固態(tài)硬盤可靠性關鍵指標測試方法研究

文/朱縣亮 華明靜 黃林軼

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G、車載以太網(wǎng)、虛擬/增強現(xiàn)實等新一代信息技術的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心在短時間內(nèi)處理和存儲的數(shù)據(jù)量從TB向PB、EB和ZB發(fā)展，對存儲設備的讀寫性能提出更高要求。一直以來，機械硬盤是數(shù)據(jù)中心的主要存儲設備，而機械硬盤存儲速度主要取決于盤片的旋轉速度。目前，讀寫速度已面臨瓶頸，很難再有新的突破，而采用閃存技術的固態(tài)硬盤（SSD）（又名固態(tài)盤）具有存儲密度高、存取速度快等優(yōu)點，已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心新的存儲設備，市場占用率逐漸提高，2022年會超過機械硬盤成為硬盤主流。

一、我國SSD質量現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)機械硬盤相比，SSD具有存儲密度高、存取速度快、可靠性高、功耗小、噪聲小和使用壽命長等優(yōu)點。SSD主要由主控芯片、閃存顆粒、固件、緩存單元和接口等構成。國內(nèi)在SSD方面起步比較晚，早期由于缺乏核心技術，特別在主控芯片和閃存顆粒上依賴國外進口，產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較艱難，在行業(yè)競爭中處于劣勢。從2016年國家投資成立長江存儲科技有限責任公司開始，國內(nèi)加大SSD核心技術的研發(fā)投入，國內(nèi)固態(tài)硬盤整體產(chǎn)業(yè)供應鏈獲得快速發(fā)展。

由于固態(tài)硬盤主要由主控芯片和存儲顆粒組成，跟傳統(tǒng)機械硬盤相比，總體組裝難度大大降低。因此，國內(nèi)SSD整體市場，特別在消費市場端，目前存在一些山寨小品牌，其產(chǎn)品質量比較差，影響整個SSD產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

評估SSD質量，除了容量大小、讀寫速率等典型性能指標外，平均失效間隔工作時間（MTBF）和數(shù)據(jù)保持能力等可靠性關鍵指標也是其重要指標。特別對于企業(yè)級用戶來說，由于存儲設備的不可靠而導致重要數(shù)據(jù)丟失，會造成不可估量的損失。因此，作為存儲介質的SSD，必須對其可靠性關鍵指標進行測試評估。而當前國內(nèi)缺乏SSD的MTBF和耐久性等方面的相關測試標準，一些企業(yè)未對組裝的SSD進行嚴格的品質測試，對MTBF和耐久性等可靠性關鍵指標把控不嚴格，SSD存在數(shù)據(jù)丟失、可靠性不高等質量問題，造成用戶重大損失。

本文將重點研究SSD可靠性關鍵指標測試方法，根據(jù)國內(nèi)外行業(yè)情況和SSD的產(chǎn)品特點，從MTBF、耐久性和數(shù)據(jù)保持方面對SSD的測試方法進行研究。

二、測試方法總體分析

目前，關于SSD的可靠性關鍵指標測試標準主要有：國內(nèi)行業(yè)標準《面向互聯(lián)網(wǎng)應用的固態(tài)硬盤測試規(guī)范》（YD/T 3824-2021）和《固態(tài)盤通用規(guī)范》（SJ/T 11654-2016）；國外聯(lián)合電子設備工程委員會（JEDEC）制定的《SSD要求與壽命測試方法部分》（JEDEC JESD218B.01-2016）和《SSD耐久性工作負載》（JEDEC JESD219A.01-2022）。

在YD/T 3824-2021中，SSD的可靠性主要是考核硬盤在壓力情況下的運行穩(wěn)定性，測試方法采用單個硬盤在運行讀寫軟件進行數(shù)據(jù)讀寫的壓力條件下進行48 h的測試，屬于單個硬盤工作穩(wěn)定性測試。

在SJ/T 11654-2016中，SSD的MTBF測 試采用傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的測試方法，即同時施加電應力和溫度應力。試驗方案依據(jù)國家標準《設備可靠性試驗 恒定失效率假設下的失效率與平均無故障時間的驗證試驗方案》（GB/T 5080.7-1986）進行。SJ/T 11654-2016對MTBF進行測試驗證，測試的指標為不可接受的MTBF（m1），測試總體周期比較長。因此，SJ/T 11654-2016的要求為m1值≥10 000 h，而目前SSD企業(yè)給出的m1值一般在1 000 000 h以上，屬于MTBF測定值。因此，SJ/T 11654-2016的可靠性MTBF測試方法不適用于SSD企業(yè)的MTBF測定值指標。本文基于傳統(tǒng)電子產(chǎn)品MTBF測定值方法，針對SSD的MTBF測定試驗方法進行研究。

