采用nvsram确保企业级ssd故障时电源可靠性

东营变频器维修 /dybpwxSSD 技术概览固态驱动器(SSD)是采用固态半导体存储器(如 NAND 闪存)而非传统硬盘驱动器(HDD)中磁性元件来永久存储信息的一种数据存储设备。由于数据可随机存取，不像 HDD 那样受磁盘转动和读写磁头同步的影响，因此能加快 SSD 的输入/输出(I/O)性能。此外，HDD 移动磁头到准确位置也要花上几毫秒。SSD 的基本架构包括 SSD 控制器/处理器、存储器控制器、接口控制器、NAND 闪存存储器器件组、SDRAM 缓存和接口连接器。SSD 没有移动部件，大小与 HDD 相仿，而且支持标准的 HDD 接口，包括串行高级技术附件(SATA)、串行连接SCSI(SAS)、光纤通道(FC)等。由于不采用移动部件，因此 SSD 在更长的工作时间内能保持更高的可靠性。SSD 还有一大优势，就是相对于 HDD 而言能显着降低功耗。随着存储器容量的提升和价格的下降，SSD 越来越成为富有吸引力的 HDD 替代方案。由于 SSD 速度更快，因此单位 IOPS(每秒输入/输出操作)的成本低得多。随着时间的推移，SSD 在单位存储容量(每千兆字节)的成本方面也体现出更高的优势。分析人士预测 SSD 价格将继续稳步下降，从而进一步推进该技术在不同细分市场中的应用。企业级 SSD企业级 SSD 是当前非易失性存储的最高级别，在读写性能、散热和能耗方面都较其它 HDD 替代方案有了长足的进步。SSD 作为存储网络加速器可让企业应用大受裨益，其中包括银行和金融应用、在线事务处理、前端 Web 服务器、搜索引擎、信息传递和高性能计算等。由于企业级 SSD 与 HDD 插件兼容并支持标准的磁盘接口，因此能安装在当前使用企业 HDD 的大多数服务器平台和磁盘阵列中。面向企业级存储设备的主要性能参数是随机读写 IOPS(见表 1)。表 1企业级 SSD 可提供大容量存储空间、高性能和高可靠性等规范，专门面向企业存储市场，用于支持应用加速。图 1 显示了 SATA 接口企业级 SSD 的基本方框图。其它可用接口还包括与 HDD 相兼容的串行连接 SCSI(SAS)、光纤通道(FC)和 PCIe 等。东营变频器维修 /dybpwx图 1:企业级 SSD 基本方框图以下各节将探讨企业级 SSD 对 SDRAM 缓存的需求以及采用超级电容或钽电容组在断电时备份 SDRAM 缓存数据关键部分的当前架构，如图 1 所示。此外，我们还将讨论这种实施方案的可靠性问题，并探讨非易失性存储器解决方案(nvSRAM)作为出色替代方案的使用问题。对于 SDRAM 缓存的需求NAND 闪存存储器是企业级 SSD 的基本存储元件。由于架构问题，NAND 闪存存储器的主要局限性在于其写入速度无法匹配企业存储系统的数据传输速度要求。由于数据传输速度超过了 NAND 闪存的写入速度，因此企业级 SSD 的写入性能可通过高速数据缓存加以提高。企业级 SSD 通常采用 SDRAM 作为缓存，保存并处理从存储系统控制器接收到的数据流有关部分。此外，SDRAM 也可保存企业级 SSD 元数据的工作副本，其中一部分必须根据用于写入数据的块的分配情况加以修改。元数据通常包括平均抹写储存区块(wear leveling)、错误校正、转换表、物理/逻辑地址映射、文件分配表等信息，并且需要每个文件的多次写入操作。元数据要求随着企业级 SSD 容量的增长而增长。SDRAM 缓存数据和元数据的电源故障备份在企业存储系统的数据传输操作中，比如说读写企业级 SSD 闪存存储器的某个位置，包括存储系统主机、SSD 控制器、SDRAM 缓存和 NAND 闪存存储器等所有相关元件的电源系统必须有效工作，从而确保成功的事务处理。