Power loss protection, PLP для ssd и MCU

Привет, Вы узнаете о том , что такое power loss protection, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое power loss protection, plp , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Диагностика, обслуживание и ремонт электронной и радиоаппаратуры.

Защита от сбоев питания SSD (PLP) — это не новая концепция, но способы и методики защиты SSD во время и после сбоя питания значительно улучшились в современных моделях SSD. Цель защиты от сбоев питания заключается в выполнении двух основных задач:

• Безопасный перенос передаваемых данных (или данных, оставшихся в буферах кэшей DRAM- или SRAM-накопителя) в постоянную энергонезависимую флеш-память и
• Сохранение целостности таблицы размещения SSD, чтобы SSD распознавался и был пригоден для использования после перезагрузки системы.

Примечание: таблица размещения SSD, или Flash Transition Layer (FTL), отвечает за логическое распределение физических данных на SSD.

В условиях обычного отключения системы SSD получает команду (Standby Immediate Command) от ATA-драйвера хост-устройства, предупреждающую SSD об отключении системы, чтобы SSD подготовился к нарушению питания. При обычном отключении системы у SSD есть достаточно времени для переноса данных из буферов кэша и обновления таблиц размещения.

В качественных SSD используется аппаратная система со встроенными в SSD конденсаторами питания и/или защита от сбоев питания (PLP) во встроенном ПО, позволяющая записать важную информацию метаданных на флеш-память, чтобы обеспечить успешное восстановление SSD при включении питания. В настоящее время в продукции Kingston для реализации функции PLP используются танталовые полимерные конденсаторы.

Ранние модели SSD были не так хорошо готовы к внезапному отключению питания, как современные. Обычно SSD, подвергшийся внезапному отключению питания, не отвечал в следующем цикле питания. Во многих таких случаях сбои питания приводили к поломке SSD и утере данных.

Варианты реализации PLP

Аппаратный PLP – аппаратный PLP предназначен в первую очередь для снижения потерь данных с помощью сохранения питания SSD, благодаря встроенным конденсаторам питания (Power Caps) на время, достаточное для записи во флеш-память данных, оставшихся в буфере кэша SSD, и обновления таблиц размещения. Общая схема типичного случая аппаратного PLP в SSD выглядит примерно так:

Контроллер SSD обнаруживает внезапное отключение питания

1. Встроенные конденсаторы питания сохраняют питание для SSD
2. Контроллер отдает внутреннюю команду на перенос данных из буфера кэша
3. Контроллер обновляет таблицы размещения, подготавливаясь к отключению питания
4. Накопитель безопасно отключается

PLP во встроенном ПО – программная защита PLP также предназначена для снижения вероятности утери данных благодаря способности восстановления встроенным ПО таблицы размещения при следующем включении питания после сбоя. Общая схема типичного случая защиты PLP через встроенное ПО выглядит примерно так:

1. Таблица размещения SSD сохраняется во флеш-памяти и обновляется в DRAM
2. При записи новых данных на SSD встроенное ПО обновляет таблицу размещения
3. Новые записываемые данные всегда записываются с метками (или запасными байтами), включающими LBA, EEC и другую информацию о структуре данных
4. Возникает сбой питания
5. Запасные байты, содержащие информацию о структуре данных вместе с исходной таблицей размещения, позволяют встроенному ПО SSD восстановить таблицу размещения SSD при следующем включении питания

Программная защита PLP — высокоэффективный способ предотвращения утери данных в корпоративных системах хранения данных. Например, необходимо, чтобы SSD, сконфигурированные в RAID-массивы, были способны восстанавливаться и возвращаться в исправное состояние после сбоя питания для поддержания целостности RAID-массива. Один или несколько сбойных накопителей из массива приведут к отключению массива с высокой вероятностью утери данных.

В другом случае корпоративной системы накопители SSD могут образовывать большой пул хранения данных, в котором физические SSD разделены на несколько LUN и разделены между несколькими хостами. В этом примере критически важной характеристикой является высокий уровень доступности, и защита от PFAIL на основе встроенного ПО обеспечивает успешное восстановление SSD, обслуживающего LUN и хосты.

Ставя в серверы клиентские SSD, владельцы своими руками создают почву для их возможного искажения или даже потери. В отличие от серверных, в бытовых накопителях нет защиты по питанию (power loss protection, PLP).

