固态硬盘掉电保护的原理及测试方法_固态硬盘_掉电保护

固态硬盘掉电保护的原理及测试方法

2021/4/9 12:13:41

固态硬盘由于必须使用FTL做逻辑地址和物理地址之间的转换，如果在SSD读、写、删除等正常工作的情况下出现异常掉电，有可能会导致mapping table的因为来不及更新而丢失，从而出现SSD无法被系统识别的故障，同时，为了提升读写性能，通常使用SDRAM做缓存，如果在读写过程中遭遇异常掉电，SDRAM中的数据可能来不及写进Nand Flash导致数据丢失，或者更新的映射表来不及写进Nand Fla

前言

固态硬盘由于必须使用FTL做逻辑地址和物理地址之间的转换，如果在SSD读、写、删除等正常工作的情况下出现异常掉电，有可能会导致mapping table的因为来不及更新而丢失，从而出现SSD无法被系统识别的故障。

同时，为了提升读写性能，通常使用SDRAM做缓存，如果在读写过程中遭遇异常掉电，SDRAM中的数据可能来不及写进Nand Flash导致数据丢失，或者更新的映射表来不及写进Nand Flash导致映射表丢失。

异常掉电导致的故障现象

SSD异常掉电通常会出现三种故障现象：

1、SSD无法重现被系统识别，需要重新构建映射表或者通过简单粗暴的方式重新量产方可使用；

2、多次掉电后，SSD出现大量的“新增坏块”；

出现新增坏块的背后机理是：当SSD对某些Block进行读取、写入或者擦除不成功时，会被标识为坏块，当然，这些块并非真正的坏块，仅仅是因为异常掉电导致的错误判断。

3、SDRAM中数据丢失；

常见掉电保护机制

每家对掉电保护的机制理解不同，面向的用户不同，保护机制也完全不同，一般会有下面两种做法：

1、保存SDRAM中所有数据

异常掉电后，SDRAM中所有数据必须完全写入Nand Flash，一般而言，SDRAM的容量设置为SSD裸容量的千分之一，对于小容量SSD来说，SDRAM中需要写入Nand Flash的数据比较少，通过超级电容或者钽电容可以实现数据继续写入。但是，如果SSD容量足够大的时候，例如:8TB,那么，SDRAM中需要写入Nand Flash的数据将会非常大，如果依然靠超级电容或者钽电容来做供电，必然会面临下面三个棘手的问题：

a、需要更多的钽电容颗粒来做防护，在实际的工程实践中，这是一项非常严峻的考验，工程师面对的是厚度、标准尺寸的限制，PCB的面积并不足够使用；

b、即使有足够的电容来做防护，当执行“重新启动”时，SSD将无法正常启动，必须先关机一段时间后才能重新启动，原因是：SSD需要将钽电容中所有电放完后才能被识别；

c、当使用几年后，钽电容或者超级电容出现老化后，当钽电容供电无法达到初始设计目标值时，用户仍然存在掉电后数据丢失或者SSD无法识别的潜在隐患，如果在初始设计时即做冗余电容，那么，将会回到问题“b”的死循环。

值得欣慰的是，b和c的问题都是可以完美解决的，解决这些棘手问题只是需要工程师足够的头脑和经验而已。

2、只保存SDRAM中的用户数据，而不保存映射表

这样的做法将会减少SDRAM的使用和钽电容的使用，“不保存映射表”并不意味着映射表的丢失，仅仅是不保存最后数据写入时更新的映射表，当SSD重新上电后，寻找上次映射表保存后写入的新数据，重新构建映射表，这样做法的弊端是机制设置不足够合理的话，重新构建映射表的时间会比较久，SSD需要一些时间才能正常进入正常状态。

对于无SDRAM设计的控制器来说，所有数据直接写入Nand Flash，当异常掉电时，没有写入Nand Flash的数据会被返回主机写入不成功，没有额外数据需要保存，因此，对于真正高可靠要求的应用而言，无SDRAM设计才是王道，其代表是德国某老牌工业品牌主控，其唯一的弊端就是性能不足够良好，实际上，很多应用场景并是需要最高的性能，而是“够用”的性能。

测试方法和原理

具体测试时，SSD需要作为系统盘以及作为从盘两种情形进行测试，做主盘和做从盘的测试方法唯一区别是，做主盘需要对测试电脑整机进行通断电，而做从盘仅仅对SSD进行通断电即可。

a、对SSD分别作为空盘时、写入数据25%时、写入数据50%时、写入数据85%以及写入数据100%时分别进行3000次的异常掉电测试，每次掉电和通电时间间隔为3秒；

对盘写入不同容量数据进行测试的原理是：当SSD写入一定数据量后，后台开始进行垃圾回收，垃圾回收就意味着数据的搬迁，数据搬迁就意味着映射表的更新，此时进行异常掉电通常会出现问题。

b、当正常写入数据时，对SSD进行异常掉电

在windows下，写入数据文件系统需要执行如下八个动作：