基于NAND Flash 固態硬盤的壞塊管理方法

李中，周加誼，曹睿

（中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司，四川 綿陽 621000）

在大數據時代的今天，數據傳輸量越來越大，數據傳輸速度要求越來越高，機械硬盤的傳輸速度已經不能滿足現狀，固態硬盤迎來了發展機會，使用場景越來越多。固態硬盤存儲介質NAND Flash 與傳統磁性存儲介質相比，具有低功耗、抗震動、無噪聲的特點。但是NAND Flash 存在擦除壽命限制，當擦除次數超過閾值時，NAND Flash 變得不可靠；MLC NAND Flash 的Block 最大擦除次數僅3 000 次，TLCNAND Flash Block 擦除壽命只有1 000 次；同時由于制造工藝和使用環境等因素，NAND Flash 出廠時就存在壞塊，隨著使用過程中擦除Block 次數的增加，產生了新的壞塊，導致壞塊不斷增加。這些壞塊不能可靠存放數據，因此在使用時需要先對壞塊進行管理。

1 固態硬盤結構

從固態硬盤結構圖可知，固態硬盤（solid state disk）[1]由控制單元(主控芯片)和存儲單元（NAND Flash）組成，主控芯片和NAND Flash 之間一般采用多通道（channel）連接，數據最終存放在NAND Flash顆粒中。固態硬盤存儲數據，在NAND Flash 顆粒上體現為電荷的存儲。固態硬盤對數據的讀、寫、擦操作，其最終在NAND Flash 顆粒上表現為顆粒單元的充電放電；而顆粒單元不斷的充電放電會導致顆粒單元絕緣層被擊穿，不能可靠存儲電荷，從而出現壞塊。壞塊不能可靠地存儲數據，需要進行管理。為避免數據存儲在壞塊中，該文提出NAND Flash 壞塊管理算法，通過在固態硬盤主控芯片內部RAM 中分配空間，采用1 位信息與一個Block 對應（“0”表示好塊，“1”表示壞塊），建立壞塊表標記所有Block 狀態的方法，對固態硬盤的高速傳輸、多通道傳輸進行了改進和優化，可以避免在讀寫過程中操作到壞塊。固態硬盤結構圖如圖1 所示。

圖1 固態硬盤結構圖

2 NAND Flash物理結構

圖2 所示是鎂光一款NAND Flash 顆粒結構圖，以此為基礎簡單介紹NAND Flash，僅用作參考，不同型號的NAND Flash 顆粒存在差異[2]。

圖2 NAND Flash 顆粒結構圖

由圖2 NAND Flash 結構圖可知，NAND Flash 由Logic Unit（LUN）、plane、Block、page 組成。page：對于固態硬盤，page 是讀和寫操作的最小單位，一個page 大小等于4 K 加224 byte；224 byte 數據空間又名spare data 區域，用于存放ECC 校驗數據和固態硬盤算法信息，同時標記NAND Flash 的出廠壞塊信息和使用過程中該Block 的屬性；Block：NAND Flash擦除是以Block 為單位，一個Block 中存放著256 個page；固態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稱的問題，同時也能提高固態硬盤的讀寫性能。plane：是將LUN 中所有Block 分為兩個部分，1 plane 有2 048 個Block，偶數部分為plane0，奇數部分為plane1；plane 通過“乒乓操作”原理，提高NAND Flash 接口的讀寫性能；LUN：是Logic Unit NAND Flash 的一個邏輯單元，一個LUN 有4 096 個Block，一個NAND Flash 有多個LUN。

3 壞塊管理

固態硬盤對讀寫速度的要求，使得固態硬盤主控芯片都支持多通道（Channel）操作，可以提高讀寫性能。但是壞塊的出現會影響固態硬盤的讀寫性能和數據的一致性。多通道操作實際上是操作RaidBlock，提高接口數據的并發能力。該文提出的固態硬盤壞塊管理方法，主要針對多通道、多NAND Flash 的壞塊管理，致力于減少壞塊出現對讀寫性能的影響和保護硬盤數據的一致性。該文提出的壞塊管理方法主要包括四個部分：出廠壞塊的統計、壞塊表的建立和RaidBlock 的建立、RaidBlock 更新和壞塊表的更新。

3.1 出廠壞塊統計

NAND Flash 的壞塊包括出廠壞塊和使用過程中新增的壞塊。出廠壞塊由NAND Flash 廠商標記。不同的NAND Flash 廠商存放的位置可能存在差異。對于Micron MT29F32G08CBABB 顆粒，是用每個Block 的第一個page spare 區域的第一個byte 來表示該Block 是壞塊還是好塊，00 表示該Block 是壞塊，0xFF 表示該Block 是好塊。對于使用過程中新增壞塊有三個產生源頭：1）編程（program）過程中發生錯誤；2）擦除（erase）過程中發生錯誤；3）讀（read）過程中出現ECC 無法糾正的錯誤[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硬盤量產時，通過掃描全盤Block 的方法實現的；初始化壞塊表建立之后，固態硬盤在使用過程中，新增的壞塊采用增量方式，向初始化壞塊表進行添加。固態硬盤完成上電后，壞塊表會讀取到主控芯片內存，當壞塊表更新時，先更新主控芯片內存中的壞塊表，再把內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確性和實時性不受固態硬盤上、下電的影響，不用每次都采用掃描全盤來建立壞塊表。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，通過掃描固態硬盤所有的Block，讀取每個Block 第一個page 的spare data 區域的第一個byte 的值與0xFF 進行比較；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 數組形式進行保存，數組的每一個元素表示相鄰的8 個Block，每個Block 塊屬性用一個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byte 可以對應8 個Block，采用每個bit 來映射一個Block，可以減小壞塊表的大小，節約存儲資源。

