摘 要  

存儲在NAND閃存上的數據將緩慢退化。這是由于隨著時間的推移，每個NAND閃存單元中的電荷慢慢地漏出。單元保存這些數據的能力稱為數據保留。

隨著溫度升高和P/E循環的增加，數據保留率降低，因為這兩個因素都會導致電荷泄漏率更高。較高的溫度會增加電池中帶電粒子的運動/振動，而P/E循環會損壞電池的結構完整性。數據退化因子（df），其中df=1是標準溫度下的數據保持率，在80°-85°C范圍內上升到168，這意味著數據保持率降低了168。

根據溫度和P/E循環數定期刷新數據，可以解決這一問題。這是通過將數據從一個模塊交換到另一個模塊來完成的，類似于磨損平衡。測試表明，理論上只要數據保持更新，即使在溫度達到85°C的情況下，數據也可以持續幾十年。

  介  紹  

固態硬盤已成為大多數行業的主流。這對于設計用于惡劣環境的設備尤其如此，因為SSD通常比傳統存儲介質更堅固。然而，極端溫度仍然會對固態硬盤產生負面影響。

數據保留描述NAND閃存保留隨時間存儲的數據的能力。它是一個時鐘，在數據寫入NAND閃存單元后開始計時，只要數據保持未刷新（數據擦除和新數據寫入），倒計時就會繼續。常規的溫度范圍下，保留時間通常足夠長，不會對數據完整性造成風險。但是，隨著溫度的升高，情況會發生變化。

NAND閃存的數據保留問題主要有三個原因。首先，由于閃光燈電池的結構，較高的溫度會導致數據以極高的速率退化。其次，繁重的寫環境進一步加劇了數據保留問題。隨著程序/擦除周期的增加，單元進一步減弱，導致數據保留能力降低。最后，當制造商試圖在每個模具中容納盡可能多的單元時，閃存單元大小會縮小，這使得數據保留更加困難。

這些因素需要能夠定期刷新數據以避免降級的數據保留功能。

數據保留在任何環境中都是一個挑戰，如車輛、自動化、航空航天和國防等高溫環境。

  背  景  

NAND閃存單元的基本結構是浮柵晶體管。該電池的工作原理是在位于兩個隔離層之間的浮柵中加入電荷。這個電荷代表一個二進制值。例如，多層電池（MLC）所持電荷可以表示四個二進制數00、01、10和11。

所有NAND閃存類型都是非易失性的，這意味著電荷被隔離，并在SSD關閉后保持在原位。這就是為什么數據是可用的，即使在固態硬盤一段時間沒有打開，而不是揮發性DRAM。

圖1：浮柵晶體管

為了擦除數據，NAND閃存單元被一個清空浮柵的電荷擊中。這一過程也會輕微磨損電池，最終導致電池磨損并導致功能失效。這就是為什么所有的NAND閃存都有有限的壽命。

  挑  戰  

01 溫  度

NAND閃存在標準溫度（t<40°C）下大部分不受影響。但一旦我們達到更高的溫度，數據保留率就會急劇下降。這可以通過簡單的物理定律來解釋：較高的溫度意味著粒子移動/振動更快，而較高的能量轉化為更高的電荷泄漏幾率。

測試表明，在80°-85°C范圍內，數據退化因子（df）達到168。換句話說，數據退化的速度比標準溫度快168倍。例如，假設數據保留率為1年的設備，如果放置在80°C環境中，只會在數據丟失前持續2天左右。

圖表1：溫度升高時降解因子的變化

02 P/E循環

要從電池中刪除數據，需要充電。這種電荷也會對電池的氧化層造成輕微的損傷。隨著這種損害的累積，單元將逐漸失去其數據保留能力。與存儲數據相比，刪除過程更有害的原因是用于刪除數據的費用要大幾倍。如此大的電荷，細胞本身的物理結構會隨著每次缺失而惡化。

這意味著以前在繁重工作負載環境中使用的任何SSD都特別不適合用于數據保留目的，因為所述數據保留功能將顯著降低。

03 較小的NAND閃存單元

自NAND閃存進入市場以來，它一直趨向于減小電池尺寸和增加IC密度，其中，芯片尺寸不斷縮小，以更容易適應較小的存儲IC封裝。

然而，減小電池尺寸的物理現實之一是閾值電壓分布收縮，這反過來需要從閃存控制器和固件算法中進行越來越復雜的錯誤管理。與傳統的NAND閃存電池相比，小型電池的電荷泄漏速度更快。盡管不能直接緩解此問題，但在評估數據完整性時，必須了解這一事實。

解  決  方  案

溫度和P/E循環算法

為了解決數據保留問題，SSD需要同時考慮溫度和P/E循環。

通過添加板載傳感器，SSD將具有連續的溫度曲線。此配置文件和P/E周期數將不斷輸入固件算法，從而讓SSD自我監控數據保留情況。SSD可以確定最佳刷新率，以確保數據完整性，同時將固件進程保持在最低水平。換句話說，數據是安全的，同時對SSD性能的影響最小。

圖表2：隨著數據保留率下降，SSD將啟動數據刷新操作

數據刷新操作在塊級別上工作，其中存在風險的塊將數據移動到新塊。這將重置數據保持計時器，使數據保持安全，直到SSD決定啟動下一個周期。

圖3和圖4：在66和168的df下使用ssd進行雙重測試運行。橫軸表示試運行時間，豎條表示理論數據保持期。

如圖3和圖4所示，測試表明溫度和P/E循環算法理論上可以將數據保留時間延長幾十年。例如，即使在80°-85°C的范圍內（df=168），SSD也會保持數據刷新超過80年。

  結  論  

在標準條件下，數據保留不是一個問題。然而，任何在惡劣環境中使用設備的操作員都應該意識到數據丟失的風險以及數據丟失的速度。通過溫度監控和固件優化，可以輕松緩解此問題，并且可以在數據損壞和丟失時避免操作員遭受代價高昂的損失。

iRetentionTM是由Innodisk創建的智能技術。這種靈活的固態硬盤固件功能能夠在NAND閃存老化和高溫變化的情況下保持數據保留。使用此固件功能，與標準NAND閃存規格相比，SSD保留時間顯著延長。

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