SSD 已發(fā)展成為替代許多嵌入式系統(tǒng)（包括醫(yī)療設(shè)備）中的旋轉(zhuǎn)硬盤驅(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 的移動(dòng)部件。

醫(yī)療器械的產(chǎn)品測(cè)試和認(rèn)證周期很長(zhǎng)，并且需要經(jīng)過嚴(yán)格的監(jiān)管審批流程。鑒于主要硬盤驅(qū)動(dòng)器故障在所有設(shè)備中都是不幸的現(xiàn)實(shí)，而不僅僅是醫(yī)療設(shè)備，因此這些過程是必要的；不是“如果”而是“何時(shí)” HDD 會(huì)發(fā)生故障，因?yàn)樗囊苿?dòng)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》授權(quán)食品和藥物管理局 （FDA） 監(jiān)管醫(yī)療器械。醫(yī)院和醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)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)備故障事件。這可能導(dǎo)致代價(jià)高昂的訴訟、產(chǎn)品召回和數(shù)不清的惡意。即使沒有死亡，至少，醫(yī)療設(shè)備也必須通過 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)用中無故障運(yùn)行。通常需要小尺寸，以及對(duì)高沖擊和振動(dòng)的耐受性以及防止驅(qū)動(dòng)器因用戶錯(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 閃存組件已取得進(jìn)步，以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 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)，一種新方法可以幫助設(shè)計(jì)人員通過概述 SSD 制造商控制的參數(shù)（例如使用的 NAND 類型、寫入性能和寫入放大）和系統(tǒng) OEM 可以控制的參數(shù)（使用模型、容量，并寫入占空比）。

NAND閃存技術(shù)變化

SSD 中的主要存儲(chǔ)介質(zhì) NAND 閃存組件正在以半導(dǎo)體行業(yè)前所未有的速度經(jīng)歷技術(shù)變革。對(duì)更低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尺寸并在每個(gè)單元中存儲(chǔ)多個(gè)比特。盡管這會(huì)導(dǎo)致更高容量的 SSD 體積更小且每 GB 成本不斷降低，但它給醫(yī)療設(shè)備 OEM 帶來了可靠性和產(chǎn)品壽命方面的挑戰(zhàn)。

與基于 NAND 閃存的 SSD 相關(guān)的可靠性問題主要集中在設(shè)備寫入/擦除周期數(shù)或耐用性的限制上。OEM 經(jīng)常質(zhì)疑 SSD 是否能夠滿足其長(zhǎng)期系統(tǒng)部署要求，尤其是在具有密集寫入/擦除使用模式的 24/7 醫(yī)療應(yīng)用中。

在原始媒體級(jí)別，NAND 閃存本質(zhì)上比 HDD 中的磁盤更可靠。SSD 控制器現(xiàn)在面臨與之前的 HDD 控制器相同的問題，即確定如何利用較低的每比特成本，同時(shí)為特定應(yīng)用保持可接受的可靠性水平。然而，SSD 在解決這個(gè)問題方面具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儧]有傳統(tǒng)上被認(rèn)為是 HDD 最令人頭疼的可靠性問題——旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的簡(jiǎn)單機(jī)制。

存儲(chǔ)管理算法和寫放大

必須主動(dòng)管理 NAND 閃存。SSD 控制器通過使用磨損均衡和其他存儲(chǔ)管理算法來管理耐用性，并且根據(jù)應(yīng)用程序，SSD 控制器優(yōu)化寫入/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% 到 2%，但在需要高可靠性的應(yīng)用中，它可以高達(dá) 50%。這種稱為過度配置的方法通常是通過提供額外的 NAND 容量來解決這些可靠性問題來實(shí)現(xiàn)的。

必須考慮寫入放大的概念才能準(zhǔn)確計(jì)算 SSD 的使用壽命。寫入放大是衡量 SSD 控制器效率的指標(biāo)。它定義了控制器為來自主機(jī)系統(tǒng)的每個(gè)寫入命令對(duì)介質(zhì)進(jìn)行的最小寫入次數(shù)。寫放大突出了擦除塊大小和頁面大小之間的根本不匹配。例如，SSD 控制器的最小寫入大小可能是 4 KB 頁面大小。

大多數(shù) SSD 必須在寫入前擦除，這可能需要擦除和寫入整個(gè)擦除塊 （256 KB）。此示例中生成的寫入放大率為 256:4 或 64:1。最壞的情況是一遍又一遍地寫入相同的邏輯塊地址，這將導(dǎo)致 64:1 的比率。最好的情況是流數(shù)據(jù)的文件大小是擦除塊大小的整數(shù)倍。在這種情況下，寫入放大將是 1:1。實(shí)際上，根據(jù)主機(jī)寫入數(shù)據(jù)的方式，寫入放大率處于中間位置，說明使用模型對(duì) SSD 的使用壽命有 64 倍的影響。

