Надежность хранения данных на современных Flash накопителях

Надежность хранения данных на современных Flash накопителях Чеховский Сергей Анатольевич, к.т.н., коммерческий директор ЕПОС Октябрь 2008

Особенности хранения информации на Flash Особенности Flash-памяти типа NAND • Ограниченное количество циклов записи/стирания • Блочная структура памяти (блок, страница) • Память не «перезаписываемая», т.е. требует стирания перед записью • Относительно низкая скорость записи Особенности конструкции Flash-накопителей • Большое количество типов накопителей и организации доступа к памяти • Доступ к данным осуществляется через служебные таблицы-трансляторы • Наличие области служебной памяти • Контроллеры содержат встроенную служебную память • Алгоритмы оптимизации, управления дефектами, сборки «мусора» - фактически, «динамическое шифрование» Особенности эксплуатации Flash-накопителей • Необходимость корректного подключения/отключения накопителей • Дребезг контактов

Ограниченное количество циклов записи/стирания Запись/стирание/считывание Эффект старения ячеек Вероятностьотказа Ркр Nmax Количество цикловзаписи/стирания

Блочная структура NAND Flash • Повышение скорости операций последовательной записи/ стирания • Повышение емкости чипов Flash памяти за счет небольшой удельной площади отдельной ячейки (по сравнению с NOR Flash) • Невозможность обратиться (изменить значение) к отдельной ячейке памяти • При изменении даже нескольких байт перезаписывается целый блок • При отказе даже одной ячейки как дефектный помечается целый блок

Количество операций стирания E, необходимых для записи файла размером F в файловую систему с размером кластера S: При записи файла на Flash сектора, содержащие таблицы FAT, обязательно изменятся. Максимально возможное количество записей файлаKкр : 25 раз Времядо отказаtкр: 50 сек Ограниченное количество циклов записи/стирания Сколько раз можно записать файлы на Flash накопитель? Какой срок его службы? Гарантированное производителем количество циклов перезаписи Nкр=100,000 Flash накопитель отформатирован в FAT, размер кластераS = 2KB Размер тестового файлаF = 8MB Скорость записиV = 4 МБ/сек Физический адрес Flash памяти соответствует логическому адресу

Проблема надежности и производительности Производительность Надежность Ограниченное количество циклов перезаписи Сравнительно низкая скорость записи Компромисс между надежностью хранения информации и скоростью работы носителя достигается благодаря применению специальных алгоритмов распределения данных(фактически, кодирования данныхпри записи в Flash память)

Алгоритмы распределения данных (wear leveling algorithms) Служебнаязона (Read Only) Зона служебных таблиц Свободное пространство Кодированныеданные Сохраненные файлы Резервные сектора

Наличие служебной области Flash-накопителя Рабочий (видимый) объем Свободноепространство Резервные сектора Сохраненныефайлы Полный объем Полный объем всегда больше видимого объема !!!

SLC vs. MLC NAND Преимущества и недостатки Новые МLC SLC Ячейки Ячейки 1 0 11 10 01 00 Vt Vt

SLC vs. MLC NAND Алгоритмы распределения данных Новый тип памяти МLC NAND SLC Надежность Производительность Надежность Производительность Компромисс Помехоустойчивость Для MLC NAND требуется дополнительно повышать помехоустойчивость Для MLC - увеличение сложности кодирования и алгоритмов распределения данных

Надежность хранения данных на SLC и MLC Flash 100% чипов NAND Flash изготавливаются с дефектами Количество циклов записи/стирания SLC NAND 1,000,000 MLC NAND 300,000 100,000 50,000 10,000 5,000 Техпроцесс, нм 250 160 130 90 70 50 30 2007 1997 2002 Год Влияние уровня техпроцесса на надежность NAND Flash (T.Kawamatsu, “Technology for managing NAND Flash”, 2007)

SLC vs. MLC NAND Надежность хранения данных Гарантированное количество циклов записи/стирания Вероятностьотказа SLC ~ 100,000 MLC ~ 3,000-10,000 Ркр • Причины: • эффект старения ячеек • эффект износа ячеек • воздействие перепадов температуры Nmax Количество цикловзаписи/стирания MLCNAND – снижение надежности на порядок

Восстановление информации с Flash • Более 10 различных типов Flash-носителей • Более 10 производителей на рынке • Тысячи видов организации памяти Существующие методы позволяют восстановить данные в 10-15% случаев

Методы восстановления информации Программные методы • Работа только с видимым объемом на уровне файловой системы • Работа только с исправными накопителями • Восстановление данных с утерей дерева каталогов и имен файлов • Зависимость от драйверов Flash-накопителя • Нет уверенности в окончательном «диагнозе» Метод замены • Большое количество возможных реализаций контроллеров и алгоритмов управления памятью • Копии таблиц трансляторов хранятся в служебной памяти контроллера • При инициализации контроллер может выполнять операции записи в Flash-память • - Угроза необратимой потери данных

Метод прямого доступа Доступ к данным • Работа с полным объемом на физическом уровне • Работа с физически неисправными накопителями • Независимость от драйверов Flash-накопителя • Восстановление данных, закрытых паролем

IRS-Flash– комплекс восстановления данных с новой технологией прямого доступа к Flash-памяти • Работа с полным объемом на физическом уровне • Работа с физически неисправными накопителями • Восстановление данных с сохранением дерева каталогов и имен файлов • Независимость от драйверов Flash-накопителя • Уверенность в том, что все возможные данные восстановлены полностью • -Восстановление данных, закрытых паролем • Поддержка всех типов Flash-накопителей: • (USB-диски, карты памяти SmartMedia, CompactFlash, MultiMedia, Memory Stick, Secure Digital, xD-Picture и др., цифровые фотоаппараты и видеокамеры, диктофоны, мобильные телефоны, mp3-плейеры)

Надежность хранения данных на современных Flash накопителях