Назначение DRAM

Хотя SSD построены на постоянной памяти NAND, в них есть энергозависимый буфер (DRAM cache). Получив запрос на запись от ОС, контроллер SSD помещает порцию данных в этот буфер – для повышения производительности и оптимизации записи. Пока данные не попадут в ячейки NAND, они в зоне риска – обесточивание динамической памяти приводит к потере ее содержимого, а то, что ОС считает свершившимся фактом - запись в NAND - не происходит вовсе. Ладно бы, просто терялась небольшая порция данных. При отсутствии сквозного контроля целостности данных (например, со стороны файловой системы), ошибки накапливаются и приводят к искажениям данных (GIGO – Garbage In, Garbage Out).

Второе назначение DRAM SSD – кэширование метаданных, таблиц адресов в слое трансляции FTL (Flash Translation Layer). Каждый новый запрос хоста на запись правит FTL. Кроме того, адреса меняются в результате фоновой активности контроллера по сбору мусора (garbage collection) и выравниванию износа ячеек (wear leveling). Для этих операций контроллер использует DRAM, имеющую побитовую адресацию, более низкую, против ячеек NAND, латентность и практически неограниченный ресурс перезаписи.

Рис. 1. При нормальном завершении работы системы данные сбрасываются во флэш-память NAND, и SSD сигнализирует хосту, что диск готов к отключению питания.

Как небезопасное отключение влияет на SSD

Когда хост хочет записать данные на SSD, данные сначала сохраняются во временном буфере (энергозависимой памяти), если SSD имеет кэш DRAM, прежде чем они будут сброшены в энергонезависимую флэш-память для безопасного хранения; в противном случае данные сохраняются непосредственно во флеш-памяти NAND (энергонезависимой памяти), где они безопасно хранятся даже при отключении питания.

Во время нормального выключения системы хост сначала предупреждает SSD о том, что система выключается. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Затем SSD подготавливается к отключению питания, сбрасывает данные из энергозависимого хранилища в энергонезависимую флэш-память, а затем сигнализирует хосту, что диск готов к отключению питания.

Этот процесс решает две важные задачи: во-первых, он обеспечивает безопасное хранение данных до отключения питания; и, во-вторых, обновляются таблицы сопоставления. Таблицы сопоставления отслеживают адреса логических блоков по отношению к физическим страницам флеш-памяти, указывая, где данные хранятся на флеш-накопителе.

Небезопасное выключение происходит, когда питание прекращается до завершения уведомления о выключении. Это предотвращает перемещение данных из временных буферов («сбрасывание») в энергонезависимую NAND, что приводит к повреждению или потере данных или делает запоминающее устройство непригодным для использования. Примеры небезопасных отключений включают неожиданные перебои в подаче электроэнергии, случайное извлечение твердотельного накопителя из компьютера, отключение запоминающего устройства при включенном питании или потерю заряда аккумулятора.

Твердотельные накопители особенно уязвимы к событиям потери питания. В отличие от жестких дисков, твердотельные накопители не имеют механических частей, поэтому каждый компонент является электронным. Внутреннее управление данными твердотельного накопителя включает в себя множество операций, выполняемых в фоновом режиме, и каждый сбой питания может означать чрезмерное прерывание этих операций, что может повлиять на производительность диска.

Нестабильное питание

Вы защитились от скачков внешнего питания с помощью UPS, а умер … блок питания сервера. Или контроллер ввода-вывода. Или материнская плата. Остановка клиентской машины не приведет к тяжелым последствиям. Но сервер предприятия – инструмент коллективной работы, целостность и доступность данных имеют наивысший приоритет. Выше риски, выше ответственность.

В SSD для коммерческого применения есть защита по питанию - конденсаторы: алюминиевые, танталовые, керамические итд. Их остаточный заряд дает временное окно, достаточное для сброса данных из буфера в NAND и обновления таблиц адресации.

PLP преследует две цели:

• Безопасный перенос самих данных из энергозависимой памяти DRAM SSD в постоянную NAND;
• Сохранение достоверной таблицы трансляции физических адресов в логические – для корректного продолжения работы после перезапуска.

Из-за высокой стоимости конденсаторов и чувствительности рынка клиентских SSD к цене, аппаратную защиту PLP на них не ставят. В лучшем случае, применяют программную полумеру: журналирование метаданных на уровне FTL и файловой системы. Если это реализовано в прошивках SSD, при записи новых данных в отдельный файл журнала пишутся ярлыки (запасные байты), включающие логические адреса ячеек LBA, коды коррекции ошибок ECC, другую структурную информацию. После перезапуска системы и сверки журнала восстанавливаются оригинальные таблицы адресов. (Данные в буфере при аварии в любом случае погибнут).

В мире ПК потери данных не так критичны – из-за их сравнительной малоценности. К тому же, многие современные файловые системы и так используют журналирование. Источники рисков тоже не новы - кэш-буфер (DRAM cache) есть в любом HDD и его обычно не отключают. Совсем другое дело серверы предприятий и дата-центров, системы хранения данных. Даже небольшая вероятность потерь должна быть учтена – данные и репутация дороже.

