海量數(shù)據(jù)存儲的需求越來越強烈

在今天的智能社會，數(shù)據(jù)成為了最為重要的資源。根據(jù)Statista 的統(tǒng)計和預(yù)測，2020年全球數(shù)據(jù)產(chǎn)生量達(dá)到了47ZB，而到2035年這一數(shù)字將達(dá)到2142ZB，全球數(shù)據(jù)量的增長呈現(xiàn)爆發(fā)之勢。面對如此巨量的數(shù)據(jù)，想要充分地加以利用，就需要有地方好好的“安放”，因此對于海量數(shù)據(jù)存儲的需求也就越來越強烈。

相當(dāng)長一段時間里，大容量數(shù)據(jù)存儲主要依靠的是機械硬盤（HDD），其原理是將數(shù)據(jù)存儲在磁盤中，靠盤片的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的氣流來托起磁頭，并由步進電機來推動磁頭進行換道數(shù)據(jù)讀取，內(nèi)部構(gòu)造非常精密，也較為復(fù)雜。而且經(jīng)過多年的發(fā)展，這種存儲方案也越來越接近其性能的“天花板”。

因此作為“顛覆者”的新技術(shù)出現(xiàn)了，這就是固態(tài)硬盤（SSD）。由于SSD是直接將數(shù)據(jù)存儲在半導(dǎo)體存儲器中（主要是NAND閃存），可以享受到半導(dǎo)體工藝技術(shù)進步帶來的“紅利”，不斷提升存儲密度；而且由于沒有機械硬盤那樣的機械結(jié)構(gòu)，SSD整個系統(tǒng)也更為簡潔、緊湊。具體來講，SSD的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：

讀寫速度快：由于采用閃存作為存儲介質(zhì)，SSD讀取速度相對機械硬盤更快。比如常見的7200轉(zhuǎn)機械硬盤的尋道時間一般為12-14毫秒，而固態(tài)硬盤僅為0.1毫秒甚至更低。

防震性能好：機械硬盤由于有精密的機械部件，因此比較“嬌氣”，而SSD內(nèi)部不存在任何機械部件，即使在高速移動、翻轉(zhuǎn)傾斜的情況下也能正常使用，在發(fā)生碰撞和震動沖擊時數(shù)據(jù)丟失的可能性也更小。

低功耗：機械硬盤95%的時間都消耗在機械部件的動作上，由于無需驅(qū)動機械部件，SSD在功耗上的優(yōu)勢也很明顯。

無噪音：SSD固態(tài)硬盤沒有機械馬達(dá)和風(fēng)扇，工作時自然也就比機械硬盤更“安靜”。

工作溫度范圍大：與典型機械硬盤5-55℃的工作溫度范圍相比，大多數(shù)固態(tài)硬盤可在-10-70℃工作，支持更廣泛的應(yīng)用場景。

重量輕：存儲介質(zhì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的差異，也使得SSD更輕，有利于為總的系統(tǒng)減重。

正是因為有上述諸多好處，所以大家對于SSD的興趣也越來越濃厚。根據(jù)HIS的預(yù)測，2020年全球HDD機械硬盤和SSD固態(tài)硬盤的出貨量分別為3.5億和3.2億個，而預(yù)計在2021年，SSD的出貨量將首次反超HDD，達(dá)到3.6億個。Global Market Insight的研究報告也顯示，2019年全球SSD市場規(guī)模為550億美元，到2026年將超過1250億美元，平均復(fù)合增速約為15%。

更高的容量

順應(yīng)著市場的需求，SSD也在加快自身技術(shù)發(fā)展的步伐。不斷提升容量，就是SSD技術(shù)進步的一個重要主攻方向。

多層單元 （Multi-Level Cell）是SSD增加容量的一個主要技術(shù)方法。正常的存儲單元一般都只存儲1 bit 的數(shù)據(jù)，而“多層單元”故名思義，就是增加每個存儲單元可存儲的bit數(shù)目，以此來增加單位存儲空間內(nèi)的存儲密度。

目前SSD已經(jīng)發(fā)展出了SLC、MLC、TLC和QLC四個不同架構(gòu)，它們在每存儲單元中可以存儲的bit數(shù)目分別為1-bit、2-bit、3-bit和4-bit，對應(yīng)的電壓狀態(tài)（可代表的數(shù)據(jù)）分別為1、4、8和16。

