閃存技術(shù)、產(chǎn)品和原理全面解析（第2版）
讀者們好，電子書<閃存技術(shù)、產(chǎn)品和發(fā)展趨勢全面解析(第二版)>現(xiàn)在已經(jīng)完成更新了，相比上一版，除了調(diào)整小字體使內(nèi)容緊湊外，重點還補充第四章和增加第九章（大概增加35頁內(nèi)容）。由于篇幅很長，下面僅僅列出更新內(nèi)容涉及的目錄介紹：
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今天，重點聊聊閃存可靠性等問題。閃存技術(shù)對大家來說，已經(jīng)不是什么新鮮技術(shù)。但對可靠性、擦寫次數(shù)和故障率等問題充滿擔(dān)憂。所以，筆者覺得非常有必要通過以下幾點，談?wù)勯W存這方面的問題，緩解大家的疑慮和擔(dān)憂。
閃存介質(zhì)為什么會有擦寫壽命的限制？
閃存介質(zhì)中，保存數(shù)據(jù)的基本單元被稱為Cell。每個Cell通過注入、釋放電子來記錄不同的數(shù)據(jù)。電子在Cell中進(jìn)出，會對Cell產(chǎn)生磨損；隨著磨損程度的增加，Cell中的電子出現(xiàn)逃逸的概率會不斷增加，進(jìn)而導(dǎo)致Cell所保存的數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變。(舉個例子，某個Cell最開始保存的二進(jìn)制數(shù)據(jù)是10，一段時間后再讀取該Cell，二進(jìn)制數(shù)據(jù)可能就變成了11)。
因為閃存中保存的數(shù)據(jù)有一定的概率出現(xiàn)跳變，因此需要配合ECC算法(Error-Correcting Code)來使用。
寫入數(shù)據(jù)時，ECC引擎基于原始數(shù)據(jù)計算出冗余數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)同時保存。
讀取數(shù)據(jù)時，原始數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)一并被讀出，并通過ECC引擎檢查錯誤并糾正錯誤，最終得到正確的原始數(shù)據(jù)。
閃存所保存的數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變的數(shù)量，隨著擦寫次數(shù)的增加而增加。當(dāng)擦寫次數(shù)達(dá)到一定的閾值后，閃存中保存的數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變的數(shù)量會增大到ECC引擎無法糾正的程度，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法被讀出。這個閾值就是閃存的最大擦寫次數(shù)。
LDPC算法為什么可以提升閃存的擦寫壽命？
閃存所保存的數(shù)據(jù)，在保存一段時間后，會出現(xiàn)跳變；且出現(xiàn)跳變的數(shù)量，隨著擦寫次數(shù)的增加而增加。因此，SSD內(nèi)部需要有ECC引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)檢錯和糾錯。
在SSD領(lǐng)域，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的ECC算法是BCH算法(該算法以三位作者的名字首字母命名)，可以滿足絕大多數(shù)SSD的糾錯需求。閃存介質(zhì)所宣稱的最大擦寫次數(shù)，就是基于BCH算法來給出的。
但隨著TLC介質(zhì)和3D NAND的普遍應(yīng)用，同樣的數(shù)據(jù)塊，其壽命末期的出錯率將會大大增加，BCH編碼的糾錯能力顯得非常無力，這也使得LDPC糾錯算法在SSD領(lǐng)域有了用武之地。
LDPC算法是一個糾錯能力很強的算法(相比BCH，可以糾正更多的數(shù)據(jù)跳變)，復(fù)雜度較高，最早應(yīng)用于通信行業(yè)。
1963年Gallager的一篇名為<Low Density Parity Check Codes>的論文詳細(xì)描述了該算法思想，從此LDPC就此誕生，LDPC 編碼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光通信、衛(wèi)星通信、通信等領(lǐng)域，可以說是一套非常成熟的糾錯算法。
SSD的高性能是如何體現(xiàn)的？
