固態(tài)硬盤(pán)在變電站自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用

蔣文輝 孔祥倫 王玉龍

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

不同于使用磁盤(pán)作為存儲(chǔ)介質(zhì)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁頭來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的傳統(tǒng)機(jī)械硬盤(pán)，固態(tài)硬盤(pán)（Solid State Drives，SSD）是用閃存電子存儲(chǔ)芯片陣列制成的硬盤(pán)，無(wú)任何機(jī)械活動(dòng)部件。

雖然機(jī)械硬盤(pán)憑借容量大、性價(jià)比高、使用壽命長(zhǎng)、數(shù)據(jù)易恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)占領(lǐng)著主要的存儲(chǔ)市場(chǎng)，但固態(tài)硬盤(pán)由于其讀寫(xiě)速度快、體積小、功耗低、抗振強(qiáng)、工作溫度范圍廣等優(yōu)勢(shì)，在航空、電力等工業(yè)領(lǐng)域和消費(fèi)電子領(lǐng)域仍獲得了廣泛應(yīng)用。

由于有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確要求不得使用旋轉(zhuǎn)部件等原因[1-2]，變電站自動(dòng)化設(shè)備更是大量采用了固態(tài)硬件作為外存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)、PMU相量測(cè)量裝置、保護(hù)信息管理單元等。

目前，有不少文獻(xiàn)研究討論了固態(tài)硬盤(pán)的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[3]將固態(tài)硬盤(pán)與傳統(tǒng)磁盤(pán)組合，利用固態(tài)硬盤(pán)高性能和傳統(tǒng)磁盤(pán)低成本、大容量的特點(diǎn)，能夠?yàn)橛脩籼峁┐笕萘康拇鎯?chǔ)空間，保證系統(tǒng)的高性能，同時(shí)還能降低成本。

文獻(xiàn)[4]對(duì)固態(tài)硬盤(pán)和傳統(tǒng)硬盤(pán)進(jìn)行了性能測(cè)試、對(duì)比分析，通過(guò)測(cè)驗(yàn)計(jì)算機(jī)響應(yīng)時(shí)間，設(shè)計(jì)了使用SSD的計(jì)算機(jī)升級(jí)方案，提升了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體性能并延長(zhǎng)了計(jì)算機(jī)服務(wù)年限。

文獻(xiàn)[5]在變電站的繼電保護(hù)裝置中采用固態(tài)硬盤(pán)作為存儲(chǔ)介質(zhì)，基于PCIe總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足了繼電保護(hù)裝置對(duì)數(shù)據(jù)處理安全可靠性的要求。

文獻(xiàn)[6]通過(guò)固態(tài)硬盤(pán)測(cè)試，獲得了讀寫(xiě)比例、數(shù)據(jù)包大小、訪問(wèn)模式等工況變化和供電電壓波動(dòng)對(duì)讀/寫(xiě)速度、電流等性能特性的影響規(guī)律，測(cè)試結(jié)果表明，固態(tài)硬盤(pán)使用過(guò)程中應(yīng)保證輸入電壓的穩(wěn)定性。

1 固態(tài)硬盤(pán)的性能和壽命

硬盤(pán)的性能主要指數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度，長(zhǎng)期以來(lái)遠(yuǎn)低于處理器和內(nèi)存。

機(jī)械硬盤(pán)讀取數(shù)據(jù)的方式是通過(guò)磁頭在高速旋轉(zhuǎn)的盤(pán)片上進(jìn)行磁操作。受限于磁頭機(jī)械轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速7 200 r/min的機(jī)械盤(pán)，其大數(shù)據(jù)順序讀速度能達(dá)到160 MB/s，寫(xiě)速度達(dá)到80 MB/s。

固態(tài)硬盤(pán)讀寫(xiě)時(shí)是對(duì)閃存存儲(chǔ)元件進(jìn)行電子存取操作，速度更快，即使存在主控芯片的操作延時(shí)，其讀寫(xiě)速度仍能達(dá)到500 MB/s，是機(jī)械硬盤(pán)的數(shù)倍。

機(jī)械磁盤(pán)受限于磁頭移動(dòng)和磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)時(shí)間和吞吐率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于CPU和內(nèi)存，SSD外存儲(chǔ)器高速讀寫(xiě)的優(yōu)勢(shì)，有效緩解了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期存在的硬盤(pán)IO速度瓶頸問(wèn)題。

