第35卷第6期Vol.35,No.第35卷第6期Vol.35,No.62018年12月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING581E-mail:htqhjgc@126.comTel:(010)68116407,68116408,68116544NAND閃存固態(tài)硬盤(pán)空間環(huán)境效應(yīng)分析及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) )摘要：文章針對(duì)航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的固態(tài)硬盤(pán)(SSD)性能變化規(guī)律未知、可靠性數(shù)據(jù)缺乏的問(wèn)題，以高效費(fèi)比地使用低等級(jí)貨架固態(tài)硬盤(pán)執(zhí)行空間應(yīng)用任務(wù)為需求背景，分析了NAND閃存SSD的空間環(huán)境效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一套可覆蓋熱循環(huán)、熱真空、空間輻射等典型空間環(huán)境應(yīng)力的固態(tài)硬盤(pán)測(cè)試系統(tǒng)?；陂_(kāi)源Iometer和SSDTS測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集、處理、圖形化顯示、存儲(chǔ)、回放等功能，可監(jiān)測(cè)批量固態(tài)硬盤(pán)SATA接口供電電壓、電流、平均讀/寫(xiě)速率、實(shí)時(shí)讀/寫(xiě)速率、平均讀/寫(xiě)響應(yīng)時(shí)間、寫(xiě)入數(shù)據(jù)量等性能參數(shù)，并定期檢查記錄SSD的磁盤(pán)容量情況，還能調(diào)節(jié)測(cè)試策略(讀寫(xiě)比例、數(shù)據(jù)包大小、訪問(wèn)模式)，控制供電電壓。DOI:10.12126/see.2018.06.012SpaceenvironmentanalysisandtestingsystemdesignforNAND-basedsolidstatedrivesLIPeng1,2,LIUKai1,2,XINMincheng1,ZHAONan3,ZOUTianji1,2,ZHANGHaitao1TechnologyEngineeringCenterforSpaceUtilizationChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China;UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;BeijingUCASSpaceTechnologyCoLtdBeijing100190,China)Abstract:Inviewofthelackofknowledgeofthevariationrulesoftheperformancecharacteristicsandthereliabilityinformationofthewidely-usedSSD,thispaperanalyzestheeffectsofthespaceenvironmentonthecommercialoff-the-shelf(COTS)SSD,anddevelopsanSSDtestingapparatus,capableofprovidingtypicalspaceenvironments,suchasthethermalcycling,thethermalvacuum,andthespaceradiation.AnSSDTSsoftwarebasedontheopen-sourcesoftwareIometerisusedtorealizethefunctionoftheautomaticparametermonitoring,andthedataacquisition,theprocessing,thegraphicaldisplay,thestorageandthelayback.TheintegratedtestsystemcanmonitortheperformancecharacteristicsforabatchofSSDs,includingthevoltageandthecurrentattheSATAinterface,theaverage&real-timeR/Wspeedandresponsetime,aswellastheamountofthewrittendata.Itcannotonlyinspectandrecordthediskcapacityperiodically,butalsoadjusttheteststrategy(theR/Wproportion,thedatapacketsize,andtheassessmentpatterns),andcontrolthepowersupplyvoltage.Keywords:solidstatedrive(SSD);spaceenvironmenteffect;groundsimulationtest;reliabilityCSUQZKT-201714)NANDJ航天器環(huán)境工程,2018,35(6):-587LIP,LIUK,XINMC,etal.SpaceenvironmentanalysisandtestingsystemdesignforNAND-basedsolidstatedrives[J].SpacecraftEnvironmentEngineering,2018,35(6):581-587航天器環(huán)境工程第35卷0引言硬盤(pán)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)闹匾浇?