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(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD）的可行選擇。這是因?yàn)?SSD 消除了大多數(shù)醫(yī)療系統(tǒng)中最大的單一故障機(jī)制 - HDD 的活動(dòng)部件。

醫(yī)療器械具有較長(zhǎng)的產(chǎn)品測(cè)試和認(rèn)證周期，并受到嚴(yán)格的監(jiān)管審批流程的約束。這些過(guò)程是必要的，因?yàn)橹饕脖P(pán)驅(qū)動(dòng)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(shí);它不是“如果”，而是“何時(shí)”HDD會(huì)發(fā)生故障，因?yàn)樗哂幸苿?dòng)部件，這些部件在某些時(shí)候會(huì)磨損并停止運(yùn)行。當(dāng)失敗發(fā)生時(shí)，它可能是監(jiān)管的噩夢(mèng)。

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(duì)醫(yī)療器械進(jìn)行監(jiān)管。醫(yī)院和醫(yī)療保健組織必須報(bào)告所有導(dǎo)致嚴(yán)重疾病、傷害或死亡的醫(yī)療設(shè)備故障情況。這可能導(dǎo)致代價(jià)高昂的訴訟，產(chǎn)品召回和無(wú)數(shù)的惡意。即使沒(méi)有死亡，至少，醫(yī)療器械也必須通過(guò)FDA重新認(rèn)證，這可能需要數(shù)年時(shí)間并花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)美元。

存儲(chǔ)解決方案必須堅(jiān)固耐用，并且能夠在關(guān)鍵應(yīng)用中無(wú)故障地運(yùn)行。通常需要較小的占地面積，以及對(duì)高沖擊和振動(dòng)的耐受性，并防止驅(qū)動(dòng)器因用戶(hù)錯(cuò)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(jì)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(dǎo)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(jì)人員解決這一重大的行業(yè)問(wèn)題，以下討論簡(jiǎn)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(guò)概述SSD制造商控制的參數(shù)（例如使用的NAND類(lèi)型，寫(xiě)入性能和寫(xiě)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(xiě)入占空比）來(lái)幫助設(shè)計(jì)人員預(yù)測(cè)使用壽命。

南德閃存技術(shù)變革

NAND閃存組件是固態(tài)硬盤(pán)中的主要存儲(chǔ)介質(zhì)，正在經(jīng)歷半導(dǎo)體行業(yè)前所未有的技術(shù)變革。對(duì)更低的每比特成本和更小尺寸要求的追求正在推動(dòng)NAND閃存技術(shù)縮小到更小的工藝幾何形狀，并在每個(gè)單元存儲(chǔ)多個(gè)位。盡管這導(dǎo)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(lái)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(pán)相比，可靠性問(wèn)題主要集中在器件的寫(xiě)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(mǎn)足其長(zhǎng)期系統(tǒng)部署要求，尤其是在具有密集寫(xiě)入/擦除使用模型的 24/7 醫(yī)療應(yīng)用中。

在原始介質(zhì)級(jí)別，NAND閃存本質(zhì)上比HDD中的磁盤(pán)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(wèn)題，以確定如何利用較低的每比特成本，同時(shí)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(gè)問(wèn)題方面具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儧](méi)有傳統(tǒng)上被認(rèn)為是HDD最大的可靠性問(wèn)題 - 旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的簡(jiǎn)單機(jī)制。

存儲(chǔ)管理算法和寫(xiě)入放大

必須主動(dòng)管理 NAND 閃存。SSD 控制器通過(guò)使用磨損均衡和其他存儲(chǔ)管理算法來(lái)管理耐用性，并且根據(jù)應(yīng)用程序，SSD 控制器優(yōu)化寫(xiě)入/擦除操作以增加系統(tǒng)級(jí)別的耐用性。此外，SSD控制器在NAND閃存陣列中保留了一個(gè)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(dá)50%。這種方法稱(chēng)為過(guò)度配置，通常通過(guò)提供額外的NAND容量來(lái)解決這些可靠性問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)。

必須考慮寫(xiě)入放大的概念，以準(zhǔn)確計(jì)算SSD的使用壽命。寫(xiě)入放大是衡量 SSD 控制器效率的指標(biāo)。它定義了控制器對(duì)來(lái)自主機(jī)系統(tǒng)的每個(gè)寫(xiě)入命令對(duì)介質(zhì)進(jìn)行的最小寫(xiě)入次數(shù)。寫(xiě)入放大突出顯示了擦除塊大小和頁(yè)面大小之間的基本不匹配。例如，SSD 控制器的最小寫(xiě)入大小可能是 4 KB 的頁(yè)面大小。

大多數(shù) SSD 必須在寫(xiě)入之前擦除，這可能需要擦除并寫(xiě)入整個(gè)擦除塊 （256 KB）。在此示例中，生成的寫(xiě)入放大將為 256：4 或 64：1。最壞的情況是一遍又一遍地寫(xiě)入相同的邏輯塊地址，這將導(dǎo)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(xiě)入放大將為 1：1。在實(shí)踐中，寫(xiě)入放大是基于主機(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的方式，表明使用模型可以對(duì)SSD的使用壽命產(chǎn)生64倍的影響。

