在為工業(yè)應用選擇閃存設備時提出正確的問題

為工業(yè)應用選擇閃存設備或固態(tài)硬盤 （SSD） 非常復雜。性價比比較沒有多大用處，因為需求驅動的績效定義取決于許多因素。

當涉及到標準IT應用程序時，每GB價格是閃存的一個非常好的購買標準。在某些情況下，還考慮了寫入和讀取速度。但是，如果您需要用于工業(yè)應用的閃存設備，或者您需要用于戶外電信應用的存儲卡，那么您的優(yōu)先事項將有所不同。如果像通常的情況一樣，容量不是真正的問題，那么堅固性和耐用性肯定是問題。耐久性（即閃存介質壽命）和保留（即保存數(shù)據(jù)的持久性）是復雜的問題。存儲介質固件和體系結構都在這里發(fā)揮作用，應用程序的性質也是如此。數(shù)據(jù)將如何寫入？還是更強調(diào)閱讀？如果您對閃存有特殊要求，那么您需要確切地知道要問哪些問題。

背景：衰老跡象

通常，NAND閃存設備的單元僅允許有限數(shù)量的刪除。這是因為每次產(chǎn)生隧道效應時，通常阻止電子從浮柵流出的氧化層由于熄滅電壓而積累高能電子。結果，閾值電壓隨時間變化，最終電池不再可讀。

老化的另一個影響是在氧化層中形成導電路徑，導致電池逐漸失去電荷 - 隨之而來的是保持位。這種效應通過暴露在高溫下而加速，特別是在允許的程序/擦除（P / E）周期數(shù)減少的情況下，往往會發(fā)生，從而導致保留率急劇下降。因此，雖然新的單級和多級單元（SLC和MLC）NAND都能可靠地提供10年的保留期，但這一數(shù)字在其使用壽命結束時下降到只有一年。但是使用MLC NAND，在3，000個P / E周期后達到這一點，而使用SLC則在100，000個P / E周期后達到。這就解釋了為什么SLC是復雜應用的首選解決方案，以及為什么低成本的三級單元（TLC）NAND芯片不能用于長期存儲。要使用這種技術為每個電池寫入三位，您需要八種不同的電荷狀態(tài)，這就是為什么退化變得明顯得多的原因。在TLC中，最初的一年保留水平在僅500個P / E周期后下降到三個月。

緩解措施

使用各種機制減輕了對芯片的物理損壞的影響。鑒于當一個單元發(fā)生故障時，整個塊需要標記為“壞”，磨損均衡可確保所有物理存儲地址經(jīng)歷相同級別的使用。但閱讀錯誤不僅僅指向磨損。每次寫入數(shù)據(jù)時，程序化細胞周圍的細胞都會經(jīng)歷壓力（即它們變得更有活力）——這種現(xiàn)象被稱為“程序干擾”。隨著時間的推移，電池電壓閾值增加，導致讀取錯誤 - 一旦相關塊被擦除，這些錯誤就會修復。閱讀還會導致一種稱為“閱讀干擾”的壓力形式，即相鄰的頁面累積電荷。由于所涉及的電壓相對較低，這種影響遠不如寫入明顯 - 然而，讀取容易出現(xiàn)位錯誤，必須通過糾錯碼（ECC）進行糾正，并通過刪除相關塊來修復。有趣的是，這種效果在重復讀取相同數(shù)據(jù)的應用程序中尤其明顯。這意味著即使在只讀內(nèi)存中，也需要刪除塊并重復寫入頁面以糾正錯誤。

如何測量固態(tài)硬盤耐久性

制造商使用兩個指標來衡量閃存設備的使用壽命：寫入 TB 數(shù) （TBW） 和每天驅動器寫入數(shù) （DWPD）。TBW 表示在 SSD 的生命周期內(nèi)可以寫入的數(shù)據(jù)總量，而 DWPD 表示在保修期內(nèi)每天可以寫入的數(shù)據(jù)量。這些基準測試的問題在于它們非常復雜，用戶別無選擇，只能依賴制造商的規(guī)格。此外，在為給定應用選擇正確的數(shù)據(jù)介質時，尚不清楚這些規(guī)范的實際相關性，因為獲得的數(shù)字在很大程度上取決于測試工作負載。例如，對 Swissbit 480 GBP SSD 的測試得出 1360、912 或 140 TBW 的使用壽命，具體取決于所使用的測量方法。最引人注目的結果是通過測量順序書寫來實現(xiàn)的。第二個值 （912） 由客戶端工作負荷生成，而第三個值 （140） 派生自企業(yè)工作負荷。這兩個負載測試都構成 JEDEC 標準?？蛻舳斯ぷ髫撦d基于計算機用戶的行為，并且主要生成順序訪問。另一方面，企業(yè)工作負載在多用戶環(huán)境中模擬服務器的性能，該環(huán)境可生成高達 80% 的隨機訪問。

雖然從理論上講，這些標準應該允許可比性，但問題是許多制造商根本不指示底層工作負載，而是將其產(chǎn)品信息基于順序寫入值。而且，正如示例所示，由于后者對于企業(yè)工作負載的差異可能相差十倍，因此在涉及顯著且未明確指定的高耐久性值時，需要格外小心。

