eMMC 生命周期預估、驗證和監控

eMMC 生命周期預估、驗證和監控

NAND 閃存不是簡單的讀/寫數據介質。為提高使用的可靠性，應實施多種算法：NAND 塊管理、碎片收集、錯誤控制和損耗均衡。現代 NAND 閃存使用存儲設備上的算法管理，而不是在主機處理器中實施管理。這對其用戶來說屬于優點，因為減少了 NAND 管理的復雜性，簡化了產品支持和維護。

主機寫入 NAND 閃存的效率低，可能造成介質提早失敗。NAND 最小的組織單位是頁，可以讀取和編程，但不能擦除。可以擦除的唯一組織單位是塊，它包含多個頁面。因此，在塊被擦除之前不能覆蓋頁面。隨著時間的過去，塊在到達其耐力水平后就會失敗。也可能發生導致提早失敗的缺陷。

NAND 閃存提供有限的編程-擦除循環。達到該限制便意味著設備處于 EoL 狀態，從而不再可靠。耐久性根據 NAND 單元的配置而有所不同。

單級單元配置：此設置的耐久性最高，誤差幅度最大。

eMMC 讀取和寫入 512 字節扇區單元，這是邏輯單元，而非物理單元。扇區地址稱為邏輯塊地址或 LBA。當修改數據時，擦除整個 NAND 塊不切實際，會造成未更改的頁面出現低效的損耗。LBA-PBA（物理塊地址）映射架構提供更小的寫入來均衡塊損耗，稱之為“損耗均衡”。LBA 通過地址轉換表映射至 PBA。此過程會均衡塊損耗，提高寫入速度。

地址映射的過程如下所示：

·       eMMC 扇區是 512 字節，而 NAND 頁面是 16kb。映射表A將 32 個連續扇區地址組成一個頁面大小的單元。

·       如果修改頁面組中的扇區，控制器將讀取該頁面的整個組，更新任何修改的扇區，然后將新數據編程回新頁面。

·       在編程更新的頁面之后，表會更新，以更新的 NAND 頁面的塊和頁面地址覆蓋之前的條目。

·       即使只修改一個扇區，NAND 閃存也必須編程整個頁面。這種低效稱為“寫入放大”。NAND 閃存寫入與 eMMC 設備級寫入的比率是 WAF（寫入放大因子）。

小幅、隨機、非頁面對齊的重寫通常是寫入放大的最大來源。為盡可能減小 WAF，寫入應在多個頁面大小單元的頁面邊界對齊。此最佳單元大小在擴展 CSD 寄存器的“最佳寫入大小”字段中。

用于確定寫入總字節數（或 TBW）的公式簡單易懂：

(設備容量 * 耐久因子) / WAF = TBW

通常，WAF 介于 4 與 8 之間，但取決于主機系統寫入行為。例如，大型連續寫入會產生較低 WAF，而小數據塊的隨機寫入會產生較高 WAF。這種行為通常會導致存儲設備提早失敗。

例如，耐久因子為 3000 WAF 為 8 的 4GB eMMC 等于：

(4GB * 3000) / 8 = 1.5TB

eMMC 設備的寫入總字節數為 1.5TB。因此，我們可在產品達到 EoL 狀態之前的整個生命周期寫入 1.5TB 數據。

要預估您的 TBW 要求，請先預估相關設備的每日使用量。例如，每天寫入 500MB（預期 5 年使用壽命）的工作需要一部 TBW 超過 915GB 的設備：

0.5GB * 365 = ~每年 183GB，或 5 年 915GB

TBW 可用于確定設備的最大允許 WAF，因為 TBW = (DC * EF) / WAF。如果設備使用壽命不能達到產品應用的目標 TBW，您可以嘗試改進其性能。考慮使其進入 Pseudo Single Level Cell（偽單級單元）模式，通過將設備從 TLC 或 MLC 轉換為每單元一位模式，使耐久性提高十倍。但這會大幅減少容量：每單元兩位 MLC 設備會減少 50%，三位 TLC 設備則減少超過 66%。如果您對此解決方案不滿意，也可以選擇更大的設備來處理同樣的工作。設備容量提高一倍，TBW 也會增大一倍。