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閃存固態硬盤空間環境效應分析及測試系統設計 )摘要：文章針對航天領域廣泛應用的固態硬盤(SSD)性能變化規律未知、可靠性數據缺乏的問題，以高效費比地使用低等級貨架固態硬盤執行空間應用任務為需求背景，分析了NAND閃存SSD的空間環境效應，設計了一套可覆蓋熱循環、熱真空、空間輻射等典型空間環境應力的固態硬盤測試系統。基于開源Iometer和SSDTS測試軟件，實現參數自動監測，數據采集、處理、圖形化顯示、存儲、回放等功能，可監測批量固態硬盤SATA接口供電電壓、電流、平均讀/寫速率、實時讀/寫速率、平均讀/寫響應時間、寫入數據量等性能參數，并定期檢查記錄SSD的磁盤容量情況，還能調節測試策略(讀寫比例、數據包大小、訪問模式)，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航天器環境工程,2018,35(6):-587LIP,LIUK,XINMC,etal.SpaceenvironmentanalysisandtestingsystemdesignforNAND-basedsolidstatedrives[J].SpacecraftEnvironmentEngineering,2018,35(6):581-587航天器環境工程第35卷0引言硬盤作為數據存儲和傳輸的重要媒介，是航天電子產品中的關鍵重要部件。傳統機械硬盤 (hard-diskdrive,HDD)受制于機械架構的影響，問題，造成使用壽命不足。固態硬盤(solidstate出貨量就超過1.3億塊，總容量約為50艾字節 辦法通常基于固態技術協會(JEDEC)標準，通過反復讀寫循環加速磨損達到加速考核的目的。DJESDSSD4]；Mielke等人針對SSD可靠性的爭議問題，闡述了如何通過合理設計規避NAND失效機理以提升SSD可靠性，還論證了如SSD析了NAND對NAND閃存技術的發展進行綜述，著重介紹了NAND閃存主要性能參數的演變，解釋了NAND要的非易失性數據存儲集成解決方案的要因[7]；Boyd等人為探究SSD相比于HDD的發展前景，提出了一種量化閃存生產過程環境影響的NAND射還能調節測試策略(讀寫比例、數據片和SATA接口組成[9]，如圖1所示，主控芯片作與主機間的通信傳輸；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通過邏輯地址和物理地址轉換后，分配到各NAND閃NAND盤空間環境效應分析及測試系統設計583DRAMDRAM主控芯片NAND圖1IntelS3500系列SSD開盒后芯片及器件全貌Fig.1IntelS3500seriesSSDwithcaseremovedandnotablecomponentsidentifiedA 閃存轉換層(FTL)Fig2BasicstructuraldiagramofSSD流于環境條件、操作平臺(計算機CPU、接口類型2)讀寫速度SSD具有順序和隨機2種讀寫方式。順序讀式es方式的關鍵衡量指標是單位時間(一般為每秒)內系統能處理的I/O請求數量(input/outputpersecond,IOPS)。SSD的讀寫速度主要取決于環境3)壞塊數量數其中硬盤故障定義為硬盤功能失效或者性能衰退出讀取指令時，硬盤響應為數據不可恢復的信號；出現報錯信號。根據SSD的故障模式及影響分析 1)NAND閃存單元故障，包括原始比特錯誤 失效機理可歸因于氧化層陷阱效應，因為SiO2薄以通過加速試驗的方法預計集成電路的正常壽命。3)固件與裕度設計故障，無法進行加速試驗SSD空間環境效應分析航天器環境工程第35卷發射聚焦SSD在軌工作應力，具體可分為空間環境應空間環境應力鍍層表面包覆材料、涂層，而艙內的SSD多位于機箱影響ell中每個cell需要存放2bit數據，即電平要被分為的分布取決于已擦寫次數和溫度。NAND閃存的原始比特錯誤率(RBER)會隨著擦寫次數增加而增加，高溫和溫度循環會造成NAND閃存在工作2)真空影響真空出氣效應會使芯片或電路板表面吸附的3)粒子輻射影響徑跡內流動，芯片的寄生器件或薄弱環節被激活，從而造成芯片特性或功能的暫時性或永久性改變，性雜質釋放出的高能粒子(高能質子或重離子)軟錯誤。而外部粒子輻射電荷積累形成總劑量效工作應力)電壓影響當NAND中存在固有或外部缺陷時，電源芯]。2)工作頻率影響平臺環境應力2.4小結應力下芯片性能特性隨時間的變化規律，為商用性，應開展溫度、輻照(總劑量效應、單粒子效SSD測試系統搭建方案概述整個測試系統基于工業加固硬件和商用測試NAND盤空間環境效應分析及測試系統設計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/寫響應時間、寫入數據量以及容量等性能參數。通過電源內置的監測模塊Keysight對電壓和驗或輻照試驗時，系統架構如圖3所示，只有待測圖4所示。測試機測試機程控電源程控電源它沒有供電外設&線纜供電測試機電源測試人員Fig.3SystemdiagramfortemperaturetestingorspaceradiationtestingSATAFigSystemdiagramforthermalvacuumtesting設計測試機選用工業加固型成熟計算機主板，通過電纜從外部電源取電。測試機通過SATA數參數。測試機SATA電源接口無法實現對電壓和電流的監測，因此SSD供電采用單獨的供電中通過SATA電源接口為SSD提供可調節電壓V激光脈沖發生器試驗臺上，其他與溫度循環試驗類似；在總劑量試驗時，為避免輻射源對試驗系統的影響，采用鉛磚進行遮擋；在熱真空試驗時，SATA因此，測試機需要和SSD一同置于試驗環境內，再將分析處理后的結果通過RS-232低速通信接口引出至試驗環熱真空環境對測試機的影響主要體現在氣壓可能損壞，因此擬使用密封盒將主板進行密封走線后對開孔處進行密封處理。另外，在真空條件下主板散熱會受到影響，一旦過熱，主板會自動進行斷電保護。因此，整個測試需要嚴格控制主板工作時間，無法長期持續工作，只能進行間斷測試，每次測試完成后關機，以控制主板發熱件開發試驗系統軟件由Iometer軟件、SSDTS軟件、航天器環境工程第35卷Tcp通信SSDCD:E:F:SSDTcp通信SSDCD:E:F:SSDKIJ:H:否是件負責接收Iometer軟件發送的SSD讀寫測試數主后的數據列表。Access數據庫用于保存SSD測試試驗系統軟件先基于VS對專業SSD測試軟開發的SSDTS軟件進行讀取。總體架構如圖5SSDSSDccessFigOverallsoftwarearchitectforthetestsystem顯示。SSD各參數測試流程分別見圖6~圖8。建否是否是否電源的Tcp連接結束發送數據請求FigFlowchartofvoltageandcurrenttest否否Iometer軟件否否規則是是是是否是否開始測試否 從共享內存讀取SSD讀寫數據數據庫FigFlowchartofRead/Writespeedtest盤分區情況分區情況，計算SSD數據庫列表及曲線FigFlowchartofdiskcapacitytestNAND盤空間環境效應分析及測試系統設計587結束語為研究SSD的空間環境可靠性提供了支持，為分D參考文獻(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