如何為嵌入式應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)腟SD

Selecting the right SSD for evolving embedded applications

變革涉及技術(shù)的每一個要素，閃存也不例外。價格下跌加上閃存技術(shù)的進(jìn)步，引發(fā)了固態(tài)磁盤（SSD）市場的暴漲。由于其卓越的性能，它們正越來越多地取代硬盤驅(qū)動器（hdd），并在越來越多的嵌入式計算應(yīng)用中找到新的角色。

現(xiàn)在，該行業(yè)發(fā)現(xiàn)自己正處于另一個轉(zhuǎn)變中——從2D NAND到3D NAND flash，它通過多層垂直堆疊存儲單元來實(shí)現(xiàn)更高的存儲密度和更快的讀/寫操作。

這是一個顯著而迅速的發(fā)展過程。

不久前，單水平細(xì)胞（SLC）被認(rèn)為是最先進(jìn)的技術(shù)，因?yàn)樗哂谐志眯院徒研浴Ｔ谶^去的十年里，由于價格下降和對更高容量的需求，多層電池（MLC）技術(shù)開始主導(dǎo)工業(yè)市場。去年，96層3D（BiCS4）的固態(tài)硬盤變得司空見慣。到2020年，該行業(yè)將實(shí)現(xiàn)從96層到128層的跨越，帶來更大的應(yīng)用機(jī)會。

閃光區(qū)也經(jīng)歷了類似的快速進(jìn)化到閃光電池的下一階段。32層3D flash MLC/TLC一上市，64層3D TLC就來了。今天，96層3D薄層色譜是標(biāo)準(zhǔn)。早期的采用者制造商已經(jīng)收到了帶有3D四邏輯單元（QLC）的固態(tài)硬盤。QLC是一個重要的突破，因?yàn)樗鼮槊總€單元存儲4個比特，因此，與TLC技術(shù)的“僅僅”8個狀態(tài)相比，它的狀態(tài)數(shù)量是后者的兩倍，使每個單元的容量增加了一倍。

隨著3D技術(shù)的出現(xiàn)，NAND閃存市場的發(fā)展從未像現(xiàn)在這樣迅速。將3D nandflash集成到固態(tài)硬盤中大大加快了創(chuàng)新的步伐。2019年，96層3D（BiCS4）的固態(tài)硬盤開始普及。到2020年中期，預(yù)計它們將讓位給基于QLC的固態(tài)硬盤。今年，3D nandflash將從96層躍升到128層。

研究SSD選擇的決策因素

每一次轉(zhuǎn)型都存在障礙。考慮到眾多的SSD制造商和變化，用戶不一定很容易為他們的應(yīng)用選擇合適的SSD。必須仔細(xì)考慮環(huán)境條件、大小、寫入和擦除周期以及其他因素，才能獲得最佳的SSD性能。以下是一些最重要的考慮因素。

容量

有大量適合不同應(yīng)用的不同固態(tài)硬盤。確定正確使用的第一步是查看可用容量。然而，規(guī)范中的不一致性使其具有挑戰(zhàn)性。一個SSD制造商可以指定完整的閃存大小（即，實(shí)際安裝了多少閃存），而其他制造商可能只顯示一部分容量，并將其余部分隱式用作備用，這也稱為過度配置（OP）。OP方法使用額外的閃存容量來執(zhí)行垃圾收集，以加快內(nèi)部處理并延長SSD的生命周期。

下面是一個示例：對于閃存存儲區(qū)域?yàn)?56GB的SSD，制造商A可能指定完整的256GB，而制造商B指定的是240GB，而制造商C指定的是200GB。對于配備了3D閃存的ssd，應(yīng)用程序?qū)嶋H可用的容量可能小于指定的容量。一個常見的原因是一個閃存區(qū)域被用于內(nèi)部處理。

因此，工程師應(yīng)該在接近真實(shí)的現(xiàn)場條件下進(jìn)行測試，以分析固態(tài)硬盤的性能和壽命。制造商通常使用“企業(yè)”或“客戶機(jī)”來區(qū)分固態(tài)硬盤的應(yīng)用。企業(yè)級固態(tài)硬盤更多地用于數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器應(yīng)用。與客戶端SSD相比，它們需要更大的閃存容量作為備用，以便在更長的時間內(nèi)提供更穩(wěn)定的性能。特別是對于存儲陣列，工程師應(yīng)該確保他們的設(shè)計在峰值負(fù)載期間保持很少或沒有延遲降低。

