計算嵌入式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中的SSD使用壽命

SSD已發(fā)展成為取代許多嵌入式系統(tǒng)（包括醫(yī)療設(shè)備）中旋轉(zhuǎn)硬盤驅(qū)動器（HDD）的可行選擇。這是因為 SSD 消除了大多數(shù)醫(yī)療系統(tǒng)中最大的單一故障機制 - HDD 的活動部件。

醫(yī)療器械具有較長的產(chǎn)品測試和認證周期，并受到嚴格的監(jiān)管審批流程的約束。這些過程是必要的，因為主要硬盤驅(qū)動器故障是所有設(shè)備（而不僅僅是醫(yī)療設(shè)備）的不幸現(xiàn)實;它不是“如果”，而是“何時”HDD會發(fā)生故障，因為它具有移動部件，這些部件在某些時候會磨損并停止運行。當失敗發(fā)生時，它可能是監(jiān)管的噩夢。

1990年的安全醫(yī)療器械法案授權(quán)食品和藥物管理局（FDA）對醫(yī)療器械進行監(jiān)管。醫(yī)院和醫(yī)療保健組織必須報告所有導致嚴重疾病、傷害或死亡的醫(yī)療設(shè)備故障情況。這可能導致代價高昂的訴訟，產(chǎn)品召回和無數(shù)的惡意。即使沒有死亡，至少，醫(yī)療器械也必須通過FDA重新認證，這可能需要數(shù)年時間并花費數(shù)十萬美元。

存儲解決方案必須堅固耐用，并且能夠在關(guān)鍵應(yīng)用中無故障地運行。通常需要較小的占地面積，以及對高沖擊和振動的耐受性，并防止驅(qū)動器因用戶錯誤或環(huán)境條件引起的電源干擾而損壞。

除了這些要求之外，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計人員還面臨著降低醫(yī)療設(shè)備整體系統(tǒng)成本的持續(xù)壓力。NAND閃存組件已經(jīng)發(fā)展到提供更低的每比特成本，但這樣做犧牲了可靠性和耐用性。這導致許多OEM廠商質(zhì)疑SSD在其關(guān)鍵醫(yī)療應(yīng)用中的使用壽命。

為了幫助醫(yī)療設(shè)備設(shè)計人員解決這一重大的行業(yè)問題，以下討論簡要概述了NAND閃存技術(shù)的最新變化以及SSD供應(yīng)商用于管理這些變化的一些算法。使用這些通用數(shù)據(jù)，一種新方法可以通過概述SSD制造商控制的參數(shù)（例如使用的NAND類型，寫入性能和寫入放大）以及系統(tǒng)OEM可以控制的參數(shù)（使用模型，容量和寫入占空比）來幫助設(shè)計人員預測使用壽命。

南德閃存技術(shù)變革

NAND閃存組件是固態(tài)硬盤中的主要存儲介質(zhì)，正在經(jīng)歷半導體行業(yè)前所未有的技術(shù)變革。對更低的每比特成本和更小尺寸要求的追求正在推動NAND閃存技術(shù)縮小到更小的工藝幾何形狀，并在每個單元存儲多個位。盡管這導致更高容量的 SSD 采用更小的外形尺寸，每 GB 成本不斷降低，但它為醫(yī)療設(shè)備 OEM 帶來了可靠性和產(chǎn)品壽命挑戰(zhàn)。

與基于NAND閃存的固態(tài)硬盤相比，可靠性問題主要集中在器件的寫入/擦除周期數(shù)或耐用性的限制上。OEM 經(jīng)常質(zhì)疑 SSD 是否滿足其長期系統(tǒng)部署要求，尤其是在具有密集寫入/擦除使用模型的 24/7 醫(yī)療應(yīng)用中。