但是，电子系统很容易受到电压峰值、断电、浪涌、限电等供电中断问题的影响，这可能导致潜在的数据丢失或损坏：传输到闪存存储器的缓存数据元数据企业级 SSD 不能丢失已向存储系统控制器报告为“提交给 NAND 闪存”的数据。企业级 SAS/SATA 市场制定了热插拔规范，要求任何时候都不能丢失“被提交”的数据，即使是突然断电也不行。比如说热插拔维护环节中操作人员误操作卸下了错误的驱动器。东营变频器维修 /dybpwx企业级 SSD 控制器向存储系统控制器报告数据接收状态有两种机制。企业级 SSD 可工作在“写通”模式下，也就是说只有在数据和修改的元数据安全地“提交”到 NAND 闪存存储器时，企业级 SSD 控制器才会通知存储系统控制器数据和修改的元数据已经“被提交”.此外，企业级 SSD 也能工作在“回写”模式下，也就是某些数据流和/或相应修改的元数据还没有“提交”到闪存，但已经向存储系统控制器报告为“被提交”.任何向存储系统控制器报告为“被提交”的数据在电源故障情况下都应确保非易失性。企业级 SSD 缓存中的任何其它数据在电源故障情况下假定为丢失。“回写”模式相对于“写通”模式而言能大幅提升随机 IOPS 性能，因此更受高随机 IOPS 驱动器的青睐。为了确保“回写”实施方案的正常运行，企业级 SSD 采用电源故障检测电路监控电源电压，如果电压降到预设阈值以下，就发送信号给 SSD 控制器。此外，我们还实施了二级电压保持电路，确保驱动器在足够长的时间内有足够的电力，能支持 SDRAM 缓存数据的备份。当电源中断时，二级电压源在所需的持续时间内提供所需的电力，从而从 SDRAM向 NAND 闪存传输内容。以下图 2 显示了用于企业级 SSD 的典型电源故障检测电路方框图。图 2:典型的电源故障检测电路方框图二级电压源可以是高容量超级电容，也可以是一组分立钽电容。超级电容超级电容器(supercapacitor 或 ultracapacitor,抑或为双电层电容器 EDLC)是相对于任何其它可用电容类型能够显着提高能量密度的电容，并且可作为电池备份应用中可靠的电池替代产品。但是，超级电容器存在可靠性问题，已知其在长期可靠性方面存在不足，这一点跟铝电解电容器比较相像。超级电容器的使用寿命有限，因为经过一段时间在工作温度下电解质会从元件挥发，从而造成元件磨损。超级电容器的性能会随着电解质的损失而逐渐下降，最后几乎没有什么警告甚至毫无警告就会彻底失效。此外，工作电压越高、工作和非工作温度环境越差，电解质损失率也就越高。环境工作温度每升高 10，超级电容器的预期使用寿命就要削减大约一半。超级电容器故障模式包括：电化学分解压力过大造成单元开裂。电压和温度在单元内部生成气压，随时间推移慢慢增大，压力达到一定极限，就会造成机械扩散通常是外壳槽开裂。长期在较高工作温度下使用，电解质的水分蒸发，等效串联电阻(ESR)会增加。基本故障模式就是 ESR 增加的开裂模式。所有超级电容器都带有警告信息：“使用此电容器时应在设计中采用适当的安全措施，包括冗余和保护措施等。”分立电容器分立电容器组可提供更可靠的选择，但需要更小心的设计。基于分立电容器的保持电路采用并行连接的分立电容器组。所用的分立电容器可以是铝电容、钽电容或铌电容。它不像超级电容那么小型化，分立解决方案的电容尺寸比会占据大量板卡空间。此外，我们知道钽电容对短路和冒烟故障比较敏感。东营变频器维修 /dybpwxnvSRAM 解决方案非易失性 SRAM(nvSRAM)对于企业级 SSD 的优势在于能无需使用或尽可能少用超级电容或分立电容组，并能通过单芯片的免电池非易失性 RAM 技术就能为传输中的 SDRAM 缓存数据和元数据可靠备份。以下简要介绍 nvSRAM 的工作，随后将介绍在企业级 SSD 中采用 nvSRAM 器件的具体细节。非易失性 SRAM(nvSRAM)nvSRAM 在单个器件中完美结合了两大 CMOS 技术：SRAM 和 SONOS 非易失性技术。