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斷電和數據完整性

作者肖恩·楊 | 2022 年 12 月 12 日 | 全部, 技術

固態硬盤 (SSD) 是一種非易失性存儲器 (NVM)，將數據存儲在其嵌入式 NAND 閃存芯片中。 NAND閃存的物理特性意味著SSD的訪問延遲比傳統硬盤驅動器(HDD)要短得多。這意味著即使斷電或關閉，存儲的數據也不會丟失。

使用緩存來提高感知性能

NAND閃存行業多年來發展迅速。 SSD 是全球最受歡迎的存儲類型之一，因為其價格在速度、容量和價格方面比 HDD 更具競爭力。更先進的多級單元（MLC）NAND閃存架構已經被提出，例如2位MLC / 3位TLC / 4位QLC閃存。但這些全新的技術雖然降低了成本，但也帶來了一些代價。

例如，訪問 MLC Flash 的延遲比單級單元 (SLC) Flash 慢得多。然而，用戶總是在尋求更好的用戶體驗，SSD製造商嘗試不同的方法來增強其產品的性能。
“緩存”的概念通常在 SSD 內部實現，以改善用戶體驗。畢竟，用戶最關心的是主機（例如個人電腦）和存儲設備（例如SSD）之間的傳輸速率，而不是數據被物理編程到閃存中所需的時間,

常見的策略是，當數據首次從主機傳輸時，將接收到的數據放入存儲器中，該存儲器比主存儲區域（即 NAND 閃存）更快地編程數據。即使數據尚未被編程到主存儲器中，數據處理時間也顯著縮短。

隨機存取存儲器 (RAM) 是當今最快的存儲介質之一，因此 RAM 經常用於與中央處理單元 (CPU) 交換數據。 RAM 在緩存實現中也非常流行，無論是靜態隨機存取存儲器 (SRAM) 還是動態隨機存取存儲器 (DRAM)。在追求更好的用戶體驗的同時，緩存技術也在目前的SSD產品中得到廣泛應用。通過適當的設計和實現，消費者可以體驗到RAM帶來的訪問速度的優勢。

RAM Cache中數據丟失的問題

儘管RAM可以在SSD設計中用作緩存，但仍然有一個固有的問題需要克服。雖然使用 RAM 為用戶提供了有吸引力的數據訪問速度，但由於 RAM 的物理特性，波動性是一種權衡；一旦斷電，RAM 中存儲的所有數據都會丟失。如果能夠降低甚至消除由於RAM的波動性而導致RAM中的數據丟失的風險，那麼將會增強SSD的數據完整性能力。但在SSD設計中採用RAM確實給用戶體驗帶來了顯著的優勢。

有一些可能的方法可以解決緩存數據完整性問題。一種方法是僅將可恢復的數據放入 RAM 緩存中。使用 DRAM 在 SSD 中進行緩存旨在緩存可從閃存中存儲的源數據恢復的“熱”數據。這樣，即使緩存的數據因突然斷電而損壞，SSD控制器仍然可以根據閃存中現有的數據重建數據。

不幸的是，這種方法並不能涵蓋所有場景。用戶從主機端編程到SSD RAM緩存中的數據可以被視為“不可恢復”數據。一旦發生斷電，這些數據就會丟失。為了降低丟失緩存數據的風險，群聯開發了一項名為 SmartFlush™ 的專有技術。

群聯科技：SmartFlush™

群聯專有技術SmartFlush™，基於一個基本原則：在適當的時間將緩存數據從 RAM 刷新到閃存。這個策略很簡單。 SmartFlush™ 在意外斷電之前將緩存數據從 RAM（易失性）移動到閃存（非易失性）存儲器。

這種方法的關鍵部分是何時將數據從 RAM 刷新到閃存。如果數據刷新發生得太頻繁，即使主機停止向設備發送命令，SSD 也可能保持忙碌狀態。因此，SSD 無法進入睡眠模式，這意味著功耗可能會高於預期。另外，頻繁觸發數據刷新會影響SSD操作的流暢性。另一方面，如果這種刷新機制觸發得不夠頻繁，緩存數據丟失的可能性就會變得更高。將數據從RAM刷新到閃存的頻率與SSD操作的流暢性之間的平衡是關鍵。
數據刷新的計時有兩種方法：

- - 時間1： 當 RAM 緩存中的數據大小大於閃存中的頁面時。這是一個非常基本的方法。由於 SSD 市場中常用的閃存類型現在是基於頁面的可編程，因此在緩存數據的大小超過閃存中單個頁面的容量之前，它們不會將緩存數據刷新到閃存，這是有道理的。
  - 時間2： 主機停止向設備發送命令。 SmartFlush™ 的主要目的是防止緩存數據丟失。從用戶的角度來看，此操作應在後台執行，並且不應對一般用戶體驗造成任何重大影響。因此，主機停止向設備發送請求的時刻可以被視為適當的時機。

在製定SSD整體規格時應考慮啟動數據刷新的頻率。該技術的實際實現會因SSD產品的硬件設計和固件設計而異。如何在現實世界中針對不同的用戶場景實現數據刷新時機的完美平衡是非常複雜的，而Phison就擅長這方面的調優。

群聯的 SmartFlush™ 提高感知性能，同時確保數據完整性

本文僅介紹 SmartFlush™ 的基本概念，而不是詳細介紹所有細節。在實際情況中，SmartFlush™ 的實現方法比此處列出的更複雜，並且這些方法在各種基於 Phison 閃存的產品和不同的用戶場景之間可能有所不同。但無論實現方法如何不同，SmartFlush™機制帶來的好處都是相同的。借助群聯提供的這一智能功能，用戶對數據完整性的信心可以提升到一個新的水平。