SSD技術概覽

　　固態驅動器(SSD)是采用固態半導體存儲器(如NAND閃存)而非傳統硬盤驅動器(HDD)中磁性元件來永久存儲信息的一種數據存儲設備。由于數據可隨機存取，不像HDD那樣受磁盤轉動和讀寫磁頭同步的影響，因此能加快SSD的輸入/輸出(I/O)性能。此外，HDD移動磁頭到準確位置也要花上幾毫秒。

　　SSD的基本架構包括SSD控制器/處理器、存儲器控制器、接口控制器、NAND閃存存儲器器件組、SDRAM緩存和接口連接器。

　　SSD沒有移動部件，大小與HDD相仿，而且支持標準的HDD接口，包括串行高級技術附件(SATA)、串行連接SCSI(SAS)、光纖通道(FC)等。由于不采用移動部件，因此SSD在更長的工作時間內能保持更高的可靠性。

　　SSD還有一大優勢，就是相對于HDD而言能顯著降低功耗。隨著存儲器容量的提升和價格的下降，SSD越來越成為富有吸引力的HDD替代方案。由于SSD速度更快，因此單位IOPS(每秒輸入/輸出操作)的成本低得多。隨著時間的推移，SSD在單位存儲容量(每千兆字節)的成本方面也體現出更高的優勢。分析人士預測SSD價格將繼續穩步下降，從而進一步推進該技術在不同細分市場中的應用。

　　企業級SSD

　　企業級SSD是當前非易失性存儲的最高級別，在讀寫性能、散熱和能耗方面都較其它HDD替代方案有了長足的進步。SSD作為存儲網絡加速器可讓企業應用大受裨益，其中包括銀行和金融應用、在線事務處理、前端Web服務器、搜索引擎、信息傳遞和高性能計算等。

　　由于企業級SSD與HDD插件兼容并支持標準的磁盤接口，因此能安裝在當前使用企業HDD的大多數服務器平臺和磁盤陣列中。面向企業級存儲設備的主要性能參數是隨機讀寫IOPS(見表1)。

　　企業級SSD可提供大容量存儲空間、高性能和高可靠性等規范，專門面向企業存儲市場，用于支持應用加速。

　　圖1顯示了SATA接口企業級SSD的基本方框圖。其它可用接口還包括與HDD相兼容的串行連接SCSI(SAS)、光纖通道(FC)和PCIe等。

　　以下各節將探討企業級SSD對SDRAM緩存的需求以及采用超級電容或鉭電容組在斷電時備份SDRAM緩存數據關鍵部分的當前架構，如圖1所示。此外，我們還將討論這種實施方案的可靠性問題，并探討非易失性存儲器解決方案(nvSRAM)作為出色替代方案的使用問題。

　　對于SDRAM緩存的需求

　　NAND閃存存儲器是企業級SSD的基本存儲元件。由于架構問題，NAND閃存存儲器的主要局限性在于其寫入速度無法匹配企業存儲系統的數據傳輸速度要求。由于數據傳輸速度超過了NAND閃存的寫入速度，因此企業級SSD的寫入性能可通過高速數據緩存加以提高。企業級SSD通常采用SDRAM作為緩存，保存并處理從存儲系統控制器接收到的數據流有關部分。此外，SDRAM也可保存企業級SSD元數據的工作副本，其中一部分必須根據用于寫入數據的塊的分配情況加以修改。元數據通常包括平均抹寫儲存區塊(wear leveling)、錯誤校正、轉換表、物理/邏輯地址映射、文件分配表等信息，并且需要每個文件的多次寫入操作。元數據要求隨著企業級SSD容量的增長而增長。

　　SDRAM緩存數據和元數據的電源故障備份

　　在企業存儲系統的數據傳輸操作中，比如說讀寫企業級SSD閃存存儲器的某個位置，包括存儲系統主機、SSD控制器、SDRAM緩存和NAND閃存存儲器等所有相關元件的電源系統必須有效工作，從而確保成功的事務處理。但是，電子系統很容易受到電壓峰值、斷電、浪涌、限電等供電中斷問題的影響，這可能導致潛在的數據丟失或損壞：

