基于NAND Flash 固態(tài)硬盤的壞塊管理方法

李中，周加誼，曹睿

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

在大數(shù)據(jù)時(shí)代的今天，數(shù)據(jù)傳輸量越來(lái)越大，數(shù)據(jù)傳輸速度要求越來(lái)越高，機(jī)械硬盤的傳輸速度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀，固態(tài)硬盤迎來(lái)了發(fā)展機(jī)會(huì)，使用場(chǎng)景越來(lái)越多。固態(tài)硬盤存儲(chǔ)介質(zhì)NAND Flash 與傳統(tǒng)磁性存儲(chǔ)介質(zhì)相比，具有低功耗、抗震動(dòng)、無(wú)噪聲的特點(diǎn)。但是NAND Flash 存在擦除壽命限制，當(dāng)擦除次數(shù)超過(guò)閾值時(shí)，NAND Flash 變得不可靠；MLC NAND Flash 的Block 最大擦除次數(shù)僅3 000 次，TLCNAND Flash Block 擦除壽命只有1 000 次；同時(shí)由于制造工藝和使用環(huán)境等因素，NAND Flash 出廠時(shí)就存在壞塊，隨著使用過(guò)程中擦除Block 次數(shù)的增加，產(chǎn)生了新的壞塊，導(dǎo)致壞塊不斷增加。這些壞塊不能可靠存放數(shù)據(jù)，因此在使用時(shí)需要先對(duì)壞塊進(jìn)行管理。

1 固態(tài)硬盤結(jié)構(gòu)

從固態(tài)硬盤結(jié)構(gòu)圖可知，固態(tài)硬盤（solid state disk）[1]由控制單元(主控芯片)和存儲(chǔ)單元（NAND Flash）組成，主控芯片和NAND Flash 之間一般采用多通道（channel）連接，數(shù)據(jù)最終存放在NAND Flash顆粒中。固態(tài)硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在NAND Flash 顆粒上體現(xiàn)為電荷的存儲(chǔ)。固態(tài)硬盤對(duì)數(shù)據(jù)的讀、寫、擦操作，其最終在NAND Flash 顆粒上表現(xiàn)為顆粒單元的充電放電；而顆粒單元不斷的充電放電會(huì)導(dǎo)致顆粒單元絕緣層被擊穿，不能可靠存儲(chǔ)電荷，從而出現(xiàn)壞塊。壞塊不能可靠地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行管理。為避免數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在壞塊中，該文提出NAND Flash 壞塊管理算法，通過(guò)在固態(tài)硬盤主控芯片內(nèi)部RAM 中分配空間，采用1 位信息與一個(gè)Block 對(duì)應(yīng)（“0”表示好塊，“1”表示壞塊），建立壞塊表標(biāo)記所有Block 狀態(tài)的方法，對(duì)固態(tài)硬盤的高速傳輸、多通道傳輸進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，可以避免在讀寫過(guò)程中操作到壞塊。固態(tài)硬盤結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 固態(tài)硬盤結(jié)構(gòu)圖

2 NAND Flash物理結(jié)構(gòu)

圖2 所示是鎂光一款NAND Flash 顆粒結(jié)構(gòu)圖，以此為基礎(chǔ)簡(jiǎn)單介紹NAND Flash，僅用作參考，不同型號(hào)的NAND Flash 顆粒存在差異[2]。

圖2 NAND Flash 顆粒結(jié)構(gòu)圖

由圖2 NAND Flash 結(jié)構(gòu)圖可知，NAND Flash 由Logic Unit（LUN）、plane、Block、page 組成。page：對(duì)于固態(tài)硬盤，page 是讀和寫操作的最小單位，一個(gè)page 大小等于4 K 加224 byte；224 byte 數(shù)據(jù)空間又名spare data 區(qū)域，用于存放ECC 校驗(yàn)數(shù)據(jù)和固態(tài)硬盤算法信息，同時(shí)標(biāo)記NAND Flash 的出廠壞塊信息和使用過(guò)程中該Block 的屬性；Block：NAND Flash擦除是以Block 為單位，一個(gè)Block 中存放著256 個(gè)page；固態(tài)硬盤軟件算法采用邏輯Block 和物理Block 映射，能夠解決NAND Flash 讀寫單位和擦除單位不對(duì)稱的問(wèn)題，同時(shí)也能提高固態(tài)硬盤的讀寫性能。plane：是將LUN 中所有Block 分為兩個(gè)部分，1 plane 有2 048 個(gè)Block，偶數(shù)部分為plane0，奇數(shù)部分為plane1；plane 通過(guò)“乒乓操作”原理，提高NAND Flash 接口的讀寫性能；LUN：是Logic Unit NAND Flash 的一個(gè)邏輯單元，一個(gè)LUN 有4 096 個(gè)Block，一個(gè)NAND Flash 有多個(gè)LUN。

