Design av nästa generations datalagringssystem

När man bygger system med nödvändig kapacitet och prestanda så måste SSD-lagringskonstruktioner ofta ta itu med andra utmaningar, allt från begränsningar i formfaktorer till drift i hårda miljöer. Här ger Alexander Fritsch, Business Development Manager Embedded-IoT på Advantech, sin syn på hur avancerade NVMe SSD: er och innovativ termisk design kan leverera ett kompakt, högpresterande, högkapacitetssystem av industrikvalitet för datainsamling gällande visionbaserad data, som kan fungera över utökade temperaturer.

Vision och datalagring

Kravet på att effektivt lagra stora mängder information från kameror växer snabbt, från övervakning och fabriksautomation till bearbetningsdata för AI-applikationer. Marknadsundersökningsföretaget Stratistics MRC anser att den globala marknaden för industriell maskinvision kommer att expandera från 8,54 miljarder dollar 2017 till 16,89 miljarder dollar 2026, medan Allied Market Research förutspår att den globala marknaden för bilkameror kommer att se en årlig tillväxt på nästan 10% för att nå 24,1 miljarder dollar 2025.

När det gäller AI har det skett en explosion i antalet applikationer som använder maskininlärning, varigenom mönster identifieras genom att analysera stora volymer av visionsbaserad data. Detta återspeglas i en ny rapport från ResearchAndMarkets som förutspår att marknaden för ”AI in computer vision” kommer att nå 25,32 miljarder dollar fram till 2023, baserat på en CAGR på 47,54% sedan 2018.

Alla dessa applikationer kräver tillförlitlig lagring med hög kapacitet och hög prestanda. I många fall kan sådana system också behöva arbeta i utmanande miljöer, till exempel en tillverkningsanläggning, karosseriet på ett fordon eller ett flygplan eller utomhus. Medan SSD:er byggda på icke-flyktigt NAND-flashminne är den normala tekniken, kan det uppstå problem när SSD:er används i industriella eller ”icke-konsument”-applikationer. Utöver detta så minskar NAND-flashprestanda tillförlitligheten och uthålligheten när lagringstätheten ökar.

SSD:er av industriell kvalitet

För att möta prestandakraven har tillverkarna utvecklat sofistikerade självhanterande firmware-funktioner som OP (Over Provisioning) och NAND Boost. OP stöder effektivare användning av kapacitetsskillnaden mellan den faktiska fysiska lagringen av flashminnet och den logiska kapacitet som operativsystemet ger användaren. Detta leder i sin tur till förbättrad hållbar prestanda. NAND Boost å andra sidan erbjuder ett sätt att förbättra prestanda genom att maximera dataöverföringshastigheterna.

Prestanda är dock bara en del av historien. SSD:er av industriell kvalitet måste också leverera förbättrad tillförlitlighet genom intelligent strömavbrottshantering. De senaste Advantech SQFlash NAND-flash-SSD:erna, som till exempel är optimerade för AIoT-applikationer som auto-pilot och industriell maskinvision, erbjuder följande fyra funktioner:

Strömavbrottsskydd: När spänningen sjunker under 2,9 V stoppar kontrollenheten all minnesaktivitet för att förhindra att ogiltiga data skrivs eller nås. När strömmen har återställts, utvärderar en dataintegritetskontroll giltighet av data och vidtar korrigerande åtgärder för att eliminera risken för felaktiga data till följd av en icke fullständig skrivning till flash.

Power Drop Catcher: Till och med ett effektfall på mindre än 1 ms (inte ovanligt i många industriella scenarier) kan påverka läs/skrivfunktionen eller få enheter att frysa. Med Power Drop Catcher begränsar en inbäddad återställning IC återställningstidpunkten för att hantera glapp som kan vara resultat av spänningsfall.

Flush Manager: DRAM distribueras för att öka SSD-prestanda och uthållighet genom att fungera som en cache mellan styrenheten och lagringen. Flush Manager levererar dataintegritet genom att säkerställa att giltiga data bara lagras i flashminnet och inte i cachen vid strömavbrott eller instabil strömförsörjning.

Voltage Stabilizer: Denna integrerade funktion är baserad på en tantalkondensatoruppsättning och upprätthåller en stabil strömförsörjning till både flashminnet och DRAM-cachen när den inbyggda spänningsdetektorn upptäcker instabil effektingång (under 4,75 V eller över 5,25 V).

Att hålla lagrad data säker är en annan viktig faktor för industriella lagringssystem. SQFlash SSD:er hanterar detta genom en mängd avancerade datasäkerhetsfunktioner, allt från funktioner som låser läs- och skrivkommandon via en SSD-firmware-inställning till alternativ för snabb- eller nödfallsradering.

