FTL算法

一、Nand Flash基本原理

Nand Flash是一种非易失性存储器，即使掉电，存储在闪存中的数据也不会丢失。浮栅内没有电子，状态为“1”，写操作会存储一定量的电子，状态变为“0”。广泛应用于固态硬盘（SSD）、USB闪存驱动器、嵌入式设备等。

1. 物理结构

Cell（存储单元）：Nand Flash的基本存储单元是浮栅晶体管，通过浮栅中的电荷量来表示数据（0或1）。
Page（页）：多个Cell组成一个Page，Page是读写的最小单位。
Block（块）：多个Page组成一个Block，Block是擦除的最小单位。
Plane（平面）：多个Block组成一个Plane，多个Plane可以并行操作（Multi-Plane）操作。

2. 擦写读性能

读操作：以Page为单位，读取速度较快。
写操作：以Page为单位，写入之前必须保证目标Page为空，也就是已经被擦除。
擦除操作：以Block为单位，擦除速度较慢。

3.数据存储方式

SLC：每个Cell存储1bit数据（0/1），速度块、寿命长，但成本高。
MLC：每个Cell存储2bit数据（00/01/10/11），容量大、成本低，但速度和寿命不如SLC。
TLC：每个Cell存储3Bit数据，容量更大，成本更低，但速度和寿命进一步降低。
QLC：每个Cell存储4Bit数据，容量更大，成本最低，但速度和寿命最差。

4. 基本特性

1. Nand Flash不支持覆盖写入，写入之前必须要先擦除目标Block。
   原因：闪存在执行编程操作的时候，只能将每个bit从1写成0，而不能反过来将0写为1。擦除操作是将闪存中每个位恢复为1的状态。因此每个块只有先擦除其中的页才能写入数据。
2. 有限的擦除次数：每个Block的擦除次数有限，通常SLC模式下的擦除次数为10万次，MLC为1万次，TLC为几千次，超过规定的擦除次数后肯能导致数据丢失。
3. 坏块管理：Nand Flash在生产和使用的过程中会产生坏块，需要进行坏块管理进行标记和屏蔽。
4. 磨损均衡：通过均匀分布写操作，延长Nand Flash的寿命。
5. 垃圾回收：回收无效数据占用的空间，释放可用的Block。

5. 写放大

写放大（WA）= 实际写入数据量 / 用户请求写入数据量 理想状态下写放大为1
原因：
1.写之前擦除：由于Nand Flash不支持覆盖写入，写入前必须擦除目标块，如果目标块有数据，需要先将有效数据迁移到其他Block，然后再擦除目标Block，这会导致额外的写入操作。
2.垃圾回收：为了释放无效数据占用的空间，垃圾回收机制需要将有效数据迁移到其他Block，然后擦除原Block.
3.磨损均衡：为了将写操作均匀分布到所有Block，可能导致额外的数据迁移和写入操作。
影响：
1.性能下降：写放大越高，实际写入数据量越大，会降低Nand Flash的写入性能。
2.寿命缩短：写放大越高，擦写次数消耗越快，会缩短其使用寿命。
3.功耗增加：写放大越高，实际写入数量大，增加写入功耗。
降低写放大方法：
优化FTL算法、增加OP空间（通过增加额外的存储空间，减少垃圾回收的频率和数据迁移的量）、提高垃圾回收效率。

拓展：OP空间
SSD的裸容量是二进制表示，SSD的用户容量是十进制表示。以128GB的容量为例：
裸容量：128GB=1281024 10241024B
用户容量： 128GB= 128100010001000B
裸容量比用户容量多出7%，这7%的空间又叫做OP空间。可用于空间管理和存储内部数据，比如FTL映射表存储空间，闪存坏块替代空间。
OP=（SSD裸容量-用户容量）/用户容量

