《技术白皮书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《技术白皮书（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、SATA DOM技术白皮书文档版本01发布日期2017-03-09华为技术有限公司HUAWGI版权所有 华为技术有限公司2017。 保留一切权利。非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部，并不得以任何形式传 播。商标声明如和其他华为商标均为华为技术有限公司的商标。本文档提及的其他所有商标或注册商标，由各自的所有人拥有。您购买的产品、服务或特性等应受华为公司商业合同和条款的约束，本文档中描述的全部或部分产品、服务 或特性可能不在您的购买或使用范围之内。除非合同另有约定，华为公司对本文档内容不做任何明示或默示 的声明或保证。由于产品版本升级或其他原因，本文档内容会
2、不定期进行更新。除非另有约定，本文档仅作为使用指导，本 文档中的所有陈述、信息和建议不构成任何明示或暗示的担保。华为技术有限公司地址：深圳市龙岗区坂田华为总部办公楼邮编：518129网址：http:/客户服务邮箱：客户服务电话：4008302118目录1 概述12 SATA DOM 基本工作原理22.1 基本功能特性 22.1.1 接口速率支持 22.1.2 容量支持和可用空间 22.1.3 支持安全擦除 22.1.4 FW 可升级 22.2 Flash 芯片工作原理 22.2.1 Flash 存储单元工作原理 22.2.2 Flash 存储单元分类 32.2.3 SATA DOM写寿命分析3
3、3 SATA DOM写寿命风险评估53.1 SMART信息判定方法53.2 风险评估 63.2.1 判断业务数据写入量 63.2.2判断当前SATA DOM是否需要更换74 SATA DOM 应用场景限制85 总结91概述SATA DOM就是SATA接口的固态硬盘或者SATA接口的DOM电子硬盘。由控制单 元和存储单元组成，存储单元负责存储数据，控制单元负责管理数据的读取和写入。SATA DOM基于Flash存储介质。当前业界使用较多的是NAND Flash，NAND Flash 因使用Floating Gate存储电子实现数据存储，电子在反复穿过Floating Gate后，会导 致存储电子
4、的能力变弱，最终导致击穿，无法存储数据。这特性是NAND Flash的通 病，所以在使用 NAND Flash 时，要充分评估应用业务的写入数据量，避免提前写穿 导致器件失效。2SATA DOM 基本工作原理2.1 基本功能特性2.2 Flash 芯片工作原理2.1 基本功能特性2.1.1 接口速率支持SATA DOM支持 SATA3.0 (6.0Gb/s)并向下兼容支持 3Gb/s、1.5Gb/s 速率。2.1.2 容量支持和可用空间同一个系列的SATA DOM往往有多种容量规格，产品手册标注的容量都是以十进制 基准的；这样往往无法准确知道某个SATA DOM的实际容量有多大，为了能检测 S
5、ATA DOM的真实可用空间，需要读SATA DOM的LBA数量和产品手册做比较。产 品手册有每个容量对应的转化成扇区数的LBA值。1LBA=1Sector=512Byte。2.1.3 支持安全擦除安全擦除是SATA DOM通用功能，能实现SATA DOM数据低格功能。2.1.4 FW 可升级SATA DOM支持FW升级功能。2.2 Flash 芯片工作原理2.2.1 Flash 存储单元工作原理闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与 硅基之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构， 使得存储单元具有了电荷保持能力。与场效应管一样，
6、闪存也是一种电压控制型器件。NAND型闪存的擦和写均是基于隧 道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电(写数据) 或放电(擦除数据)。Field HDP OxideFloating GateGate OxideDielectricBody (substrate)DrainSource2.2.2 Flash 存储单元分类每个存储单元内存储1个信息比特，称为单阶存储单元(Single-Level Cell，SLC),使用 这种存储单元的闪存也称为单阶存储单元闪存(SLC flash memory)，或简称SLC闪存。多阶存储单元(Multi-Level Cell，MLC)可
7、以在每个存储单元内存储2个以上的信息比 特，其“多阶”指的是电荷充电有多个能阶(即多个电压值)，如此便能存储多个比特的 值于每个存储单元中。三阶储存单元(Triple-Level Cell，TLC)，这种架构的原理与MLC类似，但可以在每个 储存单元内储存3个信息比特。TLC的写入速度比SLC和MLC慢，P/E Cycle也比 SLC 和 MLC 短，大约 5001000次左右。iSLC和前边三种不同，没有新的闪存单元排列方式，而是在精选的高品质MLC闪存 基础上，加入了新的闪存管理算法，从而获得接近于SLC的性能和可靠性。iSLC技术 将MLC闪存的2bpc(每单元两个比特位)重新编程为1b