固態(tài)硬盤(pán)使用壽命方法

OEM 需要以年、月、日而不是周期來(lái)了解 SSD 的使用壽命。使用每個(gè)邏輯塊的寫(xiě)入/擦除周期對(duì)耐久性進(jìn)行分類(lèi)可能是比較 SSD 規(guī)格的起點(diǎn)，但它并沒(méi)有回答真正的問(wèn)題：SSD 在應(yīng)用程序中將持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間？因此，定義和測(cè)量應(yīng)用程序的使用模型以實(shí)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(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)或事務(wù)使用模型應(yīng)用程序，生存期計(jì)算必須考慮每秒 I/O 數(shù) （IOPS）。IOPS可以使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)（如IOMeter）進(jìn)行測(cè)量，該基準(zhǔn)允許用戶(hù)定義使用模型參數(shù)，例如文件大小以及讀取和寫(xiě)入的百分比。寫(xiě)入 IOPS 分級(jí)是基于所需文件大小的 IOMeter 輸出。寫(xiě)入放大的概念在這里也起作用。它不會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)確的信息來(lái)簡(jiǎn)單地監(jiān)視主機(jī)寫(xiě)入（IOPS評(píng)級(jí)）;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(yǔ)。

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

· 33.25：從數(shù)千個(gè)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(xiě)入 IOPS 數(shù)。

· 文件大小：測(cè)量 IOPS 分級(jí)的文件大小。

· 寫(xiě)入放大：每個(gè)主機(jī)寫(xiě)入在 NAND 級(jí)別的寫(xiě)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(duì)于 100% 隨機(jī)寫(xiě)入，值為 64。此值基于 NAND 擦除塊大小與頁(yè)面大小的比率。如果文件大小大于頁(yè)面大小，則最壞情況下的寫(xiě)入放大是擦除塊大小除以文件大小。

· 占空比：寫(xiě)入周期的百分比（讀取周期加上空閑時(shí)間）。

為了演示這種方法，請(qǐng)考慮一家醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備制造商考慮使用 32 GB SSD 來(lái)替換旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器使用額定耐久性為 100K 的 NAND 器件，對(duì)于 8 KB 文件，具有 200 寫(xiě)入 IOPS。驅(qū)動(dòng)器未指定寫(xiě)入放大系數(shù)，因此將使用值 32（256 KB 塊/8 KB 文件）。OEM 估計(jì)寫(xiě)入占空比為 25%，這是一個(gè)非常保守的估計(jì)值。在前面的等式中填寫(xiě)這些參數(shù)，SSD壽命的計(jì)算公式2所示：

等式 2

固態(tài)硬盤(pán)方法論

如圖 1 所示，有三個(gè)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(biāo)。使用 LifeEST 時(shí)，SSD 技術(shù)是通過(guò)指定 SSD 可以達(dá)到的每 GB 寫(xiě)入年數(shù)來(lái)衡量的，如公式 3 和圖 2 所示。

等式 3

圖 2：LifeEST通過(guò)規(guī)定固態(tài)硬盤(pán)可以達(dá)到的每GB寫(xiě)入年數(shù)來(lái)衡量固態(tài)硬盤(pán)技術(shù)。

UCC在等式4中計(jì)算得出。

等式 4

使用前面的應(yīng)用示例，在等式5中計(jì)算LifeEST。

等式 5

然后，根據(jù)等式 6 和 7 輕松計(jì)算 SSD 的使用壽命：

等式 6

等式 7

確定最佳固態(tài)硬盤(pán)容量

傳統(tǒng)上，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員通過(guò)在塊級(jí)別測(cè)量NAND閃存設(shè)備寫(xiě)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(lái)計(jì)算其存儲(chǔ)要求。在NAND元件技術(shù)的快速變化減少了規(guī)定的寫(xiě)入/擦除周期數(shù)之前，這種方法工作正常，使得在沒(méi)有徹底了解使用模型和寫(xiě)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(wú)法承受代價(jià)高昂的現(xiàn)場(chǎng)故障。通過(guò)確定產(chǎn)品必須在現(xiàn)場(chǎng)部署多長(zhǎng)時(shí)間以及應(yīng)用程序的使用模型來(lái)衡量和預(yù)測(cè)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(zhǔn)確地為所需的現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算充其量也是理論性的。產(chǎn)生真實(shí)結(jié)果的更準(zhǔn)確的方法涉及在應(yīng)用程序本身中使用工具來(lái)監(jiān)控NAND閃存的確切磨損并將該數(shù)據(jù)報(bào)告回主機(jī)系統(tǒng)。具有驅(qū)動(dòng)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(wèn)題的任何疑慮。西部數(shù)據(jù)正在申請(qǐng)專(zhuān)利的SiSMART監(jiān)測(cè)技術(shù)集成到其SiliconDrive SSD中，可以幫助醫(yī)療設(shè)備制造商實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)SSD使用結(jié)果，以根據(jù)其特定應(yīng)用準(zhǔn)確預(yù)測(cè)使用壽命。

審核編輯：郭婷