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如何应对固态硬盘的突然死机

来源:本站整理 作者:佚名 时间:2019-03-17 TAG: 我要投稿

在前一篇文章《开启Trim功能后,如何使用工厂访问模式对固态硬盘驱动器进行映像》一文中,我们提到了固态硬盘驱动器的可靠性一面。不过凡事都有两面性,你可能知道,固态硬盘用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同,在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视?#23548;?#25511;、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等诸多领域。NAND闪存可以支持有限数量的写入操作。当今的消费类固态硬盘驱动器的制造商通常会在保修期结束前保证大约150到1200个写入周期。根据这些事实,我们可以得出这样的结论:NAND闪存单元可以支持多达1200个写入周期,而固态硬盘驱动器?#23548;?#19978;可以在不考虑其他条件的情况下支持超过1000次完整的重写。然而,这么说也并不完全正确。因为特定的使用条件和载荷类?#31361;?#20351;固态硬盘驱动器的磨损速度明显快于厂家声明的耐久性。在这篇文章中,我们将向你?#24471;?#20026;什么一个允许良好和各方面都正常的固态硬盘驱动器会在存储空间剩余98%-99%的情况下突然死机。不过即使固态硬盘驱动器已损坏或未出现在系统中,我们?#19981;?#25552;供一些可以恢复数据的工具和方法的建议。
NAND Flash Endurance (闪存耐久性)的期望与现实的差距
一些主要的固态硬盘制造商,如critical和三星,为他们的最新型?#30424;?#20379;了5年的有限保修,且这些制造商指定了在保修期内可以写入固态硬盘驱动器的最大数据量。
NAND Flash写入前必须擦除, Block擦除1次后再写入1次称为1次PE Cycle,Endurance (耐久性)用于衡量NAND Flash的?#21015;?#23551;命的可靠性指标;Endurance指的是在一定的测试条件下NAND Flash能够反复?#21015;?#25968;据的能力,即对应NAND Flash的PE Cycle。
例如,以下就是Crucial和三星对他们最新型号的固态硬盘系列的保修承诺。

目前已经有独立?#33455;?#20154;员证实了制造商所声称的耐久性评级,如果你?#34892;?#36259;,可以阅读这份TechReport的技术测试报告,虽然此测试的时间已经很久远了,但其中的发现与最近3DNews.ru正在进行的测?#20801;?#19968;致的。TechReport的Geoff Gasior总结说:
这意味着你买的产品,如果实现制造商保证的写入操作规格,并不值得炫耀。
3DNews对多个固态硬盘型号进行的长期测试也表明,即使是中等水平的固态硬盘驱动器,在闪存开始出现?#23548;都?#35937;之前,也可以重写数千次。但是,这并不能解释为什么?#34892;?#29992;户的固态硬盘驱动器在保修期内,仅在固态硬盘重写了20到30次(这意味着还剩余98%-99%的额定寿命)后,就无法正常运行。
之所以会出?#32456;?#26679;的疑问,是因为如今的TLC闪存不可能在明显?#23548;?#30340;情况下,还会支持数千个写入周期。?#23548;?#19978;,典型的存储单元可以在开始电荷泄漏(charge leakage)之前,始终支持20到50个写入或擦除周期。低质量的NAND闪存可能不太稳健,而SLC缓存可以改善写入周期数,但它们的最终结果是相同的:NAND存储单元会在保留电子方面变得不太可靠。
那么,这些数字与制造商宣称的1000多个写入周期的耐久性有什么关?#30340;?这些固态硬盘驱动器到底有多可靠呢?让我们试着?#39029;?#31572;案。
说到磨损,每次写入操作都会对NAND单元造成轻微的损坏。与在MLC或TLC模式下写入多位数据相比,在SLC模式下写入一位数据需要的电压更低。因此,与没有SLC缓存的低成本固态硬盘驱动器相比,配备SLC缓存的基于MLC或TLC的固态硬盘驱动器可以承受更高的负载(尤其是随机写入)。在一些涉及频繁写入小块数据的情况下,使用SLC缓存与不使用SLC缓存的固态硬盘驱动器相比,提高固态硬盘的耐久性可以多达100倍。

经过一定数量的重写或擦拭周期之后,NAND存储单元不再能够进行大规模存储并开始泄漏电子。不过此时,人们仍然可以在磨损的存储单元?#34892;?#20837;数据,一旦数据被写入后,就可以立即被成功读取。然而,由于存储单元此时已开始泄漏电子,所?#38405;?#20123;成功?#27426;?#21462;的数据仅仅能保留很短一?#38382;?#38388;。
让我们做一个假想的测试,将“1 0 0”写入TLC单元。写入完成后,假如我们可以立即读取该存储单元,那电荷数量仍然是“1 0 0”。接着,我们关闭固态硬盘驱动器,让它静置两天,然后再打开电源并读取该单元,此时电荷仍为“1 0 0”。现在让我们再次关闭电源,这次静置时间是两周。在两周后读取电荷后,电荷则在处于“0 1 0”水平。再过两周,电荷是“0 0 1”,接着再过两周,电荷数量则彻底变为 “0 0 0”。
NAND存储单元所使用的电池在一定的重写周期后所保持电荷的时间,是计算耐久性等级的主要标准。目前大多数NAND闪存制造商规定,电池必须在高温下(例如在数据?#34892;?#29615;境中) 至少保持两周的满电荷状态。如果是非高温状态,比如家里的常温下,则要求的时间更长。在规定的满电荷状态内,是允许某些存储单元泄漏电荷的,但这种位错误必须通过ECC纠正。
在现实使用场景中,两周是个可怕的挑战,?#34892;?#35465;的制造商使用的NAND芯片一般大大超过了这个最低标准。
Data Retention(数据保存力)是用于衡量写入NAND Flash的数据能够不失真保时间的可靠性指标,一般定义为在一定的温度条件下,数据在使用ECC?#26469;?#20043;后不失真保存在NAND Flash中的时间;影响数据保存力最大的两个因素是?#21015;創问?#21644;存储温度。通常情况下企?#23548;禨SD盘的Data Retention都是遵循JEDEC的JESD218标?#36857;?#21363;40℃室温下,100%的PE Cycle之后,在断电的情况数据保存力时间要求达到3个月。

以上的图片来自全球顶级评测网站AnandTech关于固态硬盘数据保存状态的测试,如果NAND闪存芯片没有通过固态硬盘 oem的严格要求,会发生什么情况?对低成本的低标准NAND芯片的需求从未缺少过。 诸如Kingspec,Smartbuy或Silicon Power等三线制造商会批量购买这?#33267;?#20215;芯片,生产可靠性各不相同的低成本固态硬盘驱动器。或者,制造商仍然可以通过增加存储块的数量,以在他们的固态硬盘中使用非标准的NAND芯片,此时,他们所宣称的固态硬盘的单元容量就?#31995;停?#20363;如会主动?#24471;?#26159;480 GB而不是500 GB。另一种选择(主要由critical /Micron采用)是在MLC模式下使用低于标准的TLC芯片,这大大提高了可靠性。将最后两种方法结合的一个很好的例子是Crucial BX300,这是一个3D MLC驱动器,号称具有480 GB的存储容量。

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