高可靠固態存儲模塊的實現與應用

何祖福 靳莉莉

摘要：隨著計算機技術的不斷發展，相關軟件和硬件設施也在逐步的提高。尤其在信息存儲方面，以NAND FLASH為主的固態存儲得到了廣泛的應用。使存儲介質的讀寫速率、成本等都得到了很大的優化。本文針對該存儲介質研究了高可靠固態存儲模塊的實現，并進一步分析了其實際應用情況。

關鍵詞：高可靠；固態存儲模塊；實現；應用

前言：

隨著人們對計算機網絡技術的依賴性越來越高，人們一直在研究并致力于提高計算機硬盤的存儲容量，使其更有利于人們的工作和生活。很多研究成果雖然使存儲空間提升，但讀寫速度卻難以有所突破。而且存儲硬盤的適應能力也難以得到有效的提高，受到很多方面的限制。NAND FLASH的出現解決了很多的實際問題。NAND FLASH的生產過程簡單，可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量，生產成本方面得到有效的降低。而且其實用性能與其他固態存儲硬盤相比有著很大的優勢。本文根據其特點，提出高可靠固態存儲模塊的實現方式、相關技術和應用方式。

1固態存儲模塊的總體實現

固態存儲模塊一般由接口電路、數據緩存、嵌入式處理器、FPGA等組合而成。接口電路是數據接口，同時也是命令接口，數據緩存對模塊內的數據流的速率進行匹配，使數據實現高速傳輸[1]。固態存儲模塊的技術核心是嵌入式處理器，通過該設備來實現對工作流程、數據讀寫、命令通信等方面的各種控制。FPGA是大規模可編程門陣列的縮寫，負責控制數據流，主要包括內部通信和外部數據接口邏輯、DDR3數據控制邏輯等[2]。此外固態存儲模塊還包括大容量數據緩存芯片。使其讀寫速率得到大幅的提升。在計算機進行數據存儲時，先通過處理器接收指令，然后固態存儲模塊進入數據存儲工作狀態，數據從相應的接口輸入，經接收器接收后進入數據緩存，并以DMA的方式進入FLASH控制器，最后將數據寫入存儲介質組。為提高數據讀寫速率，存儲介質組通過多芯片同時工作的方式來實現。

2高可靠存儲模塊技術及應用

2.1NAND FLASH相關技術及應用

為了提高固態存儲模塊的數據讀寫與存儲的可靠性，NAND FLASH將各種技術有效的進行融合，如數據糾錯、過量配置、損耗均衡、壞塊管理等，使數據存儲和讀寫的可靠性得以提升[3]。將原來位翻轉、壞塊、使用壽命短等缺陷進行有效的補充。

（1）數據糾錯技術。NAND FLASH在數據讀寫過程中，可能會發生數據位翻轉導致數據缺乏準確性等情況，因此需要應用數據糾錯技術來增加糾錯算法，糾正讀寫過程中的位錯誤，提高數據讀寫的準確性。隨著科技的發展，數據糾錯技術也在不斷得到提升和改進，目前一般采用BCH碼為數據糾錯的主要應用的算法。這是一種并行編碼技術，能夠有效提高編碼的速率和帶寬。NAND FLASH在執行數據讀取操作時，應用BCH譯碼電路對讀取的數據進行實時檢測，如果發現數據中存在錯誤，就會自動進行糾正，并將糾錯后的數據輸出給用戶，提高輸出數據的有效性和準確性。NAND FLASH在執行數據寫入操作時，BCH編碼電路對各種數據進行分類存儲，提高數據存儲的規范性和可靠性。而且可有效提高編碼模塊的帶寬和速率。

（2）過量配置技術

過量配置技術是一種為了提高存儲模塊耐用度的有效方法。過量配置需要根據存貯模塊不同的應用領域和場景來配置不同的空間。配置的空間越多，存儲模塊的可靠性就越高。這樣也需要支付相應的成本，占用的空間越多需要支付的成本也就越高。模塊通過損耗均衡來使擦寫周期變短。如果出現模塊失效的狀況，就需要將失效部分標記成不可用，在從備用區域調配一個新的存儲塊到邏輯地址，這就是過量配置技術的應用過程。

（3）損耗均衡技術

損耗均衡技術是根據存儲模塊的擦寫次數來對數據進行均衡的分配，優先選擇擦寫次數較少的存儲塊來存放數據。損耗均衡技術分為針對動態數據進行調配和靜態數據進行調配兩種類型。動態損耗平衡無法用于靜態數據存儲塊的調配，而靜態損耗均衡技術可以對所有的數據存儲塊執行相關的操作。與動態損耗平衡相比，應用靜態損耗均衡技術在使用壽命方面具有很大的優勢，能夠減少數據存儲塊之間的不均衡損耗。NAND FLASH每個存儲單元的使用壽命都是有一定的時限性的。采用高效合理的損耗均衡技術可以對NAND FLASH存儲空間進行合理的擦寫管控，提高存儲空間和存儲模塊的整體使用壽命。