不過隨著數(shù)據(jù)“密度”的增加，在存儲器件的耐用性和讀取速度上也會有折衷，因此這四種架構(gòu)的SSD也就逐漸形成了自己典型的應(yīng)用領(lǐng)域。一般來講。SLC和MLC價格較高，性能和耐用度也更佳，因此在企業(yè)級和一些專業(yè)應(yīng)用中更適合；而TLC和QLC的性價比優(yōu)勢明顯，在民用領(lǐng)域人氣更高。

在提升SSD存儲容量上，另一個重要的技術(shù)努力就是3D NAND。傳統(tǒng)上，存儲單元可以看作是在硅芯片表面上的二維（2D）排列的陣列，就像是一片“平房”；而當(dāng)數(shù)據(jù)太多不夠“住”的時候，就需要考慮提升單位面積的“容積率”，通過利用3D的空間來解決，也就是通過垂直堆疊數(shù)十層甚至數(shù)百層的存儲單元創(chuàng)建一個3D的存儲陣列（好似搭建一個“樓房”），實現(xiàn)更高的存儲容量。這也是目前領(lǐng)先的NAND閃存制造商主流的技術(shù)方案。

高可靠性的挑戰(zhàn)

不過，無論是多層單元也好，3D NAND閃存也罷，隨著SSD容量的不斷增加，產(chǎn)品可靠性面臨的挑戰(zhàn)也越來越嚴(yán)峻。環(huán)境的任何一個擾動，如電源故障，都可能造成SSD數(shù)據(jù)讀寫上的問題，要么會影響數(shù)據(jù)的完整性，要么為了確保數(shù)據(jù)的完整性就不得不以犧牲性能為代價去進行糾錯。

而且，隨著SSD市場滲透率的增加，其在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、視頻監(jiān)控、智慧工業(yè)等可靠性敏感型領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。因此當(dāng)我們希望去打造一款高容量、高速度SSD的時候，就必須有相應(yīng)的機制和技術(shù)措施去確保其同樣具有“高度可靠”的特性，以滿足高耐久性和長期穩(wěn)定性的要求。

提升SSD可靠性是一個系統(tǒng)工程，除了存儲器件本身的素質(zhì)要過硬，還要在SSD系統(tǒng)級設(shè)計的幾個關(guān)鍵點上做文章。

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SSD主控制器

首先是SSD主控制器，其具體作用包括合理調(diào)配數(shù)據(jù)在各個閃存芯片上的負(fù)荷，協(xié)調(diào)和維護不同區(qū)塊存儲顆粒的協(xié)作；負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，連接閃存芯片和外部SATA接口；執(zhí)行固態(tài)硬盤內(nèi)部各項指令，包括實現(xiàn)與提升耐久性和穩(wěn)定性相關(guān)的磨損均衡（Wear Leveling）等功能。一款SSD主控芯片的好壞，直接決定了固態(tài)硬盤的可靠性和使用壽命，因此其中往往蘊藏著SSD廠商獨門的技術(shù)訣竅。

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固件算法

其次是固件算法，也就是驅(qū)動SSD主控制器高效工作的軟件算法。主控基于優(yōu)化的固件算法，可以執(zhí)行自動信號處理、耗損平衡、錯誤校正碼（ECC）、壞塊管理、垃圾回收、與主機通信、數(shù)據(jù)加密等任務(wù)，這很大程度上決定了SSD性能的優(yōu)劣。

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外圍電路

此外，在SSD的外圍電路中，也需要設(shè)置相關(guān)的保護機制，以防止過溫、電源中斷等情況對SSD造成不良影響。

為了滿足高容量、高速度、高可靠性的SSD產(chǎn)品的設(shè)計要求，特別是支持前沿的3D NAND閃存技術(shù)，TDK推出了GBDriver GS2控制器，并在自己的SSD固態(tài)硬盤產(chǎn)品中投入使用。TDK GBDriver GS2是一款高度可靠的兼容3D NAND閃存的控制器，專為工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用而開發(fā)。TDK專有的硬件和固件算法實現(xiàn)了更快的訪問速度，同時通過增強抵御電源中斷的能力，可以有效防止數(shù)據(jù)損壞，并通過一系列的優(yōu)化設(shè)計確保數(shù)據(jù)的完整性，提升整個SSD的使用壽命。

無懼電源中斷

在SSD可靠性的設(shè)計中，電源中斷是一個繞不開的問題，因為突發(fā)的電源故障往往會引發(fā)高速讀寫的閃存中的數(shù)據(jù)錯誤。GBDriver GS2通過三個舉措，加強了SSD對電源中斷的耐受性。