А если отключить кэш?

Кэш-буфер ускоряет обработку запросов ввода-вывода хоста и используется для подготовки чистых страниц под запись – снижая износ ячеек SSD.

Включил кэш на SSD без PLP– рискуешь потерять данные. Выключил – потерял в производительности и укоротил ресурс SSD. Без буфера на динамической памяти работа SSD будет неспешной, а жизнь недолгой. В режиме прямой записи в ячейки Write Through бытовые накопители не превосходят HDD:

«Ой, как неудобно получилось».

Как определить наличие PLP у SSD?

Читать документацию. Производители SSD прямо пишут о том, к какому типу применения относятся их продукты. Соблазняясь низкой ценой и экономя деньги пользователя (он вас просил?), вы помещаете его в зону риска без его на то согласия

Микроконтроллеры: обеспечение защиты от потери мощности нового поколения

Механизмы защиты от потери питания (PLP) доступны на большинстве твердотельных накопителей, особенно на тех, которые предназначены для высокопроизводительных приложений. Такие устройства хранения промышленного уровня обычно широко используются в суровых условиях, работают круглосуточно и без выходных и требуют бескомпромиссной целостности устройства.

Типичные решения PLP включают использование батарей и суперконденсаторов, которые обеспечивают задержку питания, что позволяет завершить функции контроллера и вспышки в случае сбоя питания.

ATP Electronics, одна из первых, кто разработал и выпустил твердотельные накопители меньшего форм-фактора, такие как M.2 2242 со встроенным массивом PLP, поднимается на ступень выше, используя микроконтроллер (MCU), который обеспечивает беспрецедентную защиту для последовательного порта следующего поколения. Твердотельные накопители ATA и NVMe для обеспечения лучшей защиты PLP в отрасли.

Как MCU улучшают механизм PLP

Интегрированный в ATP PowerProtector 4, совершенно новый дизайн массива PLP использует новую ИС управления питанием (PMIC) и новый микроконтроллер с микропрограммным обеспечением, которые позволяют массиву PLP интеллектуально работать при различных температурах, сбоях питания и состояниях питания.

Рис. 1. Новый массив PLP от ATP с PMIC и микроконтроллером, программируемым с помощью микропрограмм.

• Микроконтроллер интеллектуально отслеживает условия сбоя питания и проверяет состояние конденсаторов через интерфейс I 2 C.
• Полимерные танталовые конденсаторы обеспечивают достаточную поддерживающую мощность для очистки кэша данных в случае неожиданного отключения питания.
• MCU может продолжать обнаруживать условия сбоя питания; например, для 2,5-дюймового SSD, если входное напряжение упадет до менее 4,0 В в течение нескольких последовательных миллисекунд (устранение сбоев), MCU уведомит контроллер о начале очистки кеша, и в то же время будут активированы конденсаторы чтобы обеспечить постоянную мощность для очистки кеша.

Рис. 2. Конструкция на основе MCU, реализованная на новейшем твердотельном накопителе ATP NVMe.

Особенности и преимущества

• Защита от превышения входного напряжения. Входное напряжение относится к напряжению, подаваемому в цепь. Твердотельные накопители обычно имеют определенный диапазон, в пределах которого может допускаться входное напряжение - например, для 2,5-дюймовых твердотельных накопителей ATP верхний предел составляет 16 В, а для других твердотельных накопителей - 7 В. Когда входное напряжение выше, чем указано в спецификации, это может вызвать необратимое повреждение компонентов.

Твердотельные накопители ATP нового поколения имеют переключатель между внешним входным напряжением и внутренней цепью SSD. Этот переключатель управляется MCU. Поскольку входное напряжение контролируется микроконтроллером в режиме реального времени, он защищает твердотельный накопитель, посылая сигнал на защитный переключатель, чтобы отключить входное напряжение, как только будет обнаружено, что оно превышает указанный максимальный допуск.

• Подавление пускового тока при включении. Пусковой ток при включении - это большой ток, потребляемый системой в момент ее включения. Этот начальный ток, также известный как импульсный ток при включении или входной импульсный ток, требуется для зарядки конденсаторов, катушек индуктивности и трансформаторов. Слишком высокий пусковой ток при включении может привести к повреждению схем и компонентов. Конструкция на основе MCU, доступная на новейших твердотельных накопителях ATP SATA и NVMe, гарантирует, что пусковой ток не превышает заданные пороговые значения, за счет включения механизма плавного пуска, позволяющего минимизировать влияние пускового тока на SSD.

