解析SSD读取冷数据掉速的原因及耐久性影响因素

2020-12-04 16:32:28 11点赞 49收藏 10评论

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最近某品牌SSD传出冷数据掉速的问题,准确的来说,这个爆出的问题是指非写冷数据(write-cold data)随着存储时间的推移而读取速度越来越低的问题。本文简单分析了"写冷数据"可能掉速的原因,这有助于理解闪存的错误发生方式以及如何采取对策。

闪存读取原理

为了能理解下文所述的闪存问题,先需要了解简化的闪存工作原理。

MLC NAND 读取MLC NAND 读取

上图参考电压(即Va、Vb和Vc)是用来区分每一种状态的(MLC分为 11,01,00,10)。在每个闪存单元被写入之前,需要将闪存单元先进行擦除到ER状态。但问题是,不是每次写入都可以精确控制电压,由于这种误差以及制造过程中每一个NAND单元都不是一致,所以导致:编程到同一状态的阈值电压服从高斯分布,如上图所示。

MLC 读取错误MLC 读取错误

当电压的误差足够大的时候,于是,读取错误产生了,如上图。

3D NAND常见的可靠性影响因素

制造误差

3D NAND闪存是由很多层堆叠,然而制造工艺无法精确控制每一层的单元阈值电压都一致,这导致了第一种误差。

每一层的读取参考电压偏差每一层的读取参考电压偏差

上图显示了某制造商生产的3D NAND不同层高中的闪存单元的参考阈值电压的不同。这是由制造的工艺导致的误差。

写入初期后的保留损失

当闪存单元被写入后,随着时间的流逝,其电压会有改变(电荷泄露),这是最主要的影响闪存数据保留的原因。同平面2D闪存不同,3D NAND更容易受影响。

二维和三维闪存写入后读取误差随时间的变化二维和三维闪存写入后读取误差随时间的变化

上图是实验室中平面NAND和3D NAND在写入10000次后测试写入后随时间推移(横轴)读取错误,3D NAND 随时间推移变化更大。

读取阈值电压随写入后时间推移的变化读取阈值电压随写入后时间推移的变化

上图显示了3D NAND写入后随着时间的推移,其读取阈值电压(Va, Vb, Vc MLC)的变化。

数据保留干扰

这是指,一个闪存单元电压的丢失速度受到相邻闪存单元的电压的影响。这种影响在3D NAND尤其明显。

写入次数影响

随着写入次数增多,阈值电压也发生变化,最终导致读取错误。

写入次数对阈值电压的影响写入次数对阈值电压的影响

上图显示了3D MLC的三个阈值电压Va, Vb, Vc随着写入次数增多导致的变化。

放大器电路的误差

闪存在读取的时候需要有sense amplifier,每个sense amplifer也会有细微不同最终导致读取错误。

sense amplifersense amplifer

温度和写入频繁程度影响

闪存的寿命受到写入时温度的影响,通常,写入温度越高,那么闪存寿命越长。如下图,当温度70度的时候,寿命远比0度时候长,而且近期的读取错误更低,但温度高影响长期后的读取错误率。不同写入频繁程度也有影响,通常情况下,每天的写入量不会超过1遍。

温度对寿命的影响温度对寿命的影响

解决办法

如上文所介绍的,保留错误是闪存最主要的错误来源之一,在NAND中,保留错误是由写入的单元电荷泄漏引起的。解决办法有很多,主要核心就是重新写入。基于访问特性的算法已经提出很多年了,就是区分哪些数据经常写,哪些很少写。

利用数据访问特性解决闪存冷数据问题利用数据访问特性解决闪存冷数据问题

展望“冷数据”固件修复

此次暴露的冷数据读取问题,有可能从固件得到修复,前提是NAND芯片本身制造没有太多的偏差,如上所述,制造的偏差会导致不同批次,也会导致芯片不同层高内的单元的漏电速度不同,读取阈值电压不同,如果差别很大,那么固件修复是麻烦事情。当然芯片不行固件能补,固件不行软件也能补:开发一个软件定期重写冷数据就可以了。

总结

  1. 闪存错误的最重要来源就是保留错误:电荷随时间泄露导致了读取阈值电压变化,产生差错;

  2. 3D闪存更容易受到保留错误的影响,由制造原因导致;

  3. 闪存芯片制造的偏差,也会导致闪存数据保留问题,这种问题用固件来修补可能并不容易;

  4. 各种解决办法已提出,主要是基于数据重写,策略可能不同。

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