SSD數(shù)據(jù)恢復前沿：Flash磨損均衡技術解析

　　近年來，固態(tài)存儲技術得到了長足的發(fā)展，隨著大容量Flash芯片的成本不斷降低，越來越多的電腦用上了固態(tài)硬盤。目前，固態(tài)盤在計算機中主要用來安裝操作系統(tǒng)，以提高電腦的開關機速度和運行速度。從大的趨勢看，固態(tài)盤和機械硬盤會長期并存，并會逐步蠶食機械硬盤的市場。因此，達思科技作為數(shù)據(jù)恢復行業(yè)的領先品牌，經(jīng)常要與硬盤打交道的數(shù)據(jù)恢復公司，必須要高度關注固態(tài)硬盤的技術發(fā)展，跟蹤技術前沿。

　　固態(tài)盤、U盤、存儲卡等都使用Flash存儲芯片，而Flash本身由若干個塊-Block組成，每個塊又分為若干個物理頁-Page。塊是擦除操作的最小單位 ,而讀和寫都是以頁為單位。下圖為Flash的存儲結構。

　　圖1 Flash存儲結構示意圖

　　Flash采取異地更新的策略 ,更新的數(shù)據(jù)會被放到別的物理頁上,而不是覆蓋原來的數(shù)據(jù)。包含新版本數(shù)據(jù)的頁被稱為有效頁,新版本數(shù)據(jù)被稱為有效數(shù)據(jù)。包含舊版本數(shù)據(jù)的頁被稱為無效頁，或稱為臟頁，臟頁經(jīng)過擦除操作后成為空閑頁，才可以重新寫入數(shù)據(jù)。因為Flash是以塊為單位執(zhí)行擦除的，因此需要將臟頁所在塊上的所有物理頁都擦除，在擦除之前需要檢查此塊上是否存在有效頁，如果存在就必須先轉移到其他塊上。因為每個Flash塊的擦除次數(shù)有限，一般是在 10 萬次到100 萬次之間，只要有塊的擦除次數(shù)達到了上限，F(xiàn)lash數(shù)據(jù)存儲的性能將下降。所以必須想辦法，使擦除操作平均作用在每個Flash塊上，這種方法就是磨損均衡(wear-leveling)算法。

　　我們在應用Flash時，實際上訪問的是Flash的邏輯地址，在邏輯地址和物理地址之間，存在著映射關系，如下圖所示。

　　圖2 Flash存儲映射表

　　數(shù)據(jù)更新后只需改變映射表中物理頁的地址，并將原版本數(shù)據(jù)所在的物理頁標為無效。對于經(jīng)常被更新的數(shù)據(jù)塊，我們稱之為“熱”數(shù)據(jù)塊，對長期得不到更新的數(shù)據(jù)塊，稱之為“冷”數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊經(jīng)常更新的話，就會經(jīng)常被擦除，而長期不更行的數(shù)據(jù)塊，不會出現(xiàn)臟頁而被擦除，其擦除次數(shù)會明顯少于存放著經(jīng)常被更新數(shù)據(jù)的塊。如何實現(xiàn)“冷熱”數(shù)據(jù)存放位置的交換是磨損均衡處理中需要考慮的問題。

　　目前常用的磨損均衡算法大致分為兩類，一類是隨機性算法，一類是確定性算法。對于隨機性算法，其原理為：在每次寫或擦除操作后，按照某一概率來觸發(fā)磨損均衡處理。按照均勻分布的概率，隨機選擇某個塊執(zhí)行擦除操作。不論塊上放的是“冷”數(shù)據(jù)還是“熱”數(shù)據(jù),讓每個塊得到相等的擦除機會。最后將選中塊上的有效數(shù)據(jù)復制到空塊后擦除此塊。將數(shù)據(jù)移動到哪個空閑塊上,也是隨機選擇,因為沒有記錄塊的擦除情況,存在將“冷”數(shù)據(jù)又移動到一個“冷”塊上的情況, 結果此塊并沒有增加擦除次數(shù) , 這種情況尤其會發(fā)生在有大量“冷”數(shù)據(jù)的系統(tǒng)里。

　　對于確定性算法，又分為周期性和全局性兩種，其中周期性算法的原理為：將Flash的壽命看做是一個接一個的磨損均衡周期組成的。在一個處理周期中，達到規(guī)定的擦除次數(shù)的塊在這一輪周期中將不會被選中，這樣可使各個塊都達到相同的擦除次數(shù)，再開始下一個擦除周期。通過調整Flash塊的規(guī)定擦除次數(shù)，可以使整個Flash能夠達到理想的磨損均衡。全局性算法的原理為：不劃分處理周期，在一個全局范圍內控制塊的磨損均衡。當任何兩個塊的擦除次數(shù)之差超過一個給定的閾值時，或者當某塊的擦除次數(shù)超過了所有塊的平均擦除次數(shù)時，啟動磨損均衡處理，將擦除次數(shù)少的塊上的數(shù)據(jù)和擦除次數(shù)多的塊上的數(shù)據(jù)進行交換。如果塊上存放的是“冷”數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)很少被更新，則該塊上的數(shù)據(jù)不易變臟，很少得到擦除的機會。相反，如果該塊上存放的是“熱”數(shù)據(jù)，則該塊上的數(shù)據(jù)經(jīng)常被更新，經(jīng)常得到擦除臟數(shù)據(jù)的機會。根據(jù)這個原理來交換“冷熱”數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)磨損均衡。

　　對比兩類磨損均衡算法，可以看出：隨機性算法的效果受隨機因素影響較大，在擦除前，并不知道各個塊被擦除的情況，同時對邏輯頁的隨機性請求并不能做到完全等概率，所以雖然隨機性算法是等概率地選擇處理頁，但每個塊的擦除次數(shù)并不能達到等概率分布，不能達到很好的磨損均衡效果。確定性算法因記錄了物理塊的擦除次數(shù)，故在處理中可根據(jù)這些信息來作出調整決策，各塊基本達到了相近的擦除次數(shù)，磨損均衡的效果明顯好于隨機性算法。但這是在消耗大量內存開銷的基礎上實現(xiàn)的。

　　根據(jù)以上討論的情況，可以看出，必須結合兩類算法的優(yōu)勢，來實現(xiàn)效果較好的磨損均衡處理，才能既保證Flash的讀寫速度，又能保證Flash的使用壽命，這將是決定固態(tài)存儲能否全面戰(zhàn)勝機械硬盤的關鍵之戰(zhàn)。

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