闪存技术、产品和原理全面解析(第2版)

 

读者们好,电子书<闪存技术、产品和发展趋势全面解析(第二版)>现在已经完成更新了,相比上一版,除了调整小字体使内容紧凑外,重点还补充第四章和增加第九章(大概增加35页内容)。由于篇幅很长,下面仅仅列出更新内容涉及的目录介绍:     



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 今天,重点聊聊闪存可靠性等问题。闪存技术对大家来说,已经不是什么新鲜技术。但对可靠性、擦写次数和故障率等问题充满担忧。所以,笔者觉得非常有必要通过以下几点,谈谈闪存这方面的问题,缓解大家的疑虑和担忧。

闪存介质为什么会有擦写寿命的限制? 
      闪存介质中,保存数据的基本单元被称为Cell。每个Cell通过注入、释放电子来记录不同的数据。电子在Cell中进出,会对Cell产生磨损;随着磨损程度的增加,Cell中的电子出现逃逸的概率会不断增加,进而导致Cell所保存的数据出现跳变。(举个例子,某个Cell最开始保存的二进制数据是10,一段时间后再读取该Cell,二进制数据可能就变成了11)。

      因为闪存中保存的数据有一定的概率出现跳变,因此需要配合ECC算法(Error-Correcting Code)来使用。

      写入数据时,ECC引擎基于原始数据计算出冗余数据,并将原始数据和冗余数据同时保存。

      读取数据时,原始数据和冗余数据一并被读出,并通过ECC引擎检查错误并纠正错误,最终得到正确的原始数据。

      闪存所保存的数据出现跳变的数量,随着擦写次数的增加而增加。当擦写次数达到一定的阈值后,闪存中保存的数据出现跳变的数量会增大到ECC引擎无法纠正的程度,进而导致数据无法被读出。这个阈值就是闪存的最大擦写次数。

 
LDPC算法为什么可以提升闪存的擦写寿命? 
      闪存所保存的数据,在保存一段时间后,会出现跳变;且出现跳变的数量,随着擦写次数的增加而增加。因此,SSD内部需要有ECC引擎进行数据检错和纠错。

      在SSD领域,当前标准的ECC算法是BCH算法(该算法以三位作者的名字首字母命名),可以满足绝大多数SSD的纠错需求。闪存介质所宣称的最大擦写次数,就是基于BCH算法来给出的。

      但随着TLC介质和3D NAND的普遍应用,同样的数据块,其寿命末期的出错率将会大大增加,BCH编码的纠错能力显得非常无力,这也使得LDPC纠错算法在SSD领域有了用武之地。

      LDPC算法是一个纠错能力很强的算法(相比BCH,可以纠正更多的数据跳变),复杂度较高,最早应用于通信行业。

      1963年Gallager的一篇名为<Low Density Parity Check Codes>的论文详细描述了该算法思想,从此LDPC就此诞生,LDPC 编码已经广泛应用于光通信、卫星通信、通信等领域,可以说是一套非常成熟的纠错算法。 

SSD的高性能是如何体现的? 
      存储系统的性能主要体现在两个指标上,一个是IOPS代表每秒存储处理的IO数量,另一个是时延代表存储接收到IO之后处理的速度。

      上表为SSD和传统HDD的性能对比,我们可以看出无论从IOPS还是从时延角度SSD均远远好于HDD。

      从IOPS角度一块SSD提供的IOPS,需要60块左右高性能HDD才能达到相同的IOPS,但是从时延角度SSD的低时延是HDD无法提供的。
 
听说SSD写几千次就坏了,这是真的吗? 
      当然这不是真的。SSD在处理数据写入时,每次都写到新的物理地址,从而使得所有的闪存物理空间被均匀使用。

      举个例子,假设一块600GB的SSD,其闪存介质写次数为1万次,那么该SSD可以写入的数据总量达到6PB (600GB*10000)。

      而业界对大量企业级硬盘的研究数据显示,应用在企业级环境中的硬盘,整个生命周期的写入数据总量是有限的。假设以单盘写入小于200TB为例,这意味着这块600GB的SSD磁盘,可以使用近十年以上。

      所以,即便SSD所采用的闪存介质只能写入几千次或者几万次,但是将闪存做成SSD之后,完全满足企业级应用的需求。
 
SSD寿命由哪些因素所决定? 
      SSD的寿命一般是指其所使用的闪存颗粒可以承受的磨损寿命。SSD内部的其他器件不会成为整盘寿命的限制或瓶颈,一般不会成为寿命的短板。为了延长SSD磨损寿命,大多数厂商采用如下方法。

1、提供冗余(Over Provisioning)。举个例子,一块100GB容量的SSD,其内部的闪存颗粒的物理容量是大于100GB,企业级SSD一般可以达到128G或者更多,超出的那部分就被称为冗余。

2、采用较好的部件。如更好的颗粒、更好的控制芯片等。举例,SLC闪存颗粒的最大擦写次数优于MLC,而MLC又优于TLC。

      SSD的寿命与所采用的闪存冗余度、颗粒类型和器件也有很大关系,所采用闪存的冗余越大,寿命越长。采用闪存的颗粒类型越好,寿命越长。采用控制芯片纠错能力越强,寿命越长。

      SSD寿命并非单纯取决于闪存的类型,而是多个因素综合作用的结果。通过充裕的容量冗余、强力的LDPC纠错算法,可以满足各种企业级应用需求。
 
导致SSD发生故障的原因一般有哪些? 
      导致SSD的故障原因主包括闪存介质故障、硬件故障、软件故障等。相比HDD,SSD没有机械部件,因此对运行环境各方面的要求更低,满足HDD正常运行的环境完全可以满足SSD正常运行,并且在如在地铁、舰船等振动环境下,SSD更能发挥其稳定可靠地优势,保持业务稳定运行。
 
SSD故障后数据是否可以恢复? 
      SSD和HDD虽然技术原理有所不同,但是在多数故障场景下,可以通过排除故障点,对故障SSD的数据进行部分或全部恢复。这一点上SSD与HDD相类似。

1、当闪存介质失效时,如果SSD内部出现了部分闪存介质失效,进而导致SSD故障,那么此时与HDD内部磁碟发生了物理伤害的情况是类似的,可以对故障部分进行隔离,进而恢复其他数据。

2、当其他硬件失效时,如果SSD出现了除闪存介质之外的其他硬件器件失效,进而导致SSD故障,那么可以通过替换失效的硬件器件,对数据进行部分或全部恢复。

3、当SSD发生软件故障时,软件故障可以通过升级软件来恢复部分或全部数据。

4、针对数据安全擦除,实际上不属于SSD故障。在对SSD执行了全盘安全擦除后,数据无法恢复,SSD的数据安全擦出不必像HDD一样必须物理销毁。

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