（4）壞塊管理技術

壞塊是固態存儲模塊出廠時如果有一個或多個位是壞的，就稱其為壞塊。壞塊在固態存儲器中是一種常見的現象。存在壞塊的存儲器難以保證寫入的數據的準確性，也難以保證寫入的數據可以被準確的讀取。只有正常的模塊才能執行常規的數據讀寫操作。產生壞塊的原因有很多，一種可能是出廠質量的問題，就是在還沒有使用的情況下就已經存在壞塊。這種壞塊在出廠前就應做好相應的標記。還有可能在使用過程中人為造成的損壞。一般使用時間過長后，反復擦除模塊中的數據就可能會導致壞塊出現，從而影響模塊的整體使用性能。這種情況也需要對壞塊進行標記。而所有正常的模塊都標記為0xFF，如果標記與其不同，就可以判斷為壞塊[4]。針對壞塊的管理技術，可預先在NAND FLASH出廠前讀取模塊的芯片數據，還可以在模塊使用過程中進行動態監測，針對所有新舊模塊進行管理，如果出現壞塊，會禁止將數據存儲于壞塊中，將壞塊徹底封存，提高數據讀寫的準確性。

（5）磁盤陣列技術

磁盤陣列技術又稱RAID技術，是有多個磁盤組合而成的磁盤組，進而使磁盤整體的系統功能和容量得以提升。該技術可以將數據進行切割并分別存儲于硬盤中。當其中某一個磁盤發生故障時，其他磁盤仍然可以正常工作，使數據能夠有效地被讀取和寫入硬盤中。磁盤陣列分為外接式、內接式以及軟件仿真等形式[5]。一般大型服務器應用外接式磁盤陣列柜，安裝的成本也較高。而內接式陣列卡相比之下成本較低，但在安裝時需要對技術人員的專業水平有較高的要求。可以為存儲模塊提供各種問題的解決方案。軟件仿真技術通過系統自身的磁盤管理功能來對硬盤進行優化管理，組成科學合理的陣列。但容易拖慢系統的速度，不適用于數據流量較大的服務器。該技術的優點在于傳輸速率較快，而且具有容錯功能。適用于在醫療、金融、軍事等系統中應用。但磁盤沒有冗余功能，磁盤整體的利用率也較低，所以需要持續對其進行研究和改進。目前RAID5在模塊中芯片出現異常時可以通過存儲數據來對丟失的數據進行恢復，提高了數據存儲的可靠性。

2.2高可靠性場合的應用

首先，數據加密技術。該技術是對寫入數據的一種有效的保護措施，也是提高數據讀寫安全的一種手段。固態存儲模塊的最佳加密方案是將AES與RSA兩種加密技術進行有效的融合。這樣要想準確的讀取數據，就需要進行解密操作，這樣可以有效的防止數據丟失的情況發生。其次，數據銷毀技術。在數據的加密信息被不具訪問權限的人員獲取時，應用該技術可以快速銷毀密鑰、目錄、芯片、電路板等，使其中的數據無法被有效的讀取。同時將數據信息進行自動擦除和覆蓋，使信息難以被有效獲取，確保信息的安全。這幾種銷毀的途經需要在實際應用中根據實際情況進行合理的選取。

結語：

綜上所述，高可靠固態存儲模塊具有優良的使用性能，能夠有效的提升存儲模塊的讀寫速率和使用壽命。提升數據讀寫和存儲的可靠性和準確性，提高數據模塊的耐用性。目前高可靠固態存儲模塊實現了多種技術的提升，并能夠滿足計算機固態存儲的各種應用需求。

參考文獻

[1]吳洪成，潘琪.高可靠固態存儲模塊的實現與應用[J].計算機時代，2015（09）：14.

[2]李佳琦.精密儀器中高可靠存儲模塊的設計與實現[D].天津大學，2009.

[3]朱知博.基于NAND-FLASH的高速大容量存儲系統設計[J].現代電子技術，2011.34（8）：170

[4]張峰.基于Nandflash陣列的高速存儲技術[J].電訊技術，2013.53（1）：68-71

[5]胡洋，馮丹.高性能固態盤的多級并行性及算法研究[D].華中科技大學博士學位論文，2012.5.

（作者單位：南京長江電子信息產業集團有限公司）