SSD掉电保护也是一门艺术

你是否会遇到这样一种情况：

当你正在文思泉涌地敲打键盘赶稿件时，电脑突然抽风，然后，你就看到了绝望的蓝色（系统崩溃，电脑蓝屏了）。
其实office软件有自动保存的功能，当电脑重启，再次打开WORD文件时，会提醒你要不要导入最后自动保存的内容（这个方法不是100%管用）。

扯远了哈……

类似的情况，你是否想过，正在往SSD写入数据时，系统突然掉电了，那SSD的数据会怎么样呢？

总的来说，系统掉电会给SSD带来三种情况的灾难：

1. 用户写入数据丢失。我们在前面的文章提到“在Host写入数据时，并不会直接交给主控去写入NAND闪存，而是先把数据丢到DRAM缓存中，之后再传到主控内部的缓存中，最后再由主控写入NAND闪存”（详细内容请见本公众号历史文章“SSD内涵与外在俱佳—记SSD之结构与工作原理”）。我们假设Host写入的数据在放到DRAM这一步时突然掉电，由于DRAM是挥发性记忆体，只要断电，数据就会丢失。这对用户来说肯定会崩溃的，对企业级的用户更是不能容忍的。

2. FTL mapping信息丢失。SSD在完成一部分数据写入的时候需要更新闪存转换层FTL的mapping table(FTL相关详细内容请见本公众号历史文章“如何成为一个具有领导力的SSD主控？”), 如果在还未来及更新mapping table时，系统掉电，那么后果就是整块SSD对于系统不能识别。目前市场上SSD厂商都不会提供修复mapping table的工具。要想修复这块SSD就必须返厂维修，SSD厂商会通过特殊的方式对mapping table进行重建，并找到丢失的数据。

3. 造成SSD坏块增加。系统的突然掉电有可能会使NAND闪存中多个bit发生错误，如果错误的bit超过了ECC的纠错能力，主控就会将其标记为坏块，后续就不能用来存储数据。这也就是为什么在不正常断电之后，我们有时会看到坏块的增加。

在上一篇文章("你知道企业级SSD与消费级SSD的区别吗？")中，我们有介绍企业级SSD与消费级SSD区别。简单言之，企业级SSD更加注重数据的安全性，而消费级SSD更加注重的是成本。

对于消费级SSD，由于对数据的安全性要求不能那么的严格，并且ECC/LDPC纠错技术，Wear-leveling技术以及其他的Flash管理技术基本可以满足需求。

但是，对于企业级的SSD，这些措施并不能完全满足数据安全性的苛刻要求。

目前针对企业级SSD掉电保护的措施有两种：
1.增加电源储存电路(power hold-up circuit)。
2.关闭“回写缓存”(write-back caching)功能。

接下来，我们就这两种保护措施展开介绍：

1.增加电源储存电路(power hold-up circuit)

大多数的企业级SSD会有一块专门检测SSD供电电压的电路，如果检测到供电电压低于设定的阈值时，此时会给SSD主控发送预警。接着启动power hold-up电路，保证SSD正常的操作。

SMART公司的一款XceedIOPS SSD的掉电保护电路图如下：
Power hold-up电路中的电压源可以是超级电容(supercapacitor), 或者一系列的分离式电容(discrete capacitors), 甚至可以是一块电池(不过，目前市场上还没有产品采用这个方法)。这里主要分享超级电容和分离式电容。

(1)超级电容
超级电容是通过极化电解质实现储存能量的电化学元件。它可以在较小的三维空间存储惊人的能量。基于超级电容的掉电保护电路如上图所示。

由于设计基于超级电容的掉电保护电路相对简单，所以大多数的企业级SSD也是采用这个方法。但是超级电容想要在企业级SSD的应用中立于不败之地，并不容易。

超级电容大多数是铝电解电容。虽然铝电解电容具有较高的电容体积比，但是与所有的电解电容一样，铝电解电容同样具有可靠性顾虑。

超级电容会随着时间的增加，容量减小，并且电解液也会因为泄露和扩散而不断流失。温度对超级电容的影响不容忽视，环境温度每上升10度，超级电容的寿命就会折半。

(2)分离式电容

分离式电容会增加电路设计的复杂性，不过会克服超级电容可靠性的限制。基于分离式电容的掉电保护电路是采用了一系列的分离式电容并联，如下图。
分离式电容主要有氧化铌电容和聚合钽电容。这些电容不像超级电容那样采用电解液，所以不会有泄露相关的问题。氧化铌电容和聚合钽电容的环境温度可以达到85度。从这个角度讲，分离式电容更加利用企业级SSD的应用。

选择超级电容还是分离式电容，需要应用者根据成本与可靠性作出折中的决策。

2.关闭“回写缓存”(write-back caching)功能
我们先回顾一下什么叫write-back caching。看下图：

在Host写入SSD数据的整个流程是这样的：
(1)Host触发写入命令，并传入数据；
(2)SSD接收到数据之后，把数据放到DRAM缓存中，并开始写入NAND闪存；
(3)SSD发送完成报告给Host(注意，这时Data还没真正写入NAND闪存，SSD已经发送完成报告了)；
(4)来自DRAM缓存的数据，这时才真正写入NAND闪存；
(5)NAND闪存完成数据写入之后给主控报告。

这样的一个过程，我们就称为write-back caching。

假设，系统在第(4)步掉电了，这时Host已经接收到完成报告，就认为数据已经写到了NAND闪存。但现实是骨感的，数据还在路上，这样，数据肯定丢失了。Host再去读它自己认为已经写好的数据，那么SSD会返回数据错误或者数据丢失。

如果，我们把这个功能关掉，把上面的流程调整一下：
(1)Host触发写入命令，并传入数据；
(2)SSD接收到数据之后，把数据放到DRAM缓存中，并开始写入NAND闪存；
(3)来自DRAM缓存的数据，这时才真正写入NAND闪存；
(4)NAND闪存完成数据写入之后给主控报告；
(5)SSD发送完成报告给Host。

关掉write-back caching之后，SSD要等到全部数据真正写入NAND闪存之后才会给Host发送完成报告, 这样，Host就不会错误的读取信息了。但是这样的做法会降低SSD的写入性能。在应用过程中，需要使用者作出折中的方案。

【结语】
掉电保护对企业级SSD尤为重要，目前掉电保护的措施有：
1.增加电源储存电路(power hold-up circuit)，电容可以超级电容或者分离式电容。
2.关闭“回写缓存”(write-back caching)功能。

研发更加有效的掉电保护技术是一门科学，更是一门艺术，让我们拭目以待新科技。

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