在原始介質(zhì)級別，NAND閃存本質(zhì)上比HDD中的磁盤更可靠，SSD控制器現(xiàn)在面臨著與之前的HDD控制器相同的問題，以確定如何利用較低的每比特成本，同時保持特定應(yīng)用的可接受的可靠性水平。然而，SSD在解決這個問題方面具有優(yōu)勢，因為它們沒有傳統(tǒng)上被認為是HDD最大的可靠性問題 - 旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的簡單機制。

存儲管理算法和寫入放大

必須主動管理 NAND 閃存。SSD 控制器通過使用磨損均衡和其他存儲管理算法來管理耐用性，并且根據(jù)應(yīng)用程序，SSD 控制器優(yōu)化寫入/擦除操作以增加系統(tǒng)級別的耐用性。此外，SSD控制器在NAND閃存陣列中保留了一個備用區(qū)域，用于管理壞塊和其他閃存漏洞。SSD中的備件數(shù)量為1%至2%，但在需要高可靠性的應(yīng)用中可能高達50%。這種方法稱為過度配置，通常通過提供額外的NAND容量來解決這些可靠性問題來實現(xiàn)。

必須考慮寫入放大的概念，以準確計算SSD的使用壽命。寫入放大是衡量 SSD 控制器效率的指標。它定義了控制器對來自主機系統(tǒng)的每個寫入命令對介質(zhì)進行的最小寫入次數(shù)。寫入放大突出顯示了擦除塊大小和頁面大小之間的基本不匹配。例如，SSD 控制器的最小寫入大小可能是 4 KB 的頁面大小。

大多數(shù) SSD 必須在寫入之前擦除，這可能需要擦除并寫入整個擦除塊 （256 KB）。在此示例中，生成的寫入放大將為 256：4 或 64：1。最壞的情況是一遍又一遍地寫入相同的邏輯塊地址，這將導致64：1的比率。最佳方案是以擦除塊大小的整數(shù)倍的文件大小流式傳輸數(shù)據(jù)。在這種情況下，寫入放大將為 1：1。在實踐中，寫入放大是基于主機寫入數(shù)據(jù)的方式，表明使用模型可以對SSD的使用壽命產(chǎn)生64倍的影響。

固態(tài)硬盤使用壽命方法

OEM 需要以年、月、日而不是周期來了解 SSD 的使用壽命。使用每個邏輯塊的寫入/擦除周期對耐久性進行分類可能是比較 SSD 規(guī)格的起點，但它并沒有回答真正的問題：SSD 在應(yīng)用程序中將持續(xù)多長時間？因此，定義和測量應(yīng)用程序的使用模型以實際確定SSD的使用壽命變得至關(guān)重要。

使用最壞情況的示例，公式1中展示的以下通用方法基于24/7使用模型，要求數(shù)據(jù)保留一年。對于數(shù)據(jù)庫或事務(wù)使用模型應(yīng)用程序，生存期計算必須考慮每秒 I/O 數(shù) （IOPS）。IOPS可以使用行業(yè)標準基準（如IOMeter）進行測量，該基準允許用戶定義使用模型參數(shù)，例如文件大小以及讀取和寫入的百分比。寫入 IOPS 分級是基于所需文件大小的 IOMeter 輸出。寫入放大的概念在這里也起作用。它不會產(chǎn)生準確的信息來簡單地監(jiān)視主機寫入（IOPS評級）;還必須考慮占空比。

等式 1

以下定義描述了公式1中所示的術(shù)語。

· 耐久性等級：傳統(tǒng)上指定為 100K、10K 或 5K 的塊級耐久性。將值 5 用于 5K，將值 10 用于 10K，依此類推。許多供應(yīng)商不提供此信息，因為NAND變化如此之快。因此，許多用戶嘗試不同的值并相應(yīng)地調(diào)整容量。

