NAND Flash 寿命算法——Wear leveling

由于闪存的可擦写次数是有限的，当某些数据被频繁修改时容易导致对应的块很快被耗尽使用寿命，从而导致整块盘无法使用，所以需要有一种技术来将这些块的擦写均摊一下，延长使用寿命。

首先看几个相关的基本概念：

因为闪存不能覆盖写，如果要修改已有的数据需要将原有的数据擦除再写入新的数据。

被频繁修改的数据很烫，叫做热数据

而写入以后就很少修改的数据无人问津就像打入了冷宫一样，叫做冷数据。

写入的最小单位叫做page，大小为 512 – 4,096 bytes

擦除（erase）的最小单位是block，包含多个page（一般为128个）

一次对磁盘完整的写入或擦除叫做一个PE cycle（Program/Erase Cycle），PE cycle表示了盘的寿命，是一个有限的值，比如3000. 注意，一个PE cycle是对整块盘的擦写来写来计算的，不是一个block的擦写。

已擦写次数较少的block，还很年轻，生命力强，所以叫做Young block。相对的 Old block就是已擦写次数较多的block，剩下的次数不多了。

NAND FLASH LAYOUT, 注意page和block就行了

闪存又贵还擦写次数那么有限的，这还怎么玩？于是有了Wear Leveling这样的技术通过磨损均衡来延长闪存的寿命。

无模糊均衡和有磨损均衡的对比

在没有wear leveling的情况下，某些block很可能会被频繁的反复擦写，最终报废，降低了闪存的寿命。Wear Leveling技术就是将擦写操作均摊到各个block，以防止某些block被提前耗尽使用寿命。

Wear Leveling技术按算法分为动态和静态，按作为域分为本地和全局：

1. Dynamic Wear Leveling 动态磨损均衡

当需要覆盖写的时候，新的数据写到free的page上，而旧的数据被标记为invalid，等待垃圾回收擦除。

动态磨损均衡示意图

从上图中可以看出2nd WRITE失去改写LBA#6的数据，被写到了新分配的page并不是直接在原page上做修改。3rd WRITE也是同理，到Nth WRITE,数据已经被改写了N次，但是垃圾回收还没有发生，所以有很多的Invalid page。

对比上图垃圾回收的左右两个图，可以看到垃圾回收把Invalid的page都擦除了，而且数据LBA#6也被搬移到了新的block。这是因为就像开头说的，闪存擦除的最小单位是block，所以当block中有用户数据的时候是需要迁移的。

弊端：动态磨损均衡有一个明显的弊端是，当一个数据是冷数据，放在那里N久都没被修改的情况下，他所占用的block擦写次数很少，但是又不能拿来做磨损均衡。

2. Static Wear Leveling 静态磨损均衡

Static Wear Leveling 会把所有block包括没被写入和包含冷数据的block都纳入到磨损均衡中。如果冷数据是在擦写次数少的young block中，会把数据迁移到擦写次数较多的old block中。这样young block就可以放到free block池中接收新数据的写入。

静态磨损均衡示意图

动态和静态对比：

动态和静态模糊均衡对比表格

动态和静态磨损均衡作用范围对比

3. Global Wear Leveling 全局磨损均衡

动态和静态磨损均衡按照作用范围都可以分为本地和全局磨损均衡。本地(Local)，只是在当前盘中均衡，而全局（Global）能够将系统中所有盘纳入均衡。

本地模糊均衡示意图

如上图，在local均衡的情况下，虽然右边的盘仍然有可用的block，但是左边的盘由于坏块太多已经进入了写保护。

全局模糊均衡示意图

同样的情况，在全局磨损均衡下，盘为统一管理，可以使用右盘的备用block替换，避免了左盘进入写保护。

静态+全局磨损均衡虽然设计更为复杂，系统开销更大，但是能对磁盘达到更好的保护，因此也是主流全闪存存储的实现方式。