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類型，寫入性能和寫入放大）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)硬盤相比，可靠性問(wèn)題主要集中在器件的寫入/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)。

必須考慮寫入放大的概念，以準(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)。它定義了控制器對(duì)來(lái)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 控制器的最小寫入大小可能是 4 KB 的頁(yè)面大小。

大多數(shù) SSD 必須在寫入之前擦除，這可能需要擦除并寫入整個(gè)擦除塊 （256 KB）。在此示例中，生成的寫入放大將為 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，寫入放大將為 1：1。在實(shí)踐中，寫入放大是基于主機(jī)寫入數(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)邏輯塊的寫入/擦除周期對(duì)耐久性進(jìn)行分類可能是比較 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)允許用戶定義使用模型參數(shù)，例如文件大小以及讀取和寫入的百分比。寫入 IOPS 分級(jí)是基于所需文件大小的 IOMeter 輸出。寫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：寫入 IOPS 數(shù)。

· 文件大小：測(cè)量 IOPS 分級(jí)的文件大小。

· 寫入放大：每個(gè)主機(jī)寫入在 NAND 級(jí)別的寫入次數(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，則最壞情況下的寫入放大是擦除塊大小除以文件大小。

· 占空比：寫入周期的百分比（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)硬盤可以達(dá)到的每GB寫入年數(shù)來(lái)衡量固態(tài)硬盤技術(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