如何在高溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)保留？

摘 要  

存儲在NAND閃存上的數(shù)據(jù)將緩慢退化。這是由于隨著時(shí)間的推移，每個(gè)NAND閃存單元中的電荷慢慢地漏出。單元保存這些數(shù)據(jù)的能力稱為數(shù)據(jù)保留。

隨著溫度升高和P/E循環(huán)的增加，數(shù)據(jù)保留率降低，因?yàn)檫@兩個(gè)因素都會(huì)導(dǎo)致電荷泄漏率更高。較高的溫度會(huì)增加電池中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)/振動(dòng)，而P/E循環(huán)會(huì)損壞電池的結(jié)構(gòu)完整性。數(shù)據(jù)退化因子（df），其中df=1是標(biāo)準(zhǔn)溫度下的數(shù)據(jù)保持率，在80°-85°C范圍內(nèi)上升到168，這意味著數(shù)據(jù)保持率降低了168。

根據(jù)溫度和P/E循環(huán)數(shù)定期刷新數(shù)據(jù)，可以解決這一問題。這是通過將數(shù)據(jù)從一個(gè)模塊交換到另一個(gè)模塊來完成的，類似于磨損平衡。測試表明，理論上只要數(shù)據(jù)保持更新，即使在溫度達(dá)到85°C的情況下，數(shù)據(jù)也可以持續(xù)幾十年。

  介  紹  

固態(tài)硬盤已成為大多數(shù)行業(yè)的主流。這對于設(shè)計(jì)用于惡劣環(huán)境的設(shè)備尤其如此，因?yàn)镾SD通常比傳統(tǒng)存儲介質(zhì)更堅(jiān)固。然而，極端溫度仍然會(huì)對固態(tài)硬盤產(chǎn)生負(fù)面影響。

數(shù)據(jù)保留描述NAND閃存保留隨時(shí)間存儲的數(shù)據(jù)的能力。它是一個(gè)時(shí)鐘，在數(shù)據(jù)寫入NAND閃存單元后開始計(jì)時(shí)，只要數(shù)據(jù)保持未刷新（數(shù)據(jù)擦除和新數(shù)據(jù)寫入），倒計(jì)時(shí)就會(huì)繼續(xù)。常規(guī)的溫度范圍下，保留時(shí)間通常足夠長，不會(huì)對數(shù)據(jù)完整性造成風(fēng)險(xiǎn)。但是，隨著溫度的升高，情況會(huì)發(fā)生變化。

NAND閃存的數(shù)據(jù)保留問題主要有三個(gè)原因。首先，由于閃光燈電池的結(jié)構(gòu)，較高的溫度會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)以極高的速率退化。其次，繁重的寫環(huán)境進(jìn)一步加劇了數(shù)據(jù)保留問題。隨著程序/擦除周期的增加，單元進(jìn)一步減弱，導(dǎo)致數(shù)據(jù)保留能力降低。最后，當(dāng)制造商試圖在每個(gè)模具中容納盡可能多的單元時(shí)，閃存單元大小會(huì)縮小，這使得數(shù)據(jù)保留更加困難。

這些因素需要能夠定期刷新數(shù)據(jù)以避免降級的數(shù)據(jù)保留功能。

數(shù)據(jù)保留在任何環(huán)境中都是一個(gè)挑戰(zhàn)，如車輛、自動(dòng)化、航空航天和國防等高溫環(huán)境。

  背  景  

NAND閃存單元的基本結(jié)構(gòu)是浮柵晶體管。該電池的工作原理是在位于兩個(gè)隔離層之間的浮柵中加入電荷。這個(gè)電荷代表一個(gè)二進(jìn)制值。例如，多層電池（MLC）所持電荷可以表示四個(gè)二進(jìn)制數(shù)00、01、10和11。

所有NAND閃存類型都是非易失性的，這意味著電荷被隔離，并在SSD關(guān)閉后保持在原位。這就是為什么數(shù)據(jù)是可用的，即使在固態(tài)硬盤一段時(shí)間沒有打開，而不是揮發(fā)性DRAM。

圖1：浮柵晶體管

為了擦除數(shù)據(jù)，NAND閃存單元被一個(gè)清空浮柵的電荷擊中。這一過程也會(huì)輕微磨損電池，最終導(dǎo)致電池磨損并導(dǎo)致功能失效。這就是為什么所有的NAND閃存都有有限的壽命。

  挑  戰(zhàn)  

