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技術簡報

R.A.I.S.E. 是什麼?

圖 1. SF-2500 快閃儲存處理器區塊圖 [1]

獨立晶片冗餘陣列 (R.A.I.S.E.™) 是一項加強技術,增強 LSI® SandForce® DuraClass 技術元件的快閃儲存處理器 (FSP) 錯誤校正碼 (ECC) 功能。

NAND 快閃記憶體在使用期間會發生一些位元錯誤 (BE)。 在 NAND 快閃記憶體壽命開始 (BOL) 和壽命結束 (EOL) 的過程中,這些位元錯誤接著會由嵌入式錯誤校正碼 (ECC) 元件偵測並修正。

圖 2. NAND BER 指數增長範例

位元錯誤率 (BER) 是 NAND 快閃記憶體製造商在生產時所賦予的特性,而且高度仰賴已生產 NAND 的製程與類型。

BER 與 NAND 上餘留的抹寫次數成反比,因此愈頻繁地寫入或抹除 NAND 快閃記憶體裝置,位元錯誤率將會成比例地增加,以至 NAND 壽命結束。

如圖 2 所示,隨著在使用壽命開始到結束的期間持續地寫入或抹除 NAND 快閃記憶體,未修正的原始位元錯誤率 (RBER) 頻率會成指數比例來增加,而當製造商所賦予的抹寫次數耐用性終止之後,最終將呈現無法使用的狀態。

一個資料很少會發生位元錯誤,不過一旦發生的話,錯誤校正碼元件堪稱是第一道防線。

錯誤校正碼的複雜性可依多種因素而異,包括位元長度恢復能力 (例如每 512 個位元組 1 個位元、2 個位元 ... 55 個位元)、使用的代碼 (例如 BCH、Reed Solomon),以及協助修正快閃記憶體錯誤與將有效資料傳回主機電腦的能力。

為了描繪出錯誤校正碼元件強度的特性,「無法修正的位元錯誤比例」(UBER) 一詞是用來描述即便使用錯誤校正碼後仍發生單件無法修正的位元錯誤的比例。

圖 3. LSI SandForce 快閃儲存處理器相較於標準固態硬碟控制器 UEBER [2]

在圖 3 標示,標準固態硬碟控制器 (快閃儲存處理器) 一般每處理 1 千萬億位元 (約 0.11 PB) 就會發生一個無法修正的位元錯誤,比起 SandForce 固態硬碟處理器 (快閃儲存處理器),這令使用者的資料更有可能極早發生無法修正的位元錯誤和潛伏的錯誤。 [2] [3]

一旦位元錯誤率將快閃儲存處理器的錯誤校正碼功能耗盡 (尤其是在 NAND 快閃記憶體壽命結束的時候),發生無法修正錯誤的機率就會提高,資料也可能很快就會損毀。

在這種情況下,第二道防線就是使用固態硬碟儲存容量中保留的少量 NAND 快閃記憶體,來執行獨立晶片冗餘陣列 (R.A.I.S.E.) 防護。

圖 4. 從冗餘資訊將單一不良頁重新建置到全新已知的良好區塊中 [2] [4]

R.A.I.S.E. 的建構原理是將頁或區塊層級的資料,從固態硬碟 NAND 快閃記憶體裝置許多頁中儲存的冗餘資訊,明確重新建至已知的良好 NAND 快閃記憶體區塊中 (如圖 4 所示)。

這項技術能在單一固態硬碟裝置上提供 RAID 5 (獨立磁碟冗餘陣列) 的保護與可靠性,而不倍增同位的額外寫入負荷,並能讓無法修正的位元錯誤比例 (UBER),比缺乏 R.A.I.S.E. 技術的標準固態硬碟快閃儲存處理器少將近 1 千萬億倍,也就是每處理 10 萬億億億位元 (10^-29) 或大約 111022302462515.66 PB 的資料,才出現一個位元錯誤。

可在 50–100 毫秒內進行頁與區塊層級的復原 (每等量 1 個位元),而且不會產生使用者足以察覺的影響,能確保無縫的錯誤復原流程和資料的完整性。

隨著每個新一代的光刻技術持續縮小,在管理面積更小的 NAND 快閃記憶體上的複雜度將會提高,而且寫入/抹除耐用性也會降低。 • 因此,「R.A.I.S.E. 防護」已成為 NAND 快閃記憶體製造商建議採行的解決方案,藉以管理和增進 NAND 快閃記憶體的可靠性。

圖 5. 採用 ECC、R.A.I.S.E. 與 CRC-32 所形成的 NAND 資料保護層

當因錯誤校正碼元件未偵測到無法修正的位元錯誤,而可能發生潛伏的錯誤時,可能會將無效的資料傳回主機電腦並產生損及使用者資料完整性之風險。

由於快閃儲存處理器錯誤校正碼元件未偵測到任何錯誤,因此 R.A.I.S.E. 無法提供協助,而會利用點對點 32 位元循環冗餘核對技術來捕捉使用中的資料,以免因為將無效資料當成有效資料傳回主機,而損及資料的完整性。

在股票買賣等重要任務型應用中,倘若未立即捕捉到錯誤,而將一個損毀的資料當成有效資料導入主機電腦中,此等風險足以破壞整個經濟體。

結論

從使用壽命開始一直到結束,NAND 快閃記憶體的管理複雜度會成指數比例來增加。

必須使用 LSI SandForce R.A.I.S.E. 等創新解決方案來管理逐漸升高的位元錯誤比例 (BER),以確保針對 NAND 快閃記憶體裝置有限的抹寫耐用性,提供超出錯誤校正碼功能的資料保護性。

如果利用任何能力低於 R.A.I.S.E. 的技術,來補足已經很複雜的錯誤校正系統 (ECC) 與 LSI SandForce DuraClass 快閃記憶體管理技術,不僅可能會危及使用者資料的完整性,還可能危及整個用戶端、企業及工業應用等級的固態硬碟,在其使用壽命期間的完整性。

參考內容:
  1. SandForce SF-2600 與 SF-2500 企業級快閃儲存處理器, LSI 公司 (http://www.lsi.com/downloads/Public/Flash-Storage-Processors/LSI_PB_SF-2500_EnterpriseFSP.pdf)

  2. RAISE™ - 獨立晶片冗餘陣列, LSI 公司 (http://www.lsi.com/technology/duraclass/Pages/RAISE.aspx)

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

  4. SF-2000 系列 SSD 處理器全新企業與工業級產品,LSI 公司,2010 年 10 月 (http://www.lsi.com/)

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