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18年专注高可靠性工业存储产品及解决方案

揭秘:SSD的“可靠性”到底可不可靠

返回列表 来源: 发布日期: 2021.10.11

企业环境复杂多变,快速增长的业务需求使得企业在数据存储规模、存储性能和可靠性等多方面提出了越来越高的要求。SSD固态硬盘凭借极高的读写性能、极低延迟成为越来越多企业的首选解决方案,并在数据库、虚拟化、应用加速、大数据、云计算乃至人工智能等领域发挥重要作用。企业级SSD往往需要在高并发、大压力、24小时全天候运行的严苛环境下运行,其可靠性是企业级用户的重点关注之一。

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可靠性指的是一个部件或系统在规定的操作条件下,在特定的时间内继续执行其预定功能的能力。对企业级SSD而言,它是非常重要的一项指标,不仅直接决定产品出货的良率、故障率等核心指标,而且对数据可用性、一致性的保护,也起着关键作用。

可靠性量化指标 —— MTBF

SSD的“可靠性”通常以MTBF量化衡量。MTBF全称Mean Time between Failures,平均故障间隔时间,即产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值。它反映了产品的时间质量,产品故障越少,MTBF越高,产品可靠性也就越高。

与消费级SSD产品相比,企业级SSD在可靠性方面面临更高挑战。根据OCP(Open Compute Project)给出的建议,部署于数据中心的企业级SSD MTBF平均故障间隔时间要在2,000,000小时,也是目前企业级SSD奉行的标准。但是,MTBF是需要实际跑测验证的,不能凭空而来。按照传统方法,要完成多次200万小时的验证显然不可能。那么,这长达200万小时的平均故障间隔时间,又是如何得到的呢?

答案是基于一定样本量,在一定时间段内通过加速因子加速(如写入量加速、运行环境温度加速)进行统计推断。过程模拟典型用户场景,通过实测验证理论值,提前验收产品质量。严谨的跑测验证将直接决定MTBF“可靠性指标”是否真的可靠。

MTBF 的表征时期

和大部分电子产品一样,SSD同样符合浴盆曲线(失效率曲线)特性,它分为三个关键时期:

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早期失效期(Infant Mortality)

产品在刚生产好并加电使用时,因良率等因素会导致其失效率较高。为保证交付到客户手上的SSD符合企业级可靠性标准,企业级SSD厂商会对所有生产线上的产品进行一定时长的老化跑测,以最大程度暴露产品可能的早期失效,保证客户拿到的产品不存在早期失效问题。

偶然失效期(Random Failures or Normal Life)

这一阶段对应正式出货产品,产品失效率较低,且较稳定。产品可靠性指标MTBF所描述的就是这个时期,即产品的稳定使用阶段。

磨损期(Wearout Phase)

该阶段因产品磨损、老化等因素,其失效率会随时间的延长而呈指数级增加。此时SSD宣称寿命已经结束,虽可继续使用,但坏块会随着PE的增加而加速上升,SSD的有效预留空间(OP)逐渐消耗殆尽,设备失效率提高。对企业级SSD而言,进入磨损期的产品已不建议继续使用。

MTBF = MTTF?

在MTBF之外,你可能还听过另外一个可靠性描述的词——MTTF。对于一个可维护的设备来说,MTBF = MTTF + MTTR,三者关系如下:

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MTTF (Mean Time To Failure,平均失效时间):指系统两次失效的平均时间,取所有从系统开始正常运行到发生故障之间的时间段的平均值。MTTF =∑T1/ N;

MTTR (Mean Time To Repair,平均修复时间):指系统从发生故障到维修结束之间时间段的平均值。MTTR =∑(T2+T3)/ N;

MTBF (Mean Time Between Failure,平均无故障时间):指系统两次故障发生之间(包括故障维修)时间段的平均值。MTBF =∑(T2+T3+T1)/ N。

因为MTTR通常远远小于MTTF,所以MTBF近似等于MTTF。

MTTF理论计算公式,2,000,000小时如何而来?

最简单的情况下,MTTF计算遵循如下公式:
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其中:

Ai 为 SSD i 的加速因子;

ti 为 SSD i 的测试时间;

nf 为出现故障 SSD 的数量;

a 为置信度(confidence limit,60%);

x2 为卡方分布(chi-squared distribution)。

上述等式中的加速因子通常分为3类:

未加速因子:A=1,通常用于固件故障;

TBW(Total Bytes Written)加速因子 :通过增加数据写入强度进行寿命加速;

温度加速因子 :通过升高测试环境温度进行故障出现加速。

TBW (Total Bytes Written) 加速因子 

TBW是SSD寿命单位,以寿命为1.5 DWPD,用户容量3.84TB PBlaze6 SSD为例,其5年总的数据写入量(也就是现场部署写入量field)为10.5 PB,对应每天数据写入量为5.76 TB。如果增加每天的数据写入量(加速写入量stress),相当于加快消耗SSD寿命,可以加速故障出现。TBW加速因子计算方法如下:

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假设一个用户容量为100G的SSD,其产品规格书定义SSD寿命为175TBW,典型使用场景下可使用5年(43800个小时)。其在1008小时内写入130TB的数据,写放大为1.2,则TBW加速因子为32,如果短时间内写入更多数据,则TBW加速因子也会相应提升。

