常见企业级SSD故障电源可靠性分析详解

此外，企业级SSD也能工作在"回写"模式下，也就是某些数据流和/或相应修改的元数据还没有"提交"到闪存，但已经向存储系统控制器报告为"被提交".任何向存储系统控制器报告为"被提交"的数据在电源故障情况下都应确保非易失性。企业级SSD缓存中的任何其它数据在电源故障情况下假定为丢失。"回写"模式相对于"写通"模式而言能大幅提升随机IOPS性能，因此更受高随机IOPS驱动器的青睐。

　　为了确保"回写"实施方案的正常运行，企业级SSD采用电源故障检测电路监控电源电压，如果电压降到预设阈值以下，就发送信号给SSD控制器。此外，我们还实施了二级电压保持电路，确保驱动器在足够长的时间内有足够的电力，能支持SDRAM缓存数据的备份。当电源中断时，二级电压源在所需的持续时间内提供所需的电力，从而从SDRAM向NAND闪存传输内容。以下图2显示了用于企业级SSD的典型电源故障检测电路方框图。

　　二级电压源可以是高容量超级电容，也可以是一组分立钽电容。

　　超级电容

　　超级电容器(supercapacitor或ultracapacitor,抑或为双电层电容器EDLC)是相对于任何其它可用电容类型能够显着提高能量密度的电容，并且可作为电池备份应用中可靠的电池替代产品。

　　但是，超级电容器存在可靠性问题，已知其在长期可靠性方面存在不足，这一点跟铝电解电容器比较相像。超级电容器的使用寿命有限，因为经过一段时间在工作温度下电解质会从元件挥发，从而造成元件磨损。超级电容器的性能会随着电解质的损失而逐渐下降，最后几乎没有什么警告甚至毫无警告就会彻底失效。此外，工作电压越高、工作和非工作温度环境越差，电解质损失率也就越高。环境工作温度每升高10℃，超级电容器的预期使用寿命就要削减大约一半。

　　超级电容器故障模式包括：

　　●电化学分解压力过大造成单元开裂。

　　●电压和温度在单元内部生成气压，随时间推移慢慢增大，压力达到一定极限，就会造成机械扩散通常是外壳槽开裂。

　　长期在较高工作温度下使用，电解质的水分蒸发，等效串联电阻(ESR)会增加。基本故障模式就是ESR增加的开裂模式。所有超级电容器都带有警告信息："使用此电容器时应在设计中采用适当的安全措施，包括冗余和保护措施等。"

　　分立电容器

　　分立电容器组可提供更可靠的选择，但需要更小心的设计。基于分立电容器的保持电路采用并行连接的分立电容器组。所用的分立电容器可以是铝电容、钽电容或铌电容。它不像超级电容那么小型化，分立解决方案的电容尺寸比会占据大量板卡空间。此外，我们知道钽电容对短路和冒烟故障比较敏感。

　　nvSRAM解决方案

　　非易失性SRAM(nvSRAM)对于企业级SSD的优势在于能无需使用或尽可能少用超级电容或分立电容组，并能通过单芯片的免电池非易失性RAM技术就能为传输中的SDRAM缓存数据和元数据可靠备份。以下简要介绍nvSRAM的工作，随后将介绍在企业级SSD中采用nvSRAM器件的具体细节。

　　非易失性SRAM（nvSRAM）

　　nvSRAM在单个器件中完美结合了两大CMOS技术：SRAM和SONOS非易失性技术。在正常加电系统工作条件下，nvSRAM就像传统SRAM一样工作。IC的SRAM部分以高达20ns的存取时间进行读写，采用标准的异步SRAM信号和时序。如果出现电源故障，那么芯片可智能检测到威胁，并自动将SRAM数据副本保存在非易失性存储器中，而且能保持20年以上不改变。加电RECALL后，IC将数据副本返回到SRAM中，系统就能刚好从上次停止的地方重新开始工作，从而确保快速SRAM绝不会丢失数据。此外，最新高密度(16Mb)nvSRAM还支持高带宽DDR NAND闪存(ONFI 3.0/Toggle 2.0)接口。

　　SRAM和内部非易失性阵列之间的传输完全并行(单元对单元)，这就能在8ms乃至更少时间内完成STORE操作，用户根本毫无感觉。该IC系列的大多数版本还为用户提供可控的软件STORE和RECALL启动命令以及用户可控的硬件STORE启动命令。

　　nvSRAM是高度可靠的产品，采用业经验证的大容量CMOS + SONOS工艺。此外，它在军事、商业、存储、医疗和工业应用中也有着20多年的历史。

　　图3显示了nvSRAM的概念，它将快速SRAM元件和非易失性元件在单个单元中整合在一起。图4显示了nvSRAM的单元结构。

　　非易失性SRAM--用于企业级SSD的异步解决方案

　　图5显示了企业级SSD数据流和元数据断电需要备份时用作非易失性缓存的异步nvSRAM.图5所示的VCAP电容可为STORE循环(将数据从SRAM移动到非易失性单元)进行供电。VCAP是大约50 μF的标准电容(详见数据表)。