，是航天電子產(chǎn)品中的關(guān)鍵重要部件。傳統(tǒng)機(jī)械硬盤(pán) (hard-diskdrive,HDD)受制于機(jī)械架構(gòu)的影響，問(wèn)題，造成使用壽命不足。固態(tài)硬盤(pán)(solidstate出貨量就超過(guò)1.3億塊，總?cè)萘考s為50艾字節(jié) 辦法通?；诠虘B(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)(JEDEC)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)反復(fù)讀寫(xiě)循環(huán)加速磨損達(dá)到加速考核的目的。DJESDSSD4]；Mielke等人針對(duì)SSD可靠性的爭(zhēng)議問(wèn)題，闡述了如何通過(guò)合理設(shè)計(jì)規(guī)避NAND失效機(jī)理以提升SSD可靠性，還論證了如SSD析了NAND對(duì)NAND閃存技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行綜述，著重介紹了NAND閃存主要性能參數(shù)的演變，解釋了NAND要的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集成解決方案的要因[7]；Boyd等人為探究SSD相比于HDD的發(fā)展前景，提出了一種量化閃存生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境影響的NAND射還能調(diào)節(jié)測(cè)試策略(讀寫(xiě)比例、數(shù)據(jù)片和SATA接口組成[9]，如圖1所示，主控芯片作與主機(jī)間的通信傳輸；緩存DRAM作為主控的工空的接插件[10]。SSD的基本工作原理是：SSD通過(guò)邏輯地址和物理地址轉(zhuǎn)換后，分配到各NAND閃NAND盤(pán)空間環(huán)境效應(yīng)分析及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)583DRAMDRAM主控芯片NAND圖1IntelS3500系列SSD開(kāi)盒后芯片及器件全貌Fig.1IntelS3500seriesSSDwithcaseremovedandnotablecomponentsidentifiedA 閃存轉(zhuǎn)換層(FTL)Fig2BasicstructuraldiagramofSSD流于環(huán)境條件、操作平臺(tái)(計(jì)算機(jī)CPU、接口類型2)讀寫(xiě)速度SSD具有順序和隨機(jī)2種讀寫(xiě)方式。順序讀式es方式的關(guān)鍵衡量指標(biāo)是單位時(shí)間(一般為每秒)內(nèi)系統(tǒng)能處理的I/O請(qǐng)求數(shù)量(input/outputpersecond,IOPS)。SSD的讀寫(xiě)速度主要取決于環(huán)境3)壞塊數(shù)量數(shù)其中硬盤(pán)故障定義為硬盤(pán)功能失效或者性能衰退出讀取指令時(shí)，硬盤(pán)響應(yīng)為數(shù)據(jù)不可恢復(fù)的信號(hào)；出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)信號(hào)。根據(jù)SSD的故障模式及影響分析 1)NAND閃存單元故障，包括原始比特錯(cuò)誤 失效機(jī)理可歸因于氧化層陷阱效應(yīng)，因?yàn)镾iO2薄以通過(guò)加速試驗(yàn)的方法預(yù)計(jì)集成電路的正常壽命。3)固件與裕度設(shè)計(jì)故障，無(wú)法進(jìn)行加速試驗(yàn)SSD空間環(huán)境效應(yīng)分析航天器環(huán)境工程第35卷發(fā)射聚焦SSD在軌工作應(yīng)力，具體可分為空間環(huán)境應(yīng)空間環(huán)境應(yīng)力鍍層表面包覆材料、涂層，而艙內(nèi)的SSD多位于機(jī)箱影響ell中每個(gè)cell需要存放2bit數(shù)據(jù)，即電平要被分為的分布取決于已擦寫(xiě)次數(shù)和溫度。NAND閃存的原始比特錯(cuò)誤率(RBER)會(huì)隨著擦寫(xiě)次數(shù)增加而增加，高溫和溫度循環(huán)會(huì)造成NAND閃存在工作2)真空影響真空出氣效應(yīng)會(huì)使芯片或電路板表面吸附的3)粒子輻射影響徑跡內(nèi)流動(dòng)，芯片的寄生器件或薄弱環(huán)節(jié)被激活，從而造成芯片特性或功能的暫時(shí)性或永久性改變，性雜質(zhì)釋放出的高能粒子(高能質(zhì)子或重離子)軟錯(cuò)誤。而外部粒子輻射電荷積累形成總劑量效工作應(yīng)力)電壓影響當(dāng)NAND中存在固有或外部缺陷時(shí)，電源芯]。2)工作頻率影響平臺(tái)環(huán)境應(yīng)力2.4小結(jié)應(yīng)力下芯片性能特性隨時(shí)間的變化規(guī)律，為商用性，應(yīng)開(kāi)展溫度、輻照(總劑量效應(yīng)、單粒子效SSD測(cè)試系統(tǒng)搭建方案概述整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)基于工業(yè)加固硬件和商用測(cè)試NAND盤(pán)空間環(huán)境效應(yīng)分析及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)585板SSDSSDSSDSSDSATA電源接口接插件 SSD SSD SSD SSD板SSDSSDSSDSSDSATA電源接口接插件 SSD SSD SSD SSD 載板均讀/寫(xiě)響應(yīng)時(shí)間、寫(xiě)入數(shù)據(jù)量以及容量等性能參數(shù)。