Защита от потери питания SSD.

Хотя, в настоящее время, защита от потери питания (PLP) на твёрдотельных накопителях не является новой концепцией, приложения и технологии для защиты твердотельных накопителей во время и после события потери питания значительно улучшились в последних конструкциях твердотельных накопителей. Многие корпоративные SSD – накопители, в отличие от потребительских SSD, имеют так называемую защиту от потери питания. Это гарантирует, что в случае сбоя питания содержимое кэша SSD всё ещё может быть безопасно записано на флэш-ячейки. В этой статье мы покажем, как работает этот механизм. Защита от потери питания направлена ​​на достижение двух основных целей:

• Безопасная очистка данных во время работы (или данных, находящихся в буферах кэш-памяти DRAM или SRAM) в постоянную или энергонезависимую флэш-память и
• Сохранять целостность таблицы сопоставления SSD, чтобы SSD распознавался и снова использовался при перезагрузке системы.

Примечание. Таблица отображения SSD, также известная как Flash Transition Layer (FTL), отвечает за физическое и логическое отображение данных на SSD.

При обычном выключении системы SSD получает команду (Standby Immediate Command) от драйвера ATA хоста, предупреждающую SSD о том, что система выключается и SSD готовится к отключению питания. При нормальном отключении системы у SSD достаточно времени для очистки буферов кеша и обновления таблиц сопоставления.

Хорошо спроектированный твердотельный накопитель будет использовать аппаратную конструкцию с конденсаторами удержания мощности на твердотельном накопителе и/или программно-аппаратной реализацией PLP, в которой важная информация метаданных записывается во флэш-память для обеспечения успешного восстановления твёрдотельного накопителя при следующем включении питания. Kingston в настоящее время для PLP использует танталовые полимерные конденсаторы.

Твёрдотельные накопители раннего поколения не были такими же устойчивыми к внезапной потере питания, как современные модели. Обычно SSD, в котором произошла внезапная потеря питания, перестаёт отвечать на запросы в следующем цикле питания. Во многих этих ранних накопителях событие потери питания приводило к невозможности восстановления SSD, и происходила потеря данных.

Более пристальный взгляд на два подхода PLP

Аппаратный PLP – аппаратный PLP разработан с основной целью снижения потери данных за счёт использования встроенных конденсаторов питания (ограничителей мощности) для поддержания питания на SSD достаточно долго, чтобы данные, находящиеся в буфере кэша SSD, записывались во флэш-память и его таблицы отображения были обновлены. Концептуальный обзор типичного аппаратного события PLP на SSD будет выглядеть примерно так.

• Внезапная потеря питания будет обнаружена контроллером SSD.
• Встроенные силовые конденсаторы поддерживают питание SSD.
• Контроллер выдаёт внутреннюю команду для очистки своего буфера кеша.
• Контроллер обновляет свои таблицы сопоставления при подготовке к отключению питания.

SSD отключается изящно

Встроенное ПО PLP – встроенное ПО защиты PLP также разработано для уменьшения вероятности потери данных за счёт обеспечения возможности встроенного ПО восстановить таблицу сопоставления при следующем включении питания после события потери питания. Концептуальный обзор защиты PLP на основе встроенного ПО выглядит примерно так:

• Таблица сопоставления SSD хранится во флэш-памяти и обновляется в DRAM.
• Когда новые данные записываются на SSD, микропрограмма обновляет таблицу сопоставления.
• Новые записываемые данные всегда записываются с помощью тегов (или свободных байтов), которые включают LBA, EEC и другую информацию о данных структуры.
• Внезапная потеря питания.
• Резервные байты, которые содержат информацию о структуре данных в сочетании с исходной таблицей сопоставления, позволяют встроенному программному обеспечению твердотельного накопителя перестраивать таблицу сопоставления твердотельных накопителей при следующем включении.

Встроенная защита PLP – это очень эффективный метод предотвращения потери данных в приложениях корпоративного хранилища. Например, важно, чтобы твёрдотельные накопители, настроенные в RAID-массивах, могли восстанавливаться и возвращаться в работоспособное состояние после сбоя питания, чтобы сохранить целостность RAID-массива. Один или несколько неудачных членов массива могут привести к автономному массиву с высоким потенциалом потери данных.

Другой корпоративный сценарий может включать SSD, которые образуют большой «общий пул» хранилища, где физические SSD сегментируются на несколько LUN и распределяются между несколькими хостами. В этом примере, высокая доступность является критическим соображением при проектировании, а защита PFAIL создана на основе встроенного ПО которое обеспечивает успешное восстановление SSD, обслуживающего эти LUN и хосты.

Кингстон считает, что устойчивость к внезапным потерям энергии является главным приоритетом. Kingston подвергает свои твёрдотельные накопители (клиентские и корпоративные) очень интенсивному испытанию на циклическое изменение питания в рамках стандартного процесса квалификации. В дополнение к тестированию на совместимость, производительность и выносливость твёрдотельные накопители Kingston должны успешно проходить многочисленные небезопасные события потери питания, загружаться и быть полностью функциональными, чтобы пройти квалификационный процесс. Если во время тестирования на отключение питания работа твёрдотельных накопителей прекращается, квалификационные испытания прекращаются, причина проблемы устраняется, и процесс квалификации начинается заново.

Рекомендации для SSD без Power Loss Protection

Многие твёрдотельные накопители (например, Consumer SSD или начального уровня SSD корпоративного сегмента) имеют Power Loss Protection. Таким образом, в случае сбоя питания содержимое кэша DRAM будет безвозвратно потеряно. Если встроенное ПО SSD защищает ваши внутренние таблицы сопоставления адресов LBA и адресов NAND (Flash Translatation Layer) с помощью механизмов ведения журнала, эти SSD можно использовать с современными файловыми системами, если можно допустить потерю недавно записанных данных.

Современные файловые системы

Современные файловые системы при правильной настройке имеют механизмы, которые в случае сбоя питания предотвращают разрушение файловой системы. Таким образом, SSD могут использоваться без защиты от потери питания – например, SSD Intel E 5100S 64 ГБ  – при условии, что потеря недавно записанных данных может быть терпимой.

Примечание: несмотря на эти механизмы, внезапное отключение питания может привести к потере последних записанных данных. Но сама файловая система останется последовательной, что предотвращает полную потерю данных. Но после перезагрузки, например, последние записи в лог-файлах будут отсутствовать.

Старые файловые системы

У старых или неправильно настроенного файловых системах эти механизмы отсутствуют (например, ext2 или ext3 без активированной функции Write Barriers). Отключение питания может привести к разрушению файловой системы (и, следовательно, к полной потере данных).

Вывод

Каждое приложение и среда уникальны, и при принятии решения о том, какой тип PLP подходит для вашей среды, следует учитывать определенные соображения. На сегодняшний день большинство корпоративных приложений защищены резервными источниками питания, системами резервного питания от батарей и генераторами энергии для обеспечения работы центров обработки данных в случае непредвиденной потери питания. Программное обеспечение и высокоскоростные сети проложили путь к увеличению числа архитектур репликации данных, устраняя аппаратные средства как единую точку отказа.

Возможность питания центра обработки данных в сочетании с практикой обеспечения высокой доступности (HA) должны быть важными факторами при определении того, какой тип защиты SSD PLP лучше всего подходит для приложений хранения.