3 壞塊管理

固態(tài)硬盤對(duì)讀寫速度的要求，使得固態(tài)硬盤主控芯片都支持多通道（Channel）操作，可以提高讀寫性能。但是壞塊的出現(xiàn)會(huì)影響固態(tài)硬盤的讀寫性能和數(shù)據(jù)的一致性。多通道操作實(shí)際上是操作RaidBlock，提高接口數(shù)據(jù)的并發(fā)能力。該文提出的固態(tài)硬盤壞塊管理方法，主要針對(duì)多通道、多NAND Flash 的壞塊管理，致力于減少壞塊出現(xiàn)對(duì)讀寫性能的影響和保護(hù)硬盤數(shù)據(jù)的一致性。該文提出的壞塊管理方法主要包括四個(gè)部分：出廠壞塊的統(tǒng)計(jì)、壞塊表的建立和RaidBlock 的建立、RaidBlock 更新和壞塊表的更新。

3.1 出廠壞塊統(tǒng)計(jì)

NAND Flash 的壞塊包括出廠壞塊和使用過(guò)程中新增的壞塊。出廠壞塊由NAND Flash 廠商標(biāo)記。不同的NAND Flash 廠商存放的位置可能存在差異。對(duì)于Micron MT29F32G08CBABB 顆粒，是用每個(gè)Block 的第一個(gè)page spare 區(qū)域的第一個(gè)byte 來(lái)表示該Block 是壞塊還是好塊，00 表示該Block 是壞塊，0xFF 表示該Block 是好塊。對(duì)于使用過(guò)程中新增壞塊有三個(gè)產(chǎn)生源頭：1）編程（program）過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤；2）擦除（erase）過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤；3）讀（read）過(guò)程中出現(xiàn)ECC 無(wú)法糾正的錯(cuò)誤[3-5]。

3.2 壞塊表和RaidBlock的建立

初始化壞塊表的建立是在固態(tài)硬盤量產(chǎn)時(shí)，通過(guò)掃描全盤Block 的方法實(shí)現(xiàn)的；初始化壞塊表建立之后，固態(tài)硬盤在使用過(guò)程中，新增的壞塊采用增量方式，向初始化壞塊表進(jìn)行添加。固態(tài)硬盤完成上電后，壞塊表會(huì)讀取到主控芯片內(nèi)存，當(dāng)壞塊表更新時(shí)，先更新主控芯片內(nèi)存中的壞塊表，再把內(nèi)存中的壞塊表備份到NAND Flash 顆粒的固定位置；這種策略可以保證壞塊表的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性不受固態(tài)硬盤上、下電的影響，不用每次都采用掃描全盤來(lái)建立壞塊表。壞塊表建立流程圖如圖3 所示。

圖3 壞塊表建立流程圖

由圖3 壞塊表的建立流程可知，通過(guò)掃描固態(tài)硬盤所有的Block，讀取每個(gè)Block 第一個(gè)page 的spare data 區(qū)域的第一個(gè)byte 的值與0xFF 進(jìn)行比較；從而確定該Block 是好塊還是壞塊，并建立壞塊表[6-8]。壞塊表以byte 數(shù)組形式進(jìn)行保存，數(shù)組的每一個(gè)元素表示相鄰的8 個(gè)Block，每個(gè)Block 塊屬性用一個(gè)bit表示，bit 值1 表示該Block 是壞塊，bit 值0 表示該Block 是好塊；這樣一個(gè)byte 可以對(duì)應(yīng)8 個(gè)Block，采用每個(gè)bit 來(lái)映射一個(gè)Block，可以減小壞塊表的大小，節(jié)約存儲(chǔ)資源。

RaidBlock 是由每個(gè)通道（channel）、每個(gè)CE 的Block 共同組成的邏輯Block 層，是一個(gè)抽象的Block[9-10]。由圖4 RaidBlock 與物理Block 映射圖可知，該固態(tài)硬盤有兩個(gè)通道，每個(gè)通道連接的NAND Flash 有4 個(gè)CE，每個(gè)CE 有8 196 個(gè)Block。因此一個(gè)RaidBlock 組成元素有{Block（0,0），Block（0,1），Block（0,2），Block（0,3），Block（1,0），Block（1,1），Block（1,2），Block（1,3）}，其中Block（0,1）表示通道0的CE 1 的Block，元素0 表示通道，元素1 表示CE。在實(shí)際使用時(shí)，RaidBlock 表存儲(chǔ)的是不規(guī)則的RaidBlock 元素，規(guī)則的RaidBlock 元素不作記錄，可以減少RaidBlock 表大小，節(jié)約內(nèi)存空間。同時(shí)RaidBlock 命名通常都是以Channel 0 和CE 0 的Block 為基準(zhǔn)。如RaidBlock 表中存在如下內(nèi)容：{3，3，100，3，3，3，3，235}，該內(nèi)容表示RaidBlock 3 中Block3（0,2）和Block3（1,3）的Block 都是壞塊，分別采用各自Block100（0,2）和Block235（1,3）來(lái)替換。在固態(tài)硬盤向RaidBlock3 讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，先查詢RaidBlock 表，再對(duì)應(yīng)RaidBlock 表操作Block100（0,2）和Block235（1,3），然后讀寫數(shù)據(jù)；RaidBlock 構(gòu)建的原理是依據(jù)NAND Flash 各個(gè)通道和各個(gè)CE 之間讀寫數(shù)據(jù)相對(duì)獨(dú)立互不干擾，同時(shí)還能最大程度地提高通道并發(fā)能力，提高固態(tài)硬盤的讀寫性能，不受壞塊影響。

