嵌入式医疗设备应用中的 SSD 使用

2021-07-27

SSD 已经发展成为在许多嵌入式系统(包括医疗设备)中替代旋转硬盘驱动器 (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 的移动部件。

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。鉴于主硬盘驱动器故障在所有设备中都是不幸的现实,而不仅仅是医疗设备,因此这些过程是必要的;不是“如果”而是“何时”硬盘会发生故障,因为它的活动部件在某些时候会磨损并停止运行。当发生故障时,这可能是监管的噩梦。

1990 年的《安全医疗器械法》授权食品和药物管理局 (FDA) 监管医疗器械。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实例。这可能会导致代价高昂的诉讼、产品召回和难以言表的恶意。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正常运行而不会出现故障。通常需要占用空间小,并且能够承受高冲击和振动,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 闪存组件已经进步以提供更低的每位成本,但这样做却牺牲了可靠性和耐用性。这导致许多原始设备制造商质疑固态硬盘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要的行业问题,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,一种新方法可以帮助设计人员通过概述 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)和系统 OEM 可以控制的参数(使用模型、容量,并写入占空比)。

NAND闪存技术变革

SSD 中的主要存储介质 NAND 闪存组件正在以半导体行业前所未见的速度经历技术变革。对更低的每比特成本和更小的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尺寸并在每个单元中存储多个比特。尽管这导致体积更小、容量更高的 SSD 和每 GB 成本不断下降,但它给医疗设备 OEM 带来了可靠性和产品寿命的挑战。

与基于 NAND 闪存的 SSD 相关的可靠性问题主要集中在设备的写入/擦除周期数或耐久性的限制上。OEM 经常质疑 SSD 是否能满足其长期系统部署要求,尤其是在具有密集写入/擦除使用模式的 24/7 医疗应用中。

在原始媒体级别,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,它们决定如何利用较低的每比特成本,同时为特定应用保持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,SSD 控制器优化写入/擦除操作以在系统级别增加耐用性。此外,SSD 控制器在 NAND 闪存阵列中预留了一个备用区域,用于管理坏块和其他闪存漏洞。SSD 中的备件数量为 1% 到 2%,但在需要高可靠性的应用中,它可以高达 50%。这种称为过度配置的方法通常是通过提供额外的 NAND 容量来解决这些可靠性问题来实现的。

要准确计算SSD使用寿命,必须考虑写入放大的概念。写入放大是衡量 SSD 控制器效率的指标。它定义了控制器针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。写放大突出了擦除块大小和页面大小之间的根本不匹配。例如,SSD 控制器的最小写入大小可能是 4 KB 页面大小。

大多数 SSD 必须在写入前擦除,这可能需要擦除和写入整个擦除块 (256 KB)。本示例中产生的写入放大为 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。最好的情况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,写入放大为 1:1。实际上,根据主机写入数据的方式,写入放大处于中间位置,说明使用模型可以对 SSD 的使用寿命产生 64 倍的影响。