JEDEC JESD218B.01-2016和JEDEC JESD219A.01-2022主要用于SSD耐久性和數(shù)據(jù)保持等可靠性關鍵指標的測試。目前，這兩項標準已經(jīng)成為SSD行業(yè)內(nèi)進行耐久性測試所依據(jù)的標準。本文結合自身的檢測經(jīng)驗，依據(jù)GB/T 5080.7-1986、JEDEC JESD218B.01-2016和JEDEC JESD219A.01-2022，對SSD的耐久性和數(shù)據(jù)保持等可靠性關鍵指標項目的測試方法展開分析研究。

三、MTBF測定試驗

MTBF是衡量SSD產(chǎn)品的可靠性關鍵指標。產(chǎn)品的失效率為產(chǎn)品的故障總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比，一般用λ表示，當產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布時，其失效率的倒數(shù)為MTBF。目前，國內(nèi)的SSD企業(yè)一般標稱其產(chǎn)品的MTBF值為1 000 000 h以上。由于MTBF值比較大，為了減少測試成本和測試時間，SSD的MTBF測試，一般需采用溫度加速方案進行。

MTBF測定試驗，一般需制定好測試方案。首先，試驗者需要確定樣本數(shù)量、測試溫度和測試時間。樣本數(shù)量、測試溫度和測試時間在置信度為60%時需滿足公式1、公式2的要求。

公式1中，T為總的測試時間；SS是SSD的樣本數(shù)量；Af為加速因子。

公式2中，e =2.71828；Ea為激活能值，單位為電子伏（eV），一般取1.1 eV 或0.7 eV；k為玻爾茲曼常數(shù)，k= 8.617×10-5eV/k；Tuse為正常使用溫度，單位為開爾文（K），消費級為40 ℃，企業(yè)級為55 ℃；Ttest為測試SSD本體溫度，單位為開爾文（K），測試溫度為樣本實際的溫度，測試時不能低于正常使用溫度。

在確認好樣本數(shù)量、測試溫度和測試時間后，確定好抽樣方案，抽取所需要的樣本數(shù)量后，測試者將SSD樣本按照確定的加速方案的溫度條件，放置于恒溫箱中，然后通過負載生成軟件，運行JEDEC219碼流，對被測SSD進行不間斷讀寫測試，測試時間為高溫加速方案確定的時間。測試者在整個測試時間中收集并記錄輸入輸出（IO）錯誤、數(shù)據(jù)不一致次數(shù)和失效樣本個數(shù)，如無IO錯誤、數(shù)據(jù)不一致和失效樣本，則通過本項測試。

四、耐久性和數(shù)據(jù)保持試驗

SSD的耐久性是指SSD經(jīng)受連續(xù)多次數(shù)據(jù)重寫（編程/擦除循環(huán)）的能力。數(shù)據(jù)保持是指在規(guī)定的時間內(nèi)，SSD保持數(shù)據(jù)的能力。SSD的耐久性和數(shù)據(jù)保持能力是衡量其可靠性的重要指標。根據(jù)JEDEC JESD 218B.01-2016和JEDEC JESD 219A.01-2022對SSD的分類，SSD的不同應用場景，它可分為消費級和企業(yè)級。不同類別的SSD對于可靠性關鍵指標的要求不一樣，對于耐久性指標主要采用平均失效工作讀數(shù)據(jù)位數(shù)m1作為量化指標，數(shù)據(jù)保持指標主要采用一定溫度下的數(shù)據(jù)保持時間作為量化指標。

根據(jù)GB/T 5080.7-1986、JEDEC JESD 218B0.1-2016和SSD行業(yè)情況，SSD的耐久性和數(shù)據(jù)保持指標技術要求詳見表1。

表1 耐久性、數(shù)據(jù)保持指標技術要求

1.耐久性試驗

對于耐久性試驗測試，其指標采用m1進行衡量，試驗方案依據(jù)GB/T 5080.7-1986進行。GB/T 5080.7-1986有截尾序貫和定時（定數(shù)）截尾試驗方案，不同試驗方案對于生產(chǎn)方風險α、使用方風險β和試驗的周期不一樣，總的規(guī)律是試驗周期越長，生產(chǎn)方風險α和使用方風險β越小。因此，本文需根據(jù)試驗的周期和成本，選用合適的試驗方案。