固態(tài)硬盤(pán)的壽命主要和存儲(chǔ)單元的擦寫(xiě)次數(shù)有關(guān)，隨著擦寫(xiě)次數(shù)上升到壽命限值，硬盤(pán)的讀寫(xiě)性能下降，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也會(huì)變得不可信。

固態(tài)硬盤(pán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)單元稱為一次擦寫(xiě)，將所有的存儲(chǔ)單元全部擦寫(xiě)過(guò)，則稱為一次全擦寫(xiě)（P/E）。所有固態(tài)硬盤(pán)都有全擦寫(xiě)限值，根據(jù)閃存單元的工藝不同，全擦寫(xiě)限值有數(shù)萬(wàn)次、數(shù)千次、數(shù)百次不等。

固態(tài)硬盤(pán)使用的閃存單元技術(shù)原理是一種基于浮柵技術(shù)的場(chǎng)效應(yīng)管（MOS晶體管），根據(jù)浮柵內(nèi)存儲(chǔ)的電子數(shù)量不同所表現(xiàn)的電壓值來(lái)表現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)值。數(shù)據(jù)值分為1、2、3和4比特，分別對(duì)應(yīng)閃存單元的4種類型：?jiǎn)渭?jí)閃存單元（SLC）、二級(jí)閃存單元（MLC）、三級(jí)閃存單元（TLC）和四級(jí)閃存單元（QLC）。單位存儲(chǔ)能力提高的同時(shí)伴隨的是壽命的下降，一般認(rèn)為SLC的壽命下限為全擦寫(xiě)10 000次，MLC為3 000次，TCL為1 000次，QLC為150次，而價(jià)格同樣依次下降[7]。

固態(tài)硬盤(pán)一般由主控器、存儲(chǔ)介質(zhì)和固件組成，相應(yīng)也有核心技術(shù)來(lái)保障硬盤(pán)性能和壽命。固件技術(shù)將存儲(chǔ)介質(zhì)組織成塊并進(jìn)行管理，建立邏輯地址和物理地址的映射關(guān)系，以提高讀取/寫(xiě)入效率并平衡寫(xiě)入次數(shù)。

存儲(chǔ)塊頻繁寫(xiě)入超過(guò)限值后，將造成存儲(chǔ)顆粒老化，成為壞塊。因此，數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)主控器會(huì)協(xié)調(diào)寫(xiě)入擦寫(xiě)次數(shù)最少的存儲(chǔ)塊，來(lái)保障所有存儲(chǔ)塊的擦寫(xiě)次數(shù)接近，該過(guò)程稱為“磨損均衡”。

優(yōu)化的磨損均衡算法會(huì)將硬盤(pán)中存在的長(zhǎng)期不變數(shù)據(jù)也進(jìn)行遷移，用空出的較新存儲(chǔ)塊寫(xiě)入新數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)磨損均衡。因此，每次上層應(yīng)用要求寫(xiě)入的數(shù)據(jù)量會(huì)小于實(shí)際寫(xiě)入存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)量，該現(xiàn)象稱為“寫(xiě)入放大”。

存儲(chǔ)單元按塊管理，則小數(shù)據(jù)寫(xiě)入會(huì)占用多余的存儲(chǔ)單元，這一過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生寫(xiě)入放大，因此會(huì)針對(duì)小數(shù)據(jù)進(jìn)行合理遷移并開(kāi)展垃圾回收。提高磨損均衡的合理性，優(yōu)化垃圾回收算法，降低寫(xiě)入放大系數(shù)，是固態(tài)硬盤(pán)優(yōu)化的核心技術(shù)，能夠有效提升固態(tài)硬盤(pán)的使用壽命。

文獻(xiàn)[8]提出了一種全程優(yōu)化的垃圾回收方法，在數(shù)據(jù)初始放置、垃圾回收目標(biāo)塊的選擇、有效數(shù)據(jù)的遷移等方面盡可能全面地考慮各步驟對(duì)SSD壽命的影響，同典型算法相比，可以減少壽命磨損近30%。

文獻(xiàn)[9]提出一種超級(jí)塊重組算法，在垃圾回收時(shí)挑選每個(gè)閃存上有效數(shù)據(jù)量最小的物理塊來(lái)重組超級(jí)塊，作為垃圾回收的源超級(jí)塊。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，和傳統(tǒng)的垃圾回收算法相比，該算法能減小2/3的寫(xiě)入放大，系統(tǒng)壽命提升將近3倍，適用于預(yù)留空間小但對(duì)系統(tǒng)壽命和滿盤(pán)下寫(xiě)性能有要求的場(chǎng)景。

