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運用nvSRAM維持企業級SSD的可靠性
不再擔心電力中斷問題

【作者: Pramodh Prakash】   2014年04月08日 星期二

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企業級固態硬碟是現今最高階的非揮發儲存裝置,其儲存技術在讀/寫效能、散熱、及能源消耗等方面比傳統硬碟更勝一籌。企業級應用能從固態硬碟發揮許多顯著的效益,用來作為儲存網路加速器,其中包括銀行與金融應用、線上交易處理、前端網頁伺服器、搜尋引擎、簡訊、及高效能運算等領域。


企業級固態硬碟提供中等至高等的容量,並支援各種儲存效能與可靠性規範。專門鎖定企業級儲存市場,用來提供應用加速機制。


以下將探討企業級固態硬碟採用SDRAM快取在斷電時,運用目前超級電容或整排鉭質電容架構,備份SDRAM快取資料的關鍵部分,如圖1所示。此外,亦將探討此實作方式的可靠性,及運用非揮發記憶體解決方案(nvSRAM)作為更勝一籌的替代方案。



圖一 : 企業級固態硬碟的基本方塊圖
圖一 : 企業級固態硬碟的基本方塊圖

SDRAM快取資料與元數據的斷電備份

企業級固態硬碟通常使用SDRAM作為快取,以存放與處理從儲存系統控制器所收到的部分數據。此外,SDRAM中存放一份企業級固態硬碟元數據(metadata)的複本,其中部分必須根據元數據被寫入資料的相對應磁區位置進行修改。元數據通常包含平均抹寫、錯誤修正、轉譯表、實體/邏輯位址地圖、檔案配置表等資訊。其中,每份檔案都須進行多次寫入作業,而元數據的需求會隨著企業級固態硬碟的容量一起提升。


在企業級儲存系統進行資料傳輸作業,例如於企業級固態硬碟快閃記憶體中讀取或寫入位置,從電源供應系統一直到所有涉及的元件,包括儲存系統主控端、固態硬碟控制器、SDRAM快取、及快閃記憶體,都必須維持高效率的運作以確保成功的交易。然而,電子系統往往容易受各種電力中斷事件的影響,包括電壓尖波、斷電、突波、電壓下降等,可能導致以下資料流失或毀損:


‧ 快取資料正傳送至快閃記憶體


‧ 元數據


當企業級固態硬碟向儲存系統控制器回報已將資料「通報已寫入到NAND flash快閃記憶體」時,就不允許發生資料流失。企業級固態硬碟控制器向儲存系統控制器回報接收資料狀態的機制有兩種:當資料真正已寫入媒體之後,企業級固態硬碟再回報已寫入的「秉實回報(write-thru)」模式,在這種模式中,企業級固態硬碟控制器會等到資料與修改後的元數據已真正安全存入快閃記憶體後,才會向儲存系統控制器回報寫入完成(committed)。


另一種作業模式就是在尚未實際存放,企業及固態硬碟就回報已完成的「提前回報(write-back)」模式,在某些資料串流與/或相對應的已修改元數據,實際上尚未「通報寫入」到快取,卻向儲存系統控制器回報為「已寫入(committed)」。當發生電源故障事件時,任何向儲存系統控制器回報為 「已寫入」的資料,都必須立即儲存至非揮發記憶體中。


企業級固態硬碟的快取所存放的任何其他資料,一律假設在斷電時都會流失。提前回報模式讓隨機IOPS的效能遠遠超越秉實回報模式,是高度隨機寫入式IOPS碟機的優先選擇模式。


為確保提前回報型產品能順暢運作,業者在企業級固態硬碟加入電源故障偵測電路,以監視電壓,在電壓下降至預設門檻值之下時,即向固態硬碟控制器發送訊號。系統中會建置一個輔助電壓維持電路,以確保儲存裝置有足夠的電力來備份SDRAM快取資料。當電力失效時,輔助電壓來源就會提供所需的能源讓系統撐過作業時間,將內容從SDRAM傳送到快閃記憶體。圖2是企業級固態硬碟中典型電源故障偵測電路的模塊圖。



圖二 : 典型電源故障偵測電路的方塊圖
圖二 : 典型電源故障偵測電路的方塊圖

超級電容

超級電容亦稱為超電容或電雙層電容(EDLC),這種電容的能源密度遠高於市面上其他種類電容,在許多電池備援應用中作為取代電池的可靠方案。


然而,超級電容存在許多可靠性問題,如長期可靠性方面存在許多不足之處、使用壽命有限、性能會隨著電極消耗而下滑,最終在沒有顯著徵兆,甚至完全無前兆的情況下完全失效。此外,運作電壓和運作與非運作溫度越高,電極的消耗率也越高。周圍運作溫度每增加攝氏10度,超級電容的使用壽命就會減半。


超級電容的失效模式包括:


‧ 因電極分解導致壓力過高,進而造成外殼破口(opening)