01 溫  度

NAND閃存在標(biāo)準(zhǔn)溫度（t<40°C）下大部分不受影響。但一旦我們達(dá)到更高的溫度，數(shù)據(jù)保留率就會(huì)急劇下降。這可以通過簡單的物理定律來解釋：較高的溫度意味著粒子移動(dòng)/振動(dòng)更快，而較高的能量轉(zhuǎn)化為更高的電荷泄漏幾率。

測試表明，在80°-85°C范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)退化因子（df）達(dá)到168。換句話說，數(shù)據(jù)退化的速度比標(biāo)準(zhǔn)溫度快168倍。例如，假設(shè)數(shù)據(jù)保留率為1年的設(shè)備，如果放置在80°C環(huán)境中，只會(huì)在數(shù)據(jù)丟失前持續(xù)2天左右。

圖表1：溫度升高時(shí)降解因子的變化

02 P/E循環(huán)

要從電池中刪除數(shù)據(jù)，需要充電。這種電荷也會(huì)對電池的氧化層造成輕微的損傷。隨著這種損害的累積，單元將逐漸失去其數(shù)據(jù)保留能力。與存儲數(shù)據(jù)相比，刪除過程更有害的原因是用于刪除數(shù)據(jù)的費(fèi)用要大幾倍。如此大的電荷，細(xì)胞本身的物理結(jié)構(gòu)會(huì)隨著每次缺失而惡化。

這意味著以前在繁重工作負(fù)載環(huán)境中使用的任何SSD都特別不適合用于數(shù)據(jù)保留目的，因?yàn)樗鰯?shù)據(jù)保留功能將顯著降低。

03 較小的NAND閃存單元

自NAND閃存進(jìn)入市場以來，它一直趨向于減小電池尺寸和增加IC密度，其中，芯片尺寸不斷縮小，以更容易適應(yīng)較小的存儲IC封裝。

然而，減小電池尺寸的物理現(xiàn)實(shí)之一是閾值電壓分布收縮，這反過來需要從閃存控制器和固件算法中進(jìn)行越來越復(fù)雜的錯(cuò)誤管理。與傳統(tǒng)的NAND閃存電池相比，小型電池的電荷泄漏速度更快。盡管不能直接緩解此問題，但在評估數(shù)據(jù)完整性時(shí)，必須了解這一事實(shí)。

解  決  方  案

溫度和P/E循環(huán)算法

為了解決數(shù)據(jù)保留問題，SSD需要同時(shí)考慮溫度和P/E循環(huán)。

通過添加板載傳感器，SSD將具有連續(xù)的溫度曲線。此配置文件和P/E周期數(shù)將不斷輸入固件算法，從而讓SSD自我監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)保留情況。SSD可以確定最佳刷新率，以確保數(shù)據(jù)完整性，同時(shí)將固件進(jìn)程保持在最低水平。換句話說，數(shù)據(jù)是安全的，同時(shí)對SSD性能的影響最小。

圖表2：隨著數(shù)據(jù)保留率下降，SSD將啟動(dòng)數(shù)據(jù)刷新操作

數(shù)據(jù)刷新操作在塊級別上工作，其中存在風(fēng)險(xiǎn)的塊將數(shù)據(jù)移動(dòng)到新塊。這將重置數(shù)據(jù)保持計(jì)時(shí)器，使數(shù)據(jù)保持安全，直到SSD決定啟動(dòng)下一個(gè)周期。

圖3和圖4：在66和168的df下使用ssd進(jìn)行雙重測試運(yùn)行。橫軸表示試運(yùn)行時(shí)間，豎條表示理論數(shù)據(jù)保持期。

如圖3和圖4所示，測試表明溫度和P/E循環(huán)算法理論上可以將數(shù)據(jù)保留時(shí)間延長幾十年。例如，即使在80°-85°C的范圍內(nèi)（df=168），SSD也會(huì)保持?jǐn)?shù)據(jù)刷新超過80年。

  結(jié)  論  

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，數(shù)據(jù)保留不是一個(gè)問題。然而，任何在惡劣環(huán)境中使用設(shè)備的操作員都應(yīng)該意識到數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)以及數(shù)據(jù)丟失的速度。通過溫度監(jiān)控和固件優(yōu)化，可以輕松緩解此問題，并且可以在數(shù)據(jù)損壞和丟失時(shí)避免操作員遭受代價(jià)高昂的損失。

iRetentionTM是由Innodisk創(chuàng)建的智能技術(shù)。這種靈活的固態(tài)硬盤固件功能能夠在NAND閃存老化和高溫變化的情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)保留。使用此固件功能，與標(biāo)準(zhǔn)NAND閃存規(guī)格相比，SSD保留時(shí)間顯著延長。

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