常见企业级SSD故障电源可靠性分析详解

　　SSD技术概览

　　固态驱动器(SSD)是采用固态半导体存储器(如NAND闪存)而非传统硬盘驱动器(HDD)中磁性元件来永久存储信息的一种数据存储设备。由于数据可随机存取，不像HDD那样受磁盘转动和读写磁头同步的影响，因此能加快SSD的输入/输出(I/O)性能。此外，HDD移动磁头到准确位置也要花上几毫秒。

　　SSD的基本架构包括SSD控制器/处理器、存储器控制器、接口控制器、NAND闪存存储器器件组、SDRAM缓存和接口连接器。

　　SSD没有移动部件，大小与HDD相仿，而且支持标准的HDD接口，包括串行高级技术附件(SATA)、串行连接SCSI(SAS)、光纤通道(FC)等。由于不采用移动部件，因此SSD在更长的工作时间内能保持更高的可靠性。

　　SSD还有一大优势，就是相对于HDD而言能显着降低功耗。随着存储器容量的提升和价格的下降，SSD越来越成为富有吸引力的HDD替代方案。由于SSD速度更快，因此单位IOPS(每秒输入/输出操作)的成本低得多。随着时间的推移，SSD在单位存储容量(每千兆字节)的成本方面也体现出更高的优势。分析人士预测SSD价格将继续稳步下降，从而进一步推进该技术在不同细分市场中的应用。

　　企业级SSD

　　企业级SSD是当前非易失性存储的最高级别，在读写性能、散热和能耗方面都较其它HDD替代方案有了长足的进步。SSD作为存储网络加速器可让企业应用大受裨益，其中包括银行和金融应用、在线事务处理、前端Web服务器、搜索引擎、信息传递和高性能计算等。

　　由于企业级SSD与HDD插件兼容并支持标准的磁盘接口，因此能安装在当前使用企业HDD的大多数服务器平台和磁盘阵列中。面向企业级存储设备的主要性能参数是随机读写IOPS(见表1)。

　　表1

　　企业级SSD可提供大容量存储空间、高性能和高可靠性等规范，专门面向企业存储市场，用于支持应用加速。

　　图1显示了SATA接口企业级SSD的基本方框图。其它可用接口还包括与HDD相兼容的串行连接SCSI(SAS)、光纤通道(FC)和PCIe等。

　　图1:企业级SSD基本方框图

　　以下各节将探讨企业级SSD对SDRAM缓存的需求以及采用超级电容或钽电容组在断电时备份SDRAM缓存数据关键部分的当前架构，如图1所示。此外，我们还将讨论这种实施方案的可靠性问题，并探讨非易失性存储器解决方案(nvSRAM)作为出色替代方案的使用问题。

　　对于SDRAM缓存的需求

　　NAND闪存存储器是企业级SSD的基本存储元件。由于架构问题，NAND闪存存储器的主要局限性在于其写入速度无法匹配企业存储系统的数据传输速度要求。由于数据传输速度超过了NAND闪存的写入速度，因此企业级SSD的写入性能可通过高速数据缓存加以提高。企业级SSD通常采用SDRAM作为缓存，保存并处理从存储系统控制器接收到的数据流有关部分。此外，SDRAM也可保存企业级SSD元数据的工作副本，其中一部分必须根据用于写入数据的块的分配情况加以修改。元数据通常包括平均抹写储存区块(wear leveling)、错误校正、转换表、物理/逻辑地址映射、文件分配表等信息，并且需要每个文件的多次写入操作。元数据要求随着企业级SSD容量的增长而增长。

　　SDRAM缓存数据和元数据的电源故障备份

　　在企业存储系统的数据传输操作中，比如说读写企业级SSD闪存存储器的某个位置，包括存储系统主机、SSD控制器、SDRAM缓存和NAND闪存存储器等所有相关元件的电源系统必须有效工作，从而确保成功的事务处理。但是，电子系统很容易受到电压峰值、断电、浪涌、限电等供电中断问题的影响，这可能导致潜在的数据丢失或损坏：

　　●传输到闪存存储器的缓存数据

　　●元数据

　　企业级SSD不能丢失已向存储系统控制器报告为“提交给NAND闪存”的数据。企业级SAS/SATA市场制定了热插拔规范，要求任何时候都不能丢失“被提交”的数据，即使是突然断电也不行。比如说热插拔维护环节中操作人员误操作卸下了错误的驱动器。

　　企业级SSD控制器向存储系统控制器报告数据接收状态有两种机制。企业级SSD可工作在“写通”模式下，也就是说只有在数据和修改的元数据安全地“提交”到NAND闪存存储器时，企业级SSD控制器才会通知存储系统控制器数据和修改的元数据已经“被提交”.

