计算嵌入式医疗设备应用中的SSD使用寿命

SSD已发展成为取代许多嵌入式系统（包括医疗设备）中旋转硬盘驱动器（HDD）的可行选择。这是因为 SSD 消除了大多数医疗系统中最大的单一故障机制 - HDD 的活动部件。

医疗器械具有较长的产品测试和认证周期，并受到严格的监管审批流程的约束。这些过程是必要的，因为主要硬盘驱动器故障是所有设备（而不仅仅是医疗设备）的不幸现实;它不是“如果”，而是“何时”HDD会发生故障，因为它具有移动部件，这些部件在某些时候会磨损并停止运行。当失败发生时，它可能是监管的噩梦。

1990年的安全医疗器械法案授权食品和药物管理局（FDA）对医疗器械进行监管。医院和医疗保健组织必须报告所有导致严重疾病、伤害或死亡的医疗设备故障情况。这可能导致代价高昂的诉讼，产品召回和无数的恶意。即使没有死亡，至少，医疗器械也必须通过FDA重新认证，这可能需要数年时间并花费数十万美元。

存储解决方案必须坚固耐用，并且能够在关键应用中无故障地运行。通常需要较小的占地面积，以及对高冲击和振动的耐受性，并防止驱动器因用户错误或环境条件引起的电源干扰而损坏。

除了这些要求之外，医疗设备设计人员还面临着降低医疗设备整体系统成本的持续压力。NAND闪存组件已经发展到提供更低的每比特成本，但这样做牺牲了可靠性和耐用性。这导致许多OEM厂商质疑SSD在其关键医疗应用中的使用寿命。

为了帮助医疗设备设计人员解决这一重大的行业问题，以下讨论简要概述了NAND闪存技术的最新变化以及SSD供应商用于管理这些变化的一些算法。使用这些通用数据，一种新方法可以通过概述SSD制造商控制的参数（例如使用的NAND类型，写入性能和写入放大）以及系统OEM可以控制的参数（使用模型，容量和写入占空比）来帮助设计人员预测使用寿命。

南德闪存技术变革

NAND闪存组件是固态硬盘中的主要存储介质，正在经历半导体行业前所未有的技术变革。对更低的每比特成本和更小尺寸要求的追求正在推动NAND闪存技术缩小到更小的工艺几何形状，并在每个单元存储多个位。尽管这导致更高容量的 SSD 采用更小的外形尺寸，每 GB 成本不断降低，但它为医疗设备 OEM 带来了可靠性和产品寿命挑战。

与基于NAND闪存的固态硬盘相比，可靠性问题主要集中在器件的写入/擦除周期数或耐用性的限制上。OEM 经常质疑 SSD 是否满足其长期系统部署要求，尤其是在具有密集写入/擦除使用模型的 24/7 医疗应用中。

在原始介质级别，NAND闪存本质上比HDD中的磁盘更可靠，SSD控制器现在面临着与之前的HDD控制器相同的问题，以确定如何利用较低的每比特成本，同时保持特定应用的可接受的可靠性水平。然而，SSD在解决这个问题方面具有优势，因为它们没有传统上被认为是HDD最大的可靠性问题 - 旋转介质的简单机制。

存储管理算法和写入放大

必须主动管理 NAND 闪存。SSD 控制器通过使用磨损均衡和其他存储管理算法来管理耐用性，并且根据应用程序，SSD 控制器优化写入/擦除操作以增加系统级别的耐用性。此外，SSD控制器在NAND闪存阵列中保留了一个备用区域，用于管理坏块和其他闪存漏洞。SSD中的备件数量为1%至2%，但在需要高可靠性的应用中可能高达50%。这种方法称为过度配置，通常通过提供额外的NAND容量来解决这些可靠性问题来实现。

必须考虑写入放大的概念，以准确计算SSD的使用寿命。写入放大是衡量 SSD 控制器效率的指标。它定义了控制器对来自主机系统的每个写入命令对介质进行的最小写入次数。写入放大突出显示了擦除块大小和页面大小之间的基本不匹配。例如，SSD 控制器的最小写入大小可能是 4 KB 的页面大小。

大多数 SSD 必须在写入之前擦除，这可能需要擦除并写入整个擦除块 （256 KB）。在此示例中，生成的写入放大将为 256：4 或 64：1。最坏的情况是一遍又一遍地写入相同的逻辑块地址，这将导致64：1的比率。最佳方案是以擦除块大小的整数倍的文件大小流式传输数据。在这种情况下，写入放大将为 1：1。在实践中，写入放大是基于主机写入数据的方式，表明使用模型可以对SSD的使用寿命产生64倍的影响。

