关于SSD掉电处理的思考

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袁戎，Memblaze SSD研发总监。想要和袁戎还有全世界的大牛讨论SSD及存储相关技术？加nanoarch为微信好友，拉你进ssdfans微信群

昨日SSDFAN群中有人问掉电处理怎么做，也有人说掉电保护不重要，费这个钱干嘛。我认为这个是分场景的，某些场景确实不重要，希望读者看完本文后能搞清楚可能遇到什么问题，需要用什么级别的SSD。本文不涉及具体算法。

先从SSD的数据模型开讲吧。

一般SSD写在盘上的数据分两种：用户数据；元数据。

用户数据很好理解，就是来自host的数据，这些数据往往已经回了ACK给host, 暂时放在系统缓存里（缓存通常是片内SRAM或者片外DDR，缓存是必然存在的，不管是不是DRAM-Less的主控）

元数据通常就是FTL数据，典型的情况，会在写用户数据的时候，同步写下对应的FTL mapping, 采取何种形式是各个厂家FW的核心内容。

这两种数据通常不会混在同一个block上，假设主控内部是单线程的，通常会先写用户数据，再写元数据。假设主控内部有多线程，那么这两个stream很多时候会是完全独立的。

最终在见下图:

写干净了的case, Meta和User是sync的状态， User 的mapping在他楼上的Meta中有体现。

很常见的情况会是Meta没写完，User多几笔，此时上电恢复时需要扫描User绿区，找出他的Mapping，更新到FTL里面

还有比较少见的情况，User没写完，Meta多了，上电恢复时需要抛弃一部分FTL的更新。

有SLC cache的情况会更复杂，这里不需要展开讲，原理差不多。

上电恢复都是扫描-恢复元数据，再确认/扫描用户数据的过程。

那么在异常掉电的情况会发生什么用户想象不到的事情呢？

先看看典型的Client SSD吧, 自然是便宜是硬道理，电容什么的，省省吧。反正如上图所示，FTL总是能恢复的，盘是能继续工作的，一般不出bug是不会死的。

然而，however,

1. Cache中的最新的数据丢了，没商量。虽然掉电前你告诉host ACK了，但是cache肯定保不住。
   
2. 在上图User<Meta的情况下，不好意思，最后的用户数据也丢了
   
3. 在上图User>Meta的情况下，你丢多少数据是需要看运气的。
   
   1. 最后一个page写到一半掉电，读不出来是常见现象。
      

1. 还有更恐怖的现象，一般厂商不会告诉你，program upper page的时候会造成lower page corruption ，这两个page 在一个cell上，调电压时掉电大概率一起坏。

在FTL中处理LPC，根据FW设计不同有变化，一个好的设计应该以coherency为第一要务，不能出现silent error – 比如上图User 345是好的，但是2被6带坏了。假如FTL接受345的新数据 ，后续对User 2的读必须告诉host数据错误，不能回User2 LBA的老数据。

另外一种方式就是FTL丢弃User2开始的所有用户数据，但是这样损失非常大。

从数据保护的角度看，消费级盘异常掉电损失数据是无法避免的，哪怕是前文所述完全sync的状态

FW感知道经过了一个正常掉电的sync and save; 然而依然有风险存在，FW永远没法得知在这个正常掉电handler结束后，host是否有曾再发一笔简单的4k写留存在cache里。

说了这么多，感觉没电容的消费级SSD没法用了对吧。其实不至于。

消费级最大的用途就是笔记本，存放系统，文件系统，OS通常都有比较完善的log, 可以把数据sync起来，通常host会找到他最后的可信数据，然后丢弃那些文件系统操作到一半的数据。

另外当前的超极本，大部分都设计成了一体机，不希望出现拔出电池或者拔出硬盘的情况，就是为了从系统层面避免异常掉电的发生。

说个题外话，如果你注意到了近几年智能手机都设计成不能换电池，其实原因也是一样的。

单独买SSD在主机上用，还是注意避免异常掉电为好，在数据写完后，多采取安全卸载以确保数据完整落到盘上。

如果你打算随便拿个消费级SSD放到企业级上使用，请务必在有异常掉电风险时，上电后做超过SSD 1/4容量的多盘一致性交叉验证，因为你不知道FW自己的coherency维护到底靠不靠谱，出现silent error在企业级应用是致命的，甚至超过挂盘对业务的影响。

风险自担！

再看企业级掉电保护的做法。

简单的说很简单，在足量电容的保护下，

1. 正在写的数据写完，避免flash损坏
   
2. cache里ACK过的数据也要写完
   
3. coherent的元数据写下去
   

复杂的说里面的实现很复杂，有电容电量递减的风险需避免，有为了省电cancel掉很多操作，有最后时刻发生flash error的处理。

一个好的掉电保护设计能够避免出现flash的各种不可预知的风险，保证ACK过的数据都能落盘，

带掉电保护的SSD虽然价格贵不少，适用各种场景：

需要进行盘的热插拔的且数据关键的应用，比如大规模数据中心需要换盘，比如军用需要及时拔盘带走

需要数据一致性强要求的，有原子性要求的

土豪当然也可以用来做系统盘

最终选择还是取决于用户的实际应用了。