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技术摘要

什么是 R.A.I.S.E.?

图 1. SF-2500 闪存处理器框图 [1]

独立硅片冗余阵列 (R.A.I.S.E.™) 是 LSI® SandForce® DuraClass™技术组件中闪存处理器 (FSP) 错误校正码 (ECC) 功能的一项互补技术。

NAND 闪存在使用期间会出现多种自然发生的位错误 (BE)。 在 NAND 闪存的使用寿命开始 (BOL) 和使用寿命结束 (EOL) 期间,这些位错误随后会被嵌入式错误校正码 (ECC) 组件检测到并修复。

图 2. NAND BER 指数增长的示例

位错误率 (BER) NAND 由闪存制造商在制造期间确定,很大程度上取决于制造工艺和制造的 NAND 类型。

BER 与 NAND 剩余的程序和擦除周期成反比;因此,随着越来越频繁地写入或擦除 NAND 闪存设备,位错误率将会成比例增加,直至 NAND 使用寿命结束。

如图 2 所示,从使用寿命开始到结束期间,未修复的底层位错误率 (RBER) 频率会随着 NAND 闪存的编写(写入)而呈指数级的增长,而当制造商所赋予的 P/E 周期耐久性终止之后,最终将进入无法使用的状态。

数据上出现位错误时(当然是小概率事件),那么第一条防御线便是 ECC 组件。

ECC 的复杂性具体取决于位长度的可恢复性(如,每 512 字节 1 位、2 位... 55 位)、使用的代码(如 BCH、里所码),并有助于修复闪存错误,将有效数据恢复到主机。

为了描述 ECC 组件的强度特性,我们使用无法修复的位错误率 (UBER) 一词来说明应用 ECC 之后无法修复的单个位错误发生的频率。

图 3. LSI SandForce FSP 对比标准固态硬盘控制器 UEBER [2]

在图 3 中,一般来说,标准固态硬盘控制器(闪存处理器)上无法修复的位错误率为每处理 1 千万亿位 (约 0.11 PB) 存在 1 个位错误,相比 SandForce 固态硬盘处理器 (FSP),会过早地将用户数据暴露在更高的无法修复的位错误和静默错误风险中。 [2] [3]

BER 耗尽闪存处理器上的 ECC 容量之后,尤其是在 NAND 闪存使用寿命结束时,无法修复的错误几率将增加,可能很快就会出现数据损坏。

在这种情况下,第二条防御线是固态硬盘存储容量中保留的少量的 NAND 闪存,用于实施独立硅片冗余阵列 (R.A.I.S.E.) 保护。

图 4. 单个坏页通过冗余信息重建到新的已知正常块 [2] [4]

R.A.I.S.E. 由保存在固态硬盘 NAND 闪存设备的多个页中的冗余信息构成,可以明确地将页或块级数据重建到已知的正常 NAND 闪存块中,如图 4 所示。

该技术在单个固态硬盘上提供了 RAID 5(独立磁盘冗余阵列)的保护和稳定性,无需倍增奇偶校验的写入量,并且无法修复的位错误率 (UBER) 比不使用 R.A.I.S.E.™ 技术的标准固态硬盘闪存处理器少近 1 千万亿次,或者说是每处理 10 万亿亿亿位 (10^-29) 或大约 111022302462515.66 PB 数据才出现 1 个位错误。

页和块级恢复(每条带一位)可以在 50–100ms 内进行,并且没有用户可感知的影响,可以实现无缝的错误恢复过程和有保证的数据完整性。

随着每一代新光刻技术的工艺不断改进,管理面积更小的 NAND 闪存的复杂性也随之增加,同时程序/擦除耐久性降低。 因此,R.A.I.S.E. 保护便成为了 NAND 闪存制造商管理和增强 NAND 闪存稳定性的推荐解决方案。

图 5. 使用 ECC、R.A.I.S.E. 和 CRC-32 的 NAND 数据保护层

如果由于 ECC 组件未检测无法修复的位错误而导致静默错误,那么无效的数据可能会传回主机,并对用户数据完整性造成风险。

由于 FSP ECC 组件没有检测到错误,所以 R.A.I.S.E. 无法发挥作用,并因此使用端到端的 32 位 CRC 检查,以免因将无效数据作为有效数据传回到主机而导致数据完整性受损。

在股票交易等关键任务应用中,即使将一位损坏的数据作为主机的有效数据使用,如果无法立即发现这一错误,也会导致整个经济结构被摧毁。

结论

NAND 闪存管理复杂性随着使用程度而呈指数增加的趋势。

管理不断增加的位错误率 (BER) 需要 LSI SandForce R.A.I.S.E. 等创新的解决方案,以确保在 NAND 闪存设备有限的程序和擦除耐久性条件下,提供 ECC 以外的数据保护。

在固态硬盘使用寿命期间,使用任何不及 R.A.I.S.E. 的技术来配合复杂的错误校正系统 (ECC) 和 LSI SandForce DuraClass 闪存管理技术,不仅会对用户数据的完整性造成影响,还会影响客户、企业和工业应用中的整个固态硬盘。

参考:
  1. SandForce SF-2600 和 SF-2500 企业级闪存处理器,LSI 公司 (http://www.lsi.com/downloads/Public/Flash-Storage-Processors/LSI_PB_SF-2500_EnterpriseFSP.pdf)

  2. RAISE™ - - 独立硅片冗余阵列,LSI 公司 (http://www.lsi.com/technology/duraclass/Pages/RAISE.aspx)

  3. LSI DuraClass™ 技术,LSI 公司 (http://www.lsi.com/technology/duraclass/Pages/default.aspx)

  4. SF-2000 系列固态硬盘处理器全新企业和工业级产品,LSI 公司,2010 年 10 月 (http://www.lsi.com/)

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