RaidBlock 的建立是在固態(tài)硬盤量產(chǎn)時(shí)和壞塊表建立同時(shí)完成的[11]。先將所有通道和CE 沒有壞塊的組建成RaidBlock，并統(tǒng)計(jì)所有存在壞塊的通道和CE，以數(shù)組形式進(jìn)行保存；找到壞塊最多的通道和CE，確定最多組成RaidBlock 的個(gè)數(shù)；以通道0 和CE 0 為基準(zhǔn)，建立RaidBlock表[12-13]，如圖5 RaidBlock結(jié)構(gòu)圖所示。從行上看，有5 個(gè)行存在壞塊，分別分布在不同CE 與通道上。從列上看，通道0 與CE 2 上存在最多壞塊，個(gè)數(shù)為3；通過(guò)計(jì)算可知，最多形成8 193（8 196-3）個(gè)RaidBlock；其中8 191（8 196-5）個(gè)RaidBlock 是默認(rèn)狀態(tài)，不需要保存到RaidBlock 表，僅兩個(gè)RaidBlock 需要建立RaidBlock 表，表中數(shù)據(jù)如{3，3，2，3，3，3，3，3}{200，200，895，200，200，200，200，895}。

RaidBlock 的個(gè)數(shù)會(huì)隨著使用過(guò)程中壞塊的增加而減少，但是存在一個(gè)閾值，當(dāng)RaidBlock 個(gè)數(shù)小于這個(gè)閾值時(shí)，固態(tài)硬盤不能正常工作。該閾值一般由固態(tài)硬盤容量決定，超出閾值的RaidBlock 可以稱作spare RaidBlock，該類Block主要用于提高固態(tài)硬盤垃圾回收（Garbage Collection）和磨損均衡（Wear-Leveling）效率。由圖5 可知，基準(zhǔn)線一的RaidBlock閾值是16，表示RaidBlock 總個(gè)數(shù)不能小于8 180（8 196-16）個(gè)，剩余的是spare RaidBlock 和壞塊；基準(zhǔn)線二表示該固態(tài)硬盤的某個(gè)通道和CE 存在最大的壞塊數(shù)；基準(zhǔn)線二的閾值是3，表示在通道0、CE 2上存在三個(gè)壞塊。隨著固態(tài)硬盤的使用，壞塊增加基準(zhǔn)線二逐漸向基準(zhǔn)線一靠擾，當(dāng)二者重合時(shí)，表示該固態(tài)硬盤已經(jīng)不能正常使用。

圖5 RaidBlock結(jié)構(gòu)圖

3.3 壞塊表和RaidBlock表的更新

固態(tài)硬盤在使用過(guò)程中，新增壞塊可以分為以下三種情況[14-15]：

1）當(dāng)操作NAND Flash 出現(xiàn)page program 操作失敗時(shí)，先把有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到spare RaidBlock，然后進(jìn)行erase RaidBlock，若在erase 操作過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，找到擦除失敗的Block，記錄好通道數(shù)和CE 數(shù)，標(biāo)記為壞塊；若擦除RaidBlock 完成，表示該RaidBlock 不存在壞塊；

2）當(dāng)操作NAND Flash 出現(xiàn)erase RaidBlock 失敗時(shí)，找到擦除失敗的Block，記錄好通道數(shù)和CE 數(shù)，標(biāo)記為壞塊；

3）當(dāng)read 操作出現(xiàn)ECC 無(wú)法糾正的錯(cuò)誤，先把RaidBlock 有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到spare RaidBlock，然后進(jìn)行erase RaidBlock，再進(jìn)行program 數(shù)據(jù)并校驗(yàn)，若操作過(guò)程中出現(xiàn)失敗，表示RaidBlock 存在壞塊，再擦除RaidBlock，找到擦除失敗的Block，標(biāo)記為壞塊；若操作成功，表示該RaidBlock 不存在壞塊

當(dāng)確定某個(gè)Block是壞塊時(shí)，先標(biāo)記壞塊，更新壞塊表；然后確認(rèn)Block 所在的通道和CE，并確認(rèn)通道和CE 的壞塊數(shù)；如果大于最大通道和CE 的壞塊數(shù)，則最大通道和CE 的壞塊數(shù)增加1，spare RaidBlock 減少1；如果小于最大通道和CE 的壞塊數(shù)，則更新Raid Block 表；最后將更新的表同步到NAND Flash[16]。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文提出的壞塊處理方法主要針對(duì)于主控芯片連接多通道NAND Flash 架構(gòu)的固態(tài)硬盤。依據(jù)壞塊表區(qū)分壞塊和好塊，達(dá)到管理Block 的目的。通過(guò)RaidBlock 的操作，可以確保在不操作到壞塊的前提下，滿足固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)的并發(fā)需求，提高固態(tài)硬盤的讀寫效率。壞塊表和RaidBlock 表的相互配合可以到達(dá)壞塊管理的基本要求，確保數(shù)據(jù)的可靠性。