文獻(xiàn)[10]提出采用在控制器內(nèi)部配置緩存設(shè)備的方式提高固態(tài)硬盤(pán)整體性能，緩存設(shè)備可使隨機(jī)小數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)只寫(xiě)入緩存而不是閃存介質(zhì)，當(dāng)匯總數(shù)據(jù)量較大時(shí)批量寫(xiě)入，該方法能有效延長(zhǎng)硬盤(pán)使用壽命，但需要增加掉電保護(hù)機(jī)制防止緩存數(shù)據(jù)丟失。

文獻(xiàn)[11-12]綜述了提高SSD耐久度的方法，包括改善磨損均衡算法、使用外部數(shù)據(jù)緩沖、降低寫(xiě)入放大系數(shù)、提升預(yù)留空間、應(yīng)用區(qū)塊磨損反饋技術(shù)等。

2 變電站設(shè)備典型SSD故障案例

某500 kV變電站使用的遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)關(guān)機(jī)在投運(yùn)半年后即頻繁出現(xiàn)程序退出、設(shè)備死機(jī)等現(xiàn)象，重啟后能恢復(fù)。設(shè)備商檢測(cè)分析后確認(rèn)SSD（MLC顆粒）平均全擦寫(xiě)次數(shù)為2 500次，已接近3 000次，部分存儲(chǔ)顆粒磨損度較高。更換SSD后問(wèn)題解決，裝置運(yùn)行正常，但仍需定量地進(jìn)行分析，確定SSD寫(xiě)入數(shù)據(jù)量、P/E次數(shù)與故障的關(guān)系。

SSD的寫(xiě)入數(shù)據(jù)量可以使用Linux系統(tǒng)自帶的iotop命令監(jiān)測(cè)，P/E次數(shù)則需要硬盤(pán)供應(yīng)商提供相應(yīng)的工具來(lái)獲得?，F(xiàn)場(chǎng)SSD為MLC存儲(chǔ)顆粒，64 GB容量，不帶緩存。

模擬變電站數(shù)據(jù)環(huán)境，使用3臺(tái)樣機(jī)和SSD進(jìn)行測(cè)試，記錄操作系統(tǒng)的日平均寫(xiě)入數(shù)據(jù)量，和SSD檢測(cè)工具獲得的日平均P/E次數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 SSD壽命對(duì)比測(cè)試

測(cè)試得出以下結(jié)論：

（1）帶緩存機(jī)制的SSD能有效延長(zhǎng)使用壽命，降低放大系數(shù)；

（2）隨著SSD累積P/E次數(shù)的增加，放大系數(shù)會(huì)增大很多；

（3）假定放大系數(shù)與當(dāng)前已擦寫(xiě)次數(shù)為正相關(guān)，則該型號(hào)SSD的預(yù)估壽命在0.6～2.3年。

現(xiàn)場(chǎng)SSD故障出現(xiàn)在設(shè)備投運(yùn)半年后，考慮到設(shè)備前期的場(chǎng)內(nèi)調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試至少有4個(gè)月時(shí)間，可以認(rèn)為壽命對(duì)比測(cè)試的結(jié)論較為符合現(xiàn)場(chǎng)情況。MLC顆粒的SSD理論累積P/E次數(shù)下限為3 000次，而本次故障發(fā)現(xiàn)平均P/E次數(shù)達(dá)2 500次時(shí)已頻繁出現(xiàn)讀寫(xiě)到壞塊導(dǎo)致設(shè)備故障的情況，合理推斷是該型號(hào)SSD的磨損均衡算法效果不佳，造成部分存儲(chǔ)顆粒因磨損過(guò)度已經(jīng)退化，造成設(shè)備程序或操作系統(tǒng)運(yùn)行異常。

另外，日均30 GB的寫(xiě)入數(shù)據(jù)量與變電站遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的場(chǎng)景認(rèn)知有偏差，為查明寫(xiě)入數(shù)據(jù)量的程序比例，持續(xù)使用iotop命令定位分析程序的數(shù)據(jù)寫(xiě)入量，發(fā)現(xiàn)存在某個(gè)服務(wù)程序的日均數(shù)據(jù)寫(xiě)入量達(dá)到了26 GB。通過(guò)與軟件供應(yīng)商溝通，確認(rèn)是該遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)啟用了一個(gè)數(shù)據(jù)斷面定時(shí)保存功能造成的。該功能不是必需的，取消后該站的SSD日平均寫(xiě)入數(shù)據(jù)量降低為4 GB，預(yù)計(jì)壽命能延長(zhǎng)7倍。