通過(guò)電源內(nèi)置的監(jiān)測(cè)模塊Keysight對(duì)電壓和驗(yàn)或輻照試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，只有待測(cè)圖4所示。測(cè)試機(jī)測(cè)試機(jī)程控電源程控電源它沒(méi)有供電外設(shè)&線纜供電測(cè)試機(jī)電源測(cè)試人員Fig.3SystemdiagramfortemperaturetestingorspaceradiationtestingSATAFigSystemdiagramforthermalvacuumtesting設(shè)計(jì)測(cè)試機(jī)選用工業(yè)加固型成熟計(jì)算機(jī)主板，通過(guò)電纜從外部電源取電。測(cè)試機(jī)通過(guò)SATA數(shù)參數(shù)。測(cè)試機(jī)SATA電源接口無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流的監(jiān)測(cè)，因此SSD供電采用單獨(dú)的供電中通過(guò)SATA電源接口為SSD提供可調(diào)節(jié)電壓V激光脈沖發(fā)生器試驗(yàn)臺(tái)上，其他與溫度循環(huán)試驗(yàn)類似；在總劑量試驗(yàn)時(shí)，為避免輻射源對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的影響，采用鉛磚進(jìn)行遮擋；在熱真空試驗(yàn)時(shí)，SATA因此，測(cè)試機(jī)需要和SSD一同置于試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)，再將分析處理后的結(jié)果通過(guò)RS-232低速通信接口引出至試驗(yàn)環(huán)熱真空環(huán)境對(duì)測(cè)試機(jī)的影響主要體現(xiàn)在氣壓可能損壞，因此擬使用密封盒將主板進(jìn)行密封走線后對(duì)開(kāi)孔處進(jìn)行密封處理。另外，在真空條件下主板散熱會(huì)受到影響，一旦過(guò)熱，主板會(huì)自動(dòng)進(jìn)行斷電保護(hù)。因此，整個(gè)測(cè)試需要嚴(yán)格控制主板工作時(shí)間，無(wú)法長(zhǎng)期持續(xù)工作，只能進(jìn)行間斷測(cè)試，每次測(cè)試完成后關(guān)機(jī)，以控制主板發(fā)熱件開(kāi)發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)軟件由Iometer軟件、SSDTS軟件、航天器環(huán)境工程第35卷Tcp通信SSDCD:E:F:SSDTcp通信SSDCD:E:F:SSDKIJ:H:否是件負(fù)責(zé)接收Iometer軟件發(fā)送的SSD讀寫(xiě)測(cè)試數(shù)主后的數(shù)據(jù)列表。Access數(shù)據(jù)庫(kù)用于保存SSD測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)軟件先基于VS對(duì)專業(yè)SSD測(cè)試軟開(kāi)發(fā)的SSDTS軟件進(jìn)行讀取?？傮w架構(gòu)如圖5SSDSSDccessFigOverallsoftwarearchitectforthetestsystem顯示。SSD各參數(shù)測(cè)試流程分別見(jiàn)圖6~圖8。建否是否是否電源的Tcp連接結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求FigFlowchartofvoltageandcurrenttest否否Iometer軟件否否規(guī)則是是是是否是否開(kāi)始測(cè)試否 從共享內(nèi)存讀取SSD讀寫(xiě)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)FigFlowchartofRead/Writespeedtest盤(pán)分區(qū)情況分區(qū)情況，計(jì)算SSD數(shù)據(jù)庫(kù)列表及曲線FigFlowchartofdiskcapacitytestNAND盤(pán)空間環(huán)境效應(yīng)分析及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)587結(jié)束語(yǔ)為研究SSD的空間環(huán)境可靠性提供了支持，為分D參考文獻(xiàn)(References)[1]RUSSSH,NALLURR.Digitalvideorecordingontosolid-statedisks:feasibilityandlifetimeestimation[J].IEEETransactionsonConsumerElectronics,2011,57(2):[2]CAIY,GHOSES,HARATSCHEF,etal.Errornandrecoveryinflashmemorybasedsolid-statedrives[J].ProceedingsoftheIEEE,2017,[3]Solid-statedrive(SSD)requirementsandendurancetestmethodJESD218B.01[S].2016[4]Solid-stated