采用nvSRAM確保企業(yè)級(jí)SSD故障時(shí)電源可靠性

SSD技術(shù)概覽

固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）是采用固態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（如NAND閃存）而非傳統(tǒng)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD）中磁性元件來(lái)永久存儲(chǔ)信息的一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。由于數(shù)據(jù)可隨機(jī)存取，不像HDD那樣受磁盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)和讀寫(xiě)磁頭同步的影響，因此能加快SSD的輸入/輸出（I/O）性能。此外，HDD移動(dòng)磁頭到準(zhǔn)確位置也要花上幾毫秒。

SSD的基本架構(gòu)包括SSD控制器/處理器、存儲(chǔ)器控制器、接口控制器、NAND閃存存儲(chǔ)器器件組、SDRAM緩存和接口連接器。

SSD沒(méi)有移動(dòng)部件，大小與HDD相仿，而且支持標(biāo)準(zhǔn)的HDD接口，包括串行高級(jí)技術(shù)附件（SATA）、串行連接SCSI（SAS）、光纖通道（FC）等。由于不采用移動(dòng)部件，因此SSD在更長(zhǎng)的工作時(shí)間內(nèi)能保持更高的可靠性。

SSD還有一大優(yōu)勢(shì)，就是相對(duì)于HDD而言能顯著降低功耗。隨著存儲(chǔ)器容量的提升和價(jià)格的下降，SSD越來(lái)越成為富有吸引力的HDD替代方案。由于SSD速度更快，因此單位IOPS（每秒輸入/輸出操作）的成本低得多。隨著時(shí)間的推移，SSD在單位存儲(chǔ)容量（每千兆字節(jié)）的成本方面也體現(xiàn)出更高的優(yōu)勢(shì)。分析人士預(yù)測(cè)SSD價(jià)格將繼續(xù)穩(wěn)步下降，從而進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)在不同細(xì)分市場(chǎng)中的應(yīng)用。

企業(yè)級(jí)SSD

企業(yè)級(jí)SSD是當(dāng)前非易失性存儲(chǔ)的最高級(jí)別，在讀寫(xiě)性能、散熱和能耗方面都較其它HDD替代方案有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。SSD作為存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)加速器可讓企業(yè)應(yīng)用大受裨益，其中包括銀行和金融應(yīng)用、在線事務(wù)處理、前端Web服務(wù)器、搜索引擎、信息傳遞和高性能計(jì)算等。

由于企業(yè)級(jí)SSD與HDD插件兼容并支持標(biāo)準(zhǔn)的磁盤(pán)接口，因此能安裝在當(dāng)前使用企業(yè)HDD的大多數(shù)服務(wù)器平臺(tái)和磁盤(pán)陣列中。面向企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備的主要性能參數(shù)是隨機(jī)讀寫(xiě)IOPS（見(jiàn)表1）。

表1

企業(yè)級(jí)SSD可提供大容量存儲(chǔ)空間、高性能和高可靠性等規(guī)范，專(zhuān)門(mén)面向企業(yè)存儲(chǔ)市場(chǎng)，用于支持應(yīng)用加速。

圖1顯示了SATA接口企業(yè)級(jí)SSD的基本方框圖。其它可用接口還包括與HDD相兼容的串行連接SCSI（SAS）、光纖通道（FC）和PCIe等。

圖1:企業(yè)級(jí)SSD基本方框圖

以下各節(jié)將探討企業(yè)級(jí)SSD對(duì)SDRAM緩存的需求以及采用超級(jí)電容或鉭電容組在斷電時(shí)備份SDRAM緩存數(shù)據(jù)關(guān)鍵部分的當(dāng)前架構(gòu)，如圖1所示。此外，我們還將討論這種實(shí)施方案的可靠性問(wèn)題，并探討非易失性存儲(chǔ)器解決方案（nvSRAM）作為出色替代方案的使用問(wèn)題。

