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nand flash坏块识别 SSD坏块管理

发布时间 : 2024-11-25

作者 : 小编

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SSD坏块管理

坏块来源

出厂坏块（Factory bad block）：Flash从工厂出来，就或多或少的有一些坏块。一般来说，出厂坏块率为2%-10%，再坏的话，出厂的时候就被淘汰了。增长坏块 (Grown bad block)：随着Flash的使用，一些初期好块也会变成坏块。变坏的原因，主要是擦写磨损导致的。

坏块识别

Flash厂商在Flash出厂时，会对出厂坏块做特殊标记。一般来说，刚出厂的Flash都被擦除，里面的数据是全0xFF。但是对坏块来说，Flash厂商会打上不同的标记。拿Toshiba某型号Flash来说，它是这样标记出厂坏块的：

它会在出厂坏块的第一个Page和最后一个Page的数据区第一个Byte和Spare区第一个Byte写上一个非0xFF的值。

用户在使用Flash的时候，首先应该按照Flash文档，扫描所有的Block，把坏块剔除出来，建立一张坏块表。还是拿上面Flash来说，Toshiba建议按照下面的流程来建立坏块表：

还有些Flash厂商，它会把坏块信息存储在Flash内部某个地方（掉电不丢失），用户在建立坏块表的时候，没有必要扫描所有的Block来识别坏块，只需读取Flash的那个特定区域。

对增长坏块而言，它的出现会通过读写擦等操作反映出来。比如读到UECC （Uncorrectable Error Correction Code, 数据没有办法通过ECC纠错恢复），比如擦除失败，比如写失败，这都是一个坏块出现的反映。用户应该把这些坏块加入坏块表，不再使用。

坏块管理策略

一般有两种策略对付坏块，一是略过（Skip）策略，而是替换（Replace）策略。

略过策略 ：用户根据建立的坏块表，在写Flash的时候，一旦遇到坏块，跨过它，写下一个Block。SSD的存储空间是Flash阵列，一般有几个并行通道，每个通道上连接了若干个Flash。以上图为例，该SSD有四个通道，每个通道上挂了一个Flash（只有一个Die）。SSD的固件 (Firmware) 向四个Die依次写入。假设Die1上有个Block B是坏块，若FW采取坏块略过策略，则写完Block A时，接下来便会跨过Block B写到Die 2 的Block C上面去。替换策略 ：与略过策略不同，当某个Die上发现坏块，它会被该Die上的某个好块替换。用户在写数据的时候，不是跨过这个Die，而是写到替换块上面去。采用此策略，除正常用户使用的Block，还需额外保留一部分好的Block，用于替换用户空间的坏块。整个Die上Block就划分为两个区域：用户区域和预留区域：还是以上面的情况为例：用户写入数据时，当碰到坏块B，它不会略过Die 1不写，而是写入到Block B 的替换者 Block B’上面去。采用替换策略，SSD固件内部需维护一张映射表：坏块到替换块的映射，比如上图的B->B’。

两种坏块管理策略，没有谁优谁劣，取决于SSD的软硬件架构。在此提这两种策略，只是给设计者一个参考。但需要提到的是，替换机制策略有一个致命点，那就是如果某个Die坏了（所有Block不可用，或者可用的很少），那么，整个SSD就废了！因为在那个Die上，找不到好块来替换坏块，用户数据无处可写！

替换策略有木桶效应，你也许会说，既然这样，那就采用略过策略吧。但是，对某些SSD控制器来说，它只支持替换策略。还是那句话，哪种策略适合你SSD的软件硬件架构，就用哪种吧。

固态硬盘ECC纠错能力，一眼看出SSD的好坏

我们常常看到SSD上显示支持ECC。那么ECC是个什么东西呢？

ECC是SSD的数据校验、纠错。

为什么SSD需要ECC呢？

原因：

1.SSD容易产生数据读写错误。ECC需要去校验更改数据错误，以及判断是否坏块。

2.SSD读写的介质是NANDFLASH。而NANDFLASH在生产过程和使用过程中都会产生坏块。

为什么NANDFLASH会产生数据读写错误呢？

原因：

1.写入集中、写入放大、异常断电等等，数据读写错误是普遍的。

2.NANDFLASH坏块引起数据读写错误。

为什么NANDFLASH会有坏块？

原因：

1.生产时的造成的坏块。

2.使用中造成的坏块。NANDFLASH是通过电荷来实现数据储存的，而当电荷击穿底层的绝缘层，坏块或就出现了。

坏块太多的NANDFLAH，无法通过测试，就成了黑片，部分测试未通过NANDFLASH基本能用就成了白片，而NANDFLAH的坏块少并且通过全部测试是为正片。

NANDFLASH中坏块是普遍存在的，只是多少的问题。这些坏块影响NANDFLASH/SSD的读写性能和寿命。

如上图，SSD的写入主要分为顺序读写和随机读写，而SSD使用中不断增加的坏块，随机的出现在SSD的NANDFLASH中，这使得SSD读写时容易出现错误，和增加读写的等待时间。

为了减小坏块、错误数据对NANDFLASH/SSD的影响。主控需要对NANDFLASH里的坏块进行判定、校正错误数据、对坏块进行管理。于是主控加入了BBM坏块管理和ECC校验纠错。

ECC找到坏块或者“伪坏块”，对它们进行判断、识别、纠正、标注，如果确定它们是真的坏块，则将其交给BBM去管理。

这样在主控的干预下，SSD读写时就可以减少数据错误、避开坏块，从而保证了SSD的读写性能和安全、寿命。

随着主控技术的不断进步。主控的ECC和BBM能力不断增强，主控ECC能力越来越强，BBM也能管理和屏蔽更多的坏块了。

这使得SSD对NANDFLASH的品质要求越来越低。这使得黑片都可以拿来做SSD，且性能勉强达到使用要求。

主控进步是SSD技术的一种进步，但是降低对NANDFLASH品质的要求对于我们消费者来说，却是一件坏事。因为黑片从此可以暗度陈仓，鱼目混珠了。

简单的讲了讲ECC和SSD的坏块管理，就叭叭叭说了一大通。如果有错误和遗漏，欢迎交流。

下面我们来一点实际的。我们来看看如何通过查看“ECC的运行历史/状况”来大概看懂一个SSD的好坏。

（声明：此方法是我无意中发现的，是结合了ECC和BBM知识的一种猜想，有待验证。）

我用SSD-Z测到硬盘S.M.A.R.T自我检测分析报告，在里面，我看到“ECC错误率”格式化为682。而我的SSD才使用214小时。我的电脑几乎是24小时开机，也就是说我的SSD才使用15天以内。半个月时间，我的ECC检查到和格式化的错误数据/坏块达到了682次/个。

我用鲁大师测试SSD。硬件ECC校正数据达到了699。

这两个图说明，我的SSD“牛仔很忙”。

为什么SSD使用不久，但是ECC却很忙，检查到/纠正过的数据错误或者发现的坏块非常多？

因为：

1.可能是NANDFLASH品质很渣。

2.可能是SSD主控不给力。

只有这两个可能，且任何一个都代表SSD可能很差劲。

确实如此，我的SSD速度测试，顺序读为300多MB/S，顺序写入不到20MB/S，4K也是不堪入目，是一个性能比HDD还糟糕的SSD。

另外我也用其他SSD用上面的方法检测过。也证明，我们通过看“ECC的运行历史/状况”可以大概了解到SSD主控和NANDFLASH的好坏，进而了解到这款SSD的好坏。

（但是由于ECC的版本不同，可能有的SSD在测试时无法看到“ECC的运行历史/状况”。大家不妨自己试试。）

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