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錯(cuò)誤的閃存存儲(chǔ):5個(gè)最常見(jiàn)的問(wèn)題點(diǎn)

來(lái)源:博觀科技日期:2022-03-08 11:20:26

  在過(guò)去十年中,NAND閃存已經(jīng)成為存儲(chǔ)和訪問(wèn)各種數(shù)據(jù)的最受歡迎的設(shè)備,從視頻記錄和流媒體、個(gè)人存儲(chǔ)、操作系統(tǒng)的提供到數(shù)據(jù)記錄、應(yīng)用加速等等。創(chuàng)新速度在速度和存儲(chǔ)容量方面都有多因素的提高。


  唯一減少的方面,至少?gòu)目傮w上說(shuō),是可靠性。由于新產(chǎn)品的推出周期非常短,只有幾個(gè)月的時(shí)間,不再有時(shí)間去充分測(cè)試和驗(yàn)證復(fù)雜的功能。因此,不成熟的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng),后來(lái)依靠在現(xiàn)場(chǎng)的多次固件更新來(lái)消除客戶測(cè)試所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。


閃存存儲(chǔ)


  在大多數(shù)情況下,這種情況沒(méi)有公布,NAND存儲(chǔ)的問(wèn)題也沒(méi)有在受影響的公司之外分享,除非損害影響到更多的公眾。例如,特斯拉最近不得不召回13.4萬(wàn)輛汽車,原因是一個(gè)尺寸不足的嵌入式多媒體卡(eMMC)的早期故障。


  關(guān)于固態(tài)盤(SSD)的故障,我們需要考慮兩個(gè)主要方面:硬件和固件。


  硬件定義了原始比特錯(cuò)誤率(在通過(guò)糾錯(cuò)單元之前有比特錯(cuò)誤的塊讀數(shù)的百分比),單元的數(shù)據(jù)保留,以及支持的溫度范圍。固件需要管理閃存的平等磨損,執(zhí)行位錯(cuò)誤校正,并減輕溫度數(shù)據(jù)影響和電源損耗問(wèn)題。


  下面是涉及到NAND閃存問(wèn)題時(shí)的五大錯(cuò)誤原因。


  1. 錯(cuò)誤的NAND質(zhì)量。


  NAND閃存是一種商品,需要保持每千兆字節(jié)的低成本。許多發(fā)展(3D NAND,QLC)主要是由這個(gè)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的。對(duì)于手機(jī)和個(gè)人電腦/筆記本電腦的使用,消費(fèi)者質(zhì)量的NAND已經(jīng)足夠。但對(duì)于要求更高的應(yīng)用,如企業(yè)存儲(chǔ)或工業(yè)/網(wǎng)絡(luò)和通信應(yīng)用,就不是這樣了。


  標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)盟JEDEC已經(jīng)定義了兩個(gè)主要的使用案例及其各自的質(zhì)量要求。


  客戶端用例。PC用戶類型的工作負(fù)荷,8小時(shí)/天,40°C,不可更正的錯(cuò)誤率(UBER)< 10-15


  企業(yè)用例。數(shù)據(jù)庫(kù)類型的工作負(fù)荷,24小時(shí)/天,55°C,不可更正的錯(cuò)誤率(UBER)< 10-16


  10-15和10-16似乎都是極低的數(shù)字,但這一差異意味著客戶機(jī)硬盤的故障頻率比企業(yè)級(jí)硬盤高10倍。隨著現(xiàn)代固態(tài)硬盤的高吞吐量,固態(tài)硬盤的故障概率不再是可以忽略不計(jì)的。


  今天的NAND閃存的原始比特錯(cuò)誤率,低級(jí)別的在10-2之間,高級(jí)別的技術(shù)在10-3之間。各種水平的糾錯(cuò)將UBER率降低到要求的UBER水平。閃存質(zhì)量等級(jí)和錯(cuò)誤處理水平對(duì)銷售價(jià)格有直接影響。作為一個(gè)一般規(guī)則。不要把廉價(jià)的商業(yè)級(jí)SSD放在需要低錯(cuò)誤率的應(yīng)用中。


  2. 錯(cuò)誤的NAND設(shè)計(jì)。


  三維NAND單元是一個(gè)由許多層組成的高度復(fù)雜的堆疊。目前,一些設(shè)備有超過(guò)140層。制造時(shí)需要在數(shù)百個(gè)多晶硅和氧化硅沉積物的夾層中蝕刻非常薄但又非常深的孔。由于蝕刻的性質(zhì),孔的下半部分比上半部分窄得多,導(dǎo)致晶體管的電氣性能不同。這使得可靠地讀取不同的單元非常具有挑戰(zhàn)性。再加上讀取和寫(xiě)入之間的溫度變化,又增加了一個(gè)變化的維度。


