hosszú idő alatt lejátszódó kémiai reakciók miatt következik be. Évtizedek vagy évszázadok alatt a műanyagok lebomlanak, az anyagok oxidálódnak, és mindenféle más kémiai reakció is lejátszódik. Ezek a kémiai reakciók károsíthatják a szilíciumchip apró szerkezeteit, amelyek az adatok kis elektromos töltések formájában történő tárolásáért felelősek. Ez majdnem olyan, mint amikor kint hagyunk egy almát, és az megrohad; e hasonlóság miatt a jelenséget gyakran nevezik bitrothadásnak.
Az Arrhenius-egyenlet szerint tehát a hőmérséklet emelésével sokkal rövidebb idő alatt modellezhető a memória hosszú ideig tartó leépülése, mivel a reakciók gyorsabb ütemben játszódnak le. Ha tanultál fizikát, akkor ez a jelenség ismerős lehet számodra. A hőmérséklet valójában csak az atomok mozgási sebessége – ha megnöveljük a hőmérsékletet, az atomok mozgása gyorsul, és logikus, hogy a reakciók gyorsabban zajlanak le. Ez persze egy leegyszerűsített magyarázat, és ez alapján még nem kapunk meghívást egyetlen igazi tudományos konferenciára sem, de remekül szolgálja a jelenlegi célunkat.
Tesztelés – meleg helyen, ésszerű keretek között
Ezen gondolat mentén haladva a hosszú távú adatmegőrzés teszteléséhez a kérdéses eszközt elég a szokásosnál melegebb környezetbe kell helyezni, és ellenőrizni kell, hogyan tartja meg az adatokat az idő múlásával. Természetesen ezt sok mintával, tudományos szigorral végezzük, lehetővé téve a statisztikai megállapításokat. Nyilvánvalóan vannak korlátok is. Nincs értelme például 500 celsiuson tesztelni az EEPROM-okat, hiszen azok így pillanatok alatt megolvadnak és elégnek, és ilyen körülmények között pontosan nulla adatot őriznek meg. Az alkatrész reális határain belül azonban jelentős felismeréseket lehet tenni.
A gyorsított öregedés hatásainak megfigyelésével előrejelzéseket lehet tenni ezen eszközök hosszú távú megtartási képességeiről. A gyorsított öregedés után az EEPROM és a Flash memóriákat szigorú adatmegőrzési teszteknek vetik alá. E tesztek eredményeit extrapolálják, hogy megbecsüljék, hogyan teljesítenének az eszközök hosszabb ideig normál hőmérsékleten. Ez az extrapoláció, bár tudományosan megalapozott, nem mentes a bizonytalanságoktól, és nagymértékben támaszkodik kifinomult statisztikai modellekre.
Egyes flashmemória-alkatrészek szobahőmérsékleten évtizedekig, míg mások legfeljebb néhány évig tárolják az adatokat. A nagyobb sűrűségű flash-tárolók gyakran érzékenyebbek olyan dolgokra, mint a töltésszivárgás, ami idővel adatvesztéshez vezet. Forrás: https://hackaday.com/2023/12/21/how-do-you-test-if-an-eeprom-can-hold-data-for-100-years/
A stresszkörülmények szimuláláshoz más tényezőkre is szükség van
Míg a gyorsított öregedésben a hőmérséklet központi szerepet játszik, a különböző stresszkörülmények szimulálásához más tényezőket, például a feszültségváltozásokat és a páratartalmat is figyelembe veszik. Ez a holisztikus megközelítés biztosítja a hosszú távú adatmegőrzési képességek átfogóbb értékelését.
A memóriacellákban rejlő eltérések miatt ezekben a vizsgálatokban statisztikai megközelítést alkalmaznak. Az eszközök nagy tételének tesztelésével és az átlagos viselkedés elemzésével pontosabb előrejelzéseket lehet készíteni a hosszú távú teljesítményre vonatkozóan. Ez a statisztikai elemzés kulcsfontosságú a memóriatechnológia általános megbízhatóságának megértéséhez.