　　此外，企业级SSD也能工作在“回写”模式下，也就是某些数据流和/或相应修改的元数据还没有“提交”到闪存，但已经向存储系统控制器报告为“被提交”.任何向存储系统控制器报告为“被提交”的数据在电源故障情况下都应确保非易失性。企业级SSD缓存中的任何其它数据在电源故障情况下假定为丢失。“回写”模式相对于“写通”模式而言能大幅提升随机IOPS性能，因此更受高随机IOPS驱动器的青睐。

　　为了确保“回写”实施方案的正常运行，企业级SSD采用电源故障检测电路监控电源电压，如果电压降到预设阈值以下，就发送信号给SSD控制器。此外，我们还实施了二级电压保持电路，确保驱动器在足够长的时间内有足够的电力，能支持SDRAM缓存数据的备份。当电源中断时，二级电压源在所需的持续时间内提供所需的电力，从而从SDRAM向NAND闪存传输内容。以下图2显示了用于企业级SSD的典型电源故障检测电路方框图。

　　二级电压源可以是高容量超级电容，也可以是一组分立钽电容。

　　超级电容

　　超级电容器(supercapacitor或ultracapacitor,抑或为双电层电容器EDLC)是相对于任何其它可用电容类型能够显着提高能量密度的电容，并且可作为电池备份应用中可靠的电池替代产品。

　　但是，超级电容器存在可靠性问题，已知其在长期可靠性方面存在不足，这一点跟铝电解电容器比较相像。超级电容器的使用寿命有限，因为经过一段时间在工作温度下电解质会从元件挥发，从而造成元件磨损。超级电容器的性能会随着电解质的损失而逐渐下降，最后几乎没有什么警告甚至毫无警告就会彻底失效。此外，工作电压越高、工作和非工作温度环境越差，电解质损失率也就越高。环境工作温度每升高10℃，超级电容器的预期使用寿命就要削减大约一半。

　　超级电容器故障模式包括：

　　●电化学分解压力过大造成单元开裂。

　　●电压和温度在单元内部生成气压，随时间推移慢慢增大，压力达到一定极限，就会造成机械扩散通常是外壳槽开裂。

　　长期在较高工作温度下使用，电解质的水分蒸发，等效串联电阻(ESR)会增加。基本故障模式就是ESR增加的开裂模式。所有超级电容器都带有警告信息：“使用此电容器时应在设计中采用适当的安全措施，包括冗余和保护措施等。”

　　分立电容器

　　分立电容器组可提供更可靠的选择，但需要更小心的设计。基于分立电容器的保持电路采用并行连接的分立电容器组。所用的分立电容器可以是铝电容、钽电容或铌电容。它不像超级电容那么小型化，分立解决方案的电容尺寸比会占据大量板卡空间。此外，我们知道钽电容对短路和冒烟故障比较敏感。

　　nvSRAM解决方案

　　非易失性SRAM(nvSRAM)对于企业级SSD的优势在于能无需使用或尽可能少用超级电容或分立电容组，并能通过单芯片的免电池非易失性RAM技术就能为传输中的SDRAM缓存数据和元数据可靠备份。以下简要介绍nvSRAM的工作，随后将介绍在企业级SSD中采用nvSRAM器件的具体细节。