SSD 使用壽命方法

OEM 需要以年、月和日的形式而不是周期來了解 SSD 的使用壽命。使用每個(gè)邏輯塊的寫入/擦除周期對(duì)耐用性進(jìn)行分類可能是比較 SSD 規(guī)格的一個(gè)起點(diǎn)，但它并不能回答真正的問題：SSD 在應(yīng)用程序中能持續(xù)多久？因此，定義和衡量應(yīng)用程序的使用模型以在現(xiàn)實(shí)世界中確定 SSD 的使用壽命變得至關(guān)重要。

使用最壞情況示例，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)庫或事務(wù)使用模型應(yīng)用程序，生命周期計(jì)算必須考慮每秒 I/O （IOPS）。IOPS 可以使用諸如 IOMeter 之類的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)來測(cè)量，它允許用戶定義使用模型參數(shù)，例如文件大小和讀寫百分比。寫入 IOPS 等級(jí)是 IOMeter 基于所需文件大小的輸出。寫放大的概念也在這里發(fā)揮作用。僅監(jiān)視主機(jī)寫入（IOPS 等級(jí)）不會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)確的信息；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。

· 耐力等級(jí)：傳統(tǒng)上指定為 100K、10K 或 5K 的塊級(jí)耐力。對(duì) 5K 使用值 5，對(duì) 10K 使用值 10，依此類推。許多供應(yīng)商沒有提供這些信息，因?yàn)?NAND 變化如此之快。因此，許多用戶嘗試不同的值并相應(yīng)地調(diào)整容量。

· 33.25：常數(shù)源自數(shù)千次循環(huán)的耐久性等級(jí)、KB 到 GB 以及秒到年的單位轉(zhuǎn)換。

· IOPS 等級(jí)：寫入 IOPS 的數(shù)量。

· 文件大?。汉饬?IOPS 等級(jí)的文件大小。

· 寫入放大：每次主機(jī)寫入的 NAND 級(jí)別的寫入次數(shù)。該值與使用模型有關(guān)，但對(duì)于前面提到的 100% 隨機(jī)寫入，最壞的情況是 64。該值基于 NAND 擦除塊大小與頁面大小的比率。如果文件大小大于頁面大小，那么最壞情況的寫放大是擦除塊大小除以文件大小。

· 占空比：寫周期與（讀周期加上空閑時(shí)間）的百分比。

為演示此方法，請(qǐng)考慮一家醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備制造商，該制造商正在考慮使用 32 GB SSD 來替換旋轉(zhuǎn)磁盤驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器使用額定為 100K 耐久性的 NAND 設(shè)備，對(duì)于 8 KB 文件具有 200 寫入 IOPS。驅(qū)動(dòng)器未指定寫入放大系數(shù)，因此將使用值 32（256 KB 塊/8 KB 文件）。OEM 估計(jì)寫占空比為 25%，這是一個(gè)非常保守的估計(jì)。在前面的公式中填寫這些參數(shù)，SSD 壽命將按公式 2 所示計(jì)算：

等式 2

LifeEST SSD 方法論

如圖 1 所示，三個(gè)參數(shù)控制著 SSD 的使用壽命：技術(shù)、容量和使用模式。

圖 1：技術(shù)、容量和使用模型決定了 SSD 的使用壽命。

OEM 可以使用容量和使用模型來確定基于 SSD 技術(shù)的使用壽命。為此，Western Digital Technologies 提出了一種衡量 SSD 技術(shù)的新指標(biāo)。借助 LifeEST，SSD 技術(shù)通過指定 SSD 可以實(shí)現(xiàn)的每 GB 寫入年數(shù)來衡量，如公式 3 和圖 2 所示。

等式 3

圖 2： LifeEST 通過規(guī)定 SSD 可以達(dá)到的每 GB 寫入年數(shù)來衡量 SSD 技術(shù)。

UCC 在公式 4 中計(jì)算。

確定最佳 SSD 容量

醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員傳統(tǒng)上通過在塊級(jí)別測(cè)量 NAND 閃存設(shè)備的寫入/擦除周期，然后確定操作系統(tǒng)和程序文件的大小，然后查看要收集的數(shù)據(jù)量以確定 SSD 容量來計(jì)算他們的存儲(chǔ)需求。在 NAND 組件技術(shù)的快速變化減少了規(guī)定的寫入/擦除周期數(shù)之前，這種方法運(yùn)行良好，因此如果不徹底了解使用模型和寫入放大的影響，就很難確定正確的容量。

如今，醫(yī)療系統(tǒng) OEM 無法承受代價(jià)高昂的現(xiàn)場(chǎng)故障。通過確定產(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，即使對(duì)于模型良好的應(yīng)用程序，計(jì)算也最多只是理論上的。產(chǎn)生真實(shí)結(jié)果的更準(zhǔn)確的方法包括使用應(yīng)用程序本身中的工具來監(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、傷害或監(jiān)管問題的任何擔(dān)憂。西部數(shù)據(jù)正在申請(qǐng)專利的 SiSMART 監(jiān)控技術(shù)集成到其 SiliconDrive SSD 中，可以幫助醫(yī)療設(shè)備制造商獲得實(shí)時(shí) SSD 使用結(jié)果，從而根據(jù)其特定應(yīng)用準(zhǔn)確預(yù)測(cè)使用壽命。

審核編輯：郭婷