　　●傳輸到閃存存儲器的緩存數據

　　●元數據

　　企業級SSD不能丟失已向存儲系統控制器報告為“提交給NAND閃存”的數據。企業級SAS/SATA市場制定了熱插拔規范，要求任何時候都不能丟失“被提交”的數據，即使是突然斷電也不行。比如說熱插拔維護環節中操作人員誤操作卸下了錯誤的驅動器。

　　企業級SSD控制器向存儲系統控制器報告數據接收狀態有兩種機制。企業級SSD可工作在“寫通”模式下，也就是說只有在數據和修改的元數據安全地“提交”到NAND閃存存儲器時，企業級SSD控制器才會通知存儲系統控制器數據和修改的元數據已經“被提交”.

　　此外，企業級SSD也能工作在“回寫”模式下，也就是某些數據流和/或相應修改的元數據還沒有“提交”到閃存，但已經向存儲系統控制器報告為“被提交”.任何向存儲系統控制器報告為“被提交”的數據在電源故障情況下都應確保非易失性。企業級SSD緩存中的任何其它數據在電源故障情況下假定為丟失。“回寫”模式相對于“寫通”模式而言能大幅提升隨機IOPS性能，因此更受高隨機IOPS驅動器的青睞。

　　為了確保“回寫”實施方案的正常運行，企業級SSD采用電源故障檢測電路監控電源電壓，如果電壓降到預設閾值以下，就發送信號給SSD控制器。此外，我們還實施了二級電壓保持電路，確保驅動器在足夠長的時間內有足夠的電力，能支持SDRAM緩存數據的備份。當電源中斷時，二級電壓源在所需的持續時間內提供所需的電力，從而從SDRAM向NAND閃存傳輸內容。以下圖2顯示了用于企業級SSD的典型電源故障檢測電路方框圖。

　　二級電壓源可以是高容量超級電容，也可以是一組分立鉭電容。

　　超級電容

　　超級電容器(supercapacitor或ultracapacitor,抑或為雙電層電容器EDLC)是相對于任何其它可用電容類型能夠顯著提高能量密度的電容，并且可作為電池備份應用中可靠的電池替代產品。

　　但是，超級電容器存在可靠性問題，已知其在長期可靠性方面存在不足，這一點跟鋁電解電容器比較相像。超級電容器的使用壽命有限，因為經過一段時間在工作溫度下電解質會從元件揮發，從而造成元件磨損。超級電容器的性能會隨著電解質的損失而逐漸下降，最后幾乎沒有什么警告甚至毫無警告就會徹底失效。此外，工作電壓越高、工作和非工作溫度環境越差，電解質損失率也就越高。環境工作溫度每升高10℃，超級電容器的預期使用壽命就要削減大約一半。

　　超級電容器故障模式包括：

　　●電化學分解壓力過大造成單元開裂。

　　●電壓和溫度在單元內部生成氣壓，隨時間推移慢慢增大，壓力達到一定極限，就會造成機械擴散通常是外殼槽開裂。

　　長期在較高工作溫度下使用，電解質的水分蒸發，等效串聯電阻(ESR)會增加。基本故障模式就是ESR增加的開裂模式。所有超級電容器都帶有警告信息：“使用此電容器時應在設計中采用適當的安全措施，包括冗余和保護措施等。”

　　分立電容器

　　分立電容器組可提供更可靠的選擇，但需要更小心的設計。基于分立電容器的保持電路采用并行連接的分立電容器組。所用的分立電容器可以是鋁電容、鉭電容或鈮電容。它不像超級電容那么小型化，分立解決方案的電容尺寸比會占據大量板卡空間。此外，我們知道鉭電容對短路和冒煙故障比較敏感。