Ezen hosszú élettartamot vizsgáló tesztek kulcsa a specifikus hibamechanizmusok, például a memóriacellák töltésszivárgásának nyomon követése. Ezeknek a hibamódoknak a megértése elengedhetetlen az adatvesztés előrejelzéséhez és az ilyen kockázatok csökkentésére irányuló stratégiák kidolgozásához. Ezek a specifikus hibák a saját időbeli kereteik szerint következnek majd be, és bizonyos körülményeknek jobban ki lesznek téve, mint másoknak.
A gyorsított öregedési vizsgálatokhoz klímavezérelt kamrákat használnak. Gyakran a relatív páratartalom szabályozása ugyanolyan fontos, mint a hőmérséklet szabályozása. Forrás: https://hackaday.com/2023/12/21/how-do-you-test-if-an-eeprom-can-hold-data-for-100-years/
Gyorsított öregedési módszerek használata
Érdemes megjegyezni, hogy a gyorsított öregedési módszereket nem csak a flashmemóriák és EEPROM-ok értékelésére használják; a technikákat az archív papíroktól a tintákig és más hasonló termékig sok mindenre alkalmazzák. Ezek a módszerek azonban nem mentesek a negatívumoktól. A módszerekkel kapcsolatos kritikák arra a tényre vonatkoznak, hogy különböző kémiai reakciók különböző hőmérsékleteken játszódhatnak le, ami elrontja az összefüggést a gyorsított öregedési eljárás és az alacsonyabb hőmérsékleten természetesen bekövetkező folyamatok között. A korreláció időnként gyenge lehet, és sok tárgy esetében, különösen azoknál, amelyeket nemrég találtak fel, egyszerűen nem volt lehetőségünk összehasonlítani az akcelerált öregedési eredményeket azzal, ami valós időben történik. Ugyanakkor a technológia fejlődésének ütemével felvetődik a kérdés – vajon 2100-ban érdekel-e majd valakit, hogy egy ATmega valóban képes-e 100 évig tárolni az adatokat egy EEPROM-on?
E vizsgálati módszerek szigorúsága és kifinomultsága ellenére a memóriaeszközök teljesítményének évszázadokon át tartó előrejelzése magában hordozza a bizonytalanságot. Látszólag aprónak tűnő gyártási változások vagy előre nem látható környezeti tényezők befolyásolhatják ezen előrejelzések pontosságát. A fizikai és kémiai folyamatok megértése kulcsfontosságú a hosszú távú öregedés pontosabb modellezéséhez, emberhez jobban illeszkedő időkeretekben. A legjobb modelljeink még így is csak ilyenek. Amíg valaki ténylegesen nem ellenőriz egy adott EEPROM vagy flash alkatrészt egy évszázad alatt, addig nem tudhatjuk biztosan, hogy ezek a modellek valóban mennyire pontosak.
Végül is a legtöbbünknek nem kell túlságosan aggódnia az adatok évszázados időtávlatokban történő tárolása miatt. Azok számára, akiknek ez mégis fontos valamiért, a gyorsított öregedési technikák rendkívül hasznos eszközt jelentenek annak megértéséhez, hogyan lehet a legeredményesebben megőrizni az adatokat ilyen időtávlatokban.
A végére egy hasznos tanács
Ha a teszteléshez nem jött meg a kedved, de szeretnél valamit nyerni ebből a felvetésből, íme egy hasznos tanács. Ne feledd, ha forró felületen hagyod a pendrive-okat vagy mikrokontrollereket, sokkal hamarabb tönkreteszed az adataidat, mintha hűvösebb helyen hagynád őket. Ha a doktori disszertációd jelenleg egy forró autóban hagyott régi flash meghajtón pihen, akkor a legjobb, ha többszörös biztonsági másolatot készítesz, és azokat bölcsebb módon, valami szerencsésebb helyen tárolod.