账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
运用nvSRAM维持企业级SSD的可靠性
不再担心电力中断问题

【作者: Pramodh Prakash】2014年04月08日 星期二

浏览人次:【17637】
  

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。


以下将探讨企业级固态硬盘采用SDRAM快取在断电时,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。



图一 : 企业级固态硬盘的基本方块图
图一 : 企业级固态硬盘的基本方块图

SDRAM快取数据与元数据的断电备份

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。


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2是企业级固态硬盘中典型电源故障侦测电路的模块图。



图二 : 典型电源故障侦测电路的方块图
图二 : 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、使用寿命有限、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。


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。


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。


非挥发内存 - 企业级固态硬盘的异步及同步解决方案

图3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3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。



图三 : 企业级固态硬盘异步非挥发内存解决方案
图三 : 企业级固态硬盘异步非挥发内存解决方案

图4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。



图四 : 企业级固态硬盘专属的同步式非挥发内存解决方案
图四 : 企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。


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4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。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。


相关文章
Versal:第一款自行调适运算加速平台(ACAP)
工业4.0发生在即 MEMS感测肩负重任
多重感测能力 打开MEMS工业应用大门
台湾科技业的大联盟时代
各式感测器已成为工具机设备的关键元件
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
mbed
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Arduino
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Raspberry Pi
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
  相关新闻
» 英飞凌氮化?? (GaN) 解决方案进入量产
» mCube(矽立科技)宣布加速度计累积销售量达5亿颗
» Nokia布局智慧交通 打造V2X沟通桥梁
» IEK: 台湾智慧制造生态系规模底定 加速半导体等关键产业应用扩散
» TrendForce:第三季DRAM产值再创新高 原厂获利能力恐触顶
  相关产品
» Saint-Gobain依托曼兹专业技术开发最新激光制程ACTILAZ?
» 是德、CAICT 和中国清华共同验证 5G 基地台效能评估的无线测试方法
» Mentor与Teradyne推出ATE-Connect测试技术 大幅缩短晶片除错与测试上线时间
» TT Electronics推出无铅厚膜高压电阻器
» 大联大诠鼎集团推出立??科技RTQ2115 A/C汽车级晶片解决方案
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2018 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw