《深入浅出SSD》读书笔记——FTL优化和异常处理
在《深入浅出SSD》的读书笔记的FTL主要业务博客中，简单介绍了FTL的映射的基本原理，和垃圾回收的基本原理。在FTL介绍章节中，FTL还做了其他很多工作，我个人理解主要分为两类，一类是优化（包括寿命优化和性能优化），一类是异常处理。以下做简单介绍
| 寿命优化 | 性能优化 | 异常处理 |
|---|---|---|
| TRIM | TRIM | 坏块管理 |
| 磨损平衡 | SLC cache | RD & DR |
| 坏块管理 | SLC Cache | |
| 掉电恢复 |
1 TRIM
在机械硬盘的场景中，删除文件只是调整对应目录的元数据。并不会涉及到擦写文件对应的数据块本身。SSD上逻辑块和物理块的映射关系还是存在的，只有在后续系统再在相同的地方写入数据时，才会知道数据无效。
这在机械硬盘场景中无伤大雅，但是在固态硬盘场景中，会导致这些数据在后续真正再写入之前，这些物理块都会被认为是有效数据，在垃圾回收时不被回收，或者仍然被认为是有效数据而被搬移，导致写放大和影响固态硬盘的寿命。只有在知道数据无效之后，才会在垃圾回收的时候被回收。
针对这个场景差异，为了优化写放大问题，ATA命令中新增了TRIM命令，在用户删除文件时，OS会发送TRIM命令给SSD，SSD就会把这些数据块标记为无效，后续SSD就可以在垃圾回收时抛弃掉这些数据，可以避免做无谓的搬移。
SCSI有对应命令叫 UNMP，NVMe里则叫 Dataset Management
TRIM命令会影响FTL中的三张表
- FTL映射表（LBA对应物理页的位置）
- Valid Page Bit Map (VPBM) 记录每个物理块上哪个页有有效数据。
- Valid Page Count(VPC) 每个物理块上的有效页个数。
收到TRIM之后，固件需要实现如下处理流程。
1）清除L2P table为空地址。
2）清除VPBM上的有效页的位。
3）更新VPC的有效页个数。
4）重复上述环节，遍历每一个LBA。
下述是TRIM处理后，对GC处理流程影响。
GC处理。
1）根据新的VPC重新计算GC优先级——》
2）回收VPC最少的Block（不考虑磨损平衡）——》
3）擦除全是垃圾的Block。
2 磨损平衡
磨损平衡是让SSD的每个闪存块的磨损（擦除 ）次数都保持平衡。闪存块擦写次数超过一定的值，块就不那么可靠了，就变成坏块。过多的坏块会让SSD在保质期前挂掉。
磨损平衡相关的基本划分概念
1、不同集成度的SSD擦写寿命不同。
| 类型 | 寿命 |
|---|---|
| SLC | 十几万 |
| MLC | 几千 |
| TLC | 一两千次/几百次 |
2、数据按照更新的频繁程度不同，分为两类
一类是冷数据，不经常更新的数据。比如 OS数据，只读文件
一类是热数据，更新频繁的数据，会产生很多的垃圾数据，比如一些频繁更新的文档。
3、块按照擦写次数不同分为两类。擦写次数称为EC(Erase Count)
一类是年老块，擦写次数多。
一类是年轻块，擦写次数少。
磨损平衡的相关策略
主要分为两种。
一是动态磨损平衡（DWL, dynamic wear leveling）宗旨是把热数据写到年轻的块上。写新闪存块时，选EC小的。
二是静态磨损平衡（SWL, static wear leveling）宗旨是把冷数据写到年老的块上。以腾出冷数据原来所在的EC小的闪存块，把这些闪存块用于数据写入。
静态磨损平衡的一种选择是通过GC机制来做，即回收时不选择有效数据小的闪存块，而选择冷数据所在的闪存块。但这样的负面作用就是导致冷数据和热数据会混在同一个闪存块上，因为回收的闪存块上的冷数据被搬移到了其他的闪存块上，即写入了GC时读出来的数据。而这个其他的闪存块可能是用户用来写数据的闪存块，这就导致冷数据被混到了热数据上。
但是冷数据的地址中大部分仍然还是冷数据，可能会在GC时被搬移。导致写放大。