對(duì)于SDRAM緩存的需求

NAND閃存存儲(chǔ)器是企業(yè)級(jí)SSD的基本存儲(chǔ)元件。由于架構(gòu)問(wèn)題，NAND閃存存儲(chǔ)器的主要局限性在于其寫(xiě)入速度無(wú)法匹配企業(yè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度要求。由于數(shù)據(jù)傳輸速度超過(guò)了NAND閃存的寫(xiě)入速度，因此企業(yè)級(jí)SSD的寫(xiě)入性能可通過(guò)高速數(shù)據(jù)緩存加以提高。企業(yè)級(jí)SSD通常采用SDRAM作為緩存，保存并處理從存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器接收到的數(shù)據(jù)流有關(guān)部分。此外，SDRAM也可保存企業(yè)級(jí)SSD元數(shù)據(jù)的工作副本，其中一部分必須根據(jù)用于寫(xiě)入數(shù)據(jù)的塊的分配情況加以修改。元數(shù)據(jù)通常包括平均抹寫(xiě)儲(chǔ)存區(qū)塊（wear leveling）、錯(cuò)誤校正、轉(zhuǎn)換表、物理/邏輯地址映射、文件分配表等信息，并且需要每個(gè)文件的多次寫(xiě)入操作。元數(shù)據(jù)要求隨著企業(yè)級(jí)SSD容量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

SDRAM緩存數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的電源故障備份

在企業(yè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸操作中，比如說(shuō)讀寫(xiě)企業(yè)級(jí)SSD閃存存儲(chǔ)器的某個(gè)位置，包括存儲(chǔ)系統(tǒng)主機(jī)、SSD控制器、SDRAM緩存和NAND閃存存儲(chǔ)器等所有相關(guān)元件的電源系統(tǒng)必須有效工作，從而確保成功的事務(wù)處理。但是，電子系統(tǒng)很容易受到電壓峰值、斷電、浪涌、限電等供電中斷問(wèn)題的影響，這可能導(dǎo)致潛在的數(shù)據(jù)丟失或損壞：

●傳輸?shù)介W存存儲(chǔ)器的緩存數(shù)據(jù)

●元數(shù)據(jù)

企業(yè)級(jí)SSD不能丟失已向存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器報(bào)告為“提交給NAND閃存”的數(shù)據(jù)。企業(yè)級(jí)SAS/SATA市場(chǎng)制定了熱插拔規(guī)范，要求任何時(shí)候都不能丟失“被提交”的數(shù)據(jù)，即使是突然斷電也不行。比如說(shuō)熱插拔維護(hù)環(huán)節(jié)中操作人員誤操作卸下了錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)器。

企業(yè)級(jí)SSD控制器向存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器報(bào)告數(shù)據(jù)接收狀態(tài)有兩種機(jī)制。企業(yè)級(jí)SSD可工作在“寫(xiě)通”模式下，也就是說(shuō)只有在數(shù)據(jù)和修改的元數(shù)據(jù)安全地“提交”到NAND閃存存儲(chǔ)器時(shí)，企業(yè)級(jí)SSD控制器才會(huì)通知存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器數(shù)據(jù)和修改的元數(shù)據(jù)已經(jīng)“被提交”.

此外，企業(yè)級(jí)SSD也能工作在“回寫(xiě)”模式下，也就是某些數(shù)據(jù)流和/或相應(yīng)修改的元數(shù)據(jù)還沒(méi)有“提交”到閃存，但已經(jīng)向存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器報(bào)告為“被提交”.任何向存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器報(bào)告為“被提交”的數(shù)據(jù)在電源故障情況下都應(yīng)確保非易失性。企業(yè)級(jí)SSD緩存中的任何其它數(shù)據(jù)在電源故障情況下假定為丟失?！盎貙?xiě)”模式相對(duì)于“寫(xiě)通”模式而言能大幅提升隨機(jī)IOPS性能，因此更受高隨機(jī)IOPS驅(qū)動(dòng)器的青睞。

為了確保“回寫(xiě)”實(shí)施方案的正常運(yùn)行，企業(yè)級(jí)SSD采用電源故障檢測(cè)電路監(jiān)控電源電壓，如果電壓降到預(yù)設(shè)閾值以下，就發(fā)送信號(hào)給SSD控制器。此外，我們還實(shí)施了二級(jí)電壓保持電路，確保驅(qū)動(dòng)器在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)有足夠的電力，能支持SDRAM緩存數(shù)據(jù)的備份。當(dāng)電源中斷時(shí)，二級(jí)電壓源在所需的持續(xù)時(shí)間內(nèi)提供所需的電力，從而從SDRAM向NAND閃存?zhèn)鬏攦?nèi)容。以下圖2顯示了用于企業(yè)級(jí)SSD的典型電源故障檢測(cè)電路方框圖。

