尧云小课堂丨SSD异常掉电的数据保护方案（下）

随着近几年SCM（存储级内存）的快速发展，出现了多种新兴的非易失性高速存储器方案，如：3Dxpoint、MRAM、ReRAM、PCM等等。其为SSD的DRAM等易失性高速存储器掉电时无法保存数据的不足，提供了另外一种解决方案。通过引入非易失性高速存储器（简称：高速NVM），SSD可以将涉及异常掉电的数据安全的数据从DRAM转移到非易失性高速存储器，从而减少甚至取消原方案中的超级电容或电池提供备电。

另外，考虑到当前非易失性高速存储器的容量普遍偏小，非易失性高速存储器在盘内的实际应用可以采取与DRAM并用的方式实现，以取得成本和性能的平衡。

在SSD正常工作时，非易失性高速存储器和DRAM同时作为控制器的高速缓存被使用。当SSD出现异常掉电时，DRAM的数据由于掉电会被全部丢失，而非易失性高速存储器的数据则不需要做过多处理并且不会丢失。基于该特征，该方案中会将原方案中Write buffer、FTL mapping更新等用户数据和系统数据转移至非易失性高速存储器中存放，DRAM仅存放NAND中保存的用户数据和系统数据的cache副本（包括：部分的FTL mapping、Read buffer等）。具体如下图所示：

在该系统实现中，SSD不再需要特殊的异常掉电处理，而是通过良好的架构设计，就完全满足异常掉电的数据安全性和数据一致性。

针对主机的读写命令处理，非易失性高速存储器和DRAM分别作为Write Buffer和Read Buffer。主机的写命令摘要信息（包括命令的LBA和Length、Write Buffer位置、主机命令完成状态、Flash保存完成状态）也同样在非易失性高速存储器保存和更新。异常掉电发生时，非易失性高速存储器中有完整的未处理完成的写命令的用户数据和系统数据信息，可以在再次上电后，通过各条写命令的主机命令完成状态和Flash保存完成状态，继续不同的处理：

1、主机命令完成状态为否：该写命令未完成与主机的交互，并且还未向主机回应命令完成，直接做丢弃处理；

2、主机命令完成状态为是，Flash保存完成状态为否：继续完成该命令write buffer向Flash的写入操作，并生成对应的mapping更新信息；

3、主机命令完成状态为是，Flash保存完成状态为是：write buffer的数据已经完成Flash写入，仅需要恢复mapping更新信息。

主机的读命令处理不涉及SSD数据安全性和数据一致性，非易失性高速存储器仅主机读命令摘要信息，但在异常掉电发生后直接做丢弃处理。

针对FTL mapping处理，Flash存储完整的FTL mapping，非易失性高速存储器存储全部FTL mapping的更新信息，DRAM作为FTL mapping read/write cache使用。其主要处理包括：

1、SSD系统中主机读命令和GC等内部读命令所需要查询的FTL mapping，全部被load到DRAM中使用；

2、SSD系统中主机写命令和GC等内部写命令所产生的FTL mapping的更新信息全部存放在非易失性高速存储器存储；

3、当累积的FTL mapping的更新需要刷新到FTL mapping并保存时，需要使用DRAM作为program cache。其需要先将对应的FTL mapping load到DRAM中，并将其更新，然后再写入到Flash中。

4、在FTL mapping的更新信息成功写入Flash后，释放非易失性高速存储器存储对应的空间。

基于该方案，Flash和非易失性高速存储器中存储的用户数据和系统数据总和，都将是完整的。无论何时出现异常掉电导致DRAM数据丢失，均不会对数据安全和数据一致性产生问题。

异常掉电后再次启动时，SSD只需要检测并恢复到掉电前的处理状态，并继续按正常处理即可（继续主机写命令处理和FTL mapping更新处理）；不再需要像超级电容或者电池方案，额外对紧急存储的数据执行正常转存和更新处理。总体上，该方案可以大大减小异常掉电后再次启动的时间。

尧云科技在多款产品上进行了长期测试验证，提炼和总结出以下两个测试case，从不同维度对掉电保护功能进行验证：

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