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温度加速因子 

NAND因其固有特性,数据保持力会随着温度的升高而降低。阿伦尼乌斯公式(Arrhenius Equation)指出,在室温 40℃ 下SSD放置 1 年(8670个小时),相当于在 85℃ 的老化室中放置 52 个小时。

JESD 22-A108定义了温度随时间对SSD的影响,执行高温运行寿命(HTOL,High Temperature Operating Life)测试,可确定长时间高温条件下SSD运行的可靠性。协议规定,如果没有特殊要求,SSD需在 125 °C 的结温压力下测试。但企业级SSD一般会设计高温保护逻辑,防止温度过高造成NAND数据保持力下降和元器件的损坏,所以SSD的实际工作温度不会达到125℃。

对于温度加速因子,计算方法如下:

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其中:
Ea 为失效模型的活化能 ,一般为0.7 eV;
k 为玻尔兹曼常数,8.617 x 10-5 eV/°K;
T₁ 为工作温度 (标准取值为 55°C 或者 328°K);

T₂ 为测试加速温度。

MTTF计算示例

假设样本量为 400,测试时间为 1008 小时,加速因子Ai = A(TBW) * A(T) 为10,失败的数量为0,置信度为60%,则 MTTF = MTBF = 4,400,000小时。

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注意,MTBF是和温度严格相关的。这一点在OCP Datacenter NVMe® SSD Specification中也有提到:

MTBF 2,500,000小时(AFR≤0.35%),对应的SSD运行温度为0℃~50℃;

MTBF 2,000,000小时(AFR≤0.44%),对应的SSD运行温度为0℃~55℃。

但理论和现实总是有差距的。现实中产品意义上的MTBF测试,很难达到10倍的加速因子,TBW加速因子仅能用于测试NAND颗粒的寿命,实际测试中还需要考虑电路和物理接口等硬件部分的可靠性。而这部分,只能靠温度来加速。实际操作中,MTBF=200万小时的测试,需要至少用2000片样品在加速因子作用下,跑满1000小时以上。

MTBF 和 AFR 又是什么关系?

除了MTBF指标,还有其他可靠性量化表征指标,如故障率λ(Failure Rate)和年化故障率AFR(Annualized Failure Rate),其中AFR和MTBF又可以相互转化。

故障率λ:SSD关键元器件选型时,需要确保每个元器件的故障率 λ 达标。相比故障率指标,MTBF的定义更加直接,也更适用于表现系统级的可靠性;

AFR:年化故障率,可以更好地了解在任何一年中发生硬盘故障的几率。

MTBF 和 AFR转化公式如下:
MTBFhours = 1/λhours
MTBFyears = 1/(λhours*24*365)
AFR = 365*24hours*λhours = 8760hours/MTBFhours

MTBF 和 AFR 的数值对应关系如下:

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企业级SSD产品可靠性MTBF ≥ 2,000,000小时(@55℃),换算为年化失效率AFR ≤ 0.44%,对应FFR(Functional Failure Requirement,SSD在整个磨损寿命时间范围内累积的功能失效率,以5年保修期为参考)≤2.2%。

Memblaze全系列企业级SSD均按照2,000,000小时MTBF @55℃ /2,500,000小时MTBF@50℃为标准,满足55℃/50℃环境下7×24小时稳定不间断运行要求、40℃环境下数据至少3个月断电保持能力以及低于1E-17的UBER不可修复错误率。

MTBF的验证

Memblaze自研测试平台Whale系统

在数据可靠性技术领域,Memblaze自研了MemSolid 技术集,以保证企业级数据的一致性和可靠性。通过全路径数据保护、LDPC软判决解码纠错技术、元数据跨Channel备份保护、Die间动态RAID5恢复坏块数据机制,以及重读保护和过温保护等技术,实现了PBlaze可持续的数据一致性保护,保障企业关键业务数据资产始终处于安全可靠的存储环境中。

为确保出厂的SSD产品能够满足MTBF的标准,Memblaze运用十余年在固态硬盘领域的经验积累,以及对用户实际应用的理解,自主研发出MTBF测试平台 —— Whale系统。

它参照JEDEC标准打造,适用于PCIe SSD的研发(DVT)、环境应力(EST,Environmental Stress Test)、数据保持力、生产(老化,ORT,Ongoing Reliability Testing)、RDT等测试。Whale系统预置了最接近客户真实使用场景的测试案例,采用合理的加速因子对RDT阶段产品进行长时间跑测,成为产品量产前的质量保障。

根据Memblaze的出货量和实际故障率统计,PBlaze系列SSD的实际累计产品失效率(CFR,Cumulative Failure Rate)远低于标称的年化故障率。

经过十几年在SSD行业的深耕打磨,Memblaze 已经形成从芯片、软件、硬件、生产、出货等各个环节的严密设计和严格的质量管控体系,能够保证PBlaze系列企业级固态硬盘为客户提供卓越的可靠性,也极大降低了客户系统运行开销(OPEX)和总体拥有成本(TCO),而Memblaze也将继续以匠心精神,不断打磨,不负所期!

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