以采用GB/T 5080.7-1986的截尾序貫試驗“方案4:7”的試驗方案為例，本文對耐久性試驗的樣本數(shù)量和驗收標準進行計算，SSD失效數(shù)為數(shù)據(jù)錯誤數(shù)，則具體樣本數(shù)量和驗證標準需滿足公式3—公式5的要求。

當數(shù)據(jù)錯誤數(shù)為0個時：

當數(shù)據(jù)錯誤數(shù)為1個時：

當數(shù)據(jù)錯誤數(shù)為2個時：

式中，CP/E為最大P/E次數(shù)；C為SSD容量，單位為GB。

數(shù)據(jù)錯誤數(shù)超過3個，則試驗失敗。

在確定好樣本數(shù)量后，測試人員還需確定耐久性試驗的試驗溫度，參考JEDEC JESD 218B.01-2016，將樣本分為兩組，各占50%，一組在低溫下進行低溫耐久性試驗，一組在高溫下進行高溫耐久性試驗。

進行低溫耐久性試驗時，樣本在溫度T≤25 ℃環(huán)境條件下，通過負載生成軟件運行JEDEC219碼流，對被測SSD進行不間斷測試，直到被測的SSD達到最大P/E次數(shù)。

進行高溫耐久性試驗時，樣本按照公式6規(guī)定的溫度條件和試驗時間進行，通過負載生成軟件運行JEDEC219碼流對被測SSD進行不間斷測試，直到被測的SSD達到其最大P/E次數(shù)。

其中，C為常數(shù)，消費級SSD取1.318 25 ×10-14，企業(yè)級SSD取1.675 59×10-13；Ea一般取1.1 eV；k= 8.617×10-5eV/k；Ts為試驗溫度，單位為開爾文（K），消費級SSD≥45 ℃，企業(yè)級SSD≥60 ℃；ts為試驗溫度，單位為h。

在進行耐久性試驗的每個P/E循環(huán)之間允許增加間歇，間歇不能僅在耐久性試驗結束時插入，且插入的間歇時間和高溫耐久性的實際時間的相加，需要滿足規(guī)定的對應值。間歇的方式包括SSD斷電或通電但未寫入數(shù)據(jù)，如果SSD通電，應確保不執(zhí)行實際使用過程中進行的任何后臺維護。

2.數(shù)據(jù)保持試驗

依據(jù)《非易失性存儲器耐久和數(shù)據(jù)保持試驗方法》（GB/T 35003-2018），數(shù)據(jù)保持試驗主要考核SSD的數(shù)據(jù)保存的可靠性，一般對于數(shù)據(jù)保持試驗，如不采用加速，需按照表1的要求進行試驗，試驗周期比較長，特別對于消費級SSD，需要1年的試驗時間，這不利于企業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)銷售，因此，一般業(yè)內(nèi)采用高溫加速方案進行數(shù)據(jù)保持試驗。對于試驗所需的樣本數(shù)量，本文選用進行高低溫耐久性試驗后的所有樣本。在進行數(shù)據(jù)保持試驗時，測試人員需在溫度40 ℃（企業(yè)級SSD）或30 ℃（消費級SSD）條件下，先將所有SSD的樣本進行全盤寫入數(shù)據(jù)一遍，然后斷電放置于溫度為66 ℃高溫條件下，放置時間 為≥96 h。

當最高溫度＜ 66 ℃時，數(shù)據(jù)保持試驗的高溫加速溫度需降低，其相應的試驗時間也需增加，一般建議采用其最高貯存溫度和對應的試驗時間進行數(shù)據(jù)保持試驗。具體試驗時間可采用公式7進行計算[1]。其中，Ea一般取1.1 eV，k = 8.617×10-5eV/k 。

所有樣品進行高溫加速放置試驗后，測試人員需對所有SSD讀回所存取的數(shù)據(jù)。在試驗過程中，測試人員需收集并記錄所有樣本的IO錯誤、數(shù)據(jù)不一致次數(shù)和失效樣本個數(shù)，數(shù)據(jù)保持試驗最終的驗收準則為無IO錯誤、數(shù)據(jù)不一致和失效樣本。

五、結語

目前，國內(nèi)企業(yè)正在大力發(fā)展SSD產(chǎn)業(yè)，在技術和產(chǎn)品工藝上不斷取得進步，同時也急需提升SSD測試方法和測試技術來保證產(chǎn)品的質量。本文重點研究了SSD的MTBF測定、耐久性和數(shù)據(jù)保持等可靠性相關測試方法，為SSD測試提供參考。