詳解SSD可靠性影響因素、原理和解決方法

快閃記憶體技術對大家來說，已經不是什麼新鮮技術。但每個技術從出現到廣泛應用，都需很長的時間跟現有技術進行博弈，最終通過實踐才能深得用戶的認可。快閃記憶體就是一個典型的例子。用戶在欣喜快閃記憶體高性能的同時，也對可靠性、擦寫次數和故障率等問題充滿擔憂。所以，筆者覺得非常有必要通過以下幾點，談談快閃記憶體這方面的問題，緩解大家的疑慮和擔憂。

快閃記憶體介質為什麼會有擦寫壽命的限制？

快閃記憶體介質中，保存數據的基本單元被稱為Cell。每個Cell通過注入、釋放電子來記錄不同的數據。電子在Cell中進出，會對Cell產生磨損；隨著磨損程度的增加，Cell中的電子出現逃逸的概率會不斷增加，進而導致Cell所保存的數據出現跳變。(舉個例子，某個Cell最開始保存的二進位數據是10，一段時間後再讀取該Cell，二進位數據可能就變成了11)。

因為快閃記憶體中保存的數據有一定的概率出現跳變，因此需要配合ECC演算法(Error-Correcting Code)來使用。

寫入數據時，ECC引擎基於原始數據計算出冗餘數據，並將原始數據和冗餘數據同時保存。

讀取數據時，原始數據和冗餘數據一併被讀出，並通過ECC引擎檢查錯誤並糾正錯誤，最終得到正確的原始數據。

快閃記憶體所保存的數據出現跳變的數量，隨著擦寫次數的增加而增加。當擦寫次數達到一定的閾值後，快閃記憶體中保存的數據出現跳變的數量會增大到ECC引擎無法糾正的程度，進而導致數據無法被讀出。這個閾值就是快閃記憶體的最大擦寫次數。

LDPC演算法為什麼可以提升快閃記憶體的擦寫壽命？

快閃記憶體所保存的數據，在保存一段時間後，會出現跳變；且出現跳變的數量，隨著擦寫次數的增加而增加。因此，SSD內部需要有ECC引擎進行數據檢錯和糾錯。

在SSD領域，當前標準的ECC演算法是BCH演算法(該演算法以三位作者的名字首字母命名)，可以滿足絕大多數SSD的糾錯需求。快閃記憶體介質所宣稱的最大擦寫次數，就是基於BCH演算法來給出的。

但隨著TLC介質和3D NAND的普遍應用，同樣的數據塊，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糾錯演算法在SSD領域有了用武之地。

LDPC演算法是一個糾錯能力很強的演算法(相比BCH，可以糾正更多的數據跳變)，複雜度較高，最早應用於通信行業。

1963年Gallager的一篇名為Low Density Parity Check Codes>的論文詳細描述了該演算法思想，從此LDPC就此誕生，LDPC 編碼已經廣泛應用於光通信、衛星通信、通信等領域，可以說是一套非常成熟的糾錯演算法。

SSD的高性能是如何體現的？

存儲系統的性能主要體現在兩個指標上，一個是IOPS代表每秒存儲處理的IO數量，另一個是時延代表存儲接收到IO之後處理的速度。

上表為SSD和傳統HDD的性能對比，我們可以看出無論從IOPS還是從時延角度SSD均遠遠好於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？

當然這不是真的。SSD在處理數據寫入時，每次都寫到新的物理地址，從而使得所有的快閃記憶體物理空間被均勻使用。

舉個例子，假設一塊600GB的SSD，其快閃記憶體介質寫次數為1萬次，那麼該SSD可以寫入的數據總量達到6PB (600GB*10000)。

而業界對大量企業級硬碟的研究數據顯示，應用在企業級環境中的硬碟，整個生命周期的寫入數據總量是有限的。假設以單盤寫入小於200TB為例，這意味著這塊600GB的SSD磁碟，可以使用近十年以上。

所以，即便SSD所採用的快閃記憶體介質只能寫入幾千次或者幾萬次，但是將快閃記憶體做成SSD之後，完全滿足企業級應用的需求。

SSD壽命由哪些因素所決定？

SSD的壽命一般是指其所使用的快閃記憶體顆粒可以承受的磨損壽命。SSD內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，大多數廠商採用如下方法。

1、提供冗餘(Over Provisioning)。舉個例子，一塊100GB容量的SSD，其內部的快閃記憶體顆粒的物理容量是大於100GB，企業級SSD一般可以達到128G或者更多，超出的那部分就被稱為冗餘。

2、採用較好的部件。如更好的顆粒、更好的控制晶元等。舉例，SLC快閃記憶體顆粒的最大擦寫次數優於MLC，而MLC又優於TLC。

SSD的壽命與所採用的快閃記憶體冗餘度、顆粒類型和器件也有很大關係，所採用快閃記憶體的冗餘越大，壽命越長。採用快閃記憶體的顆粒類型越好，壽命越長。採用控制晶元糾錯能力越強，壽命越長。

SSD壽命並非單純取決於快閃記憶體的類型，而是多個因素綜合作用的結果。通過充裕的容量冗餘、強力的LDPC糾錯演算法，可以滿足各種企業級應用需求。

導致SSD發生故障的原因一般有哪些？

導致SSD的故障原因主包括快閃記憶體介質故障、硬體故障、軟體故障等。相比HDD，SSD沒有機械部件，因此對運行環境各方面的要求更低，滿足HDD正常運行的環境完全可以滿足SSD正常運行，並且在如在地鐵、艦船等振動環境下，SSD更能發揮其穩定可靠地優勢，保持業務穩定運行。

SSD故障後數據是否可以恢復？

SSD和HDD雖然技術原理有所不同，但是在多數故障場景下，可以通過排除故障點，對故障SSD的數據進行部分或全部恢復。這一點上SSD與HDD相類似。

1、當快閃記憶體介質失效時，如果SSD內部出現了部分快閃記憶體介質失效，進而導致SSD故障，那麼此時與HDD內部磁碟發生了物理傷害的情況是類似的，可以對故障部分進行隔離，進而恢復其他數據。

2、當其他硬體失效時，如果SSD出現了除快閃記憶體介質之外的其他硬體器件失效，進而導致SSD故障，那麼可以通過替換失效的硬體器件，對數據進行部分或全部恢復。

3、當SSD發生軟體故障時，軟體故障可以通過升級軟體來恢復部分或全部數據。

4、針對數據安全擦除，實際上不屬於SSD故障。在對SSD執行了全盤安全擦除後，數據無法恢復，SSD的數據安全擦出不必像HDD一樣必須物理銷毀。

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