制造商的另一個區(qū)別在于使用數(shù)據(jù)：客戶機(jī)SSD必須能夠在平均40攝氏度下每天運(yùn)行8小時，而企業(yè)級SSD可能需要在55攝氏度的平均操作環(huán)境下全天候運(yùn)行（JEDEC標(biāo)準(zhǔn)）。

工程師還應(yīng)考慮2D和3D閃存的容量差異。2dnandflash（也稱為平面NAND）價格低廉，但該技術(shù)已達(dá)到其物理極限，其結(jié)構(gòu)約為15納米（nm）。這種限制可能會導(dǎo)致比特錯誤和其他問題的增加，因?yàn)榇鎯卧娜萘刻?#xff0c;無法容納足夠的電子。

3D NAND flash使用多層垂直堆疊，從而實(shí)現(xiàn)更高的密度、更好的壽命以及更快的讀/寫操作和更低的功耗。雖然成本更高、更復(fù)雜，但每GB的成本實(shí)際上更低，因?yàn)?D NAND將如此多的垂直單元封裝成一個小尺寸。在相同的長寬尺寸下，它的容量遠(yuǎn)大于2D NAND。

耐力

在選擇SSD時，生存期或?qū)懶阅苣途眯允且粋€重要的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)殄e誤的選擇可能會造成相當(dāng)大的代價。當(dāng)使用SSD作為引導(dǎo)介質(zhì)時，耐久性不起作用，例如，對于接管了數(shù)據(jù)記錄器任務(wù)的SSD來說，非常高的耐久性非常重要。

有關(guān)寫入性能的信息可以在制造商的數(shù)據(jù)表中找到，通常以寫入的TB數(shù)（TBW）或每天的驅(qū)動器寫入數(shù)（DWPD）來指定。例如，TBW值為100意味著可以在SSD的整個生命周期中向SSD寫入100tb的數(shù)據(jù)。DWPD值表示根據(jù)SSD的容量，每天使用相同數(shù)量的數(shù)據(jù)寫入SDD的頻率，持續(xù)三到五年，直至達(dá)到其使用壽命。因此，240GB SSD的DWPD值為1.9/5，這意味著它可以在五年內(nèi)每天以三倍的數(shù)據(jù)量寫入。

有幾個因素會影響固態(tài)硬盤的耐久性等級，包括工程師如何以最佳方式實(shí)現(xiàn)損耗均衡（在固態(tài)硬盤的所有塊上均勻地分配數(shù)據(jù)寫入）、寫入放大因子和W/E NAND閃存周期。
但工程師并不完全依賴數(shù)據(jù)表規(guī)格。使用合適的工具，工程師需要評估合適的容量、性能和工作溫度，以確定固態(tài)硬盤在應(yīng)用中的可實(shí)現(xiàn)壽命。在用例中，工程師應(yīng)在與實(shí)際應(yīng)用程序類似的條件下測試SDD。然后，可以讀取測試工具的自我監(jiān)測、分析和報告技術(shù)（SMART）值，或者通過圖表將壽命顯示為紅綠燈函數(shù)。

例如，在需要寫入大量小數(shù)據(jù)（<4KB）的應(yīng)用程序中，可以縮短生存期。在這種情況下，首先打包數(shù)據(jù)然后寫入數(shù)據(jù)是有意義的。在另一個例子中，SSD的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致固件多次移動傳入的數(shù)據(jù)，直到它最終在閃存中找到自己的位置——這個過程稱為寫放大因子（WAF）。這個WAF越高，閃光電池的損耗就越大，壽命會迅速下降。

一旦確定WAF并從數(shù)據(jù)表中獲取TBW的相應(yīng)容量，工程師就可以計算出SDD的近似寫入性能。

電源（和電源故障）

功耗是工業(yè)嵌入式應(yīng)用的一個重要指標(biāo)。由于電源問題，數(shù)據(jù)傳輸過程中難免會出現(xiàn)錯誤。為了解決這個問題，在每個數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的錯誤檢測和校正（ECC）功能。ECC通過完整的端到端數(shù)據(jù)路徑保護(hù)來提供潛在錯誤，從而確保主機(jī)系統(tǒng)和NAND閃存之間的數(shù)據(jù)傳輸安全。

工程師需要評估電源的穩(wěn)定性，同時還要考慮電源電壓突然故障的影響。固態(tài)硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對輸入數(shù)據(jù)的編程會導(dǎo)致某些問題，甚至?xí)?dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

