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运用nvSRAM 维持企业级SSD于电源故障时的可靠性
 

【作者: Pramodh Prakash】2013年10月04日 星期五

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固态硬盘技术简介

固态硬盘(Solid State Drives,简称SSD)是一种能永久储存数据的装置,采用固态半导体的内存,如闪存(NAND Flash),有别于传统硬盘机(HDD)所使用的磁性材料。由于可随机存取数据且无须像硬盘机得仰赖读/写头才能和旋转中的盘片进行同步的特性,使得固态硬盘拥有更快的输入/输出(I/O)效能。此外,传统硬盘的磁头要移至盘片上数据所在的扇区位置,也得花掉数毫秒的时间。


固态硬盘的基本架构包含固态硬盘控制器/处理器、内存控制器、接口控制器、闪存芯片、同步动态随机存取内存(SDRAM)、及接口链接器。


固态硬盘没有移动式零件且近似传统硬盘,因为两者的尺吋规格相同,并支持各种标准硬盘机接口,如序列先进附加技术(SATA)、序列式SCSI(SAS)、及光纤信道(FC)等。由于没有移动式零件,使其能有更长的运转寿命,以达到更高的可靠度。固态硬盘的另一项优势就是耗电远低于传统硬盘。


随着内存容量的增加且价格越来越便宜,固态硬盘逐件取代传统硬盘的使用。由于固态硬盘速度更快,每单位IOPS(每秒输入/输出作业)的成本也远远低于传统硬盘。长期下来以每Gigabyte(GB)成本来看,固态硬盘将更具成本效益。许多分析师预测固态硬盘的价位未来可望持续稳定下滑,各个市场的使用率亦将陆续增加。


企业级固态硬盘

企业级固态硬盘是现今最高阶的非挥发储存装置,其储存技术在读/写效能、散热、及能源消耗等方面比传统硬盘更胜一筹。企业级应用能从固态硬盘发挥许多显著的效益,用来作为储存网络加速器,其中包括银行与金融应用、在线事务处理、前端网页服务器、搜索引擎、简讯、及高效能运算等领域。


企业级固态硬盘与传统硬盘皆有接脚兼容性并支持各种标准磁盘接口,因此能安装在绝大多数的服务器平台及目前使用企业级硬盘的磁盘阵列。


企业级储存装置的主要效能标准,是依据IOPS的随机读取或写入速度(见图1所示)。



图一 : 表1:数据源: http://en.wikipedia.org/wiki/IOPS
图一 : 表1:数据源: http://en.wikipedia.org/wiki/IOPS

企业级固态硬盘提供中等至高等的容量,并支持各种储存效能与可靠性规范。专门锁定企业级储存市场,用来提供应用加速机制。


图2 显示SATA企业级固态硬盘的基本模块图。其他接口还包括与传统硬盘兼容的序列式SCSI(SAS)、光纤信道(FC)及PCIe。



图二 : 企业级固态硬盘的基本方块图
图二 : 企业级固态硬盘的基本方块图

以下将探讨企业级固态硬盘采用SDRAM快取的必要性,以及在断电时,运用目前超级电容或整排钽质电容架构,备份SDRAM快取数据的关键部分,如图1所示。此外,亦将探讨此实作方式的可靠性,及运用非挥发内存解决方案(nvSRAM)作为更胜一筹的替代方案。


采用SDRAM快取的必要性

NAND flash闪存是企业级固态硬盘中的基本储存组件。由于本身架构的因素,NAND flash闪存的主要限制是读取速度无法跟上企业级储存系统的数据传输速度。


也就是说,数据传输速度超过NAND flash闪存的写入速度,因此企业级固态硬盘可利用高速数据快取改进写入效能。企业级固态硬盘通常使用SDRAM作为快取,以存放与处理从储存系统控制器所收到的部分数据。


此外,SDRAM中存放一份企业级固态硬盘元数据(metadata)的复本,其中部分必须根据元数据被写入数据的相对应扇区位置进行修改。元数据通常包含平均抹写、错误修正、转译表、实体/逻辑地址地图、文件分配表等信息。其中,每份档案都须进行多次写入作业,而元数据的需求会随着企业级固态硬盘的容量一起提升。


SDRAM快取数据与元数据的断电备份

在企业级储存系统进行数据传输作业,例如于企业级固态硬盘闪存中读取或写入位置,从电源供应系统一直到所有涉及的组件,包括储存系统主控端、固态硬盘控制器、SDRAM快取、及闪存,都必须维持高效率的运作以确保成功的交易。然而,电子系统往往容易受各种电力中断事件的影响,包括电压尖波、断电、突波、电压下降等,可能导致以下数据流失或毁损:


