拯救NAND/eMMC：延長(zhǎng)閃存壽命

隨著電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，NAND閃存和eMMC作為主流存儲(chǔ)介質(zhì)，其使用壽命受到廣泛關(guān)注。本文將探討其損壞的軟件原因，并提供延長(zhǎng)使用壽命的實(shí)用方法。

?前言

長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后出現(xiàn)NAND或者eMMC損壞，可能的原因有物理?yè)p壞如雷擊損壞，也有可能因?yàn)轭l繁擦寫操作引起壽命到期損壞。下面就應(yīng)用軟件方面的可能性進(jìn)行探討，尋求延長(zhǎng)NAND/eMMC使用壽命的方法。

?閃存的壽命和計(jì)算公式

在NAND閃存中，P/E Cycle也稱為擦除次數(shù)，是判斷NAND閃存壽命的關(guān)鍵參數(shù)。隨著P/E Cycle的增加，浮柵與溝道之間的氧化層被磨損的越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致浮柵中電子的控制越來(lái)越艱難，最終結(jié)果就是：NAND的壽命走到了盡頭。每顆NAND閃存，在出廠的那一刻，壽命就固定了。

NAND閃存根據(jù)存儲(chǔ)顆粒密度和結(jié)構(gòu)差異，可分為SLC、MLC、TLC和QLC。存儲(chǔ)密度越來(lái)越高，容量越來(lái)越大，但單位可擦寫次數(shù)卻越來(lái)越少。SLC的密度最低，擦寫次數(shù)最多，使用壽命最長(zhǎng)，但現(xiàn)在很少能買到了，特別是大容量閃存，基本都是MLC、TLC甚至QLC了。一般都說(shuō)MLC的擦寫壽命是3000~10000次，但實(shí)際上去咨詢半導(dǎo)體原廠，得到的答案通常都是3000次，哪怕三星、海力士以及Skyhigh這樣的國(guó)際品牌，都是這個(gè)答案。eMMC實(shí)際上是NAND閃存加了控制器，底層存儲(chǔ)還是NAND閃存，所以可在此一并討論。如何延長(zhǎng)閃存的使用壽命，確保存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可靠，是工業(yè)產(chǎn)品一直在試圖解決的問(wèn)題。一個(gè)NAND閃存能使用多久，我們先給出一個(gè)預(yù)測(cè)公式：

對(duì)于特定的Linux系統(tǒng)，文件系統(tǒng)開(kāi)銷可看成一個(gè)常數(shù)，暫時(shí)不考慮。根據(jù)公式不難看出，預(yù)期使用壽命與分區(qū)容量大小、可擦寫次數(shù)正相關(guān)，與寫入放大、每天寫入的次數(shù)以及每次寫入的數(shù)據(jù)量成負(fù)相關(guān)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案選型階段，容量、可擦寫次數(shù)是一個(gè)正相關(guān)變量，但對(duì)于特定的一個(gè)產(chǎn)品，閃存一旦選定，可擦寫次數(shù)也就定了，如果有條件擴(kuò)大分區(qū)容量，也是能改善使用壽命的，但改善非常有限。要想比較有效的提高閃存壽命，必須從分母的寫入放大、每天寫入的次數(shù)以及每次寫入的數(shù)據(jù)量上面來(lái)優(yōu)化。
?寫入放大

我們知道，閃存在寫入數(shù)據(jù)前必須先進(jìn)行擦除，而擦除操作的粒度與寫入操作相比低得多，執(zhí)行這些操作就會(huì)多次移動(dòng)（或改寫）用戶數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)。因此，要改寫數(shù)據(jù)，就需要讀取閃存某些已使用的部分，更新它們，并寫入到新的位置，如果新位置在之前已被使用過(guò)，還需連同先擦除；由于閃存的這種工作方式，必須擦除改寫的閃存部分比新數(shù)據(jù)實(shí)際需要的大得多，這就是寫入放大，此倍增效應(yīng)會(huì)增加請(qǐng)求寫入的次數(shù)。

寫入放大，簡(jiǎn)單的計(jì)算公式如下：

影響寫入放大的因素：

垃圾回收，啟用垃圾回收，WA會(huì)減小。

預(yù)留空間，增大預(yù)留空間，能減小WA。

順序?qū)懭?/strong>，理論上順序?qū)懭?，WA為1，當(dāng)然其他因素會(huì)影響到WA。

隨機(jī)寫入，寫入到非連續(xù)的LBA對(duì)寫入放大的影響最大。零散寫入會(huì)帶來(lái)極大的WA影響。例如寫入一個(gè)字節(jié)，實(shí)際上閃存最小寫入單位是頁(yè)，擦除單位是塊，這樣會(huì)影響到在這個(gè)塊內(nèi)的所有數(shù)據(jù)的搬移和寫入，數(shù)據(jù)量會(huì)非常大。

數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)據(jù)壓縮后再寫入，能減少數(shù)據(jù)量的寫入。

刪除重復(fù)數(shù)據(jù)，這樣能減少磁盤占用，能減小WA。

從公式來(lái)看，減小WA能增加閃存壽命，具體方法有啟用垃圾回收、增大預(yù)留空間、盡量順序?qū)懭搿⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮以及刪除重復(fù)數(shù)據(jù)等。
?如何計(jì)算數(shù)據(jù)量？

寫入NAND數(shù)據(jù)量的計(jì)算，并不是按照應(yīng)用程序數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算的，這與NAND閃存的結(jié)構(gòu)和擦寫方式緊密相關(guān)。

