摘 要  

存儲在NAND閃存上的數(shù)據(jù)將緩慢退化。這是由于隨著時間的推移，每個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，因為這兩個因素都會導(dǎo)致電荷泄漏率更高。較高的溫度會增加電池中帶電粒子的運動/振動，而P/E循環(huán)會損壞電池的結(jié)構(gòu)完整性。數(shù)據(jù)退化因子（df），其中df=1是標準溫度下的數(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)從一個模塊交換到另一個模塊來完成的，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)計用于惡劣環(huán)境的設(shè)備尤其如此，因為SSD通常比傳統(tǒng)存儲介質(zhì)更堅固。然而，極端溫度仍然會對固態(tài)硬盤產(chǎn)生負面影響。

數(shù)據(jù)保留描述NAND閃存保留隨時間存儲的數(shù)據(jù)的能力。它是一個時鐘，在數(shù)據(jù)寫入NAND閃存單元后開始計時，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），倒計時就會繼續(xù)。常規(guī)的溫度范圍下，保留時間通常足夠長，不會對數(shù)據(jù)完整性造成風(fēng)險。但是，隨著溫度的升高，情況會發(fā)生變化。

NAND閃存的數(shù)據(jù)保留問題主要有三個原因。首先，由于閃光燈電池的結(jié)構(gòu)，較高的溫度會導(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)制造商試圖在每個模具中容納盡可能多的單元時，閃存單元大小會縮小，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)境中都是一個挑戰(zhàn)，如車輛、自動化、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隔離層之間的浮柵中加入電荷。這個電荷代表一個二進制值。例如，多層電池（MLC）所持電荷可以表示四個二進制數(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閃存單元被一個清空浮柵的電荷擊中。這一過程也會輕微磨損電池，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閃存在標準溫度（t<40°C）下大部分不受影響。但一旦我們達到更高的溫度，數(shù)據(jù)保留率就會急劇下降。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/振動更快，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）達到168。換句話說，數(shù)據(jù)退化的速度比標準溫度快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，只會在數(shù)據(jù)丟失前持續(xù)2天左右。

圖表1：溫度升高時降解因子的變化

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)的費用要大幾倍。如此大的電荷，細胞本身的物理結(jié)構(gòu)會隨著每次缺失而惡化。

這意味著以前在繁重工作負載環(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，因為所述數(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行越來越復(fù)雜的錯誤管理。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，必須了解這一事實。

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)控數(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，同時將固件進程保持在最低水平。換句話說，數(shù)據(jù)是安全的，同時對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)險的塊將數(shù)據(jù)移動到新塊。這將重置數(shù)據(jù)保持計時器，使數(shù)據(jù)保持安全，直到SSD決定啟動下一個周期。

圖3和圖4：在66和168的df下使用ssd進行雙重測試運行。橫軸表示試運行時間，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)保留時間延長幾十年。例如，即使在80°-85°C的范圍內(nèi)（df=168），SSD也會保持數(shù)據(jù)刷新超過80年。

  結(jié)  論  

在標準條件下，數(shù)據(jù)保留不是一個問題。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)損壞和丟失時避免操作員遭受代價高昂的損失。

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數(shù)據(jù)保留。使用此固件功能，與標準NAND閃存規(guī)格相比，SSD保留時間顯著延長。

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