第一，采用GBDriver GS2，可以實現(xiàn)無DRAM緩存的SSD設(shè)計，這有利于抵御電源故障的影響，同時降低BOM硬件成本。

第二，GBDriver GS2采用了優(yōu)化的固件算法，在電源中斷發(fā)生時保持原始數(shù)據(jù)直到數(shù)據(jù)拷貝全部完成，而不會采用任何拷貝不完整的數(shù)據(jù)。

第三，TDK的SSD還使用了一個內(nèi)部的備用電源電路，在電源中斷發(fā)生時，可以讓SSD內(nèi)部供電電壓VCC仍然維持一段時間，避免ECC錯誤的發(fā)生。

上述三個手段綜合作用，可以說為SSD應(yīng)對電源中斷的威脅提供了一個完整的預(yù)案，基于3D NAND的高容量SSD的可靠性也隨之顯著提升。

全面的數(shù)據(jù)保護

除了電源中斷，基于GBDriver GS2的SSD產(chǎn)品還通過一系列功能和機制，為SSD的數(shù)據(jù)保護和可靠使用提供全面的保障。

循環(huán)自動刷新功能確保數(shù)據(jù)保持

TDK的SSD配備有循環(huán)自動刷新功能，可通過ECC自動檢查數(shù)據(jù)并恢復(fù)錯誤，這種“刷新”操作在每次啟動和每24小時執(zhí)行一次。

數(shù)據(jù)錯誤恢復(fù)功能

GBDriver GS2具有高級數(shù)據(jù)錯誤恢復(fù)功能。在從SSD讀取數(shù)據(jù)時，該功能可以依據(jù)數(shù)據(jù)錯誤的情況，依次按照LDPC Hard Bit、LDPC Soft Bit和RAID的順序操作以修復(fù)錯誤。特別是在3D NAND的結(jié)構(gòu)中，原有適用于2D NAND技術(shù)的糾錯能力已經(jīng)無法滿足要求，這種LDPC+RAID的方案可以有效提高可靠性，增強閃存耐久度和數(shù)據(jù)留存能力。

溫度傳感器和訪問速度限制

在TDK的SSD中，一個板載的溫度傳感器隨時監(jiān)控SSD的溫度，可以在超過溫度設(shè)置值時限制主機對SSD的訪問速度，確保SSD的安全運行。

寫保護區(qū)設(shè)置功能

TDK的SSD還可以配置寫保護區(qū)，從而減少主機端應(yīng)對電源中斷的需要。

延長使用壽命

為了延長SSD的使用壽命，TDK的產(chǎn)品執(zhí)行“TDK全局靜態(tài)磨損均衡（TDK SMART SWAP）”功能，根據(jù)NAND閃存單元的P/E次數(shù)高效地調(diào)度數(shù)據(jù)的擦寫操作，還可以根據(jù)需要使用Clipping功能調(diào)節(jié)用戶數(shù)據(jù)區(qū)空間的大小，讓SSD的使用壽命最大化，減少存儲設(shè)備更換頻率，降低客戶的總體擁有成本。

閃存壽命監(jiān)測

通過TDK SMART閃存壽命監(jiān)測和耐久性分析程序，用戶可以對一系列關(guān)鍵的閃存性能參數(shù)一目了然，以準(zhǔn)確預(yù)測存儲設(shè)備的壽命。這些可持續(xù)監(jiān)測參數(shù)包括：閃存芯片數(shù)量以及存儲區(qū)塊數(shù)量；總P/E循環(huán)數(shù)、區(qū)塊間最高/最低P/E循環(huán)數(shù)；所有區(qū)塊的總P/E周期；內(nèi)存使用率，壽命指示器等。

基于這些技術(shù)和功能，SSD就可以在全生命周期可靠運行，最大限度地確保數(shù)據(jù)的完整性。

高可靠性SSD產(chǎn)品

作為上面這些高可靠性功能的集大成者，TDK推出了基于3D NAND兼容GBDriver GS2控制器的五個SSD系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品采用最新的MLC類型NAND閃存，速度高達(dá)180MB/s，容量范圍從8GB到1.6TB。最為重要的是它們都具有增強數(shù)據(jù)可靠性所必需的特性，是妥妥的高容量、高速度、高可靠性的“三高”固態(tài)硬盤，在包括運輸、制造、能源、IT/金融、娛樂、科學(xué)和醫(yī)療在內(nèi)的廣泛應(yīng)用中，都是理想的數(shù)據(jù)存儲好“伴侶”。

責(zé)任編輯：haq