Het bewaren van gegevens is een grappig iets. Atmel vertelt u graag dat het flashgeheugen in een ATmega32A bij kamertemperatuur zijn gegevens 100 jaar bewaart. Microchip zegt dat zijn EEPROM’s gegevens meer dan 200 jaar zullen bewaren. En toch heeft de mensheid al zo lang nauwelijks een goed inzicht in elektriciteit. Ach, de siliciumchip zelf werd pas in 1958 uitgevonden. EEPROM’s en flash-opslag zijn zelf helemaal jonger.

Hoe kunnen deze fabrikanten zulke wilde beweringen doen als ze hun onderdelen onmogelijk zo lang hadden kunnen testen? Wedden ze er alleen maar op dat jij er in 2216 niet meer zult zijn om ze te bestraffen als je mission plotseling mislukt vanwege rotting?

Nou ja, eigenlijk is er een heel wetenschappelijk antwoord. Betreed de praktijk van versnelde slijtagetests.

Sneller, sneller nu

EEPROM en NAND-flashopslag zijn beide enorm belangrijke technologieën. EEPROM’s worden gebruikt om firmware voor allerlei soorten apparaten op te slaan, evenals zaken als cryptografische sleutels en andere dergelijke grotendeels statische gegevens. De meeste EEPROM’s hebben een gegevensretentiewaarde van tientallen jaren, zo niet eeuwen. Flash kan op vrijwel dezelfde manier worden gebruikt, maar wordt ook gebruikt als massaopslag. Het is niet zo goed in retentie als EEPROM. Sommige onderdelen hebben een levensduur van slechts een paar jaar als ze blijven zitten, vooral bij hoge temperaturen. Andere flash-onderdelen kunnen gegevens veel langer vasthouden als ze daarvoor zijn ontworpen.

De vraag is echter hoe we deze cijfers bepalen. Gezien de onpraktischheid van real-time testen gedurende een eeuw, vertrouwt de industrie in plaats daarvan op versnelde levensduurtestmethoden. Deze technieken omvatten het onderwerpen van geheugenapparaten aan verhoogde stressfactoren, zoals verhoogde temperaturen, om het verouderingsproces te versnellen. Het onderliggende principe is gebaseerd op de vergelijking van Arrhenius, die stelt dat de snelheid van chemische reacties exponentieel toeneemt met de temperatuur.

De afbraak van geheugencellen is in wezen het gevolg van chemische reacties die over een langere periode plaatsvinden. In de loop van decennia of eeuwen worden kunststoffen afgebroken, oxideren materialen en vinden er allerlei andere chemische reacties plaats. Deze chemische reacties kunnen de kleine structuren van een siliciumchip beschadigen die verantwoordelijk zijn voor het opslaan van gegevens als kleine elektrische ladingen. Het is bijna alsof je een appel buiten laat en hij wegrot; het fenomeen wordt vaak genoemd beetje rot.

Volgens de vergelijking van Arrhenius kun je dus een lange periode van geheugenverslechtering in een veel kortere tijd modelleren door de temperatuur te verhogen, omdat de reacties sneller plaatsvinden. Als je natuurkunde hebt gestudeerd, zou dit allemaal redelijk bekend moeten zijn. Temperatuur is eigenlijk alleen maar de snelheid waarmee atomen rondwiebelen. Dus als ze heter zijn, wiebelen ze meer rond en is het logisch dat reacties sneller plaatsvinden, met al deze atomen en moleculen die rond deinen. Deze uitleg is natuurlijk vereenvoudigd en zal mij niet uitnodigen voor echte wetenschappelijke conferenties, maar het dient hier onze doeleinden.

Om een ​​apparaat te testen op het langdurig bewaren van gegevens hoeft u het dus alleen maar in een hotter dan normale omgeving te plaatsen en te controleren hoe het in de loop van de tijd gegevens vasthoudt. Uiteraard gebeurt dit met veel monsters met wetenschappelijke nauwkeurigheid, waardoor statistische inzichten kunnen worden verkregen. Uiteraard zijn er ook grenzen. Het heeft geen zin om EEPROM’s te testen bij 500 graden Celsius, waar ze binnen enkele seconden zullen smelten en verbranden, terwijl ze precies nul gegevens behouden. Binnen de realistische grenzen van het onderdeel kunnen echter belangrijke inzichten worden verkregen.

