计算嵌入式医疗设备应用中SSD的使用寿命

SSD 已发展成为替代许多嵌入式系统（包括医疗设备）中的旋转硬盘驱动器 （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。

医疗器械的产品测试和认证周期很长，并且需要经过严格的监管审批流程。鉴于主要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” HDD 会发生故障，因为它的移动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》授权食品和药物管理局 （FDA） 监管医疗器械。医院和医疗保健机构必须报告所有导致严重疾病、伤害或死亡的医疗设备故障事件。这可能导致代价高昂的诉讼、产品召回和数不清的恶意。即使没有死亡，至少，医疗设备也必须通过 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运行。通常需要小尺寸，以及对高冲击和振动的耐受性以及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 闪存组件已取得进步，以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 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闪存技术变化

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有的速度经历技术变革。对更低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尺寸并在每个单元中存储多个比特。尽管这会导致更高容量的 SSD 体积更小且每 GB 成本不断降低，但它给医疗设备 OEM 带来了可靠性和产品寿命方面的挑战。

与基于 NAND 闪存的 SSD 相关的可靠性问题主要集中在设备写入/擦除周期数或耐用性的限制上。OEM 经常质疑 SSD 是否能够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 控制器现在面临与之前的 HDD 控制器相同的问题，即确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 最令人头疼的可靠性问题——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，并且根据应用程序，SSD 控制器优化写入/擦除 *** 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% 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。

必须考虑写入放大的概念才能准确计算 SSD 的使用寿命。写入放大是衡量 SSD 控制器效率的指标。它定义了控制器为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）。此示例中生成的写入放大率为 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。最好的情况是流数据的文件大小是擦除块大小的整数倍。在这种情况下，写入放大将是 1:1。实际上，根据主机写入数据的方式，写入放大率处于中间位置，说明使用模型对 SSD 的使用寿命有 64 倍的影响。

SSD 使用寿命方法

OEM 需要以年、月和日的形式而不是周期来了解 SSD 的使用寿命。使用每个逻辑块的写入/擦除周期对耐用性进行分类可能是比较 SSD 规格的一个起点，但它并不能回答真正的问题：SSD 在应用程序中能持续多久？因此，定义和衡量应用程序的使用模型以在现实世界中确定 SSD 的使用寿命变得至关重要。

使用最坏情况示例，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，生命周期计算必须考虑每秒 I/O （IOPS）。IOPS 可以使用诸如 IOMeter 之类的行业标准基准来测量，它允许用户定义使用模型参数，例如文件大小和读写百分比。写入 IOPS 等级是 IOMeter 基于所需文件大小的输出。写放大的概念也在这里发挥作用。仅监视主机写入（IOPS 等级）不会产生准确的信息；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。

· 耐力等级：传统上指定为 100K、10K 或 5K 的块级耐力。对 5K 使用值 5，对 10K 使用值 10，依此类推。许多供应商没有提供这些信息，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：常数源自数千次循环的耐久性等级、KB 到 GB 以及秒到年的单位转换。

· IOPS 等级：写入 IOPS 的数量。

· 文件大小：衡量 IOPS 等级的文件大小。

· 写入放大：每次主机写入的 NAND 级别的写入次数。该值与使用模型有关，但对于前面提到的 100% 随机写入，最坏的情况是 64。该值基于 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，那么最坏情况的写放大是擦除块大小除以文件大小。

· 占空比：写周期与（读周期加上空闲时间）的百分比。

为演示此方法，请考虑一家医疗监控设备制造商，该制造商正在考虑使用 32 GB SSD 来替换旋转磁盘驱动器。该驱动器使用额定为 100K 耐久性的 NAND 设备，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 估计写占空比为 25%，这是一个非常保守的估计。在前面的公式中填写这些参数，SSD 寿命将按公式 2 所示计算：

等式 2

LifeEST SSD 方法论

如图 1 所示，三个参数控制着 SSD 的使用寿命：技术、容量和使用模式。

图 1：技术、容量和使用模型决定了 SSD 的使用寿命。

OEM 可以使用容量和使用模型来确定基于 SSD 技术的使用寿命。为此，Western Digital Technologies 提出了一种衡量 SSD 技术的新指标。借助 LifeEST，SSD 技术通过指定 SSD 可以实现的每 GB 写入年数来衡量，如公式 3 和图 2 所示。

等式 3

图 2： LifeEST 通过规定 SSD 可以达到的每 GB 写入年数来衡量 SSD 技术。

UCC 在公式 4 中计算。

确定最佳 SSD 容量

医疗设备设计人员传统上通过在块级别测量 NAND 闪存设备的写入/擦除周期，然后确定 *** 作系统和程序文件的大小，然后查看要收集的数据量以确定 SSD 容量来计算他们的存储需求。在 NAND 组件技术的快速变化减少了规定的写入/擦除周期数之前，这种方法运行良好，因此如果不彻底了解使用模型和写入放大的影响，就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，即使对于模型良好的应用程序，计算也最多只是理论上的。产生真实结果的更准确的方法包括使用应用程序本身中的工具来监控 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、伤害或监管问题的任何担忧。西部数据正在申请专利的 SiSMART 监控技术集成到其 SiliconDrive SSD 中，可以帮助医疗设备制造商获得实时 SSD 使用结果，从而根据其特定应用准确预测使用寿命。

审核编辑：郭婷