　　非易失性SRAM（nvSRAM）

　　nvSRAM在单个器件中完美结合了两大CMOS技术：SRAM和SONOS非易失性技术。在正常加电系统工作条件下，nvSRAM就像传统SRAM一样工作。IC的SRAM部分以高达20ns的存取时间进行读写，采用标准的异步SRAM信号和时序。如果出现电源故障，那么芯片可智能检测到威胁，并自动将SRAM数据副本保存在非易失性存储器中，而且能保持20年以上不改变。加电RECALL后，IC将数据副本返回到SRAM中，系统就能刚好从上次停止的地方重新开始工作，从而确保快速SRAM绝不会丢失数据。此外，最新高密度(16Mb)nvSRAM还支持高带宽DDR NAND闪存(ONFI 3.0/Toggle 2.0)接口。

　　SRAM和内部非易失性阵列之间的传输完全并行(单元对单元)，这就能在8ms乃至更少时间内完成STORE操作，用户根本毫无感觉。该IC系列的大多数版本还为用户提供可控的软件STORE和RECALL启动命令以及用户可控的硬件STORE启动命令。

　　nvSRAM是高度可靠的产品，采用业经验证的大容量CMOS + SONOS工艺。此外，它在军事、商业、存储、医疗和工业应用中也有着20多年的历史。

　　图3显示了nvSRAM的概念，它将快速SRAM元件和非易失性元件在单个单元中整合在一起。图4显示了nvSRAM的单元结构。

　　图3:nvSRAM概念

　　图4:nvSRAM单元

　　非易失性SRAM--用于企业级SSD的异步解决方案

　　图5显示了企业级SSD数据流和元数据断电需要备份时用作非易失性缓存的异步nvSRAM.图5所示的VCAP电容可为STORE循环(将数据从SRAM移动到非易失性单元)进行供电。VCAP是大约50 μF的标准电容(详见数据表)。

 

　　图5:企业级SSD异步nvSRAM解决方案

　　对于新设计而言，当前可用的异步nvSRAM器件密度在256-kbit到8-Mbit之间，2012年还推出了16-Mbit的器件。

　　非易失性SRAM--用于企业级SSD的同步解决方案

　　图6显示了用于企业级SSD的非易失性SRAM器件，其基于全新同步高带宽(最高12.8Gbps)NAND接口nvSRAM.这种器件密度将达16-Mbit,目前已经推出样片，预计于2013年第一季度投入量产。

　　图6:企业级SSD同步nvSRAM解决方案

　　如前所述，超级电容或分立钽电容组可用作为断电时从SDRAM向NAND闪存传输数据提供所需电力的二级电压供电源。断电时从快速易失性存储器向非易失性存储器传输的理念与20年前赛普拉斯发明的nvSRAM理念相同，差别在于赛普拉斯nvSRAM在统一的单片IC中包含了电源检测、数据传输管理、快速易失性存储器和非易失性存储器等。数据传输在所有存储器单元中完成，同时耗电极低，时间也只有几毫秒。而SDRAM到闪存的传输在系统级进行，采用高功率I/O连接，这会很快消耗掉大型电容中的电量，而且完成时间也长得多。

　　此外，企业级SSD架构中的SSD控制器也支持高速同步NAND到NAND闪存器件的接口(ONFI 3.0、Toggle DDR 2.0)。高速同步NAND接口目前得到久经考验的nvSRAM核心技术支持，采用业界标准的ONFI 3.0/Toggle 2.0接口，可为企业级SSD厂商提供高性能的同步非易失性存储器解决方案。全新nvSRAM可直接放在NAND闪存总线上，成为关键非易失性数据的有源存储器空间(见图6)。全新nvSRAM接口的设计支持开放式标准，将采用标准指令和标准信号时序。这种方法不再需要或者能尽可能少需要超级电容或钽电容组以及数据传输逻辑，从而大幅缩短企业级SSD系统的断电备份时间。此外，这也消除了电容备份解决方案相关的可靠性问题。

　　企业级SSD断电时需要快速可靠的关键数据流和元数据备份。当前的电容备份解决方案存在严重的可靠性问题。本文分析了异步nvSRAM解决方案，并介绍了放在NAND闪存总线上的同步nvSRAM.nvSRAM可提供快速可靠的关键企业级SSD数据备份功能，从而消除了超级电容和钽电容组在此过程中的可靠性问题。