如何在高温环境中实现大量的数据保留？

摘 要  

存储在NAND闪存上的数据将缓慢退化。这是由于随着时间的推移，每个NAND闪存单元中的电荷慢慢地漏出。单元保存这些数据的能力称为数据保留。

随着温度升高和P/E循环的增加，数据保留率降低，因为这两个因素都会导致电荷泄漏率更高。较高的温度会增加电池中带电粒子的运动/振动，而P/E循环会损坏电池的结构完整性。数据退化因子（df），其中df=1是标准温度下的数据保持率，在80°-85°C范围内上升到168，这意味着数据保持率降低了168。

根据温度和P/E循环数定期刷新数据，可以解决这一问题。这是通过将数据从一个模块交换到另一个模块来完成的，类似于磨损平衡。测试表明，理论上只要数据保持更新，即使在温度达到85°C的情况下，数据也可以持续几十年。

  介  绍  

固态硬盘已成为大多数行业的主流。这对于设计用于恶劣环境的设备尤其如此，因为SSD通常比传统存储介质更坚固。然而，极端温度仍然会对固态硬盘产生负面影响。

数据保留描述NAND闪存保留随时间存储的数据的能力。它是一个时钟，在数据写入NAND闪存单元后开始计时，只要数据保持未刷新（数据擦除和新数据写入），倒计时就会继续。常规的温度范围下，保留时间通常足够长，不会对数据完整性造成风险。但是，随着温度的升高，情况会发生变化。

NAND闪存的数据保留问题主要有三个原因。首先，由于闪光灯电池的结构，较高的温度会导致数据以极高的速率退化。其次，繁重的写环境进一步加剧了数据保留问题。随着程序/擦除周期的增加，单元进一步减弱，导致数据保留能力降低。最后，当制造商试图在每个模具中容纳尽可能多的单元时，闪存单元大小会缩小，这使得数据保留更加困难。

这些因素需要能够定期刷新数据以避免降级的数据保留功能。

数据保留在任何环境中都是一个挑战，如车辆、自动化、航空航天和国防等高温环境。

  背  景  

NAND闪存单元的基本结构是浮栅晶体管。该电池的工作原理是在位于两个隔离层之间的浮栅中加入电荷。这个电荷代表一个二进制值。例如，多层电池（MLC）所持电荷可以表示四个二进制数00、01、10和11。

所有NAND闪存类型都是非易失性的，这意味着电荷被隔离，并在SSD关闭后保持在原位。这就是为什么数据是可用的，即使在固态硬盘一段时间没有打开，而不是挥发性DRAM。

图1：浮栅晶体管

为了擦除数据，NAND闪存单元被一个清空浮栅的电荷击中。这一过程也会轻微磨损电池，最终导致电池磨损并导致功能失效。这就是为什么所有的NAND闪存都有有限的寿命。

  挑  战  

01 温  度

NAND闪存在标准温度（t<40°C）下大部分不受影响。但一旦我们达到更高的温度，数据保留率就会急剧下降。这可以通过简单的物理定律来解释：较高的温度意味着粒子移动/振动更快，而较高的能量转化为更高的电荷泄漏几率。

测试表明，在80°-85°C范围内，数据退化因子（df）达到168。换句话说，数据退化的速度比标准温度快168倍。例如，假设数据保留率为1年的设备，如果放置在80°C环境中，只会在数据丢失前持续2天左右。

图表1：温度升高时降解因子的变化

02 P/E循环

要从电池中删除数据，需要充电。这种电荷也会对电池的氧化层造成轻微的损伤。随着这种损害的累积，单元将逐渐失去其数据保留能力。与存储数据相比，删除过程更有害的原因是用于删除数据的费用要大几倍。如此大的电荷，细胞本身的物理结构会随着每次缺失而恶化。

这意味着以前在繁重工作负载环境中使用的任何SSD都特别不适合用于数据保留目的，因为所述数据保留功能将显著降低。

03 较小的NAND闪存单元

自NAND闪存进入市场以来，它一直趋向于减小电池尺寸和增加IC密度，其中，芯片尺寸不断缩小，以更容易适应较小的存储IC封装。

然而，减小电池尺寸的物理现实之一是阈值电压分布收缩，这反过来需要从闪存控制器和固件算法中进行越来越复杂的错误管理。与传统的NAND闪存电池相比，小型电池的电荷泄漏速度更快。尽管不能直接缓解此问题，但在评估数据完整性时，必须了解这一事实。

解  决  方  案

温度和P/E循环算法

为了解决数据保留问题，SSD需要同时考虑温度和P/E循环。

通过添加板载传感器，SSD将具有连续的温度曲线。此配置文件和P/E周期数将不断输入固件算法，从而让SSD自我监控数据保留情况。SSD可以确定最佳刷新率，以确保数据完整性，同时将固件进程保持在最低水平。换句话说，数据是安全的，同时对SSD性能的影响最小。

图表2：随着数据保留率下降，SSD将启动数据刷新操作

数据刷新操作在块级别上工作，其中存在风险的块将数据移动到新块。这将重置数据保持计时器，使数据保持安全，直到SSD决定启动下一个周期。

图3和图4：在66和168的df下使用ssd进行双重测试运行。横轴表示试运行时间，竖条表示理论数据保持期。

如图3和图4所示，测试表明温度和P/E循环算法理论上可以将数据保留时间延长几十年。例如，即使在80°-85°C的范围内（df=168），SSD也会保持数据刷新超过80年。

  结  论  

在标准条件下，数据保留不是一个问题。然而，任何在恶劣环境中使用设备的操作员都应该意识到数据丢失的风险以及数据丢失的速度。通过温度监控和固件优化，可以轻松缓解此问题，并且可以在数据损坏和丢失时避免操作员遭受代价高昂的损失。

iRetentionTM是由Innodisk创建的智能技术。这种灵活的固态硬盘固件功能能够在NAND闪存老化和高温变化的情况下保持数据保留。使用此固件功能，与标准NAND闪存规格相比，SSD保留时间显著延长。

想了解iRetentionTM技术的详细介绍，可通过点击文末下方“阅读原文”，进入Innodisk官网浏览。