‧ 電壓與溫度導致在外殼內部產生一股氣壓,並隨時間逐漸升高。當壓力到達極限時,外殼上的溝槽就會產生細微破口。


當長時間在高溫環境下運作,電極的水份就會蒸發,進而導致等效串聯電阻(ESR)增高。最根本的失效情況是破口隨著ESR提高同時出現。


整排的分立電容提供一種更可靠的替代方案,但須更小心的設計。採用分立電容的電壓維持電路,以並聯方式加入一排分立電容。分立電容可採用鋁質電容、鉭質電容、或鈮質電容。由於少了超級電容的緊緻性,分立式解決方案的電容-尺吋比導致這類元件會佔用可觀的電路板空間。鉭質電容亦對短路與各種煙失效(smoking failure)機制敏感。


非揮發記憶體解決方案

非揮發記憶體(nvSRAM)對企業級固態硬碟的價值主張就是完全不用或盡量減少超級電容或整排分立電容,以及可靠地備份傳輸中的SDRAM快取資料與元數據,採用單晶片、無電池、非揮發的RAM技術。


非揮發記憶體將兩種CMOS技術結合在一個元件,亦即SRAM與SONOS非揮發技術。在正常的系統啟動條件下,非揮發記憶體的作用和傳統SRAM沒有兩樣。IC中的SRAM部分以高達20奈秒的存取速度執行隨機存取式讀/寫動作,過程中採用標準的非同步SRAM訊號與時序。


一旦發生供電異常或中斷,晶片中的智慧功能會偵測出威脅,並自動把SRAM資料複製到非揮發記憶體,在這類記憶體中資料會儲存超過20年之久。在啟動電源進行RECALL回復作業時,IC會把資料複製到SRAM,系統就能精準地從關閉前一刻的狀態接續運行,提供永遠不會流失資料的高速SRAM。最新的高密度(16Mb)非揮發記憶體亦提供高頻寬的DDR NAND Flash(ONFI 3.0/Toggle 2.0)介面。


SRAM與非揮發陣列元件內部之間的傳輸屬於完全平行式(cell對cell),因此STORE儲存作業能在8微秒內完成,速度快到使用者感覺不到任何停頓。這類IC還提供由使用者控制的軟體STORE與RECALL啟動指令,大多數版本還提供由使用者控制的硬體STORE啟動指令。


非揮發記憶體是一種高度可靠的產品,採用成熟的CMOS與SONOS製程進行量產。此外,在許多應用領域至今已累積超過20年的歷史,其中包括軍事、商業、儲存、醫療、及各種工業應用。


非揮發記憶體 - 企業級固態硬碟的非同步及同步解決方案

圖3是將非同步非揮發記憶體,作為非揮發緩衝區,在電力中斷時,為企業級固態硬碟的資料流與元數據提供緊急儲存空間。圖3中的VCAP電容提供STORE作業所需的電力,將資料從SRAM移到非揮發單元。VCAP是一個標準電容。



圖三 : 企業級固態硬碟非同步非揮發記憶體解決方案
圖三 : 企業級固態硬碟非同步非揮發記憶體解決方案

圖4是針對企業級固態硬碟設計的非揮發記憶體元件,這類元件採用新型同步式高頻寬(最高達12.8 Gbps)NAND介面的非揮發記憶體。這些元件將推出16-Mbit的密度,目前已開始送樣,預計於2013年第1季開始量產。



圖四 : 企業級固態硬碟專屬的同步式非揮發記憶體解決方案
圖四 : 企業級固態硬碟專屬的同步式非揮發記憶體解決方案

如前文所述,運用一個超級電容或整排的分立鉭質電容作為輔助的電壓來源,在供電中斷時提供所需的能源,讓系統把資料從SDRAM傳送到快閃記憶體。


企業級固態硬碟架構中的控制器亦支援透過高速同步式NAND介面,連結到快閃記憶體(ONFI 3.0與Toggle DDR 2.0)元件。


Cypress的非揮發記憶體核心技術能支援高速同步式NAND介面,搭配業界標準的ONFI 3.0/Toggle 2.0介面,為企業級固態硬碟製造商提供一個高效能的同步式非揮發記憶體解決方案。這種新型非揮發記憶體能直接置入快閃記憶體匯流排,作為儲存關鍵非揮發資料的記憶體空間(如圖4所示)。


新型非揮發記憶體介面刻意設計成為開放性標準,並採用標準化的指令與標準設計時序。這樣的作法可盡量省掉或完全不用超級電容/整排鉭質電容與資料傳輸邏輯元件,大幅縮短企業級固態硬碟系統的備份時間,還可解決電容備份解決方案的可靠性問題。


企業級固態硬碟在面臨供電中斷時,必須要能可靠且快速地備份正在傳輸中的關鍵資料與元數據。然而,目前的電容備份解決方案仍存有許多嚴重的可靠性問題。非揮發記憶體能可靠且快速地備份關鍵的企業級固態硬碟資料,同時消除超級電容與整排鉭質電容在可靠性方面的顧慮。


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