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固态硬盘SSD在关键场合的应用

简介:
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虽然闪存设备或固态硬盘(SSD)比机械硬盘(HDD)功能更强大,但是在发生电源故障时,SSD硬盘仍然会丢失数据。因此,当人们将固态硬盘(SSD)用作启动介质或为工业应用程序存储关键数据时,需要数据存储设备,以便在突然电压下降时尽可能完全地保留数据。

 
固态硬盘(SSD)因电源故障而引起的数据丢失的风险可以通过多种方式实现最小化。例如,Swissbit公司最近推出了采用最先进技术的2.5英寸的SATA 6Gb / s SSD固态硬盘,具有三个相互关联的保护等级。
 
但首先考虑各种情况。当控制的SSD关闭发生时,ATA“待机立即”命令会提示控制器,从而使其能够将缓冲区中的所有数据写入非易失性NAND单元。在突然电压下降的情况下,如果主机无法将“立即待机”命令发送到控制器,则所有未写入的信息将会丢失,导致文件损坏。因此,第一个保护等级必须取代主机缺少的“预警”。
 
1级:压降检测
 
通过监测工作电压,SSD硬盘控制器可以检测发生电源故障时的电压降。控制器的固件可以根据各种阈值触发两种措施:关闭所有操作并发出闪写保护(FWP)信号。如果达到第一个阈值,则禁用与主机的通信,但是将数据写入SSD的过程将继续进行。如果达到第二个阈值,则禁止写入,以防止由于部分闪存编程而导致保存的数据损坏。
 
SSD硬盘通常需要三毫秒以上才能完成写入过程。对于5V器件,SSD硬盘的所有命令都将在4V电压进行阻塞,闪写保护(FWP)信号以2.4V发送。对于3.3V的器件,电压降的阈值为2.8V和2.4V。电压下降的速度取决于主机,并且可能或可能不足够慢,以允许“有序退出”。如果没有足够的时间,这通常在3.3V器件中出现,因为它们的阈值与另一个器件有轻微不同,当设备重新启动时,固件机制启动将部分编程的扇区重置为先前的值。尽管在这种情况下数据仍然丢失,但是避免了由中断的写入过程引起的数据损坏。
 
2级:电压裕量
 
第二个失效机制与电压降有关。通常,主机电压和闪存电压曲线彼此平行。这里的任务是获得足够的时间来使SSD电压降曲线变得平坦。解决方案是将电容器集成到SSD硬盘电源中。在检测到第一个阈值时,控制器禁用主机操作,并同时电容器放电以提供足够的电力来完成写入过程。高端服务器SSD硬盘和工业SSD硬盘(如Swissbit X-60和X-600系列)可提供此类电源故障保护功能。

SSD PCB上的电容器组:电容器彼此排成一列,并准备提供电能(沿右边缘)。
 
3级:完整的数据备份
 
高端SSD硬盘使用DRAM内存来提高性能并降低写入放大系数(WAF)。上述断电机制的电平使DRAM内存数据无保护。如果在电源故障期间,这种数据需要可靠地写入闪速存储器(称为数据硬化的机制),则需要更复杂的电路和更大的电容器的电能储备。
 
生产制造商首先必须确定采用哪些电容器最合适。如果电力储存能力是唯一的考虑因素,超级电容器当然是最好的解决方案,因为它们可以储存足够的电能,并在发生电压降时提供电能。因此,它们被广泛用于IT应用。但是,对于服务于工业应用或数据中心受控条件之外的其他严格场景的SSD硬盘,也有在电容器提供电力容量之外的其他因素发挥作用。
 
因为超级电容器是“湿的”,也就是说,电容器它们含有液体电解质,并且当受到高温和高压尖峰时会膨胀,它们不仅可以破坏自身,而且可以破坏邻近的部件。作为回应,以下两种设计方法是有帮助的。首先,SSD硬盘可以通过并联连接的电容器组而不是使用超级电容器为DRAM内存数据加固提供备用电源。该解决方案符合“N + 1”冗余的原则,在电源故障的情况下提供了足够的裕量。第二,含有干电解质的聚合物钽电容器提供了一个出色耐用的模块,可承受-55°C至+ 105°C的温度。

 
在电压下降的情况下,这个电源管理器芯片切换到电容器,并产生一个易失性数据“硬化”命令。
 
断电电路
 
高耐用的电容器组可以集成到一个特殊的电源故障电路中,其电源管理器芯片控制电源。在正常工作条件下,该芯片接收主机产生的电源,为SSD硬盘供电,同时为电容器组充电至较高的电压。如果检测到电压下降,则电源管理器芯片将电源从主机切换到电容器。同时,它会产生触发控制器数据硬化顺序的停电信号。在SSD写入过程完成后,产生“硬化完成”信号,以便控制固态电压源的关断。
 
结论
 
除了高端工业SSD硬盘在电源故障情况下提供的最先进的数据丢失保护机制之外,这些设备还提供了与服务器甚至消费级SSD相区分的其他功能。这些功能包括更坚固的外壳和高品质的触点。嵌入式应用的存储解决方案的另一个重要特性就是它们的长寿命。这一特性不仅意味着SSD硬盘具有长期的可用性或可交付性,而且从技术角度来看,这是一项伟大的投资保护,同时也提高了耐用性。这个特点是由于采取了防止过早老化的许多措施,如较低的写入放大系数(WAF)和过度配置。


本文转自d1net(原创)

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