SSD數據恢復前沿：Flash磨損均衡技術解析
近年來，固態存儲技術得到了長足的發展，隨著大容量Flash芯片的成本不斷降低，越來越多的電腦用上了固態硬盤。目前，固態盤在計算機中主要用來安裝操作系統，以提高電腦的開關機速度和運行速度。從大的趨勢看，固態盤和機械硬盤會長期并存，并會逐步蠶食機械硬盤的市場。因此，達思科技作為數據恢復行業的領先品牌，經常要與硬盤打交道的數據恢復公司，必須要高度關注固態硬盤的技術發展，跟蹤技術前沿。
固態盤、U盤、存儲卡等都使用Flash存儲芯片，而Flash本身由若干個塊-Block組成，每個塊又分為若干個物理頁-Page。塊是擦除操作的最小單位 ,而讀和寫都是以頁為單位。下圖為Flash的存儲結構。
圖1 Flash存儲結構示意圖
Flash采取異地更新的策略 ,更新的數據會被放到別的物理頁上,而不是覆蓋原來的數據。包含新版本數據的頁被稱為有效頁,新版本數據被稱為有效數據。包含舊版本數據的頁被稱為無效頁，或稱為臟頁，臟頁經過擦除操作后成為空閑頁，才可以重新寫入數據。因為Flash是以塊為單位執行擦除的，因此需要將臟頁所在塊上的所有物理頁都擦除，在擦除之前需要檢查此塊上是否存在有效頁，如果存在就必須先轉移到其他塊上。因為每個Flash塊的擦除次數有限，一般是在 10 萬次到100 萬次之間，只要有塊的擦除次數達到了上限，Flash數據存儲的性能將下降。所以必須想辦法，使擦除操作平均作用在每個Flash塊上，這種方法就是磨損均衡(wear-leveling)算法。
我們在應用Flash時，實際上訪問的是Flash的邏輯地址，在邏輯地址和物理地址之間，存在著映射關系，如下圖所示。
圖2 Flash存儲映射表
數據更新后只需改變映射表中物理頁的地址，并將原版本數據所在的物理頁標為無效。對于經常被更新的數據塊，我們稱之為“熱”數據塊，對長期得不到更新的數據塊，稱之為“冷”數據塊。數據塊經常更新的話，就會經常被擦除，而長期不更行的數據塊，不會出現臟頁而被擦除，其擦除次數會明顯少于存放著經常被更新數據的塊。如何實現“冷熱”數據存放位置的交換是磨損均衡處理中需要考慮的問題。
目前常用的磨損均衡算法大致分為兩類，一類是隨機性算法，一類是確定性算法。對于隨機性算法，其原理為：在每次寫或擦除操作后，按照某一概率來觸發磨損均衡處理。按照均勻分布的概率，隨機選擇某個塊執行擦除操作。不論塊上放的是“冷”數據還是“熱”數據,讓每個塊得到相等的擦除機會。最后將選中塊上的有效數據復制到空塊后擦除此塊。將數據移動到哪個空閑塊上,也是隨機選擇,因為沒有記錄塊的擦除情況,存在將“冷”數據又移動到一個“冷”塊上的情況, 結果此塊并沒有增加擦除次數 , 這種情況尤其會發生在有大量“冷”數據的系統里。
對于確定性算法，又分為周期性和全局性兩種，其中周期性算法的原理為：將Flash的壽命看做是一個接一個的磨損均衡周期組成的。在一個處理周期中，達到規定的擦除次數的塊在這一輪周期中將不會被選中，這樣可使各個塊都達到相同的擦除次數，再開始下一個擦除周期。通過調整Flash塊的規定擦除次數，可以使整個Flash能夠達到理想的磨損均衡。全局性算法的原理為：不劃分處理周期，在一個全局范圍內控制塊的磨損均衡。當任何兩個塊的擦除次數之差超過一個給定的閾值時，或者當某塊的擦除次數超過了所有塊的平均擦除次數時，啟動磨損均衡處理，將擦除次數少的塊上的數據和擦除次數多的塊上的數據進行交換。如果塊上存放的是“冷”數據，即數據很少被更新，則該塊上的數據不易變臟，很少得到擦除的機會。相反，如果該塊上存放的是“熱”數據，則該塊上的數據經常被更新，經常得到擦除臟數據的機會。根據這個原理來交換“冷熱”數據，從而實現磨損均衡。
對比兩類磨損均衡算法，可以看出：隨機性算法的效果受隨機因素影響較大，在擦除前，并不知道各個塊被擦除的情況，同時對邏輯頁的隨機性請求并不能做到完全等概率，所以雖然隨機性算法是等概率地選擇處理頁，但每個塊的擦除次數并不能達到等概率分布，不能達到很好的磨損均衡效果。確定性算法因記錄了物理塊的擦除次數，故在處理中可根據這些信息來作出調整決策，各塊基本達到了相近的擦除次數，磨損均衡的效果明顯好于隨機性算法。但這是在消耗大量內存開銷的基礎上實現的。
根據以上討論的情況，可以看出，必須結合兩類算法的優勢，來實現效果較好的磨損均衡處理，才能既保證Flash的讀寫速度，又能保證Flash的使用壽命，這將是決定固態存儲能否全面戰勝機械硬盤的關鍵之戰。
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