  • ‧快取数据正传送至闪存


  • ‧元数据



当企业级固态硬盘向储存系统控制器回报已将数据「通报已写入到NAND flash闪存」时,就不允许发生数据流失。企业级SAS/SATA市场有一项热插入规范,即不论在任何时刻都不允许「回报已储存(committed)」的数据发生流失,包括电力忽然中断的状况与操作人员疏失,在热插入维护作业时拔出错误的磁盘。


企业级固态硬盘控制器向储存系统控制器回报接收数据状态的机制有两种:当数据真正已写入媒体之后,企业级固态硬盘再回报已写入的「秉实回报(write-thru)」模式,在这种模式中,企业级固态硬盘控制器会等到数据与修改后的元数据已真正安全存入闪存后,才会向储存系统控制器回报写入完成(committed)。


另一种作业模式就是在尚未实际存放,企业及固态硬盘就回报已完成的「提前回报(write-back)」模式,在某些数据串流与/或相对应的已修改元数据,实际上尚未「通报写入」到快取,却向储存系统控制器回报为「已写入(committed)」。


当发生电源故障事件时,任何向储存系统控制器回报为 「已写入」的数据,都必须立即储存至非挥发内存中。企业级固态硬盘的快取所存放的任何其他数据,一律假设在断电时都会流失。提前回报模式让随机IOPS的效能远远超越秉实回报模式,是高度随机写入式IOPS碟机的优先选择模式。


为确保提前回报型产品能顺畅运作,业者在企业级固态硬盘加入电源故障侦测电路,以监视电压,在电压下降至默认门坎值之下时,即向固态硬盘控制器发送讯号。系统中会建置一个辅助电压维持电路,以确保储存装置有足够的电力来备份SDRAM快取数据。


当电力失效时,辅助电压来源就会提供所需的能源让系统撑过作业时间,将内容从SDRAM传送到闪存。图3是企业级固态硬盘中典型电源故障侦测电路的模块图。


辅助电压源可以是一个高容量超级电容或整排分立式钽质电容。



图三 : 典型电源故障侦测电路的方块图
图三 : 典型电源故障侦测电路的方块图

超级电容

超级电容亦称为超电容或电双层电容(EDLC),这种电容的能源密度远高于市面上其他种类电容,在许多电池备援应用中作为取代电池的可靠方案。


然而,超级电容存在许多可靠性问题,如长期可靠性方面存在许多不足之处,类似铝电极电容。超级电容的使用寿命有限,因为电极经过长时间使用与组件运作温度等因素逐渐消耗,导致组件损耗。超级电容的性能会随着电极消耗而下滑,最终在没有显著征兆,甚至完全无前兆的情况下完全失效。此外,运作电压和运作与非运作温度越高,电极的消耗率也越高。周围运作温度每增加摄氏10度,超级电容的使用寿命就会减半。


超级电容的失效模式包括:


  • ‧因电极分解导致压力过高,进而造成外壳破口(opening)


  • ‧电压与温度导致在外壳内部产生一股气压,并随时间逐渐升高。当压力到达极限时,外壳上的沟槽就会产生细微破口。



当长时间在高温环境下运作,电极的水份就会蒸发,进而导致等效串联电阻(ESR)增高。最根本的失效情况是破口随着ESR提高同时出现。


所有超级电容都附有类似这样的警语:当使用这些电容时,设计中应加入适当的安全措施,如冗余配置与各种保护措施。


整排分立电容

整排的分立电容提供一种更可靠的替代方案,但须更小心的设计。采用分立电容的电压维持电路,以并联方式加入一排分立电容。分立电容可采用铝质电容、钽质电容、或铌质电容。由于少了超级电容的紧致性,分立式解决方案的电容-尺吋比导致这类组件会占用可观的电路板空间。钽质电容亦对短路与各种烟失效(smoking failure)机制敏感。


非挥发内存解决方案

非挥发内存(nvSRAM)对企业级固态硬盘的价值主张就是完全不用或尽量减少超级电容或整排分立电容,以及可靠地备份传输中的SDRAM快取数据与元数据,采用单芯片、无电池、非挥发的RAM技术。以下简单介绍非挥发内存的运作方式,然后再探讨在企业级固态硬盘中使用非挥发内存组件的细节。


非挥发静态随机存取内存(nvSRAM)

非挥发内存将两种CMOS技术结合在一个组件,亦即SRAM与SONOS非挥发技术。在正常的系统启动条件下,非挥发内存的作用和传统SRAM没有两样。IC中的SRAM部分以高达20奈秒的访问速度执行随机存取式读/写动作,过程中采用标准的异步SRAM讯号与时序。