固态硬盘使用寿命方法

OEM 需要以年、月、日而不是周期来了解 SSD 的使用寿命。使用每个逻辑块的写入/擦除周期对耐久性进行分类可能是比较 SSD 规格的起点，但它并没有回答真正的问题：SSD 在应用程序中将持续多长时间？因此，定义和测量应用程序的使用模型以实际确定SSD的使用寿命变得至关重要。

使用最坏情况的示例，公式1中展示的以下通用方法基于24/7使用模型，要求数据保留一年。对于数据库或事务使用模型应用程序，生存期计算必须考虑每秒 I/O 数 （IOPS）。IOPS可以使用行业标准基准（如IOMeter）进行测量，该基准允许用户定义使用模型参数，例如文件大小以及读取和写入的百分比。写入 IOPS 分级是基于所需文件大小的 IOMeter 输出。写入放大的概念在这里也起作用。它不会产生准确的信息来简单地监视主机写入（IOPS评级）;还必须考虑占空比。

等式 1

以下定义描述了公式1中所示的术语。

· 耐久性等级：传统上指定为 100K、10K 或 5K 的块级耐久性。将值 5 用于 5K，将值 10 用于 10K，依此类推。许多供应商不提供此信息，因为NAND变化如此之快。因此，许多用户尝试不同的值并相应地调整容量。

· 33.25：从数千个周期的耐久性额定值、KB 到 GB 和数秒到数年的单位转换得出的常量。

· 平均每帧率：写入 IOPS 数。

· 文件大小：测量 IOPS 分级的文件大小。

· 写入放大：每个主机写入在 NAND 级别的写入次数。此值与使用模型相关，但最坏的情况是，如前所述，对于 100% 随机写入，值为 64。此值基于 NAND 擦除块大小与页面大小的比率。如果文件大小大于页面大小，则最坏情况下的写入放大是擦除块大小除以文件大小。

· 占空比：写入周期的百分比（读取周期加上空闲时间）。

为了演示这种方法，请考虑一家医疗监控设备制造商考虑使用 32 GB SSD 来替换旋转磁盘驱动器。该驱动器使用额定耐久性为 100K 的 NAND 器件，对于 8 KB 文件，具有 200 写入 IOPS。驱动器未指定写入放大系数，因此将使用值 32（256 KB 块/8 KB 文件）。OEM 估计写入占空比为 25%，这是一个非常保守的估计值。在前面的等式中填写这些参数，SSD寿命的计算公式2所示：

等式 2

固态硬盘方法论

如图 1 所示，有三个参数控制 SSD 的使用寿命：技术、容量和使用模型。

图 1：技术、容量和使用模式决定了 SSD 的使用寿命。

OEM 可以使用容量和使用模型根据 SSD 技术确定使用寿命。为此，西部数据技术提出了一种衡量SSD技术的新指标。使用 LifeEST 时，SSD 技术是通过指定 SSD 可以达到的每 GB 写入年数来衡量的，如公式 3 和图 2 所示。

等式 3

图 2：LifeEST通过规定固态硬盘可以达到的每GB写入年数来衡量固态硬盘技术。

UCC在等式4中计算得出。

等式 4

使用前面的应用示例，在等式5中计算LifeEST。

等式 5

然后，根据等式 6 和 7 轻松计算 SSD 的使用寿命：

等式 6

等式 7

确定最佳固态硬盘容量

传统上，医疗设备设计人员通过在块级别测量NAND闪存设备写入/擦除周期，然后在查看要收集的数据量以确定SSD容量之前确定操作系统和程序文件的大小来计算其存储要求。在NAND元件技术的快速变化减少了规定的写入/擦除周期数之前，这种方法工作正常，使得在没有彻底了解使用模型和写入放大的影响的情况下很难确定正确的容量。

如今，医疗系统 OEM 无法承受代价高昂的现场故障。通过确定产品必须在现场部署多长时间以及应用程序的使用模型来衡量和预测SSD的使用寿命至关重要。有了这些信息，医疗系统 OEM 可以准确地为所需的现场部署指定最佳 SSD 容量。

重要的是要注意，即使使用建模良好的应用程序，计算充其量也是理论性的。产生真实结果的更准确的方法涉及在应用程序本身中使用工具来监控NAND闪存的确切磨损并将该数据报告回主机系统。具有驱动器使用情况监控功能的 SSD 可以确保医疗设备的完整性，并消除有关故障、伤害或法规问题的任何疑虑。西部数据正在申请专利的SiSMART监测技术集成到其SiliconDrive SSD中，可以帮助医疗设备制造商实现实时SSD使用结果，以根据其特定应用准确预测使用寿命。

审核编辑：郭婷