Как обеспечить достоверность данных на SSD при внезапном отключении питания?

В отличие от жестких магнитных дисков, которые в состоянии после обес­точивания обеспечить кратковременное питание своих чипов за счет ге­не­рации, утилизирующей инерцию вращения блинов, проблема ус­той­чи­вос­ти к сбоям энергоснабжения твердотельных накопителей должна решаться ина­че. Один из таких подходов детально анализиру­ет­ся на китайском сайте Ac­Fun. Рассмотрим основные идеи статьи в кон­тек­сте функциональных осо­бенностей полупроводниковых ком­по­нен­тов SSD-накопителей.

В чем проблема?

Интеллектуализация подсистем хранения данных делает возможным асинхронное выполнение дисковых опе­ра­ций в фоновом режиме с минимальной утилизацией центрального процессора. Технологии, связанные с буфери­за­ци­ей ввода-вывода, в частности отложенная запись играют важную роль в обеспечении производительности mass storage устройств.

• Любая буферизация подразумевает, что в течение некоторого интервала времени, информация, подлежащая отправке на диск, хранится в оперативной памяти. Очевидно, в случае внезапного отключения электропитания, эта информация будет утеряна.
• Отложенная запись, по сравнению с обычной буферизацией повышает вероятность такого сбоя, поскольку интервал времени, в течение которого данные ожидают отправки на диск, существенно увеличивается.

В этом контексте, под термином оперативная память может подразумеваться каждое из следующих транзитных звеньев передачи информации.

1. Оперативная память компьютера, доступная центральному процессору, а также хост-контроллеру дисков в режиме bus-master.
2. Оперативная память, находящаяся на платах высокоуровневых контроллеров SCSI и RAID, снабженных собственными процессорами ввода-вывода.
3. Оперативная память, установленная на плате электроники HDD или SSD диска.

Для современных накопителей, снабженных автономными процессорами и функционирующими под управлением собственных встроенных ОС, информацией, подлежащей сохранению перед отключением питания, являются не только пользовательские данные, но и собственная управляющая информация накопителя, например таблицы, оп­ре­деляющие соответствие между логически адресуемыми секторами (LBA) и физическими адресами за­по­ми­на­ю­щей Flash матрицы SSD.

Анализ трех перечисленных аспектов выходит за рамки статьи, поэтому сосредоточимся на частном случае тре­тье­го пункта, а именно процессах, происходящих внутри твердотельного накопителя.

Теория

Познание умножает печали, а для проектирования надежного устройства разработчик должен быть пессимистом. Поэтому моделировать стоит ситуацию, когда источник бесперебойного питания не справился со своими обязан­но­стя­ми, и питание SSD-диска внезапно отключилось, несмотря на странность такого сценария для серверов. До­пус­тим, в момент аварии в микросхемах DRAM на плате электроники жесткого диска имеются данные, которые тре­буется переписать в энергонезависимую Flash-память, иначе произойдет потеря пользовательской инфор­ма­ции или разрушение контекста устройства.

Каких-либо предупреждающих сигналов SATA-интерфейс не предусматривает, поэтому накопитель самостоятель­но детектирует снижение напряжения питания на линии +5 вольт до некоторого порогового значения. Вопрос оп­ти­маль­ного выбора порога достоин отдельной статьи, ведь при низком пороге, реакция на аварию может про­изо­йти слишком поздно, а при высоком пороге возможны ложные срабатывания механизма защиты.

Рис 1. Компонентная сторона и сторона пайки твердотельного накопителя,
выполненного на контроллере PC29AS21CA0 совместной разработки Intel и HGST

Очевидно, накопитель необходимо снабдить датчиком, который зафиксировав понижение напряжения питания до критического уровня, сгенерирует сигнал аварии для автономного микроконтроллера. Это приводит к ос­та­нов­ке текущих выполняемых операций и запуску процедуры переноса данных из DRAM в Flash.

Рис 2. Чипы DDR3 SDRAM производства Micron могут устанавливаться вместо элементов памяти Samsung K4B4G0846B

Напомним, процесс идет во внезапно отключенной системе, питаемой остаточным зарядом сглаживающих кон­ден­са­то­ров, поэтому вероятность успешного сохранения информации определяется величиной накопленной энер­гии и рациональностью ее применения.

Практика

Необычное решение, позволяющее оптимизировать использование ёмкостного заряда, применено в анон­си­ро­ван­ных SSD-накопителях Intel. Напомним, разъем питания SATA располагает линией +12 вольт, применение ко­то­рой типично для жестких дисков формата 3.5 дюйма. В то время как большинство HDD и SSD формата 2.5 дюйма, используют только напряжение +5 вольт.

Можно ли применить «забытую» линию +12 вольт как дополнительный источник остаточной энергии? Чтобы от­ве­тить на этот вопрос, промоделируем процессы в отключаемой системе. Для упрощения рассуждений, условно при­мем, что падение напряжения на линиях +5V и +12V происходит равномерно.

Итак, после двукратного снижения напряжения, на линии +5V получим +2.5V, что уже непригодно для питания на­ко­пителя. В тот же момент времени, согласно принятой модели, на линии +12V должно присутствовать на­пря­же­ние около 6V. Так как в нашем случае каждая миллисекунда на учете, этим фактом разумно воспользоваться.

Рис. 3 Цепь +12V используется для резервного питания накопителя

Согласно блок-схеме (Рис.3) цепь питания SSD-диска, дополненная накопительными конденсаторами, снабжена электронными ключами, позволяющими принимать энергию как от линии +5V, так и от линии +12V. Детектор на­пря­жения, запускающий аварийное сохранение данных, использует линию +5V, которая является основной.

Рис. 4 Фотография печатной платы устройства подтверждает использование линии +12V

Оптимальным исполнительным механизмом для осуществления коммутации, являются ключи на основе MOSFET-транзисторов. Управление коммутацией осуществляет Power Rail Controller. В данном примере такой контроллер реализован на микросхемах TPS2412 разработки Texas Instruments.

Задачей контроллера является эмуляция диодной развязки с целью динамического выбора линии питания, на ко­то­рой присутствует более высокое напряжение (концепция Redundant Power Supplies).

Рис. 5 Реализация дублированного питания с применением микросхем TPS2412:
концепция диодной развязки реализуется с помощью электронного коммутатора

По сравнению с простейшей цепью развязки на двух полупроводниковых диодах, рассмотренное решение обес­пе­чи­ва­ет существенно меньшее прямое падение напряжения, а это означает продление интервала, в течение ко­то­ро­го можно использовать остаточный заряд сглаживающих емкостей. В конечном счете, вероятность успешного завершения переноса данных DRAM-Flash, повышается.

Резюме

Рассмотренное решение является компромиссом между надежностью и стоимостью. Правильное позициони­ро­ва­ние такой технологии подразумевает ее использование как одного из дополнительных факторов многоуровневой аварийной защиты, вероятность применения которой сравнительно низка.

В типичной ситуации, даже в случае разряда батареи UPS, в компьютер будет заблаговременно передано со­об­ще­ние о предстоящем отключении электропитания. В этом случае система располагает достаточным запасом вре­ме­ни для корректного завершения сеанса под управлением ОС, в том числе программного инициирования переноса содержимого DRAM-Flash до отключения электропитания.