  并非每個(gè)NAND設(shè)計(jì)都能在寫(xiě)入和讀取之間的溫度變化時(shí)提供足夠好的數(shù)據(jù)。只要固態(tài)硬盤產(chǎn)品駐扎在熱控制良好的系統(tǒng)中--例如,在個(gè)人電腦、筆記本電腦、服務(wù)器或手持設(shè)備中,溫度變化太小,不會(huì)造成問(wèn)題。


  對(duì)于工業(yè)或網(wǎng)通應(yīng)用,對(duì)NAND的要求大大增加,NAND的設(shè)計(jì)和支持固件都需要支持廣泛的溫度波動(dòng)。一旦系統(tǒng)必須在溫度波動(dòng)的條件下運(yùn)行,閃存產(chǎn)品的錯(cuò)誤選擇會(huì)導(dǎo)致多種問(wèn)題。


  3. 錯(cuò)誤的機(jī)械穩(wěn)定性。


  聽(tīng)說(shuō)過(guò)熱-機(jī)械應(yīng)力嗎?當(dāng)溫度波動(dòng)影響到結(jié)合了不同熱膨脹系數(shù)的元素的結(jié)構(gòu)時(shí),就會(huì)發(fā)生這種情況,也就是說(shuō),在相同的溫度變化下,一些部件比其他部件延伸得更多。


  一塊固態(tài)硬盤由一塊PCB板組成,上面有焊接好的閃存包、一個(gè)控制器、連接器和小型被動(dòng)元件。所有這些都隨著溫度的變化而表現(xiàn)得不同。由于封裝是焊接在PCB上的,不同的膨脹導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力,最終導(dǎo)致互連線斷裂(圖1和2)。


  這種損害是在數(shù)百到數(shù)千次的溫度循環(huán)后發(fā)生的,甚至可能需要數(shù)年時(shí)間。但當(dāng)涉及到長(zhǎng)期在現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)系統(tǒng)時(shí),它就非常重要了。


  4. 電源故障穩(wěn)健性。


  對(duì)于一個(gè)總是優(yōu)雅地關(guān)閉的筆記本電腦來(lái)說(shuō),電源故障魯棒性不是問(wèn)題。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單地拔掉插頭的醫(yī)療設(shè)備,或者在電源不穩(wěn)定的環(huán)境中的NetCom路由器,突然斷電一定不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。


  突然斷電可能在任何時(shí)候發(fā)生--在外部寫(xiě)入SSD的過(guò)程中,在內(nèi)部垃圾收集過(guò)程中,在固件更新過(guò)程中,甚至在從以前的斷電恢復(fù)過(guò)程中。如果固件不能正確管理電源損失,將影響數(shù)據(jù)損失的嚴(yán)重性。最好的情況是,它只是最后寫(xiě)入的數(shù)據(jù)(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù));最壞的情況是,固件被損壞,固態(tài)硬盤不再工作。在許多關(guān)鍵任務(wù)的應(yīng)用中,丟失哪怕是幾個(gè)比特的數(shù)據(jù)都是不可接受的。


  Swissbit對(duì)市場(chǎng)上常見(jiàn)的SSD進(jìn)行了測(cè)試,在斷電測(cè)試中看到了各種類型的故障發(fā)生。


  5. 錯(cuò)誤的固件架構(gòu)。


  速度很重要,至少對(duì)于消費(fèi)類硬盤而言。此外,速度測(cè)試通常是在硬盤是新的、空的、剛格式化的時(shí)候進(jìn)行的。通常不考慮的是,當(dāng)硬盤100%裝滿,多次被覆蓋,或者可能在高溫下運(yùn)行時(shí),還有多少性能。許多現(xiàn)有的固件架構(gòu)關(guān)注的是性能規(guī)格,而不是在整個(gè)操作范圍內(nèi)的最高耐久性或保留或持續(xù)性能。


  選擇一個(gè)沒(méi)有為長(zhǎng)期使用而優(yōu)化的固態(tài)硬盤,一旦硬盤的早期壽命過(guò)去,可能會(huì)導(dǎo)致不好的意外(圖3)。


  結(jié)論


  選擇正確的SSD或NAND閃存產(chǎn)品取決于許多標(biāo)準(zhǔn)。特別是當(dāng)涉及到工業(yè)用途或苛刻的應(yīng)用時(shí),決策過(guò)程中應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。選擇合適的組件、機(jī)械結(jié)構(gòu)、固件架構(gòu)和電源故障的穩(wěn)健性。這樣做是找到一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的最好方法,可以在很長(zhǎng)的使用壽命內(nèi)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)。


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