【FLASH存储器系列二十】固态硬盘之RD&DR&SCL Cache

今天介绍SSD的几个特性：RD、DR、SLC Cache。

1、RD：Read Disturb

对一个闪存块来说，每次读其中的一个闪存页，都需要在其他字线（Wordline）上加较高的电压以保证晶体管导通。对这些晶体管来说，有点像在做轻微的“写入（Program）”，长此以往，由于电子进入浮栅极过多，从而导致比特翻转：1→0。当出错比特数超出ECC的纠错能力时，数据就会丢失。由于每次都是很轻微的写入，要使存储单元数据发生变化，不是一朝一夕的事情，而是长期积累的结果。因此，如果我们能保证某个闪存块读的次数低于某个阈值，在比特发生翻转之前（或者翻转的比特低于某个值时），就对这个闪存块上的数据进行一次刷新：把闪存块上的数据搬到别的闪存块上（或者先搬到别的闪存块上，然后擦除原闪存块后，再复制回来），防患于未然，这样就能解决RD导致数据丢失的问题。因此，FTL应该有记录每个闪存块读次数的一张表：每读一次该闪存块，对应的读次数加1。当FW检测到某个闪存块读的次数超过某个阈值，就刷新该闪存块。当数据写到新的闪存块后，读次数归零，一切重新开始。每个闪存块的读次数，掉电时应该保存到闪存上，重新上电时，再加载它们。事实上，当某个闪存块上的读次数超出阈值时，上面的数据翻转可能并没有超过很多（可设阈值），这种情况就没有必要立刻刷新。毕竟，刷新代来的读数据和写数据，需要耗时间和擦写次数，对性能和闪存寿命有影响。因此，有些FTL为避免“过”刷新，可能会在读次数超过阈值后，先检测比特翻转数，然后决定是否真正需要刷新，如果不需要立刻刷新，会重新设置一个更大的阈值，待下次读的次数达到新阈值后，重复之前的操作。关于读阈值，过去的FTL在SSD的整个生命周期中，都是用一个固定的值，这种处理简单粗暴，很不科学（但固件实现简单）。其实，RD与闪存的年龄有关：年龄越大（PE越大），对RD的免疫力越低。因此，对阈值的设定，采用动态的才是合理的，即对不同的PE，读阈值应该不同。具体来说，PE越大，读阈值应该越小。关于刷新动作，有Block（阻塞）和Non-block（非阻塞）两种处理方式。所谓阻塞方式，就是固件把其他事情都放在一边，专门处理闪存块的刷新；所谓非阻塞方式，就是闪存块的刷新与其他操作同时进行（Interleave操作）。前者处理方式劣势明显，那就是带来很长的命令时延：在处理闪存块的刷新的时候，就不能执行读写操作，导致读写推后。随着闪存块尺寸的增大，这种处理方式的劣势越发凸显。所以，现在的FTL一般都采用非阻塞的刷新处理方式。

2、DR：Data Retention

绝缘氧化层把存储在浮栅极的电子关在里面，但是，随着时间的推移，还是有电子从里面跑出来。当跑出来的电子达到一定数量时，就会使存储单元的比特发生翻转：0→1（注意，RD是使1翻转为0），当出错比特数超出ECC的纠错能力，数据就丢失。这就能解释为什么你的固态硬盘如果很长时间不用，可能就启动不了，或者启动很慢（固件需要处理由于DR引起的数据错误）的现象了。问题来了，为什么SSD长久不用数据就会丢失，而经常使用却不会呢？原因是FW或者FTL立功了。针对DR这个问题，稍微好一点的SSD, FTL都会有相应的处理。怎么处理呢？FTL在SSD上电或者平时运行时，每隔一段时间对闪存空间进行扫描，当发现比特翻转超出一定阈值时，跟RD处理一样，进行数据刷新，这样就能避免数据彻底丢失。SSD如果常年不上电，FTL根本就没有机会执行这些操作，只能眼睁睁地看着电子流失。

3、SLC Cache

SLC相对MLC和TLC来说，有更好的读写性能和更长的寿命。所谓SLC cache，就是把MLC或者TLC里面的一些闪存块配置成SLC模式来访问，在SSD还比较空的时候，使用SLC的存储空间，以获得更好的性能。

使用SLC Cache的出发点，主要有以下几点：

1）性能考虑：SLC性能好，用户数据写到SLC比直接写到MLC或者TLC上快很多。

2）防止Lower Page数据被带坏：用户数据写到SLC，不存在写Upper Page或者ExtraPage带坏Lower Page数据的可能。

3）解决闪存的缺陷：比如有些MLC或者TLC的闪存块，如果没有写满，然后去读的话，可能会读到ECC错误，而对SLC模式下的闪存块，就没有这个问题。

4）更多的数据写入量：SLC更耐写。

一般只有消费级SSD或者移动存储（比如eMMC、UFS等）使用SLC Cache，因为使用SLC Cache具有更好的突发性能；对企业级SSD来说，它追求的是稳态速度，它不希望SSD一下子速度飙升（写SLC），然后一下子速度急剧下降（写TLC）。另外，消费级SSD和移动存储产品一般都没有电容保护，使用SLC Cache能保证Lower Page数据不丢失；而企业级SSD一般都配有电容，能保证闪存的正常写入，它不存在Lower Page数据被带坏的问题，所以没有必要采用SLC Cache这种手段来保护数据。

SLC Cache写入策略有：

1）强制SLC写入：用户写入数据时，必须先写入到SLC闪存块，然后通过GC搬到MLC或者TLC闪存块；

2）非强制SLC写入：用户写入数据时，如果有SLC闪存块，则写入到SLC闪存块，否则直接写到MLC或者TLC闪存块。

强制写入策略能保护Lower Page数据，而后者不能。非强制SLC写入策略，具有更好的后期写入性能，因为在SLC闪存块耗尽的情况下，用户数据直接写入到MLC或者TLC；而对强制写入SLC策略来说，它一方面要把SLC的数据搬到MLC或者TLC，以腾出SLC空间供新用户数据的写入，同时又要把用户数据写入到SLC，性能肯定比只写MLC或者TLC慢。在这里可能有的读者有疑惑，强制写入SLC策略，SLC数据最后都要搬到MLC或者TLC，所以还是存在直接写MLC或者TLC的事实，也就是还是存在Lower Page数据被带坏的可能。是的，没错，做GC（数据搬移）是有这个问题。但是，如果我们在目标闪存块没有被写满前，不把源闪存块擦除，这样即使Lower Page数据被带坏，它还是能通过读源闪存块恢复数据，是不是？

根据SLC闪存块的来源，有以下几种SLC Cache办法。

1）静态SLC Cache：拿出一些Block专门用做SLC Cache；

2）动态SLC Cache：所有的MLC或者TLC都有可能挑来当SLC Cache, SLC和TLC不分家；

3）两者混合：即既有专门的SLC闪存块，还能把其他通用闪存块拿来当SLC Cache。

文章参考自《深入浅出SSD：固态存储核心技术、原理与实战SSDFans》。