圖2:典型的電源故障檢測(cè)電路方框圖

二級(jí)電壓源可以是高容量超級(jí)電容，也可以是一組分立鉭電容。

超級(jí)電容

超級(jí)電容器（supercapacitor或ultracapacitor,抑或?yàn)殡p電層電容器EDLC）是相對(duì)于任何其它可用電容類(lèi)型能夠顯著提高能量密度的電容，并且可作為電池備份應(yīng)用中可靠的電池替代產(chǎn)品。

但是，超級(jí)電容器存在可靠性問(wèn)題，已知其在長(zhǎng)期可靠性方面存在不足，這一點(diǎn)跟鋁電解電容器比較相像。超級(jí)電容器的使用壽命有限，因?yàn)榻?jīng)過(guò)一段時(shí)間在工作溫度下電解質(zhì)會(huì)從元件揮發(fā)，從而造成元件磨損。超級(jí)電容器的性能會(huì)隨著電解質(zhì)的損失而逐漸下降，最后幾乎沒(méi)有什么警告甚至毫無(wú)警告就會(huì)徹底失效。此外，工作電壓越高、工作和非工作溫度環(huán)境越差，電解質(zhì)損失率也就越高。環(huán)境工作溫度每升高10℃，超級(jí)電容器的預(yù)期使用壽命就要削減大約一半。

超級(jí)電容器故障模式包括：

●電化學(xué)分解壓力過(guò)大造成單元開(kāi)裂。

●電壓和溫度在單元內(nèi)部生成氣壓，隨時(shí)間推移慢慢增大，壓力達(dá)到一定極限，就會(huì)造成機(jī)械擴(kuò)散通常是外殼槽開(kāi)裂。

長(zhǎng)期在較高工作溫度下使用，電解質(zhì)的水分蒸發(fā)，等效串聯(lián)電阻（ESR）會(huì)增加。基本故障模式就是ESR增加的開(kāi)裂模式。所有超級(jí)電容器都帶有警告信息：“使用此電容器時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)中采用適當(dāng)?shù)陌踩胧ㄈ哂嗪捅Ｗo(hù)措施等。”

分立電容器

分立電容器組可提供更可靠的選擇，但需要更小心的設(shè)計(jì)?；诜至㈦娙萜鞯谋３蛛娐凡捎貌⑿羞B接的分立電容器組。所用的分立電容器可以是鋁電容、鉭電容或鈮電容。它不像超級(jí)電容那么小型化，分立解決方案的電容尺寸比會(huì)占據(jù)大量板卡空間。此外，我們知道鉭電容對(duì)短路和冒煙故障比較敏感。

nvSRAM解決方案

非易失性SRAM（nvSRAM）對(duì)于企業(yè)級(jí)SSD的優(yōu)勢(shì)在于能無(wú)需使用或盡可能少用超級(jí)電容或分立電容組，并能通過(guò)單芯片的免電池非易失性RAM技術(shù)就能為傳輸中的SDRAM緩存數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)可靠備份。以下簡(jiǎn)要介紹nvSRAM的工作，隨后將介紹在企業(yè)級(jí)SSD中采用nvSRAM器件的具體細(xì)節(jié)。

非易失性SRAM（nvSRAM）

nvSRAM在單個(gè)器件中完美結(jié)合了兩大CMOS技術(shù)：SRAM和SONOS非易失性技術(shù)。在正常加電系統(tǒng)工作條件下，nvSRAM就像傳統(tǒng)SRAM一樣工作。IC的SRAM部分以高達(dá)20ns的存取時(shí)間進(jìn)行讀寫(xiě)，采用標(biāo)準(zhǔn)的異步SRAM信號(hào)和時(shí)序。如果出現(xiàn)電源故障，那么芯片可智能檢測(cè)到威脅，并自動(dòng)將SRAM數(shù)據(jù)副本保存在非易失性存儲(chǔ)器中，而且能保持20年以上不改變。加電RECALL后，IC將數(shù)據(jù)副本返回到SRAM中，系統(tǒng)就能剛好從上次停止的地方重新開(kāi)始工作，從而確?？焖賁RAM絕不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。此外，最新高密度（16Mb）nvSRAM還支持高帶寬DDR NAND閃存（ONFI 3.0/Toggle 2.0）接口。

SRAM和內(nèi)部非易失性陣列之間的傳輸完全并行（單元對(duì)單元），這就能在8ms乃至更少時(shí)間內(nèi)完成STORE操作，用戶根本毫無(wú)感覺(jué)。該IC系列的大多數(shù)版本還為用戶提供可控的軟件STORE和RECALL啟動(dòng)命令以及用戶可控的硬件STORE啟動(dòng)命令。

nvSRAM是高度可靠的產(chǎn)品，采用業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的大容量CMOS + SONOS工藝。此外，它在軍事、商業(yè)、存儲(chǔ)、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中也有著20多年的歷史。

