固態(tài)硬盤電源架構(gòu)優(yōu)化

提到硬盤供電，固態(tài)硬盤（SSD）設(shè)計(jì)師們面臨許多相互矛盾的要求。首先是電源的尺寸，其不能增加SSD的體積系數(shù)，因?yàn)镾SD通常必須在體積上與其所替換的機(jī)械硬盤（HDD）相兼容。其次是不斷增長(zhǎng)的系統(tǒng)效率要求，包括待機(jī)模式（SSD無讀寫操作）和最大功率模式（以最高性能進(jìn)行讀寫操作）。這些效率通常都有具體的SSD認(rèn)證，例如：能源之星等，其對(duì)于市場(chǎng)接受度來說至關(guān)重要。最后一個(gè)問題是電源如何對(duì)終端用戶不斷變化的需求做出響應(yīng)。從閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)到高性能狀態(tài)時(shí)，電源能夠做出足夠快的響應(yīng)來向SSD提供強(qiáng)大的電力嗎？或者，如果主機(jī)突然對(duì)SSD進(jìn)行高速或大數(shù)據(jù)量讀寫操作時(shí)，SSD會(huì)“掛起”嗎？本文將對(duì)三種SSD電源解決方案進(jìn)行分析，測(cè)量并對(duì)比它們的尺寸、效率和響應(yīng)時(shí)間，以獲得最佳SSD電源解決方案。
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固態(tài)硬盤架構(gòu)
圖1顯示了某臺(tái)服務(wù)器中安裝的SSD系統(tǒng)的示例圖。一條12V總線為開關(guān)式電源（SMPS）供電，其向SSD提供3.3V的電壓。NAND閃存用作內(nèi)存，原因是其成本低，且擁有斷電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。一個(gè)ASIC或者其它處理器與主機(jī)通信，并管理數(shù)據(jù)流。2.5V和1.8V為ASIC的一般需求。 ?
圖1：固態(tài)硬盤電源系統(tǒng)
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首先，SMPS必須為一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器，而非一個(gè)線性調(diào)節(jié)器或者異步降壓轉(zhuǎn)換器，以在強(qiáng)負(fù)載電流下提供高效率。其次，它還必須具備省電模式，目的是將效率保持在最小值以上（即使SSD處于閑置狀態(tài)）。第三，它必須通過中壓、12V輸入總線來工作，并提供低至1.8V甚至更低的輸出電壓，具體取決于ASIC的需要。最后，SMPS應(yīng)優(yōu)化其尺寸、效率和響應(yīng)時(shí)間，以滿足SSD系統(tǒng)的需要。
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尺寸
隨著SSD開始逐漸獲得市場(chǎng)的認(rèn)可，要求它們?cè)诔叽绾凸δ芊矫嫦蚝蠹嫒輽C(jī)械硬盤。當(dāng)用戶的機(jī)械硬盤出現(xiàn)故障時(shí)（有時(shí)可能使用不能一年的時(shí)間），SSD便成為一種高可靠性的替代選擇。用戶只需訂購(gòu)一塊尺寸與故障的機(jī)械硬盤相同的SSD，個(gè)人計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器的可靠性便可立即獲得升級(jí)。
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隨著SSD價(jià)格的不斷下跌，它們不再僅僅只是壽命到期的機(jī)械硬盤的替代品?，F(xiàn)在，SSD正進(jìn)入高可靠性市場(chǎng)領(lǐng)域，例如：企業(yè)服務(wù)器和筆記本電腦等消費(fèi)類應(yīng)用。對(duì)于這應(yīng)用而言，小型化很重要，SSD的尺寸不再必須完全與機(jī)械硬盤一樣。
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不管是哪種情況，就SSD而言，解決方案的尺寸足夠小都是一大賣點(diǎn)。盡管并非SSD中最大的子系統(tǒng)，但是電源仍然占用了大量的電路板空間，因?yàn)镾SD電路由數(shù)個(gè)單獨(dú)的SMPS供電。要求使用的傳統(tǒng)長(zhǎng)型電感達(dá)到了Z向制作（Z-direction-making）尺寸的極限（一種三維問題）。
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效率
服務(wù)器的一個(gè)重要的開銷成本是其功耗。它包括驅(qū)動(dòng)器（硬盤）消耗的功率，以及為了保持服務(wù)器機(jī)房適宜溫度進(jìn)行散熱處理而消耗的電力。隨著電力價(jià)格的不斷上漲以及對(duì)于“綠色”運(yùn)行的重視，對(duì)SSD的能效提出了越來越高的要求。
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在筆記本電腦方面，更加高效的SSD可以帶來更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間和更低的機(jī)體溫度。而這兩方面都是十分理想的賣點(diǎn)，最終用戶易于理解，同時(shí)也愿意為它們掏腰包。特別是筆記本電腦，其閑置時(shí)SSD的功耗和效率至關(guān)重要，因?yàn)檫@些參數(shù)會(huì)極大影響電池的使用時(shí)間。相比機(jī)械硬盤系統(tǒng)，SSD的電池使用時(shí)間更長(zhǎng)，筆記本電腦的發(fā)熱更小，并且硬盤的故障率更低。
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響應(yīng)時(shí)間
即使設(shè)備閑置時(shí)的功耗很低且效率很高，那么，當(dāng)服務(wù)器或者筆記本電腦喚醒并對(duì)SSD進(jìn)行讀寫操作時(shí)，情況又如何呢？由于電源電壓下降，電源能夠足夠快速地從閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)到全功率運(yùn)行狀態(tài)，從而避免出現(xiàn)SSD重置嗎？
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對(duì)SMPS設(shè)計(jì)師來說，這是一個(gè)非常棘手的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。一方面，SMPS應(yīng)接近斷電狀態(tài)，工作的電路數(shù)量應(yīng)盡可能地少，以便讓設(shè)備閑置模式下的功耗降至最低。另一方面，SMPS電路應(yīng)偏置，并準(zhǔn)備好對(duì)用戶的SSD讀寫操作做出快速響應(yīng)。這種相互矛盾的要求，需要進(jìn)行謹(jǐn)慎的平衡處理和折中研究。專為滿足SSD要求而設(shè)計(jì)的IC可以提供最佳的解決方案。
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