SWL写入冷数据到——》Block1
GC写入热数据到——》Block1
Host写入热数据到——》Block1
更进一步的策略就是做冷热数据分离，在静态磨损平衡时，用专门的闪存块来存放冷数据。这个闪存块不与用户数据，或者GC写入的数据混用。这样就这个冷数据的块就不会被GC挑选为源闪存块。（故而这里要区分 常规的GC和 带了静态磨损平衡的GC）
SWL写入冷数据——》Block1
GC or Host 写入热数据——》Block2
3 坏块管理
3.1 坏块来源
坏块分为出厂坏块（Factory Bad Block）和增长坏块（Grown Bad Block）。增长坏块为擦写磨损导致的坏块。
3.2 坏块鉴别
对出厂坏块而言，出厂数据默认全部是 0xFF，坏块会被厂商打上不同的标记用作区分。
- 东芝的flash，坏块的第一个闪存页和最后页的第一个字节和spare区第一个字节会写上非0xff的值。用户需要查看闪存文档手册，扫描所有闪存块，建立出厂的坏块表。 p156包含了TOSHIBA建议的建立坏块表的流程。主要是遍历所有的块。
- 其他部分厂家的flash，坏块信息存储在闪存内部的某个位置。比如Micron，闪存内部有个叫OTP（one time programming）的区域，用于存储出厂坏块信息。
对增长坏块而言，是以读写擦的形式反映出来。比如出现UECC，擦除失败，写失败等症状，都需要加入坏块表，都是坏块出现的症状。
3.3 坏块管理策略
坏块管理主要存在两种策略，略过策略和替换机制。
- 略过策略（skip）跨过坏块，写下一个Block。
- 替换机制（replace） 发现坏块时，用好块替换。写数据到替换块上。
- 同一个DIE上需要额外保留一部分好的闪存块，用于替换坏块。即需要预留空间。
- 需要维护一张重映射表，如果B块是坏块，在访问B块时，需访问重映射表查询到是否有被重映射，如果有，则需要实际访问 B’ 块。
优劣比较
| 优点 | 缺点 | |
|---|---|---|
| 略过 | 性能不稳定（并行度会发生变化）（p.s. 这里个人并不是太理解） | |
| 替换 | 并行度稳定 | 木桶效应，如果某个DIE质量较差，可用容量就受限于这个坏的DIE |
4 RD & DR
4.1 RD (Read disturb 读干扰)
问题根因：
每次读，都会对其他字线 wordline 形成有点像轻微的写入，长此以往，会导致比特翻转（1->0）出错数超过ECC的纠错能力，就会导致数据丢失。
解决策略：
在读的次数低于某一个阈值之前，即比特发生翻转之前，对闪存块上的数据进行一次刷新。搬到别的闪存块上，以实现防患于未然。
解决实现：
FTL记录每个闪存块的读次数，每读一次，读次数+1。FW检测超过“读阈值"，检测比特翻转数，决定是否"刷新"，或者设一个更大的阈值。
这里的实现涉及到两个未定义的技术策略，如何确定阈值，以及如何刷新。
“读阈值”：阈值与闪存年龄有关，年龄（PE）越大，对RD的免疫力越低。故而一般采用动态阈值，PE越大，读阈值越小。
“刷新”：刷新存在阻塞和非阻塞两种策略，阻塞即专门处理刷新，缺点是时延长。非阻塞即刷新处理与其他操作并行，缺点是实现更为复杂。
4.2 DR（Data Retention 数据翻转）
问题根因：
根据第三章闪存特性的描述，随着时间的推移，电子会从绝缘氧化层中游离出来，造成可能的比特翻转（0->1），如果超过ECC的纠错能力，也就会导致数据丢失。
实际在用户层面的表现就是 长时间不使用，可能启动不了，或者启动很慢，因为在花大量时间做ECC的处理。
解决策略：
FTL需要对闪存空间进行实时扫描，跟RD的处理一样，进行数据刷新，避免丢失。
5 SLC cache
因为SLC 与 MLC和TLC相比有更好的读写寿命，SSD会拿SLC作为cache使用，把MLC或TLC配置为 SLC模式来访问，一般的flash都支持如此设置。SLC模式下的闪存块比MLC和TLC模式下更快更耐写。