在正常加电系统工作条件下，nvSRAM 就像传统 SRAM 一样工作。IC 的 SRAM 部分以高达 20ns 的存取时间进行读写，采用标准的异步 SRAM 信号和时序。如果出现电源故障，那么芯片可智能检测到威胁，并自动将 SRAM 数据副本保存在非易失性存储器中，而且能保持 20年以上不改变。加电 RECALL 后，IC 将数据副本返回到 SRAM 中，系统就能刚好从上次停止的地方重新开始工作，从而确保快速 SRAM 绝不会丢失数据。此外，最新高密度(16Mb)nvSRAM 还支持高带宽 DDR NAND 闪存(ONFI 3.0/Toggle 2.0)接口。SRAM 和内部非易失性阵列之间的传输完全并行(单元对单元)，这就能在 8ms 乃至更少时间内完成 STORE 操作，用户根本毫无感觉。该 IC 系列的大多数版本还为用户提供可控的软件 STORE 和 RECALL 启动命令以及用户可控的硬件STORE 启动命令。nvSRAM 是高度可靠的产品，采用业经验证的大容量 CMOS + SONOS 工艺。此外，它在军事、商业、存储、医疗和工业应用中也有着 20 多年的历史。图 3 显示了 nvSRAM 的概念，它将快速 SRAM 元件和非易失性元件在单个单元中整合在一起。图 4 显示了 nvSRAM 的单元结构。东营变频器维修 /dybpwx图 3:nvSRAM 概念图 4:nvSRAM 单元 非易失性 SRAM-用于企业级 SSD 的异步解决方案图 5 显示了企业级 SSD 数据流和元数据断电需要备份时用作非易失性缓存的异步 nvSRAM.图 5 所示的 VCAP 电容可为 STORE 循环(将数据从 SRAM 移动到非易失性单元)进行供电。VCAP 是大约 50 F 的标准电容(详见数据表)。图 5:企业级 SSD 异步 nvSRAM 解决方案东营变频器维修 /dybpwx对于新设计而言，当前可用的异步 nvSRAM 器件密度在 256-kbit 到 8-Mbit 之间，2012 年还推出了 16-Mbit 的器件。非易失性 SRAM-用于企业级 SSD 的同步解决方案图 6 显示了用于企业级 SSD 的非易失性 SRAM 器件，其基于全新同步高带宽(最高 12.8Gbps)NAND 接口 nvSRAM.这种器件密度将达 16-Mbit,目前已经推出样片，预计于 2013 年第一季度投入量产。图 6:企业级 SSD 同步 nvSRAM 解决方案如前所述，超级电容或分立钽电容组可用作为断电时从 SDRAM 向 NAND 闪存传输数据提供所需电力的二级电压供电源。断电时从快速易失性存储器向非易失性存储器传输的理念与 20 年前赛普拉斯发明的 nvSRAM 理念相同，差别在于赛普拉斯 nvSRAM 在统一的单片 IC 中包含了电源检测、数据传输管理、快速易失性存储器和非易失性存储器等。数据传输在所有存储器单元中完成，同时耗电极低，时间也只有几毫秒。而 SDRAM 到闪存的传输在系统级进行，采用高功率 I/O 连接，这会很快消耗掉大型电容中的电量，而且完成时间也长得多。此外，企业级 SSD 架构中的 SSD 控制器也支持高速同步 NAND 到 NAND 闪存器件的接口(ONFI 3.0、Toggle DDR 2.0)。高速同步 NAND 接口目前得到久经考验的 nvSRAM 核心技术支持，采用业界标准的 ONFI 3.0/Toggle 2.0 接口，可为企业级 SSD 厂商提供高性能的同步非易失性存储器解决方案。全新 nvSRAM 可直接放在 NAND 闪存总线上，成为关键非易失性数据的有源存储器空间(见图 6)。全新 nvSRAM 接口的设计支持开放式标准，将采用标准指令和标准信号时序。这种方法不再需要或者能尽可能少需要超级电容或钽电容组以及数据传输