最終該故障現(xiàn)象得到根本解決的方法為：

（1）變電站自動(dòng)化設(shè)備換用其他品牌帶緩存機(jī)制的SSD；

（2）關(guān)閉自動(dòng)化設(shè)備系統(tǒng)軟件中不必要的數(shù)據(jù)保存功能。

3 自動(dòng)化設(shè)備SSD狀態(tài)監(jiān)測(cè)

變電站設(shè)備使用SSD，需對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，評(píng)估性能變化和使用壽命，在SSD顆粒老化前預(yù)警。監(jiān)測(cè)對(duì)象包括：

3.1 SSD剩余空間

SSD的寫(xiě)入放大系數(shù)與剩余空間有高度相關(guān)性，剩余空間越大，則寫(xiě)入放大系數(shù)越小。研究數(shù)據(jù)表明，剩余容量為50%時(shí)，寫(xiě)入放大系數(shù)為2左右[12]；當(dāng)剩余容量低于20%時(shí)，寫(xiě)入放大系數(shù)會(huì)增大較多。因此，需要對(duì)剩余空間進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，低于20%的可用空間時(shí)，使告警指示燈亮。

3.2 SSD讀寫(xiě)速度

如能使用供應(yīng)商自帶的工具定期對(duì)SSD進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，是較為合理的方式。除此之外，考慮到SSD品牌的多樣性，可以定期對(duì)SSD進(jìn)行順序讀寫(xiě)測(cè)試來(lái)檢測(cè)硬盤(pán)性能是否有明顯下降，一般設(shè)定標(biāo)稱告警值為100 MB/s，連續(xù)多次速度檢測(cè)低于該值時(shí)設(shè)備應(yīng)告警。

測(cè)試寫(xiě)入過(guò)程不應(yīng)對(duì)SSD造成較大的損耗，測(cè)試建議單次數(shù)據(jù)量為32 kB，連續(xù)寫(xiě)入1 024次，每天執(zhí)行一次監(jiān)測(cè)，則當(dāng)天數(shù)據(jù)量不超過(guò)40 MB，對(duì)SSD損耗相對(duì)較小。測(cè)試寫(xiě)性能，Linux設(shè)備一般可使用dd命令：

如為機(jī)械硬盤(pán)，測(cè)試結(jié)果一般返回在100 MB/s左右，固態(tài)硬盤(pán)在500 MB/s左右。

3.3 SSD壽命預(yù)估

自動(dòng)化設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件模塊集成供應(yīng)商提供的監(jiān)測(cè)工具，每日定時(shí)對(duì)SSD進(jìn)行一次狀態(tài)讀取，獲取當(dāng)前全擦寫(xiě)P/E次數(shù)S，與前一天的差值即為日P/E次數(shù)T，以公式（3 000-S）/T來(lái)預(yù)估剩余壽命天數(shù)。

對(duì)于新盤(pán)，預(yù)估壽命應(yīng)大于8年，否則應(yīng)分析寫(xiě)入數(shù)據(jù)量是否偏大，需要優(yōu)化應(yīng)用程序并考慮加大SSD容量?？紤]到換貨周期，建議預(yù)估剩余壽命低于90天時(shí)告警。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了固態(tài)硬盤(pán)SSD的原理和相關(guān)技術(shù)概念，重點(diǎn)討論了SSD的性能和壽命相關(guān)的核心技術(shù)。通過(guò)分析一起典型的變電站自動(dòng)化設(shè)備SSD壽命相關(guān)的故障案例，指出緩存機(jī)制有助于提升SSD壽命，不恰當(dāng)?shù)能浖褂脮?huì)加速SSD的老化。

最后，本文提出了自動(dòng)化設(shè)備的SSD在線監(jiān)測(cè)方案，從預(yù)留容量、讀寫(xiě)速度、預(yù)估壽命三個(gè)方面進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為應(yīng)用SSD存儲(chǔ)的自動(dòng)化設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供技術(shù)保障。

本文的研究?jī)?nèi)容可為變電站自動(dòng)化設(shè)備合理使用SSD提供有益的參考。