由于集成了低功耗探測器，新型工業(yè)固態(tài)硬盤在緊急情況下具有良好的保護(hù)。如果遇到電壓下降，SSD控制器將停止接受任何進(jìn)一步的命令，并嘗試保存當(dāng)前正在控制器、高速緩存和閃存之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

一些SSD制造商采取額外的步驟，在SSD板上放置電容器，以保持內(nèi)部電壓，以安全地寫入當(dāng)前在DRAM緩存中的數(shù)據(jù)。工程師應(yīng)該仔細(xì)評估他們的應(yīng)用需求，以確保他們?yōu)楣虘B(tài)硬盤設(shè)計一個干凈穩(wěn)定的電源。

形狀因素

如今大多數(shù)固態(tài)硬盤都標(biāo)配了2.5英寸的封裝。這個尺寸意味著SSD可以在以前使用過HDD的地方使用，或者工程師只需要一個靈活、易于互換的外形尺寸。2.5英寸SSD可熱插拔。

M.2外形尺寸是另一種選擇，有多種不同寬度和長度的版本。2280外形尺寸，寬22mm，長80mm，目前最受歡迎。但也有2230個、2242個、2260個和目前的22110個，用于4TB以上的容量。M、
有2280和2242兩種，大量生產(chǎn)和使用。但請注意，M.2不像2.5英寸SSD那樣是可熱插拔的。

接口

接口是SSD和CPU之間的電氣和邏輯信號。它定義了SSD的最大帶寬、最小延遲、可擴(kuò)展性和熱交換能力。

在三種基本接口選項(xiàng)（串行ATA（SATA）、串行連接SCSI（SAS）和非易失性快速存儲器（NVMe）中，SATA幾乎是所有系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，但在性能或容量方面，它已達(dá)到極限。這就是SAS的用武之地。如果需要更高的速度，那么NVMe協(xié)議可能是更好的選擇。NVMe基于服務(wù)器中通常使用的PCI express（PCIe）高速總線標(biāo)準(zhǔn)。隨著新的電路板，這種接口越來越多地用于工業(yè)和游戲應(yīng)用。

SSD的速度通常約為500MB/s。但是，帶有NVMe的SSD速度要快兩到三倍，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^PCIe直接連接的，并且SATA/SAS可以繞過瓶頸。工程師應(yīng)該知道，NVMe固態(tài)硬盤有兩個版本-gen3x2和gen3x4-這意味著第三代有兩個或四個通道來加速數(shù)據(jù)傳輸速度。

工具

對于工業(yè)嵌入式系統(tǒng)中使用的固態(tài)硬盤而言，壽命額定值是一個重要因素。市場上有許多工具，如CrystalDiskInfo、HD Tune、SSD Toolbox、SSD Fresh、HDD Health或Hard Disk Sentinel，可用于預(yù)測SSD的使用壽命（有些是免費(fèi)的）。

但如果工程師需要對固態(tài)硬盤的健康狀況有更深入的了解，最好的選擇是由固態(tài)硬盤制造商提供的工具。這些工具提供有關(guān)健康和壽命的信息，以及使用的詳細(xì)信息。工程師也可以設(shè)置警報，在固態(tài)硬盤出現(xiàn)故障或停止使用之前通知他們。儀表板提供每個已安裝SSD的摘要，顯示有關(guān)運(yùn)行狀況、溫度、容量、磨損水平、壞塊等的準(zhǔn)確信息。換言之，這些制造商的工具幾乎總能通過閃存和固件編程來深入了解SSD的復(fù)雜深度。

最后的想法

固態(tài)硬盤正在經(jīng)歷一場真正的繁榮，并在越來越多的創(chuàng)新應(yīng)用中占據(jù)一席之地。在這方面，2.5英寸的固態(tài)硬盤（ssd）在幾乎所有領(lǐng)域都取代了較小的硬盤容量。隨著從2D NAND到3D NAND閃存的過渡，制造商們正在生產(chǎn)越來越大的ssd和閃存卡，并與HDD展開了激烈的競爭。

固態(tài)硬盤的創(chuàng)新并沒有停滯不前。閃存制造商已經(jīng)在開發(fā)下一代技術(shù)，如相變存儲器（PCM）、電阻隨機(jī)存取存儲器（ReRAM）和磁阻隨機(jī)存取存儲器（MRAM）/自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩（STT）。看到哪種技術(shù)能在大眾市場上獨(dú)樹一幟，那將是令人興奮的。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的如何为嵌入式应用选择适当的SSD的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。