RaidBlock 是由每個通道（channel）、每個CE 的Block 共同組成的邏輯Block 層，是一個抽象的Block[9-10]。由圖4 RaidBlock 與物理Block 映射圖可知，該固態硬盤有兩個通道，每個通道連接的NAND Flash 有4 個CE，每個CE 有8 196 個Block。因此一個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。在實際使用時，RaidBlock 表存儲的是不規則的RaidBlock 元素，規則的RaidBlock 元素不作記錄，可以減少RaidBlock 表大小，節約內存空間。同時RaidBlock 命名通常都是以Channel 0 和CE 0 的Block 為基準。如RaidBlock 表中存在如下內容：{3，3，100，3，3，3，3，235}，該內容表示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）來替換。在固態硬盤向RaidBlock3 讀寫數據時，先查詢RaidBlock 表，再對應RaidBlock 表操作Block100（0,2）和Block235（1,3），然后讀寫數據；RaidBlock 構建的原理是依據NAND Flash 各個通道和各個CE 之間讀寫數據相對獨立互不干擾，同時還能最大程度地提高通道并發能力，提高固態硬盤的讀寫性能，不受壞塊影響。

RaidBlock 的建立是在固態硬盤量產時和壞塊表建立同時完成的[11]。先將所有通道和CE 沒有壞塊的組建成RaidBlock，并統計所有存在壞塊的通道和CE，以數組形式進行保存；找到壞塊最多的通道和CE，確定最多組成RaidBlock 的個數；以通道0 和CE 0 為基準，建立RaidBlock表[12-13]，如圖5 RaidBlock結構圖所示。從行上看，有5 個行存在壞塊，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，個數為3；通過計算可知，最多形成8 193（8 196-3）個RaidBlock；其中8 191（8 196-5）個RaidBlock 是默認狀態，不需要保存到RaidBlock 表，僅兩個RaidBlock 需要建立RaidBlock 表，表中數據如{3，3，2，3，3，3，3，3}{200，200，895，200，200，200，200，895}。

RaidBlock 的個數會隨著使用過程中壞塊的增加而減少，但是存在一個閾值，當RaidBlock 個數小于這個閾值時，固態硬盤不能正常工作。該閾值一般由固態硬盤容量決定，超出閾值的RaidBlock 可以稱作spare RaidBlock，該類Block主要用于提高固態硬盤垃圾回收（Garbage Collection）和磨損均衡（Wear-Leveling）效率。由圖5 可知，基準線一的RaidBlock閾值是16，表示RaidBlock 總個數不能小于8 180（8 196-16）個，剩余的是spare RaidBlock 和壞塊；基準線二表示該固態硬盤的某個通道和CE 存在最大的壞塊數；基準線二的閾值是3，表示在通道0、CE 2上存在三個壞塊。隨著固態硬盤的使用，壞塊增加基準線二逐漸向基準線一靠擾，當二者重合時，表示該固態硬盤已經不能正常使用。

圖5 RaidBlock結構圖

3.3 壞塊表和RaidBlock表的更新

固態硬盤在使用過程中，新增壞塊可以分為以下三種情況[14-15]：

1）當操作NAND Flash 出現page program 操作失敗時，先把有效數據轉移到spare RaidBlock，然后進行erase RaidBlock，若在erase 操作過程中出現錯誤，找到擦除失敗的Block，記錄好通道數和CE 數，標記為壞塊；若擦除RaidBlock 完成，表示該RaidBlock 不存在壞塊；

2）當操作NAND Flash 出現erase RaidBlock 失敗時，找到擦除失敗的Block，記錄好通道數和CE 數，標記為壞塊；

3）當read 操作出現ECC 無法糾正的錯誤，先把RaidBlock 有效數據轉移到spare RaidBlock，然后進行erase RaidBlock，再進行program 數據并校驗，若操作過程中出現失敗，表示RaidBlock 存在壞塊，再擦除RaidBlock，找到擦除失敗的Block，標記為壞塊；若操作成功，表示該RaidBlock 不存在壞塊

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

4 結束語

該文提出的壞塊處理方法主要針對于主控芯片連接多通道NAND Flash 架構的固態硬盤。依據壞塊表區分壞塊和好塊，達到管理Block 的目的。通過RaidBlock 的操作，可以確保在不操作到壞塊的前提下，滿足固態硬盤數據的并發需求，提高固態硬盤的讀寫效率。壞塊表和RaidBlock 表的相互配合可以到達壞塊管理的基本要求，確保數據的可靠性。