SSD 已發(fā)展成為替代許多嵌入式系統(tǒng)（包括醫(yī)療設備）中的旋轉硬盤驅動器 （HDD） 的可行選擇。這是因為 SSD 消除了大多數(shù)醫(yī)療系統(tǒng)中最大的單一故障機制——HDD 的移動部件。

醫(yī)療器械的產(chǎn)品測試和認證周期很長，并且需要經(jīng)過嚴格的監(jiān)管審批流程。鑒于主要硬盤驅動器故障在所有設備中都是不幸的現(xiàn)實，而不僅僅是醫(yī)療設備，因此這些過程是必要的；不是“如果”而是“何時” HDD 會發(fā)生故障，因為它的移動部件在某些時候會磨損并停止運行。當失敗發(fā)生時，它可能是監(jiān)管的噩夢。

1990 年的《安全醫(yī)療器械法》授權食品和藥物管理局 （FDA） 監(jiān)管醫(yī)療器械。醫(yī)院和醫(yī)療保健機構必須報告所有導致嚴重疾病、傷害或死亡的醫(yī)療設備故障事件。這可能導致代價高昂的訴訟、產(chǎn)品召回和數(shù)不清的惡意。即使沒有死亡，至少，醫(yī)療設備也必須通過 FDA 重新認證，這可能需要數(shù)年時間并花費數(shù)十萬美元。

存儲解決方案必須堅固耐用，并且能夠在關鍵應用中無故障運行。通常需要小尺寸，以及對高沖擊和振動的耐受性以及防止驅動器因用戶錯誤或環(huán)境條件引起的電源干擾而損壞。

除了這些要求之外，醫(yī)療設備設計人員還面臨著降低醫(yī)療設備整體系統(tǒng)成本的持續(xù)壓力。NAND 閃存組件已取得進步，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。這導致許多 OEM 質疑 SSD 在其關鍵醫(yī)療應用中的使用壽命。

為了幫助醫(yī)療設備設計人員解決這一重大的行業(yè)問題，以下討論簡要概述了 NAND 閃存技術的最新變化以及 SSD 供應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計人員通過概述 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閃存技術變化

SSD 中的主要存儲介質 NAND 閃存組件正在以半導體行業(yè)前所未有的速度經(jīng)歷技術變革。對更低每比特成本和更小尺寸要求的追求正在推動 NAND 閃存技術縮小到更小的工藝幾何尺寸并在每個單元中存儲多個比特。盡管這會導致更高容量的 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 相關的可靠性問題主要集中在設備寫入/擦除周期數(shù)或耐用性的限制上。OEM 經(jīng)常質疑 SSD 是否能夠滿足其長期系統(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)療應用中。

在原始媒體級別，NAND 閃存本質上比 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，同時為特定應用保持可接受的可靠性水平。然而，SSD 在解決這個問題方面具有優(yōu)勢，因為它們沒有傳統(tǒng)上被認為是 HDD 最令人頭疼的可靠性問題——旋轉介質的簡單機制。

存儲管理算法和寫放大

必須主動管理 NAND 閃存。SSD 控制器通過使用磨損均衡和其他存儲管理算法來管理耐用性，并且根據(jù)應用程序，SSD 控制器優(yōu)化寫入/擦除操作以增加系統(tǒng)級別的耐用性。此外，SSD 控制器在 NAND 閃存陣列中保留了一個備用區(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用中，它可以高達 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現(xiàn)的。

必須考慮寫入放大的概念才能準確計算 SSD 的使用壽命。寫入放大是衡量 SSD 控制器效率的指標。它定義了控制器為來自主機系統(tǒng)的每個寫入命令對介質進行的最小寫入次數(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。實際上，根據(jù)主機寫入數(shù)據(jù)的方式，寫入放大率處于中間位置，說明使用模型對 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。使用每個邏輯塊的寫入/擦除周期對耐用性進行分類可能是比較 SSD 規(guī)格的一個起點，但它并不能回答真正的問題：SSD 在應用程序中能持續(xù)多久？因此，定義和衡量應用程序的使用模型以在現(xiàn)實世界中確定 SSD 的使用壽命變得至關重要。

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。對于數(shù)據(jù)庫或事務使用模型應用程序，生命周期計算必須考慮每秒 I/O （IOPS）。IOPS 可以使用諸如 IOMeter 之類的行業(yè)標準基準來測量，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)視主機寫入（IOPS 等級）不會產(chǎn)生準確的信息；還必須考慮占空比。

等式 1

以下定義描述了公式 1 中所示的術語。

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

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

· IOPS 等級：寫入 IOPS 的數(shù)量。

· 文件大小：衡量 IOPS 等級的文件大小。

· 寫入放大：每次主機寫入的 NAND 級別的寫入次數(shù)。該值與使用模型有關，但對于前面提到的 100% 隨機寫入，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（讀周期加上空閑時間）的百分比。

為演示此方法，請考慮一家醫(yī)療監(jiān)控設備制造商，該制造商正在考慮使用 32 GB SSD 來替換旋轉磁盤驅動器。該驅動器使用額定為 100K 耐久性的 NAND 設備，對于 8 KB 文件具有 200 寫入 IOPS。驅動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 估計寫占空比為 25%，這是一個非常保守的估計。在前面的公式中填寫這些參數(shù)，SSD 壽命將按公式 2 所示計算：

等式 2

LifeEST SSD 方法論

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

圖 1：技術、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 技術的使用壽命。為此，Western Digital Technologies 提出了一種衡量 SSD 技術的新指標。借助 LifeEST，SSD 技術通過指定 SSD 可以實現(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 可以達到的每 GB 寫入年數(shù)來衡量 SSD 技術。

UCC 在公式 4 中計算。

確定最佳 SSD 容量

醫(yī)療設備設計人員傳統(tǒng)上通過在塊級別測量 NAND 閃存設備的寫入/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 容量來計算他們的存儲需求。在 NAND 組件技術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 無法承受代價高昂的現(xiàn)場故障。通過確定產(chǎn)品必須在現(xiàn)場部署多長時間以及應用程序的使用模型來衡量和預測 SSD 的使用壽命至關重要。有了這些信息，醫(yī)療系統(tǒng) OEM 可以準確地為所需的現(xiàn)場部署指定最佳 SSD 容量。

重要的是要注意，即使對于模型良好的應用程序，計算也最多只是理論上的。產(chǎn)生真實結果的更準確的方法包括使用應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)報告回主機系統(tǒng)。具有驅動器使用監(jiān)控功能的 SSD 可以確保醫(yī)療設備的完整性，并消除有關故障、傷害或監(jiān)管問題的任何擔憂。西部數(shù)據(jù)正在申請專利的 SiSMART 監(jiān)控技術集成到其 SiliconDrive SSD 中，可以幫助醫(yī)療設備制造商獲得實時 SSD 使用結果，從而根據(jù)其特定應用準確預測使用壽命。

審核編輯：郭婷