技术白皮书HuaweiEnterprise.docx
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技术白皮书HuaweiEnterprise
SATADOM
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
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1概述
SATADOM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。
SATADOM基于Flash存储介质。
当前业界使用较多的是NANDFlash，NANDFlash因使用FloatingGate存储电子实现数据存储，电子在反复穿过FloatingGate后，会导致存储电子的能力变弱，最终导致击穿，无法存储数据。
这特性是NANDFlash的通病，所以在使用NANDFlash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。
2SATADOM基本工作原理
2.1基本功能特性
2.2Flash芯片工作原理
2.1基本功能特性
2.1.1接口速率支持
SATADOM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SATADOM，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SATADOM的实际容量有多大，为了能检测SATADOM的真实可用空间，需要读SATADOM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SATADOM通用功能，能实现SATADOM数据低格功能。
2.1.4FW可升级
SATADOM支持FW升级功能。
2.2Flash芯片工作原理
2.2.1Flash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，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）。
2.2.2Flash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-LevelCell，SLC），使用这种存储单元的闪存也称为单阶存储单元闪存（SLCflashmemory），或简称SLC闪存。
多阶存储单元（Multi-LevelCell，MLC）可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-LevelCell，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/ECycle也比SLC和MLC短，大约500~1000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1bpc，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/ECycle大概在20000次左右。
2.2.3SATADOM写寿命分析
WA（WriteAmplification）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。
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，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SecureErase减少写入放大。
●持续写入（Sequentialwrites）减少写入放大。
●静态/动态数据分离（SeparatingStaticandDynamicData）减少写入放大。
●随机写入（Randomwrites）提高写入放大。
●磨损平衡（WL）直接提高写入放大。
3SATADOM写寿命风险评估
3.1SMART信息判定方法
3.2风险评估
3.1SMART信息判定方法
以RedHatEnterpriseLinux6.5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3-1SMART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SATADOM的擦写次数。
先将173对应的十进制的4295622661转换成十六进制数1000A0005：
●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
●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SATADOM的P/ECycle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3.1SMART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3-1上电时间获取方法
SATADOM在客户的业务场景下的DWPD如果大于2.74，说明在该客户业务场景下，该SATADOM的使用年限达不到维保的3年，应该知会客户调整业务场景或者更换满足客户业务需求的SSD。
3.2.2判断当前SATADOM是否需要更换
●根据3.1SMART信息判定方法计算的平均擦写次数，如果该SATADOM的平均擦写次数超过了3000次的使用寿命，该SATADOM就达到了使用门限值，不能再使用了，应该尽快替换下来。
●建议定期对SATADOM的使用寿命进行巡检，如果SATADOM的平均擦写次数达到了2700次左右，临近3000次的使用寿命，应该提高预警，做好替换准备，确保业务的可靠性。
4SATADOM应用场景限制
●SATADOM（SATADisk‐On‐Motherboard）是设计仅用作Boot，仅用于安装Linux操作系统作为Boot设备。
●SATADOM的耐久性（Endurance）较低，不能用于数据存储设备，数据存储请选用企业级SSD或HDD替代，尤其是数据擦写较大的场景，因其在短时间内存在写穿风险，不能使用。
在SATADOM写密集型业务软件将会导致SATADOM超出写寿命而永久损坏，不推荐选择SATADOM；Cache场景禁止配置。
●在SATADOM写密集型业务软件将会导致SATADOM超出写寿命而永久损坏，不推荐选择SATADOM。
5总结
SATADOM是基于Flash存储介质存储数据。
Flash介质频繁擦写最终会寿命终结。
这是Flash介质的宿命。
SATADOM在客户业务场景下要考虑到其使用寿命，SATADOM只能作为Boot设备，不能进行写密集型业务。
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