一般NAND閃存內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為多個(gè)塊(Block)，每個(gè)塊包含多個(gè)頁(yè)面(page)，每個(gè)頁(yè)面又是由有效個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)和spare area區(qū)(即OOB區(qū))組成。NAND閃存以塊為單位進(jìn)行擦除，以頁(yè)為單位進(jìn)行讀寫。

圖1 NAND閃存結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示的NAND閃存，每個(gè)頁(yè)面為4096字節(jié)，一個(gè)塊為64頁(yè)，整個(gè)器件為2048塊，總?cè)萘繛?096*64*2048=512MB。

如果產(chǎn)品使用的NAND是這樣的結(jié)構(gòu)，哪怕寫入1字節(jié)數(shù)據(jù)，在計(jì)算數(shù)據(jù)量的時(shí)候，也得按4096向上取整，即4096字節(jié)，而不是1字節(jié)。當(dāng)然，寫入4095字節(jié)也是按4096向上取整，4096字節(jié)。同理，寫入4097字節(jié)數(shù)據(jù)，則向上取整為8192字節(jié)。

如果不清楚NAND閃存的這些具體信息，可以查看數(shù)據(jù)手冊(cè)或者內(nèi)核啟動(dòng)信息：

?改善措施

綜合上述信息，要延長(zhǎng)NAND/eMMC的讀寫壽命，就要盡量減少對(duì)閃存的擦寫次數(shù)，特別是零散數(shù)據(jù)寫入。歸納一下，可以采取以下措施：

1. 合理分區(qū)，動(dòng)靜分離

動(dòng)靜數(shù)據(jù)分離，將數(shù)據(jù)按修改頻率分組。一般可將系統(tǒng)分區(qū)與數(shù)據(jù)分區(qū)分開(kāi)，確保系統(tǒng)分區(qū)不受數(shù)據(jù)寫的影響。

有效地使用RAM文件系統(tǒng)。系統(tǒng)log信息，以及應(yīng)用程序的log信息，不要直接寫入閃存，盡量寫在RAM文件系統(tǒng)中，僅對(duì)異常log定期寫入閃存，減少閃存寫入次數(shù)。

2. 減少數(shù)據(jù)寫入次數(shù)

• 先將數(shù)據(jù)寫在內(nèi)存里，可以在系統(tǒng)中生成一個(gè)Ramdisk并掛載到某個(gè)目錄，將需要寫入到閃存的數(shù)據(jù)先暫存在這個(gè)目錄，到一定時(shí)間再寫到閃存里面去。也可以使用系統(tǒng)的ramfs目錄存放暫存數(shù)據(jù)。
• 將頻繁修改的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一塊連續(xù)的區(qū)域中，并定期將數(shù)據(jù)遷移到新的區(qū)域，以避免在同一區(qū)域反復(fù)擦寫。
• 進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，減小寫入的數(shù)據(jù)量，特別是對(duì)于海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)壓縮尤為重要。

3. 避免零碎散數(shù)據(jù)寫入

確保在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)塊的大小是擦除塊大小的整數(shù)倍，以避免無(wú)效的擦除操作。

4. 維持合理的分區(qū)占用率

不要寫滿分區(qū)，維持較低的磁盤占用率，能有效地提高閃存使用壽命。磁盤占用率管理分兩種情況，采用系統(tǒng)的磁盤配額管理或者應(yīng)用程序自行管理。

對(duì)于eMMC閃存，在使用Ext3/4文件系統(tǒng)的時(shí)候，啟用磁盤配額管理，確保磁盤使用率在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。注意，啟用磁盤配額管理，需要普通用戶，建議產(chǎn)品應(yīng)用程序都運(yùn)行在普通用戶模式，而不是root用戶來(lái)運(yùn)行。

對(duì)于NAND閃存，一般都會(huì)使用Yaffs/Yaffs2文件系統(tǒng)，支持不了磁盤配額。這種情況要想維持合理的磁盤占用率的話，可以寫一個(gè)磁盤占用率監(jiān)控程序，當(dāng)磁盤占用率超過(guò)某個(gè)閾值，就進(jìn)行磁盤清理工作，刪除不重要或者陳舊的文件，以保持閃存處于比較健康的狀態(tài)。

無(wú)論是NAND還是eMMC，都要定期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)于過(guò)期的數(shù)據(jù)要及時(shí)刪除，減小無(wú)用數(shù)據(jù)在閃存使用中的搬運(yùn)和寫入次數(shù)。

5. 閃存健康管理

對(duì)于eMMC，可以在系統(tǒng)中通過(guò)mmc_erase_info文件查看eMMC的擦寫次數(shù)，以判斷eMMC的健康狀況。一旦eMMC的擦寫次數(shù)已經(jīng)接近廠商理論值，就要特別留意此閃存上的數(shù)據(jù)，并做好預(yù)案處理。

對(duì)于NAND閃存，不能像eMMC這樣方便的查看NAND閃存的擦寫次數(shù)，則可以自行統(tǒng)計(jì)NAND擦寫次數(shù)，并結(jié)合壽命預(yù)測(cè)公式對(duì)NAND閃存的健康狀況進(jìn)行大致判斷。

6. 壞塊檢查和替換

定期進(jìn)行壞塊檢測(cè)和替換，以防止使用壞塊導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失和寫失敗。一旦發(fā)現(xiàn)NAND壞塊數(shù)量超過(guò)一定數(shù)值，就要對(duì)NAND整體健康做重新評(píng)估，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)安全性預(yù)案處理。