SSD 已經(jīng)發(fā)展成為在許多嵌入式系統(tǒng)（包括醫(yī)療設(shè)備）中替代旋轉(zhuǎn)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 (HDD) 的可行選擇。這是因?yàn)?SSD 消除了大多數(shù)醫(yī)療系統(tǒng)中最大的單一故障機(jī)制——HDD 的移動(dòng)部件。

醫(yī)療器械具有較長(zhǎng)的產(chǎn)品測(cè)試和認(rèn)證周期，并受到嚴(yán)格的監(jiān)管審批流程的約束。鑒于主硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器故障在所有設(shè)備中都是不幸的現(xiàn)實(shí)，而不僅僅是醫(yī)療設(shè)備，因此這些過(guò)程是必要的； 不是“如果”而是“何時(shí)”硬盤(pán)會(huì)發(fā)生故障，因?yàn)樗幕顒?dòng)部件在某些時(shí)候會(huì)磨損并停止運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，這可能是監(jiān)管的噩夢(mèng)。

1990 年的《安全醫(yī)療器械法》授權(quán)食品和藥物管理局 (FDA) 監(jiān)管醫(yī)療器械。醫(yī)院和醫(yī)療保健組織必須報(bào)告所有導(dǎo)致嚴(yán)重疾病、傷害或死亡的醫(yī)療設(shè)備故障實(shí)例。 這可能會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的訴訟、產(chǎn)品召回和難以言表的惡意。即使沒(méi)有死亡，至少，醫(yī)療器械也必須通過(guò) FDA 重新認(rèn)證，這可能需要數(shù)年時(shí)間并花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)美元。

存儲(chǔ)解決方案必須堅(jiān)固耐用，并且能夠在關(guān)鍵應(yīng)用中正常運(yùn)行而不會(huì)出現(xiàn)故障。通常需要占用空間小，并且能夠承受高沖擊和振動(dòng)，并防止驅(qū)動(dòng)器因用戶(hù)錯(cuò)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(shè)備設(shè)計(jì)人員還面臨著降低醫(yī)療設(shè)備整體系統(tǒng)成本的持續(xù)壓力。NAND 閃存組件已經(jīng)進(jìn)步以提供更低的每位成本，但這樣做卻犧牲了可靠性和耐用性。 這導(dǎo)致許多原始設(shè)備制造商質(zhì)疑固態(tài)硬盤(pán)在其關(guān)鍵醫(yī)療應(yīng)用中的使用壽命。

為了幫助醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員解決這一重要的行業(yè)問(wèn)題，以下討論簡(jiǎn)要概述了 NAND 閃存技術(shù)的最新變化以及 SSD 供應(yīng)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(shè)計(jì)人員通過(guò)概述 SSD 制造商控制的參數(shù)（例如使用的 NAND 類(lèi)型、寫(xiě)入性能和寫(xiě)入放大）和系統(tǒng) OEM 可以控制的參數(shù)（使用模型、容量，并寫(xiě)入占空比）。

NAND閃存技術(shù)變革

SSD 中的主要存儲(chǔ)介質(zhì) NAND 閃存組件正在以半導(dǎo)體行業(yè)前所未見(jiàn)的速度經(jīng)歷技術(shù)變革。對(duì)更低的每比特成本和更小的尺寸要求的追求正在推動(dòng) NAND 閃存技術(shù)縮小到更小的工藝幾何尺寸并在每個(gè)單元中存儲(chǔ)多個(gè)比特。 盡管這導(dǎo)致體積更小、容量更高的 SSD 和每 GB 成本不斷下降，但它給醫(yī)療設(shè)備 OEM 帶來(lái)了可靠性和產(chǎn)品壽命的挑戰(zhàn)。

與基于 NAND 閃存的 SSD 相關(guān)的可靠性問(wèn)題主要集中在設(shè)備的寫(xiě)入/擦除周期數(shù)或耐久性的限制上。OEM 經(jīng)常質(zhì)疑 SSD 是否能滿(mǎn)足其長(zhǎng)期系統(tǒng)部署要求，尤其是在具有密集寫(xiě)入/擦除使用模式的 24/7 醫(yī)療應(yīng)用中。

在原始媒體級(jí)別，NAND 閃存本質(zhì)上比 HDD 中的磁盤(pán)更可靠。SSD 控制器現(xiàn)在面臨著與之前的 HDD 控制器相同的問(wèn)題，它們決定如何利用較低的每比特成本，同時(shí)為特定應(yīng)用保持可接受的可靠性水平。 然而，SSD 在解決這個(gè)問(wèn)題方面具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儧](méi)有傳統(tǒng)上被認(rèn)為是 HDD 最大的可靠性問(wèn)題——旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的簡(jiǎn)單機(jī)制。

存儲(chǔ)管理算法和寫(xiě)放大

必須主動(dòng)管理 NAND 閃存。SSD 控制器通過(guò)使用磨損均衡和其他存儲(chǔ)管理算法來(lái)管理耐用性，并且根據(jù)應(yīng)用，SSD 控制器優(yōu)化寫(xiě)入/擦除操作以在系統(tǒng)級(jí)別增加耐用性。 此外，SSD 控制器在 NAND 閃存陣列中預(yù)留了一個(gè)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(yīng)用中，它可以高達(dá) 50%。 這種稱(chēng)為 過(guò)度配置的 方法通常是通過(guò)提供額外的 NAND 容量來(lái)解決這些可靠性問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

要準(zhǔn)確計(jì)算SSD使用壽命，必須考慮寫(xiě)入放大的概念。寫(xiě)入放大 是衡量 SSD 控制器效率的指標(biāo)。它定義了控制器針對(duì)來(lái)自主機(jī)系統(tǒng)的每個(gè)寫(xiě)入命令對(duì)介質(zhì)進(jìn)行的最小寫(xiě)入次數(shù)。 寫(xiě)放大突出了擦除塊大小和頁(yè)面大小之間的根本不匹配。 例如，SSD 控制器的最小寫(xiě)入大小可能是 4 KB 頁(yè)面大小。

大多數(shù) SSD 必須在寫(xiě)入前擦除，這可能需要擦除和寫(xiě)入整個(gè)擦除塊 (256 KB)。本示例中產(chǎn)生的寫(xiě)入放大為 256:4 或 64:1。 最壞的情況是一遍又一遍地寫(xiě)入相同的邏輯塊地址，這將導(dǎo)致 64:1 的比率。最好的情況是以擦除塊大小的整數(shù)倍的文件大小流式傳輸數(shù)據(jù)。在這種情況下，寫(xiě)入放大為 1:1。 實(shí)際上，根據(jù)主機(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的方式，寫(xiě)入放大處于中間位置，說(shuō)明使用模型可以對(duì) SSD 的使用壽命產(chǎn)生 64 倍的影響。