在為工業(yè)應(yīng)用選擇閃存設(shè)備時(shí)提出正確的問(wèn)題

為工業(yè)應(yīng)用選擇閃存設(shè)備或固態(tài)硬盤 （SSD） 非常復(fù)雜。性價(jià)比比較沒(méi)有多大用處，因?yàn)樾枨篁?qū)動(dòng)的績(jī)效定義取決于許多因素。

當(dāng)涉及到標(biāo)準(zhǔn)IT應(yīng)用程序時(shí)，每GB價(jià)格是閃存的一個(gè)非常好的購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)用的閃存設(shè)備，或者您需要用于戶外電信應(yīng)用的存儲(chǔ)卡，那么您的優(yōu)先事項(xiàng)將有所不同。如果像通常的情況一樣，容量不是真正的問(wèn)題，那么堅(jiān)固性和耐用性肯定是問(wèn)題。耐久性（即閃存介質(zhì)壽命）和保留（即保存數(shù)據(jù)的持久性）是復(fù)雜的問(wèn)題。存儲(chǔ)介質(zhì)固件和體系結(jié)構(gòu)都在這里發(fā)揮作用，應(yīng)用程序的性質(zhì)也是如此。數(shù)據(jù)將如何寫入？還是更強(qiáng)調(diào)閱讀？如果您對(duì)閃存有特殊要求，那么您需要確切地知道要問(wèn)哪些問(wèn)題。

背景：衰老跡象

通常，NAND閃存設(shè)備的單元僅允許有限數(shù)量的刪除。這是因?yàn)槊看萎a(chǎn)生隧道效應(yīng)時(shí)，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(jié)果，閾值電壓隨時(shí)間變化，最終電池不再可讀。

老化的另一個(gè)影響是在氧化層中形成導(dǎo)電路徑，導(dǎo)致電池逐漸失去電荷 - 隨之而來(lái)的是保持位。這種效應(yīng)通過(guò)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(huì)發(fā)生，從而導(dǎo)致保留率急劇下降。因此，雖然新的單級(jí)和多級(jí)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(jié)束時(shí)下降到只有一年。但是使用MLC NAND，在3，000個(gè)P / E周期后達(dá)到這一點(diǎn)，而使用SLC則在100，000個(gè)P / E周期后達(dá)到。這就解釋了為什么SLC是復(fù)雜應(yīng)用的首選解決方案，以及為什么低成本的三級(jí)單元（TLC）NAND芯片不能用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)。要使用這種技術(shù)為每個(gè)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(gè)P / E周期后下降到三個(gè)月。

緩解措施

使用各種機(jī)制減輕了對(duì)芯片的物理?yè)p壞的影響。鑒于當(dāng)一個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)塊需要標(biāo)記為“壞”，磨損均衡可確保所有物理存儲(chǔ)地址經(jīng)歷相同級(jí)別的使用。但閱讀錯(cuò)誤不僅僅指向磨損。每次寫入數(shù)據(jù)時(shí)，程序化細(xì)胞周圍的細(xì)胞都會(huì)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(shí)間的推移，電池電壓閾值增加，導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤 - 一旦相關(guān)塊被擦除，這些錯(cuò)誤就會(huì)修復(fù)。閱讀還會(huì)導(dǎo)致一種稱為“閱讀干擾”的壓力形式，即相鄰的頁(yè)面累積電荷。由于所涉及的電壓相對(duì)較低，這種影響遠(yuǎn)不如寫入明顯 - 然而，讀取容易出現(xiàn)位錯(cuò)誤，必須通過(guò)糾錯(cuò)碼（ECC）進(jìn)行糾正，并通過(guò)刪除相關(guān)塊來(lái)修復(fù)。有趣的是，這種效果在重復(fù)讀取相同數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序中尤其明顯。這意味著即使在只讀內(nèi)存中，也需要?jiǎng)h除塊并重復(fù)寫入頁(yè)面以糾正錯(cuò)誤。

如何測(cè)量固態(tài)硬盤耐久性

制造商使用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量閃存設(shè)備的使用壽命：寫入 TB 數(shù) （TBW） 和每天驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)測(cè)試的問(wèn)題在于它們非常復(fù)雜，用戶別無(wú)選擇，只能依賴制造商的規(guī)格。此外，在為給定應(yīng)用選擇正確的數(shù)據(jù)介質(zhì)時(shí)，尚不清楚這些規(guī)范的實(shí)際相關(guān)性，因?yàn)楂@得的數(shù)字在很大程度上取決于測(cè)試工作負(fù)載。例如，對(duì) Swissbit 480 GBP SSD 的測(cè)試得出 1360、912 或 140 TBW 的使用壽命，具體取決于所使用的測(cè)量方法。最引人注目的結(jié)果是通過(guò)測(cè)量順序書寫來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第二個(gè)值 （912） 由客戶端工作負(fù)荷生成，而第三個(gè)值 （140） 派生自企業(yè)工作負(fù)荷。這兩個(gè)負(fù)載測(cè)試都構(gòu)成 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)。客戶端工作負(fù)載基于計(jì)算機(jī)用戶的行為，并且主要生成順序訪問(wèn)。另一方面，企業(yè)工作負(fù)載在多用戶環(huán)境中模擬服務(wù)器的性能，該環(huán)境可生成高達(dá) 80% 的隨機(jī)訪問(wèn)。

