Надежность хранения данныхна современных Flash накопителях

Чеховский Сергей Анатольевич,к.т.н., коммерческий директор ЕПОС

Октябрь 2008

• Ограниченное количество циклов записи/стирания• Блочная структура памяти (блок, страница)• Память не «перезаписываемая», т.е. требует стирания перед записью• Относительно низкая скорость записи

Особенности конструкции Flash-накопителей• Большое количество типов накопителей и организации доступа к памяти • Доступ к данным осуществляется через служебные таблицы-трансляторы• Наличие области служебной памяти• Контроллеры содержат встроенную служебную память • Алгоритмы оптимизации, управления дефектами, сборки «мусора» - фактически, «динамическое шифрование»

Особенности Flash-памяти типа NAND

Особенности эксплуатации Flash-накопителей• Необходимость корректного подключения/отключения накопителей• Дребезг контактов

Особенности хранения информации на Flash Особенности хранения информации на Flash

Ограниченное количество циклов записи/стирания

Вероятностьотказа

Ркр

Количество цикловзаписи/стирания

Nmax

Запись/стирание/считывание

Сток Исток

Линия слов

Ли

ни

я б

ито

в - - - - - -

Запись

Плавающийзатвор

Затвор

Сток Исток

Линия слов

Ли

ни

я б

ито

в - - - - - -

Стирание

Плавающийзатвор

Затвор

Сток Исток

Линия слов

Ли

ни

я б

ито

в

Cчитывание

- - - - - - -Плавающий

затвор

Затвор

Эффект старения ячеек

Блочная структура NAND Flash

• Повышение скорости операций последовательной записи/ стирания

• Повышение емкости чипов Flash памяти за счет небольшой удельной площади отдельной ячейки (по сравнению с NOR Flash)

• Невозможность обратиться (изменить значение) к отдельной ячейке памяти

• При изменении даже нескольких байт перезаписывается целый блок

• При отказе даже одной ячейки как дефектный помечается целый блок

Ограниченное количество циклов записи/стирания

Гарантированное производителем количество циклов перезаписи Nкр =100,000Flash накопитель отформатирован в FAT, размер кластера S = 2 KBРазмер тестового файла F = 8 MBСкорость записи V = 4 МБ/секФизический адрес Flash памяти соответствует логическому адресу

Сколько раз можно записать файлы на Flash накопитель? Какой срок его службы?

При записи файла на Flash сектора, содержащие таблицы FAT, обязательно изменятся.

Максимально возможное количество записей файла Kкр :

Количество операций стирания E, необходимых для записи файла размером F в файловую систему с размером кластера S:

000,42

8

KB

MB

S

FE

000,4

000,100

E

NK кркр 25 раз

Время до отказа tкр:

254

8кркр K

V

Ft 50 сек

Надежность Производительность

Проблема надежности и производительностиПроблема надежности и производительности

Компромисс между надежностью хранения информации и скоростью работы носителя

достигается благодаря применению специальных алгоритмов распределения данных

(фактически, кодирования данных при записи в Flash память)

Ограниченное количество

циклов перезаписи

Сравнительно низкая скорость

записи

Свободное пространство

Сохраненные файлыРезервные сектора

Служебнаязона

(Read Only)

Зона служебных

таблиц

Кодированныеданные

Алгоритмы распределения данных(wear leveling algorithms)

Алгоритмы распределения данных(wear leveling algorithms)

С лу жебная обл асть

(R ead O nly)

О бластьслу жебны х

табл иц

Рабочий (видимый) объем

Рабочий (видимый) объем, МБ 128 256 512 1024 2048 4096

Полный объем, МБ 138,4 276,8 553,6 1107 2214 4428

Скрытый объем, МБ 10,4 20,8 41,6 83 166 332

Полный объем

Сохраненные файлы Свободное

пространствоРезервные

сектора

Полный объем всегда больше видимого объема !!!

Наличие служебной области Flash-накопителяНаличие служебной области Flash-накопителя

SLC vs. MLC NANDПреимущества и недостатки

SLC NAND Flash MLC NAND Flash

Количество бит в одной ячейке 1 2 (или более)

Высокая плотность (емкость) Да

Низкая стоимость в расчете на 1 бит

Да

Широкий температурный диапазон

Да

Низкое энергопотребление Да

Производительность Да

Низкая помехоустойчивость Да

1 011 10 01 00

SLC Новые МLC

Vt Vt

Яч

ей

ки

Яч

ей

ки

SLC vs. MLC NANDАлгоритмы распределения данных

Надежность Производительность

Надежность Производительность

Помехоустойчивость

SLC Новый тип памяти МLC NAND

Компромисс

Для MLC - увеличение сложности кодирования и алгоритмов распределения данных

Для MLC NAND требуется дополнительно повышать помехоустойчивость

Надежность хранения данных на SLC и MLC Flash

100% чипов NAND Flash изготавливаются с дефектами

Количество циклов записи/стирания

Техпроцесс, нм

1,000,000

300,000

100,000

50,00010,0005,000

250 160 130 90 70 50 30

1997 Год 2002 2007

SLC NAND

MLC NAND

Влияние уровня техпроцесса на надежность NAND Flash

(T.Kawamatsu, “Technology for managing NAND Flash”, 2007)

SLC vs. MLC NANDНадежность хранения данных

Вероятностьотказа

Ркр

Количество цикловзаписи/стирания

Nmax

MLC NAND – снижение надежности на порядок

Гарантированное количество циклов записи/стирания

SLC ~ 100,000

MLC ~ 3,000-10,000

Причины:• эффект старения ячеек• эффект износа ячеек• воздействие перепадов температуры

Существующие методы позволяют восстановить данные в 10-15% случаев

-Более 10 различных типов Flash-носителей-Более 10 производителей на рынке-Тысячи видов организации памяти

Восстановление информации с Flash Восстановление информации с Flash

- Работа только с видимым объемом на уровне файловой системы- Работа только с исправными накопителями- Восстановление данных с утерей дерева каталогов и имен файлов- Зависимость от драйверов Flash-накопителя- Нет уверенности в окончательном «диагнозе»

Метод замены- Большое количество возможных реализаций контроллеров и алгоритмов управления памятью- Копии таблиц трансляторов хранятся в служебной памяти контроллера- При инициализации контроллер может выполнять операции записи в Flash-память- Угроза необратимой потери данных

Программные методы

Методы восстановления информацииМетоды восстановления информации

-Работа с полным объемом на физическом уровне-Работа с физически неисправными накопителями-Независимость от драйверов Flash-накопителя-Восстановление данных, закрытых паролем

ПарольОбласть

закрытых данныхОбласть

открытых данныхРезервная

зона

Доступ к данным

Метод прямого доступаМетод прямого доступа

-Работа с полным объемом на физическом уровне-Работа с физически неисправными накопителями-Восстановление данных с сохранением дерева каталогов и имен файлов-Независимость от драйверов Flash-накопителя-Уверенность в том, что все возможные данные восстановлены полностью-Восстановление данных, закрытых паролем

IRS-Flash – комплекс восстановления данных с новой технологией прямого доступа к Flash-памяти

Поддержка всех типов Flash-накопителей: (USB-диски, карты памяти SmartMedia, CompactFlash, MultiMedia, Memory Stick, Secure Digital, xD-Picture и др., цифровые фотоаппараты и видеокамеры, диктофоны, мобильные телефоны, mp3-плейеры)