· 33.25：從數(shù)千個周期的耐久性額定值、KB 到 GB 和數(shù)秒到數(shù)年的單位轉(zhuǎn)換得出的常量。

· 平均每幀率：寫入 IOPS 數(shù)。

· 文件大?。簻y量 IOPS 分級的文件大小。

· 寫入放大：每個主機寫入在 NAND 級別的寫入次數(shù)。此值與使用模型相關(guān)，但最壞的情況是，如前所述，對于 100% 隨機寫入，值為 64。此值基于 NAND 擦除塊大小與頁面大小的比率。如果文件大小大于頁面大小，則最壞情況下的寫入放大是擦除塊大小除以文件大小。

· 占空比：寫入周期的百分比（讀取周期加上空閑時間）。

為了演示這種方法，請考慮一家醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備制造商考慮使用 32 GB SSD 來替換旋轉(zhuǎn)磁盤驅(qū)動器。該驅(qū)動器使用額定耐久性為 100K 的 NAND 器件，對于 8 KB 文件，具有 200 寫入 IOPS。驅(qū)動器未指定寫入放大系數(shù)，因此將使用值 32（256 KB 塊/8 KB 文件）。OEM 估計寫入占空比為 25%，這是一個非常保守的估計值。在前面的等式中填寫這些參數(shù)，SSD壽命的計算公式2所示：

等式 2

固態(tài)硬盤方法論

如圖 1 所示，有三個參數(shù)控制 SSD 的使用壽命：技術(shù)、容量和使用模型。

圖 1：技術(shù)、容量和使用模式?jīng)Q定了 SSD 的使用壽命。

OEM 可以使用容量和使用模型根據(jù) SSD 技術(shù)確定使用壽命。為此，西部數(shù)據(jù)技術(shù)提出了一種衡量SSD技術(shù)的新指標。使用 LifeEST 時，SSD 技術(shù)是通過指定 SSD 可以達到的每 GB 寫入年數(shù)來衡量的，如公式 3 和圖 2 所示。

等式 3

圖 2：LifeEST通過規(guī)定固態(tài)硬盤可以達到的每GB寫入年數(shù)來衡量固態(tài)硬盤技術(shù)。

UCC在等式4中計算得出。

等式 4

使用前面的應(yīng)用示例，在等式5中計算LifeEST。

等式 5

然后，根據(jù)等式 6 和 7 輕松計算 SSD 的使用壽命：

等式 6

等式 7

確定最佳固態(tài)硬盤容量

傳統(tǒng)上，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計人員通過在塊級別測量NAND閃存設(shè)備寫入/擦除周期，然后在查看要收集的數(shù)據(jù)量以確定SSD容量之前確定操作系統(tǒng)和程序文件的大小來計算其存儲要求。在NAND元件技術(shù)的快速變化減少了規(guī)定的寫入/擦除周期數(shù)之前，這種方法工作正常，使得在沒有徹底了解使用模型和寫入放大的影響的情況下很難確定正確的容量。

如今，醫(yī)療系統(tǒng) OEM 無法承受代價高昂的現(xiàn)場故障。通過確定產(chǎn)品必須在現(xiàn)場部署多長時間以及應(yīng)用程序的使用模型來衡量和預測SSD的使用壽命至關(guān)重要。有了這些信息，醫(yī)療系統(tǒng) OEM 可以準確地為所需的現(xiàn)場部署指定最佳 SSD 容量。

重要的是要注意，即使使用建模良好的應(yīng)用程序，計算充其量也是理論性的。產(chǎn)生真實結(jié)果的更準確的方法涉及在應(yīng)用程序本身中使用工具來監(jiān)控NAND閃存的確切磨損并將該數(shù)據(jù)報告回主機系統(tǒng)。具有驅(qū)動器使用情況監(jiān)控功能的 SSD 可以確保醫(yī)療設(shè)備的完整性，并消除有關(guān)故障、傷害或法規(guī)問題的任何疑慮。西部數(shù)據(jù)正在申請專利的SiSMART監(jiān)測技術(shù)集成到其SiliconDrive SSD中，可以幫助醫(yī)療設(shè)備制造商實現(xiàn)實時SSD使用結(jié)果，以根據(jù)其特定應(yīng)用準確預測使用壽命。

審核編輯：郭婷