8、pc，以增加每一层之间的敏感 度，让闪存的工作方式更像是SLC。P/E Cycle大概在20000次左右。2.2.3 SATA DOM 写寿命分析WA (Write Amplification)是闪存及SSD相关的一个极为重要的属性。由于闪存必须 先擦除才能再写入的特性，在执行这些操作时，数据都会被移动超过1 次。这些重复 的操作不单会增加写入的数据量，还会减少闪存的寿命，更吃光闪存的可用带宽而间 接影响随机写入性能。闪存写入数据彊二写入放大倍数主控写入数据屢当要写入一个 4KB 的数据时，最坏的情况是一个块里已经没有干净空间了，但有无效 的数据可以擦除，所以主控就把所有的数据读到缓存，擦除块
9、，缓存里更新整个块的 数据，再把新数据写回去，这个操作带来的写入放大就是实际写4K的数据，造成了整 个块（共1024KB）的写入操作，那就是放大了 256倍。同时还带来了原本只需要简单 一步写入4KB的操作变成：闪存读取（1024KB）-缓存改（4KB）-闪存擦除 （1024KB）-闪存写入（1024KB）,共四步操作，造成延迟大大增加，速度变慢。所以 说 WA 是影响 SSD 随机写入性能和寿命的关键因素。以100%随机4KB来写入，目前的大多数SSD主控，在最坏的情况下WA可以达到 100以上。如果是100%持续的从低LBA写入到高LBA的话，WA可以做到1,实际 使用中写入放大会介于这两
10、者之间。影响WA的要素： 垃圾回收（GC）：虽然增加了写入放大，但是速度有提升。 预留空间（OP）：减少写入放大。 Trim 开启后可以减少写入放大。 可用容量减少写入放大。 安全擦除 Secure Erase 减少写入放大。 持续写入（Sequential writes ）减少写入放大。 静态/动态数据分离（Separating Static and Dynamic Data）减少写入放大。 随机写入（Random writes ）提高写入放大。 磨损平衡（WL）直接提高写入放大。3SATA DOM 写寿命风险评估3.1 SMART 信息判定方法3.2 风险评估3.1 SMART 信息判定方
11、法以 Red Hat Enterprise Linux 6.5 操作系统收集的 SMART 信息为例加以说明。其他系统 下收集到的SMART信息分析方法一样。如图3-1所示。图3-1 SMART信息收集到的SMART信息同厂家给的ID值对应表关系如图3-2所示。173是业界通用的SMART工具收集到的信息，对应的是SATA DOM的擦写次数。先将173对应的十进制的4295622661转换成十六进制数1000AOOO5： 十六进制的后四位是对应的数值转换为十进制就是对应的平均擦写次数。平均擦 写次数就是所有颗粒擦写的平均值。 中间四位转换为十进制对应的是最大擦写次数，指所有颗粒中擦写最多的颗粒
12、当 前擦写的次数。 高四位（从低到高，不足四位补零）对应的是最小擦写次数，指所有颗粒中擦写 最少的颗粒当前擦写的次数。图3-2 对应关系表173 Unknown_AttributeAD Erase Count札2956226GT（- tfflASSS十六进制）Avg. Erase:5（00 05转换为十进制）Uax. Erase : 10 （ 00 0j Min. Erase：1（00 01）4）CQI说明平均擦写次数就是所有颗粒擦写的平均值。最大擦写次数指所有颗粒中擦写最多的颗粒当前擦写的次数。 最小擦写次数指所有颗粒中擦写最少的颗粒当前擦写的次数。3.2 风险评估厂家宣称的MLC颗粒的SA
13、TADOM的P/E Cycle理论值是3000次，按照维保期3年 计算，每天的擦写次数平均值=3000/3/365=2.74 次。3.2.1 判断业务数据写入量计算方法：每天的擦写次数平均值DWPD=平均擦写次数/（上电时间/24）平均擦写次数获取方法参见3.1 SMART信息判定方法，上电时间获取方法如下图，在 SMART 信息中，查询 Power_On_Hours。图3-3 上电时间获取方法IDA ATTR1BUTE_NANE FAILED RAWUALUEFLAGUALUE UORST THRESH TVPEUPDATED UHEN1Ravj_Jlead JEr*or_Rate a0x0
14、00a100100000Old.ageA lways-2oThroughput_Perfornance 0Spin_Up_T ime eReallocated.Sector_Cta0x0005100100050Pre-failOffline30x0007100100050Pre-failAlways50x00131001000S0Pre-failAlways7oSeek_Ei*or_Rate0x000b100100050Pre-failAlways8uSeek_T ine_Perfornancei_0x0005100100050Pre-failOffline913Pov/er_On_Hours0x001210010000001d_ageAlways10J13Spin_Jlctr9_CountQ0x0013100100050P*e-failAlways12OPowerCycle_Count 5828x001210010000001d_ageAlways167Unknown_Attribute 0Unknown.Attribute n