6.常见问题

1. 数据保持：Nand Flash中的数据会随着时间逐渐丢失，特别是高温环境下。
   原因：存储在浮栅极里面的电子随着时间的流逝，通过隧道氧化层溜出，导致里面存储的 “0” 变成 “1” 产生数据保持错误，数据保持使得阈值电压整体左移。
2. 读干扰：主要是读页操作，会对同一个块内其他页造成干扰。
   原因：在读取某一页时，会对该页所在的整个块施加电压以定位目标单元，导致虽然只有目标页被读取，但同一个块中其他页也会逐渐积累电荷，长期多次读取可能会导致这些页的数据损坏。读干扰是累积的，频繁读取同一个块会增加其他页的出错概率，尤其是对高密度闪存MLC、TLC影响显著。
   影响：读干扰会使浮栅极注入额外的电子，导致位由“1”转变为“0”，使得阈值电压分布整体右移。
   处理措施：①定期数据刷新，通过重写同一块中的数据，重置电荷状态。②磨损均衡算法，避免频繁读取同一块。
3. 写干扰：写干扰不仅影响当前写入页，还有可能波及同一个块中的其他页。
   原因：在变成某一页时，需施加高电压以改变目标单元的电荷状态，此过程可能会对同一个块内相邻单元产生电压干扰，导致其电荷状态意外改变。写干扰是即时性的，对相邻页的干扰更加明显。
   处理措施：①降低编程电压对相邻单元的干扰。②增加ECC纠错机制，通过纠错码修复受干扰的数据。③物理隔离：在硬件层面优化单元布局，减少干扰。
   坏块问题：Nand Flash在生产和使用过程中会生产坏块，需要通过坏块管理机制进行处理。

7.数据保持性问题的解决方案

1. ECC纠错：使用ECC纠错引擎来纠正闪存数据出错位
   流程：①当将用户数据A写入到闪存之前，先对其进行ECC编码操作，把产生的校验数据A和用户数据A一起存储在闪存中。
   ②数据存储在闪存中由于某些原因会产生位翻转，使得用户数据A变成用户数据B。
   ③读取用户数据的时候，用户数据B和校验数据B会经过ECC纠错隐形。如果发生翻转位的个数没有超过ECC的纠错能力，则经ECC纠错的数据为原始数据；如果超过ECC纠错能力的话，则使用户数据A丢失。
   纠错算法：①BCH算法，只支持硬解码（基于二进制阈值判断），纠错能力有限（每页纠正几十到上百个错误位）；
   ②LDPC算法，不仅支持硬解码还支持软解码（利用电压电平的概率信息），纠错能力比BCH更强（可纠正上千个错误位）。
   

2. 重读：当有错误通过ECC纠正不过来的时候，固件要通过改变施加在控制极的参考电压Vref，减少因电荷漂移导致的误码，来重新读取一次或若干次。

3. 刷新：刷新是一种防范于未然的手段，一旦检测到某个闪存页或者闪存块出错位比较多，但是ECC可以很快纠正过来，就提前将这个闪存页或者闪存块中的数据搬移到的新的地方。通常是基于读次数（10^4次读取触发）或误码率。

4. RAID：当某个闪存页数据位翻转的过多，ECC纠正不过来，需要使用RAID操作，一般是RAID5，但RAID5只能回复单个ECC不可纠错的数据。采用冗余纠错技术，对多个闪存页进行异或操作生成校验数据。

8. 闪存特性

1. 多Plane操作：增加读取和写入闪存的并发性，进而提升闪存读写性能。
   操作：SSD主控把数据写入第一个Plane的闪存缓存中，数据保持在那里，等主控将同一个LUN上面多个Plane上的数据传输到对应的闪存缓存中，再统一写入闪存介质。

2. 缓存读写操作

3. 异步Plane操作：要求读写的每个Plane上的闪存页编号要一致，因此只适合写入操作和顺序读操作。

二、eMMC/UFS/SATA/PCIe 协议

eMMC、UFS、SATA、PCIe是四种常见的存储设备接口协议。
eMMC：一种嵌入式存储解决方案，将Nand Flash、控制器和接口集成在一个芯片中。采用并行接口，支持多通道操作。协议基于MMC协议，命令和数据通过同一组引脚传输。
UFS：一种高性能嵌入式存储解决方法，采用串行接口，支持全双工通信，命令和数据通过不同的通道传输。
SATA：一种串行接口协议，用于连接存储设备和主机，采用点对点连接，协议基于AHCI或NVMe。
PCIe：一种高速串行接口协议，用于连接高性能设备（如GPU、SSD）和主机（PC、服务器）。

三、