一旦发生供电异常或中断,芯片中的智能功能会侦测出威胁,并自动把SRAM数据复制到非挥发内存,在这类内存中数据会储存超过20年之久。在启动电源进行RECALL回复作业时,IC会把数据复制到SRAM,系统就能精准地从关闭前一刻的状态接续运行,提供永远不会流失数据的高速SRAM。最新的高密度(16Mb)非挥发内存亦提供高带宽的DDR NAND Flash(ONFI 3.0/Toggle 2.0)接口。


SRAM与非挥发数组组件内部之间的传输属于完全平行式(cell对cell),因此STORE储存作业能在8微秒内完成,速度快到用户感觉不到任何停顿。这类IC还提供由用户控制的软件STORE与RECALL启动指令,大多数版本还提供由用户控制的硬件STORE启动指令。


非挥发内存是一种高度可靠的产品,采用成熟的CMOS与SONOS制程进行量产。此外,在许多应用领域至今已累积超过20年的历史,其中包括军事、商业、储存、医疗、及各种工业应用。


图4是非挥发内存的概念,将高速SRAM组件与非挥发组件整合在同一单元(cell)中。图5是非挥发内存的单元结构。



图四 : 非挥发内存概念
图四 : 非挥发内存概念

图五 : 非挥内存单元
图五 : 非挥内存单元

非挥发内存 – 企业级固态硬盘的异步解决方案

图6是将异步非挥发内存,作为非挥发缓冲区,在电力中断时,为企业级固态硬盘的数据流与元数据提供紧急储存空间。图6中的VCAP电容提供STORE作业所需的电力,将数据从SRAM移到非挥发单元。VCAP是一个标准电容,容量约50 μF(详细数据请参阅产品规格表)。



图六 : 企业级固态硬盘异步非挥发内存解决方案
图六 : 企业级固态硬盘异步非挥发内存解决方案

对于许多新设计而言,现今市售的异步非挥发内存密度从256 kbit至8 Mbit皆有提供,16 Mbit的组件于2012年问市。


非挥发内存–企业级固态硬盘的同步型解决方案

图7是针对企业级固态硬盘设计的非挥发内存组件,这类组件采用新型同步式高带宽(最高达12.8 Gbps)NAND接口的非挥发内存。这些组件将推出16-Mbit的密度,目前已开始送样,预计于2013年第1季开始量产。



图七 : 业级固态硬盘专属的同步式非挥发内存解决方案
图七 : 业级固态硬盘专属的同步式非挥发内存解决方案

如前文所述,运用一个超级电容或整排的分立钽质电容作为辅助的电压来源,在供电中断时提供所需的能源,让系统把数据从SDRAM传送到闪存。


在电力中断时把数据从高速挥发性内存传送到非挥发内存的作法,采用的概念和Cypress在20年前发表非挥发内存时的概念相同。两者的差别在于Cypress的非挥发内存内含电力侦测、数据传输管理、高速挥发内存、及非挥发内存等组件,并全部整合在一颗IC内。


数据传输作业全程在内存单元内部完成,耗费的时间相同,耗电极低,仅数毫秒就完成。另外,SDRAM至闪存之间的传输,是利用高功率I/O管道在系统层级中进行,不仅会很快耗尽大型电容所积蓄的电力,耗费的时间也大幅增加。


企业级固态硬盘架构中的控制器亦支持透过高速同步式NAND接口,链接到闪存(ONFI 3.0与Toggle DDR 2.0)组件。


Cypress经过长时间考验的非挥发内存核心技术能支持高速同步式NAND接口,搭配业界标准的ONFI 3.0/Toggle 2.0接口,为企业级固态硬盘制造商提供一个高效能的同步式非挥发内存解决方案。这种新型非挥发内存能直接置入闪存总线,作为储存关键非挥发数据的内存空间(如图6所示)。


新型非挥发内存接口刻意设计成为开放性标准,并采用标准化的指令与标准设计时序。这样的作法可尽量省掉或完全不用超级电容/整排钽质电容与数据传输逻辑组件,大幅缩短企业级固态硬盘系统的备份时间,还可解决电容备份解决方案的可靠性问题。


企业级固态硬盘在面临供电中断时,必须要能可靠且快速地备份正在传输中的关键数据与元数据。然而,目前的电容备份解决方案仍存有许多严重的可靠性问题。


本文所探讨的异步非挥发内存解决方案与同步式非挥发内存,能直接置于闪存总线之上。非挥发内存能可靠且快速地备份关键的企业级固态硬盘数据,同时消除超级电容与整排钽质电容在可靠性方面的顾虑。


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