雖然從理論上講，這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該允許可比性，但問(wèn)題是許多制造商根本不指示底層工作負(fù)載，而是將其產(chǎn)品信息基于順序?qū)懭胫?。而且，正如示例所示，由于后者?duì)于企業(yè)工作負(fù)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(shí)，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(guò)程都是理解和排名閃存功能和性能的相關(guān)機(jī)制。此域中的一個(gè)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)是寫入放大因子或 WAF，它是從主機(jī)派生的用戶數(shù)據(jù)與寫入閃存設(shè)備的實(shí)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(biāo)）是提高 SSD 耐用性的關(guān)鍵。影響 WAF 的工作負(fù)載因素包括順序訪問(wèn)、順序訪問(wèn)和隨機(jī)訪問(wèn)之間的差異，或者相對(duì)于頁(yè)面和數(shù)據(jù)塊大小的數(shù)據(jù)塊大小。必須滿足兩個(gè)基本條件：頁(yè)面需要一個(gè)接一個(gè)地編寫，塊需要作為整個(gè)單元?jiǎng)h除。在標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中，邏輯地址和物理地址之間的映射與塊相關(guān)。這對(duì)于順序數(shù)據(jù)非常有效，因?yàn)榻o定塊的頁(yè)面可以按順序?qū)懭搿＿@種機(jī)制的一個(gè)例子是連續(xù)積累的視頻數(shù)據(jù)。但是，對(duì)于隨機(jī)數(shù)據(jù)，頁(yè)面被寫入許多不同的塊中，因此頁(yè)面的每次內(nèi)部覆蓋都需要?jiǎng)h除整個(gè)塊。這會(huì)導(dǎo)致更高的 WAF 和更短的生存期。因此，基于頁(yè)面的映射對(duì)于非順序數(shù)據(jù)是優(yōu)選的。換句話說(shuō)，固件確保來(lái)自不同來(lái)源的數(shù)據(jù)可以按順序?qū)懭雴蝹€(gè)塊的頁(yè)面。這減少了刪除次數(shù)，從而延長(zhǎng)了生存期并增強(qiáng)了寫入性能。這種方法的缺點(diǎn)是它會(huì)導(dǎo)致閃存轉(zhuǎn)換層（FTL）的分配表更大，盡管這可以通過(guò)集成的DRAM進(jìn)行補(bǔ)償。

另一個(gè)增加 WAF 的因素是內(nèi)存使用率。閃存設(shè)備上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)越多，固件從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方所需的位就越多?；陧?yè)面的映射在這里也是有利的。制造商還有另一種稱為過(guò)度配置的調(diào)整機(jī)制（即僅保留用于后臺(tái)活動(dòng)的閃存設(shè)備的空間）可供他們使用。SSD的7%（千兆字節(jié)數(shù)字的二進(jìn)制值和十進(jìn)制值之間的差異）通常用于此目的。但是，為過(guò)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(gè)相同SSD的耐久性比較（即企業(yè)工作負(fù)載的TBW）表明，60 GB Swissbit F-60硬腦膜比特的價(jià)值比同一公司的64位F-50設(shè)備高出6.6倍。實(shí)際上，對(duì)于240 GB和265 GB版本，該值要高出10倍。

結(jié)論和要問(wèn)的九個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

SLC閃存器件在很多方面都是工業(yè)應(yīng)用以及斷電保護(hù)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(zhì)同樣適用于此類目的。除了符合軍用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械性能外，在尋找SSD解決方案時(shí)，應(yīng)特別注意制造商在通過(guò)固件減少WAF和延長(zhǎng)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(hù)管理”措施，以更好地保留，并且不要忘記已針對(duì)給定應(yīng)用程序精心限定的模塊的長(zhǎng)期可用性。

應(yīng)用程序要求決定了在選擇 SSD 時(shí)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(guò)分析其讀取和寫入來(lái)計(jì)算給定SSD的耐用性。如前所述，即使價(jià)格不是決定因素，了解您是否真的需要八倍昂貴的SSD，或者M(jìn)LC是否足以滿足您的目的也很有用。

為工業(yè)應(yīng)用選擇閃存設(shè)備時(shí)要問(wèn)的關(guān)鍵問(wèn)題：

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

內(nèi)存存儲(chǔ)是否長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下？由于高溫會(huì)更快地削弱電池的可讀性，因此應(yīng)選擇具有數(shù)據(jù)維護(hù)功能的產(chǎn)品，該產(chǎn)品會(huì)定期刷新數(shù)據(jù)。

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

應(yīng)用程序是否主要需要讀取訪問(wèn)權(quán)限？ –如果是，則應(yīng)選擇具有數(shù)據(jù)維護(hù)功能的產(chǎn)品，該產(chǎn)品會(huì)定期刷新數(shù)據(jù)。

應(yīng)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?qū)懭牍δ?。?duì)于隨機(jī)請(qǐng)求，應(yīng)選擇具有基于頁(yè)面映射的產(chǎn)品。

內(nèi)存的容量是否得到充分利用？對(duì)于密集型應(yīng)用，控制器需要空間用于內(nèi)部操作，而過(guò)度配置可能會(huì)延長(zhǎng)耐用性。

提供商為 TBW 或 DWPD 指定了什么工作負(fù)載？只有通過(guò)指示工作負(fù)載基準(zhǔn)才能對(duì)數(shù)據(jù)載體進(jìn)行比較。

是否需要針對(duì)數(shù)據(jù)丟失提供更高級(jí)別的保護(hù)？對(duì)于特別關(guān)鍵的應(yīng)用，數(shù)據(jù)維護(hù)管理和電源故障保護(hù)至關(guān)重要。

幾年后，這種媒介還會(huì)可用嗎？制造商應(yīng)保證長(zhǎng)期可用性，以便無(wú)需重新認(rèn)證即可更換內(nèi)存存儲(chǔ)。

審核編輯：郭婷