圖3顯示了nvSRAM的概念，它將快速SRAM元件和非易失性元件在單個(gè)單元中整合在一起。圖4顯示了nvSRAM的單元結(jié)構(gòu)。

圖3:nvSRAM概念

圖4:nvSRAM單元

非易失性SRAM--用于企業(yè)級(jí)SSD的異步解決方案

圖5顯示了企業(yè)級(jí)SSD數(shù)據(jù)流和元數(shù)據(jù)斷電需要備份時(shí)用作非易失性緩存的異步nvSRAM.圖5所示的VCAP電容可為STORE循環(huán)（將數(shù)據(jù)從SRAM移動(dòng)到非易失性單元）進(jìn)行供電。VCAP是大約50 μF的標(biāo)準(zhǔn)電容（詳見(jiàn)數(shù)據(jù)表）。

圖5:企業(yè)級(jí)SSD異步nvSRAM解決方案

對(duì)于新設(shè)計(jì)而言，當(dāng)前可用的異步nvSRAM器件密度在256-kbit到8-Mbit之間，2012年還推出了16-Mbit的器件。

非易失性SRAM--用于企業(yè)級(jí)SSD的同步解決方案

圖6顯示了用于企業(yè)級(jí)SSD的非易失性SRAM器件，其基于全新同步高帶寬（最高12.8Gbps）NAND接口nvSRAM.這種器件密度將達(dá)16-Mbit,目前已經(jīng)推出樣片，預(yù)計(jì)于2013年第一季度投入量產(chǎn)。

圖6:企業(yè)級(jí)SSD同步nvSRAM解決方案

如前所述，超級(jí)電容或分立鉭電容組可用作為斷電時(shí)從SDRAM向NAND閃存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)提供所需電力的二級(jí)電壓供電源。斷電時(shí)從快速易失性存儲(chǔ)器向非易失性存儲(chǔ)器傳輸?shù)睦砟钆c20年前賽普拉斯發(fā)明的nvSRAM理念相同，差別在于賽普拉斯nvSRAM在統(tǒng)一的單片IC中包含了電源檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸管理、快速易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器等。數(shù)據(jù)傳輸在所有存儲(chǔ)器單元中完成，同時(shí)耗電極低，時(shí)間也只有幾毫秒。而SDRAM到閃存的傳輸在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行，采用高功率I/O連接，這會(huì)很快消耗掉大型電容中的電量，而且完成時(shí)間也長(zhǎng)得多。

此外，企業(yè)級(jí)SSD架構(gòu)中的SSD控制器也支持高速同步NAND到NAND閃存器件的接口（ONFI 3.0、Toggle DDR 2.0）。高速同步NAND接口目前得到久經(jīng)考驗(yàn)的nvSRAM核心技術(shù)支持，采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的ONFI 3.0/Toggle 2.0接口，可為企業(yè)級(jí)SSD廠商提供高性能的同步非易失性存儲(chǔ)器解決方案。全新nvSRAM可直接放在NAND閃存總線上，成為關(guān)鍵非易失性數(shù)據(jù)的有源存儲(chǔ)器空間（見(jiàn)圖6）。全新nvSRAM接口的設(shè)計(jì)支持開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，將采用標(biāo)準(zhǔn)指令和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)序。這種方法不再需要或者能盡可能少需要超級(jí)電容或鉭電容組以及數(shù)據(jù)傳輸邏輯，從而大幅縮短企業(yè)級(jí)SSD系統(tǒng)的斷電備份時(shí)間。此外，這也消除了電容備份解決方案相關(guān)的可靠性問(wèn)題。

企業(yè)級(jí)SSD斷電時(shí)需要快速可靠的關(guān)鍵數(shù)據(jù)流和元數(shù)據(jù)備份。當(dāng)前的電容備份解決方案存在嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。本文分析了異步nvSRAM解決方案，并介紹了放在NAND閃存總線上的同步nvSRAM.nvSRAM可提供快速可靠的關(guān)鍵企業(yè)級(jí)SSD數(shù)據(jù)備份功能，從而消除了超級(jí)電容和鉭電容組在此過(guò)程中的可靠性問(wèn)題。