寫入放大因子 （WAF） 降低

邏輯到物理映射系統(tǒng)、ECC 和用于清除塊的稱為垃圾回收的過程都是理解和排名閃存功能和性能的相關機制。此域中的一個關鍵術語是寫入放大因子或 WAF，它是從主機派生的用戶數(shù)據(jù)與寫入閃存設備的實際數(shù)據(jù)量之間的比率。降低 WAF（衡量閃存控制器效率的指標）是提高 SSD 耐用性的關鍵。影響 WAF 的工作負載因素包括順序訪問、順序訪問和隨機訪問之間的差異，或者相對于頁面和數(shù)據(jù)塊大小的數(shù)據(jù)塊大小。必須滿足兩個基本條件：頁面需要一個接一個地編寫，塊需要作為整個單元刪除。在標準過程中，邏輯地址和物理地址之間的映射與塊相關。這對于順序數(shù)據(jù)非常有效，因為給定塊的頁面可以按順序寫入。這種機制的一個例子是連續(xù)積累的視頻數(shù)據(jù)。但是，對于隨機數(shù)據(jù)，頁面被寫入許多不同的塊中，因此頁面的每次內(nèi)部覆蓋都需要刪除整個塊。這會導致更高的 WAF 和更短的生存期。因此，基于頁面的映射對于非順序數(shù)據(jù)是優(yōu)選的。換句話說，固件確保來自不同來源的數(shù)據(jù)可以按順序寫入單個塊的頁面。這減少了刪除次數(shù)，從而延長了生存期并增強了寫入性能。這種方法的缺點是它會導致閃存轉換層（FTL）的分配表更大，盡管這可以通過集成的DRAM進行補償。

另一個增加 WAF 的因素是內(nèi)存使用率。閃存設備上存儲的數(shù)據(jù)越多，固件從一個地方移動到另一個地方所需的位就越多?；陧撁娴挠成湓谶@里也是有利的。制造商還有另一種稱為過度配置的調(diào)整機制（即僅保留用于后臺活動的閃存設備的空間）可供他們使用。SSD的7%（千兆字節(jié)數(shù)字的二進制值和十進制值之間的差異）通常用于此目的。但是，為過度配置保留 12% 而不是 7% 是非常有效的。例如，從MLC NAND芯片衍生的兩個相同SSD的耐久性比較（即企業(yè)工作負載的TBW）表明，60 GB Swissbit F-60硬腦膜比特的價值比同一公司的64位F-50設備高出6.6倍。實際上，對于240 GB和265 GB版本，該值要高出10倍。

結論和要問的九個關鍵問題

SLC閃存器件在很多方面都是工業(yè)應用以及斷電保護的最穩(wěn)健的解決方案。然而，在許多情況下，高端MLC閃存介質同樣適用于此類目的。除了符合軍用標準的機械性能外，在尋找SSD解決方案時，應特別注意制造商在通過固件減少WAF和延長產(chǎn)品使用壽命方面所付出的努力。其他起作用的因素是“數(shù)據(jù)維護管理”措施，以更好地保留，并且不要忘記已針對給定應用程序精心限定的模塊的長期可用性。

應用程序要求決定了在選擇 SSD 時需要特別注意哪些因素。根據(jù)要求，Swissbit為其客戶提供終身監(jiān)視器，該工具通過分析其讀取和寫入來計算給定SSD的耐用性。如前所述，即使價格不是決定因素，了解您是否真的需要八倍昂貴的SSD，或者MLC是否足以滿足您的目的也很有用。

為工業(yè)應用選擇閃存設備時要問的關鍵問題：

我對振動、阻力和溫度范圍有特定的物理要求嗎？工業(yè)閃存器件應通過應用適當?shù)蔫b定工藝，能夠證明材料質量的優(yōu)良性和良好的生產(chǎn)加工性能。

內(nèi)存存儲是否長時間暴露在高溫下？由于高溫會更快地削弱電池的可讀性，因此應選擇具有數(shù)據(jù)維護功能的產(chǎn)品，該產(chǎn)品會定期刷新數(shù)據(jù)。

是否打算在很長一段時間內(nèi)在數(shù)據(jù)載體上寫入和存儲大量數(shù)據(jù)？如果是這樣，則應選擇SLC產(chǎn)品。

應用程序是否主要需要讀取訪問權限？ –如果是，則應選擇具有數(shù)據(jù)維護功能的產(chǎn)品，該產(chǎn)品會定期刷新數(shù)據(jù)。

應用程序是否主要需要寫入功能？ –然后，具有基于塊映射的產(chǎn)品適用于順序寫入功能。對于隨機請求，應選擇具有基于頁面映射的產(chǎn)品。

內(nèi)存的容量是否得到充分利用？對于密集型應用，控制器需要空間用于內(nèi)部操作，而過度配置可能會延長耐用性。

提供商為 TBW 或 DWPD 指定了什么工作負載？只有通過指示工作負載基準才能對數(shù)據(jù)載體進行比較。

是否需要針對數(shù)據(jù)丟失提供更高級別的保護？對于特別關鍵的應用，數(shù)據(jù)維護管理和電源故障保護至關重要。

幾年后，這種媒介還會可用嗎？制造商應保證長期可用性，以便無需重新認證即可更換內(nèi)存存儲。

審核編輯：郭婷