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什么是異常斷電？為什么固態(tài)硬盤異常斷電可能會故障？由于意外停電、藍屏死機等原因?qū)е码娔X沒有正常完成關(guān)機就屬于斷電。強拔電源會丟失文件，這是大家都知道的知識。那么為什么固態(tài)硬盤更應(yīng)注意避免異常斷電呢？

異常斷電會增大固態(tài)硬盤發(fā)生故障的幾率，不僅僅是丟失尚未保存的文件，還有系統(tǒng)緩存內(nèi)尚未實際寫入到硬盤的數(shù)據(jù)，以及短暫儲存在固態(tài)硬盤DRAM緩存當中等待最終寫入NAND閃存的少量數(shù)據(jù)。極端情況下固態(tài)硬盤以前寫入的數(shù)據(jù)也會出錯，甚至整個固態(tài)硬盤會因此“變磚”——無法識別、無法使用、數(shù)據(jù)全毀。

固態(tài)硬盤異常斷電可能變磚是因為固態(tài)硬盤在內(nèi)部DRAM緩存中存儲了FTL表等維系固態(tài)硬盤正常工作所必須的元數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與用戶存儲讀寫的數(shù)據(jù)無關(guān)，但卻是固態(tài)硬盤維護自身正常運作所必需的，異常斷電會導(dǎo)致這些元數(shù)據(jù)丟失損壞。

FTL是由固態(tài)硬盤主控維護、存儲在固態(tài)硬盤DRAM緩存當中的一張?zhí)摂M關(guān)系對照表，其中記錄了邏輯LBA地址與實際閃存PBA地址的一一對應(yīng)關(guān)系。由于固態(tài)硬盤的工作機制與傳統(tǒng)機械硬盤截然不同，對于機械硬盤來說LBA地址會有一個固定的位置指向，而到了固態(tài)硬盤當中，數(shù)據(jù)寫入之后實際存儲在閃存的哪個位置是由固態(tài)硬盤主控決定的。最“原始”的斷電保護機制就是在恢復(fù)通電后爭取修復(fù)受損的FTL表，修復(fù)過程可能需要一定時間，所以才會有變磚后“通電三十分鐘閑置”的救急方法。

這種救急方法并非總能成功，所以減少故障的最佳方法還是避免異常斷電對固態(tài)硬盤造成傷害，于是就有了各種固態(tài)硬盤斷電保護機制的出現(xiàn)。

斷電保護機制

異常斷電保護有硬件級和固件級兩類。當前所有的固態(tài)硬盤在設(shè)計時其實都會有掉電保護機制，重點在于能否覆蓋所有可能發(fā)生的極端條件，以及保護機制自身是否會犯錯。

硬件級斷電保護需要有獨立的硬件電路，包括應(yīng)急供電用的電容、用于發(fā)現(xiàn)斷電并觸發(fā)保護機制的電壓監(jiān)視芯片等。下圖是OCZ Vector 180的拆解，圖中紅色聚合物電容就是斷電保護電容，此外還會有相應(yīng)的升降壓電路。

除了使用聚合物電容之外還有一些固態(tài)硬盤會使用電解電容，比如Intel 730：

硬件級斷電保護機制，通過電源穩(wěn)定偵測到斷電發(fā)生后，改用備用電容供電并立刻著手固態(tài)硬盤緩存內(nèi)重要FTL數(shù)據(jù)的刷新寫入。

可以看到，整個硬件級斷電保護機制當中，電容至關(guān)重要。

不管是聚合物電容還是電解電容，都是有使用壽命限制的，而且會隨著工作溫度的提升而加快失效，所以帶有硬件斷電保護電路的固態(tài)硬盤都會有一個安全使用年限，一旦電容失效，不但不能保護固態(tài)硬盤，反而會因為斷電時保護邏輯無法生效而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失風險。

除了硬件級斷電保護之外，其實現(xiàn)在各家固態(tài)硬盤廠商也都開發(fā)了各自的固件級斷電保護策略，比如下圖中的東芝Q300Pro，PCB上并沒有碩大的聚合物電容或是電解電容，但一樣具備斷電保護能力。

斷電過程是瞬間的，但電壓并不會直接變零，而是有一個急劇下降的過程。在不添加保護電容的情況下，固態(tài)硬盤也可以通過定制版主控或獨立的電壓監(jiān)控芯片時刻監(jiān)視供電情況，一旦發(fā)生電壓下降會在毫秒級時間內(nèi)觸發(fā)斷電保護應(yīng)急機制：馬上停止用戶數(shù)據(jù)的接受和寫入，立刻將FTL映射表等對固態(tài)硬盤正常工作至關(guān)重要的元數(shù)據(jù)寫入到NAND閃存當中。這樣在下次再通電的時候，固態(tài)硬盤就無需面對FTL損壞、Page寫入錯亂等一團糟的局面。

而另外一些有DRAM外置緩存的固態(tài)硬盤，同樣宣稱支持固件級的斷電保護機制，他們是如何做到的呢？以東芝的固態(tài)硬盤為例，Q300使用了以PHISON PS3110為基礎(chǔ)定制的主控。

下面看看PS3110都針對異常斷電制定了哪些保護機制。

PS3110的斷電保護機制包括SmartFlush與GuaranteedFlush兩部分。SmartFlush主要是被動防御，盡可能縮短數(shù)據(jù)在固態(tài)硬盤DRAM緩存當中停留的時間，加快將他們寫入到閃存中安全的保存起來；GuaranteedFlush則是主動保護FTL表等元數(shù)據(jù)的安全，定期保留多份FTL表的備份存儲到閃存當中，以便在供電恢復(fù)后修復(fù)使用。

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