• Устранение помех входной мощности. Шум входной мощности относится к ситуации, когда источник питания нестабилен, вызывая нежелательные периодические пульсации и всплески.

MCU помогает с устранением сбоев шума с помощью механизма оценки, который определяет, когда мощность падает ниже определенного значения, тем самым правильно идентифицируя потерю мощности или простую нестабильность мощности. Без MCU нестабильность питания может быть ошибочно принята за сбой питания и, таким образом, ложно запустить очистку кеша и потенциально привести к «зависанию» или зависанию SSD.

• Быстрое включение и выключение питания. Управление включением-выключением питания относится к механизму, который регулирует время между выключением и следующим включением питания. Конструкция MCU может обеспечить более быстрое и эффективное управление включением и выключением. В следующей таблице показаны преимущества твердотельных накопителей с управлением на основе микроконтроллеров по сравнению с твердотельными накопителями, в которых нет:

Таблица 1. Включение-выключение SSD с / без MCU

SSD без MCU	SSD с MCU
Конденсаторы PLP необходимо разрядить / сбросить перед включением питания	Немедленное включение питания инициируется независимо от остаточного напряжения на конденсаторах PLP
Если состояние отключения очень короткое: PLP может разрядиться не полностью Сброс контроллера может завершиться ошибкой SSD не может быть распознан и не сможет перезагрузиться	Если состояние отключения очень короткое: Нет необходимости в полной разрядке PLP MCU сбрасывает контроллер SSD можно распознать и перезагрузится правильно

Благодаря PLP на основе MCU можно гарантировать быстрое включение и выключение питания без потенциальных рисков необнаружения приводов из-за неправильного сброса контроллера.

• Защита от перенапряжения конденсаторов PLP

Полимерные танталовые конденсаторы являются важными элементами технологии PLP ATP. Обеспечивая резервное питание, они гарантируют, что данные из кэша DRAM будут сброшены во флэш-память NAND для безопасного хранения, а последняя команда записи будет завершена, когда произойдет событие потери питания.

Перезарядка может повредить конденсаторы и тем самым поставить под угрозу их защитную функцию. MCU контролирует напряжение конденсатора в реальном времени и отключает зарядку, как только обнаруживает, что напряжение слишком высокое. Это гарантирует, что емкости PLP достаточно для завершения очистки кеш-памяти во время отключения питания. Это также предотвращает преждевременное старение конденсаторов PLP.

Резюме и заключение

ATP PowerProtector 4 объединяет дизайн на основе MCU для обеспечения расширенного управления питанием и возможностей PLP для твердотельных накопителей ATP SATA и NVMe нового поколения. Комбинируя аппаратные и микропрограммные решения, конструкция на основе MCU защищает данные, а также устройство хранения, обеспечивая более высокий уровень целостности и надежности. В зависимости от запроса заказчика расширенные функции могут быть настроены, что позволяет адаптировать возможности PLP в соответствии с уникальными требованиями, потребностями конкретного приложения или вариантами использования.

В следующей таблице приведены преимущества каждой функции.

Таблица 2. Сводная таблица показывает, как каждая функция и преимущество MCU обеспечивает расширенные возможности PLP для новейших твердотельных накопителей и модулей ATP.

Улучшенная защита привода	Подавление пускового тока при включении Защита от перенапряжения
Лучшая целостность данных	Входная мощность, шум, защита от сбоев / перезарядки Конденсаторы PLP защита от недостаточного заряда / перезарядки
Быстрое включение / выключение питания	Сокращает время, необходимое от выключения до повторного включения SSD.
Точный контроль последовательностей включения / выключения питания	Предотвращает потенциальные проблемы при включении / выключении SSD
Варианты настройки	PLP может быть адаптирован в соответствии с требованиями заказчика или требованиями конкретного приложения.

Твердотельные накопители ATP следующего поколения с новым дизайном на основе MCU включают mSATA, 2,5-дюймовые твердотельные накопители, модули M.2 2242/2280 и NVMe. Доступные с поддержкой I-Temp и C-Temp, твердотельные накопители также имеют поддержку механизма RAID и сквозную защиту пути данных. Решения ATP, предназначенные только для промышленного использования, проходят строгие испытания и валидацию на соответствие требованиям к высокой надежности, производительности и долговечности критически важных приложений, чтобы обеспечить наилучшую совокупную стоимость владения (TCO). Для получения дополнительной информации о промышленных флэш-накопителях ATP на базе MCU посетите веб-сайт ATP или свяжитесь с представителем ATP .

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Жесткий диск
• SSD

Исследование, описанное в статье про power loss protection, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое power loss protection, plp и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Диагностика, обслуживание и ремонт электронной и радиоаппаратуры