SLC MLC TLC 性能和擦写次数对比如下
| 闪存类型 | SLC | MLC | TLC |
|---|---|---|---|
| 每单位bit数 | 1 | 2 | 3 |
| 擦写次（次） | 约10W | 约5000 | 约1000 |
| 读时间（us） | ~25 | ~50 | ~75 |
| 写时间（us） | ~300 | ~600 | ~900 |
| 擦除时间（us） | ~1500 | ~3000 | ~4500 |
使用SLC Cache有如下优势
- 如上述表格所示性能更优
- 防止lowerPageCorruption问题导致数据损坏。
- 解决闪存的缺陷（MLC或TLC块没写满时ECC错误的问题）
- 更多的数据写入量，SLC更耐写。
实际应用中，一般消费级或移动存储，会使用SLC Cache，因为可以有更好的突发性能。企业级产品因为不追求突发性能，更追求稳态速度，故而不考虑SLC Cache。而且消费级往往没有电容保护，SLC Cache可以保证lowerpage数据不丢，企业级一般有大电容保护，可以保证断电时写入。
SLC Cache的写入策略也存在两种类型
- 强制SLC写入，写入数据时，必须先写入到SLC闪存块，然后GC搬到MLC或TLC块。（可以保护LowerPage数据）
- 非强制SLC写入，有SLC块则写，没有则直接写TLC或者MLC。优点是有更好的后期写入性能（因为强制SLC写入，在写满时，就需要一边把数据搬移到TLC或者MLC，一边往SLC写入，写满时的写入性能会受影响）
根据SLC Cache 闪存块的来源，也有三种分类。
- 静态SLC Cache，用一些Block专门做SLC Cache。
- 动态SLC Cache，所有的块都有可能当SLC Cache，SLC和TLC不分家。
- 两者混合，既有静态，也有动态。
6 掉电恢复
6.1 掉电恢复的类型
掉电主要区分两种，正常掉电和异常掉电。
（1）正常掉电
主机会通过命令（SATA的Idle Immediately）通知SSD。
- 把buffer中缓存的用户数据刷入到闪存
- 把映射表刷入到闪存
- 把闪存的块信息刷入到闪存
- 把SSD的其他信息刷入到闪存
（2）异常掉电
异常掉电分为两种子场景，1、因为没有收到通知时被断电；2、收到了通知，但是没来得及处理完，被断电。
6.2 掉电恢复的影响和解决方案
负面影响如下
1）缓存数据来不及写入到闪存，导致映射表丢失，或者缓存的用户数据丢失。
2）闪存特性问题，写MLC UpperPage断电，导致LowerPage数据破坏。
针对上述负面影响，FTL的设计目标如下
1）尽可能恢复用户数据。
2）让SSD经历异常掉电后还能正常工作。
实现方法如下
1）通过电容放电以维持一段时间的工作（不能100%保证）+ 异常掉电处理模块。
2）把RAM用Non-Volatile 但是速度很快的东西来替代（比如研发中的3D XPoint）
6.3 掉电处理模块的映射表恢复重建流程。
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基本的重建方式。
用户在写入数据时会写入元数据，spare空间中的元数据包括逻辑地址（LPA,LBA）,时间戳（TS）等等内容。
通过全盘扫描闪存空间，读取元数据，就可以得到La->Pa的映射关系。如果针对一笔逻辑地址，有多笔对应的物理地址（必然有其中部分物理地址是无效的），可以依赖时间戳来决定有效的物理地址。
该流程的缺点是存在重建速度的问题，如果是TB级别，扫描所有的数据页需要花费 几分钟，甚至几十分钟的时间。 -
快速恢复映射表的方式
定期地把SSD中RAM的数据和状态信息的数据写入到闪存中去，相当于做checkpoint快照。如果在快照C->D之间异常断电，从闪存中读取最新的快照信息即可。