存儲系統(tǒng)的性能主要體現(xiàn)在兩個指標(biāo)上，一個是IOPS代表每秒存儲處理的IO數(shù)量，另一個是時延代表存儲接收到IO之后處理的速度。
上表為SSD和傳統(tǒng)HDD的性能對比，我們可以看出無論從IOPS還是從時延角度SSD均遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于HDD。
從IOPS角度一塊SSD提供的IOPS，需要60塊左右高性能HDD才能達(dá)到相同的IOPS，但是從時延角度SSD的低時延是HDD無法提供的。
聽說SSD寫幾千次就壞了，這是真的嗎？
當(dāng)然這不是真的。SSD在處理數(shù)據(jù)寫入時，每次都寫到新的物理地址，從而使得所有的閃存物理空間被均勻使用。
舉個例子，假設(shè)一塊600GB的SSD，其閃存介質(zhì)寫次數(shù)為1萬次，那么該SSD可以寫入的數(shù)據(jù)總量達(dá)到6PB (600GB*10000)。
而業(yè)界對大量企業(yè)級硬盤的研究數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用在企業(yè)級環(huán)境中的硬盤，整個生命周期的寫入數(shù)據(jù)總量是有限的。假設(shè)以單盤寫入小于200TB為例，這意味著這塊600GB的SSD磁盤，可以使用近十年以上。
所以，即便SSD所采用的閃存介質(zhì)只能寫入幾千次或者幾萬次，但是將閃存做成SSD之后，完全滿足企業(yè)級應(yīng)用的需求。
SSD壽命由哪些因素所決定？
SSD的壽命一般是指其所使用的閃存顆粒可以承受的磨損壽命。SSD內(nèi)部的其他器件不會成為整盤壽命的限制或瓶頸，一般不會成為壽命的短板。為了延長SSD磨損壽命，大多數(shù)廠商采用如下方法。
1、提供冗余(Over Provisioning)。舉個例子，一塊100GB容量的SSD，其內(nèi)部的閃存顆粒的物理容量是大于100GB，企業(yè)級SSD一般可以達(dá)到128G或者更多，超出的那部分就被稱為冗余。
2、采用較好的部件。如更好的顆粒、更好的控制芯片等。舉例，SLC閃存顆粒的最大擦寫次數(shù)優(yōu)于MLC，而MLC又優(yōu)于TLC。
SSD的壽命與所采用的閃存冗余度、顆粒類型和器件也有很大關(guān)系，所采用閃存的冗余越大，壽命越長。采用閃存的顆粒類型越好，壽命越長。采用控制芯片糾錯能力越強，壽命越長。
SSD壽命并非單純?nèi)Q于閃存的類型，而是多個因素綜合作用的結(jié)果。通過充裕的容量冗余、強力的LDPC糾錯算法，可以滿足各種企業(yè)級應(yīng)用需求。
導(dǎo)致SSD發(fā)生故障的原因一般有哪些？
導(dǎo)致SSD的故障原因主包括閃存介質(zhì)故障、硬件故障、軟件故障等。相比HDD，SSD沒有機械部件，因此對運行環(huán)境各方面的要求更低，滿足HDD正常運行的環(huán)境完全可以滿足SSD正常運行，并且在如在地鐵、艦船等振動環(huán)境下，SSD更能發(fā)揮其穩(wěn)定可靠地優(yōu)勢，保持業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行。
SSD故障后數(shù)據(jù)是否可以恢復(fù)？
SSD和HDD雖然技術(shù)原理有所不同，但是在多數(shù)故障場景下，可以通過排除故障點，對故障SSD的數(shù)據(jù)進(jìn)行部分或全部恢復(fù)。這一點上SSD與HDD相類似。
1、當(dāng)閃存介質(zhì)失效時，如果SSD內(nèi)部出現(xiàn)了部分閃存介質(zhì)失效，進(jìn)而導(dǎo)致SSD故障，那么此時與HDD內(nèi)部磁碟發(fā)生了物理傷害的情況是類似的，可以對故障部分進(jìn)行隔離，進(jìn)而恢復(fù)其他數(shù)據(jù)。
2、當(dāng)其他硬件失效時，如果SSD出現(xiàn)了除閃存介質(zhì)之外的其他硬件器件失效，進(jìn)而導(dǎo)致SSD故障，那么可以通過替換失效的硬件器件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行部分或全部恢復(fù)。
3、當(dāng)SSD發(fā)生軟件故障時，軟件故障可以通過升級軟件來恢復(fù)部分或全部數(shù)據(jù)。
4、針對數(shù)據(jù)安全擦除，實際上不屬于SSD故障。在對SSD執(zhí)行了全盤安全擦除后，數(shù)據(jù)無法恢復(fù)，SSD的數(shù)據(jù)安全擦出不必像HDD一樣必須物理銷毀。
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