Door de effecten van versnelde veroudering te observeren, kunnen voorspellingen worden gedaan over de langetermijnretentiemogelijkheden van deze apparaten. Na versnelde veroudering ondergaan de EEPROM- en Flash-geheugens strenge checks voor het bewaren van gegevens. De uitkomsten van deze checks worden geëxtrapoleerd om te schatten hoe de apparaten gedurende langere perioden bij normale temperaturen zouden presteren. Deze extrapolatie is weliswaar wetenschappelijk onderbouwd, maar is niet zonder onzekerheden en leunt zwaar op geavanceerde statistische modellen.

Hoewel temperatuur een cruciale rol speelt bij versnelde veroudering, wordt ook aangenomen dat andere factoren, zoals spanningsvariaties en vochtigheid, verschillende stressomstandigheden simuleren. Deze holistische aanpak zorgt voor een uitgebreidere beoordeling van de mogelijkheden voor gegevensretentie op de lange termijn.

Vanwege inherente variaties in geheugencellen wordt bij deze checks een statistische benadering gebruikt. Door een grote batch apparaten te testen en het gemiddelde gedrag te analyseren, worden nauwkeurigere voorspellingen van de prestaties op de lange termijn gedaan. Deze statistische analyse is cruciaal voor het begrijpen van de algehele betrouwbaarheid van geheugentechnologie.

De sleutel tot deze levensduurtests is het monitoren van specifieke faalmechanismen, zoals ladingslekkage in geheugencellen. Het begrijpen van deze faalwijzen is essentieel bij het voorspellen van gegevensverlies en het bedenken van strategieën om dergelijke risico’s te beperken. Deze specifieke mislukkingen zullen zich binnen hun eigen tijdsbestek voordoen en zullen meer aan bepaalde voorwaarden onderworpen zijn dan andere.

Het is vermeldenswaard dat methoden voor versnelde veroudering niet alleen worden gebruikt voor het beoordelen van flashgeheugen en EEPROM’s; de technieken worden op alles toegepast, van archiefpapier tot inkt en andere soortgelijke producten. Deze methoden zijn echter niet zonder negatieve punten. Kritiek op deze methoden draait om het feit dat verschillende chemische reacties kunnen plaatsvinden bij verschillende temperaturen, waardoor de correlatie tussen een versneld verouderingsproces en wat van nature in de loop van de tijd bij een lagere temperatuur zou gebeuren, wordt verstoord. De correlatie kan soms slecht zijn, en voor veel objects, vooral die die recentelijk zijn uitgevonden, hebben we eenvoudigweg niet de kans gehad om de resultaten van versnelde veroudering te vergelijken met wat er in realtime gebeurt. Tegelijkertijd roept het, gezien de snelheid waarmee de technologie zich ontwikkelt, de vraag op: zal het iemand in 2100 iets schelen of een ATmega werkelijk gegevens gedurende 100 jaar op een EEPROM kan opslaan?

Ondanks de nauwkeurigheid en verfijning van deze testmethoden, brengt het voorspellen van de prestaties van geheugenapparaten over een eeuw inherente onzekerheden met zich mee. Ogenschijnlijk kleine wijzigingen in de productie of onvoorziene omgevingsfactoren kunnen de nauwkeurigheid van deze voorspellingen beïnvloeden. Het begrijpen van de natuur- en scheikunde die een rol spelen, is de sleutel tot het nauwkeurig modelleren van veroudering op de lange termijn in meer menselijk compatibele tijdsbestekken. Zelfs nog, onze beste modellen zijn precies dat. Totdat iemand over een eeuw daadwerkelijk een bepaald EEPROM- of flash-onderdeel controleert, kunnen we niet met zekerheid weten hoe nauwkeurig deze modellen werkelijk zijn.

Uiteindelijk hoeven de meesten van ons zich niet al te veel zorgen te maken over het opslaan van gegevens over eeuwenlange tijdsbestekken. Voor degenen die dat wel doen, zijn versnelde verouderingstechnieken een zeer nuttig hulpmiddel om te begrijpen hoe gegevens op die tijdschalen het beste kunnen worden bewaard. Als u één ding uit dit alles wegneemt, onthoud dan dat het achterlaten van uw flashdrives of microcontrollers op een heet oppervlak uw gegevens veel sneller zal weggooien dan wanneer u ze op een koelere plek zou achterlaten. Als je proefschrift momenteel op een oude flashdrive in een hete auto staat, kun je het beste meerdere back-ups maken en deze op een betere plek bewaren.