悟空说：“曾经有一段真挚的感情摆在我的面前，我没有珍惜，直到失去后才后悔莫及，人世间的痛苦莫过于此，如果再给我一次机会的话，我会对那个女孩说我爱你，如果非要在这段感情加上一个期限，我希望是一万年。”
一万年很久吗？对于仙人来说，一万年太短。最近热播的电视剧《三生三世，十里桃花》里面，墨渊上神对白浅的单相思历经三生三世，总共超过7万年。
看完别人的感情期限，我们再来聊聊现实一点的：存储的数据能保存多久？
图是现藏于甘肃省博物馆的西汉天水放马滩地图，1986年甘肃天水放马滩5号汉墓出土，其用纸是目前世界上最早的纸。根据考古专家的断定，这是一张为西汉文帝或景帝（公元前179年—前143年）时期的纸质地图。到现在已经经过了两千多年，变的残破不全。
图1-1 世界上最早的纸
在刘慈欣的小说《三体》中提到，即使是刻在岩石上的巨型文字，经过几千万年的沧海桑田，也会找不到踪迹。
所以，任何存储技术，存储的数据都不能永远保存，有个保持时间。闪存中，数据保存时间的问题叫做Data Retention。到了期限，数据就会出错，标志就是从闪存读出来的数据无法用ECC纠错成功。我们知道闪存一般有以下错误：
l 电气问题：比如虚焊或者芯片故障，导致正常命令无法执行或者数据错误率异常高。这种都在闪存或固态硬盘出厂测试时被发现。
l 读、写、擦失败：基本命令执行失败，通过状态位可以读到结果。这些在芯片使用过程中也有可能发生，但是概率非常小。
l ECC纠错失败：其实就是数据错误率太高，超过了纠错算法的纠错能力。Data Retention是其中一个元凶。
闪存存储的机理是通过量子隧道效应，电子跃迁到浮栅层并留在那里。随着时间的流逝，电子还是有一定概率离开浮栅层，回到沟道里面，离开的电子多了有可能导致写过的单元读出来结果跟擦除过的一样，数据就出错了。Data Retention和浮栅层下面的氧化层厚度有关，毕竟，氧化层越厚，电子离开的概率越小。有研究说氧化层厚度如果是4.5nm，那么理论上数据可以保存10年。
SSDFans微信群里有一位大牛群友蔡宇（Yu Cai）博士，他曾经在Carnegie Mellon University读博士，专门研究闪存纠错，后来去LSI做这方面研发。阿呆这次根据他的一篇论文《Data Retention in MLC NAND Flash Memory:Characterization, Optimization, and Recovery》来介绍他对闪存数据保存的分析。
图1-2 浮栅晶体管a.本征电场 b.TAT效应
图是一个闪存基本单元浮栅晶体管的截面图。最上面是控制层，中间是浮栅层，浮栅上面是多晶硅氧化层，下面是隧道氧化层。控制电压很高的时候，会产生量子隧穿效应，电子从衬底Substrate出发，穿过隧道氧化层，进入浮栅保存起来，就完成了写操作，充电了。反之，在控制层加很强的负电压，电子就从浮栅量子隧穿，回到衬底，这个操作叫做擦除。不过，控制层不加电压的时候，在氧化层依然有一个电场产生，叫做本征电场，它是由浮栅里面的电子产生的。在这个电场的作用下，电子会从浮栅慢慢泄露，泄漏的多了，数据就会发生错误。从写入操作，到电子慢慢泄漏，直到数据出错，这个期限叫做数据保存期，在SLC时代，这个时间很久，有好几年，但是到了TLC时代，就不到一年，有的只有几个月。
那为什么闪存用的越久，数据保存越短呢？这要怪一个效应：Trap-assisted tunneling (TAT)。看看图3-55中的b，我们知道隧道氧化层是绝缘的，但是随着闪存的使用，历经很多次的擦写，氧化层和浮栅层的爱情终于要走到终点了，因为经过这么年风风雨雨，氧化层老了，有不少通过它的电荷被滞留下来，绝缘体有了导电性。这下，电荷从浮栅跑的就更快了。所以，闪存擦写次数越多，数据保存时间就越短。到最后额定擦写次数快到的时候，比如3000次，刚写的数据很容易出错。
不过，氧化层并不是总是在截留电荷，有时候它拦截的电荷也会离开，叫做Charge de-trapping。只不过离开的既有正电荷，也有负电荷，所以对阈值电压的影响是双向的。
那么，怎么解决Data Retention的问题？总不能让用户的数据放个几个月或者几年就丢了吧。一般固态硬盘会采用Read Scrub技术，或者叫数据巡检、扫描重写技术等等不同的称呼。
如果你对存储技术有所了解，那么当你看到Scrub这个词的时候，首先肯定想到的是Sun公司开发的大名鼎鼎的ZFS（Zettabyte File System）文件系统。ZFS的设计者发现，有很多用户的数据长期没有读过，更别说被重写了。即使是数据读取频繁的数据库应用，也存在长期不被访问的数据，它们寂寞的躲在安静的角落，长期无人问津。但是，不管什么类型的磁盘，总是会有概率发生比特翻转，导致数据出错，等你需要这份数据的时候，错误有可能比较严重，根本恢复不出原样了。在ZFS文件系统中，每个数据块都有自己的校验码Checksum，只要被读了，就可以通过Checksum发现数据是否出错了，提前对出错的数据块进行纠错。所以，ZFS提供了一个功能叫Scrub，对文件系统进行扫描，提前发现那些出错的数据，并纠错重写。
固态硬盘的Read Scrub技术跟ZFS类似，在固态硬盘不忙的时候，按照一定的算法，扫描全盘，如果发现某个闪存页翻转比特数量超过一定阈值，就重写数据到新的地方。这样做的好处是避免数据放太久，导致比特翻转数量超过ECC算法的纠错能力，从而能减少ECC不可纠错误。
闪存数据完整性
闪存的一个特性就是，随着闪存的使用以及数据存储时间的变长，存储在闪存里面的数据容易发生比特翻转，出现随机性错误。这个问题随着闪存制程的变小越发严重。因此，使用闪存作为存储介质的固态硬盘，需要采用一些数据完整性的技术来确保用户数据可靠不丢失。常见的技术有：
l ECC纠错
l RAID数据恢复
l 重读（Read Retry）
l 扫描重写技术（Read Scrub）
l 数据随机化
下面来详细解释每一种技术实现方法。
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