Säkerhets-ID tillåter användare lägga till ett säkert krypteringslås till specifik tillämpningsprogramvara för fil- och autencitetshantering, medan Flash Lock, baserat på Trusted Computing Group (TCG) Opal-specifikation, erbjuder system- och SSD-godkännande.

Anpassad SSD-design

Till och med de avancerade funktionerna i de senaste SSD:erna ger inte alltid en "off-the-shelf"-lösning. Ofta måste SSD-tekniken kombineras med specialistsupport från enhetstillverkare eller tredjepartsdesignhus. Detta gäller särskilt konstruktioner där solid-state-lagring måste fungera i trånga utrymmen, eller över stora temperaturintervall - eller både och.

Ta till exempel ett system som Advantech nyligen utvecklade för att lagra stora volymer av bilddata i en maskininlärningsapplikation. Kravet gällde ett högkapacitetsbaserat datainsamlingssystem i en mycket liten formfaktor som skulle dra fördel av prestanda för PCIe SSD:er med hjälp av NVMe-kommunikationsprotokoll. Systemet var utformat för global distribution och förväntades arbeta vid temperaturer ned till -40 °C och upp till 85 °C.

Konstruktionen baserades på Advantech SQFlash 920 NVMe SSD:er, som använder Toshibas BiCS 3D NAND-flashteknologi, och som stöder upp till 8 TB kapacitet per enhet. En styrteknologi, som inkluderar firmware-funktionerna som nämnts ovan, tillsammans med LDPC och en RAID-ECC-felkorrigeringsmotor, säkerställer att enheterna ger uthållighetsnivåer som liknar MLC NAND-flashbaserade SSD:er.

De specifika tillämpningskraven innebar dock att det inte skulle vara möjligt att helt enkelt distribuera standarddelarna, inte minst på grund av värmeavledningen. Eftersom NVMe SSD:er använder högfrekventa styrenheter förbrukar de mer energi och genererar mer värme än konventionella SATA-baserade alternativ. Detta utgör en betydande termisk hanteringsutmaning i kombination med behovet av att leverera en mycket hög kapacitet från ett mycket litet utrymme och samtidigt säkerställa drift vid utökade temperaturer.

Att tackla den termiska hanteringsutmaningen

Advantechs interna designteam har betydande värmehanteringskompetens och har arbetat med många standard- och anpassade konstruktioner som integrerar NVMe SSD:er i industriella tillämpningar. Dessa inkluderar ett antal inbäddade datorsystem som innehåller aktiv och passiv kylning. Det är faktiskt detta team som ansvarar för många av de termiska hanteringsfunktionerna som redan är integrerade i Advantech SQFlash NVMe SSD: er. Dessa inkluderar hantering av termiskt reglage, där firmware vid upptäckt av överhettning (via en inbyggd sensor) bakreglerar övergripande SSD-prestanda, vilket tvingar styrenhetens IC att svalna. Plötsliga hastighetsfall förhindras då strypmekanismen är uppdelad i flera steg.

Teamet har också utvecklat en innovativ kylflänskonstruktion som hjälper till att sänka interna temperaturer med upp till 10°C jämfört med NVMe SSD:er som bara förlitar sig på värmereglering för temperaturkontroll.

Det första steget i den termiska hanteringsdesignen var att använda fördesignande termiska simuleringar för att identifiera termiska svaga punkter och för att se var betydande uppbyggnad av värme oftast inträffade. Genom dessa simuleringar konstaterades att, även med den inbyggda termiska hanteringsfunktionaliteten, det första valet av NVMe SSD:er med en M.2-formfaktor inte skulle fungera i den givna designen. Det främsta skälet till detta var att enheterna faktiskt var för tunna för att ge de nödvändiga möjligheterna till värmeavledning när de packades in i det begränsade utrymmet för måltillämpningen.

Ytterligare termisk modellering visade emellertid att en lösning baserad på en U.2 SSD potentiellt kunde uppfylla kraven med tillägg av lämpliga nivåer för anpassad kylning.

Med detta i åtanke utformade Advantech-teamet en anpassad kylkonstruktion av industrikvalitet som direkt skulle monteras på var och en av SSD:erna. För att maximera värmeavledningen användes dessa kylare i samband med en kylgel som var specifikt optimerad för måltillämpningen och ett termiskt fett med enastående mekanisk flexibilitet. Det senare skulle hjälpa till att undvika risken för fysisk skada på SSD-komponenterna vid plötsliga temperaturförändringar.

Lösningsöversikt

Den färdiga produkten förpackar nu åtta, 8TB NVMe SSD:er i ett datainsamlingslagringssystem med dimensioner på bara 100 mm x 70 mm x 7 mm. Förutom OP, NAND Boost, strömavbrott och avancerade säkerhetstekniker, som nämnts tidigare, så inkluderar tillämpningens kraftsekvensstyrning för högeffektiv drift och stabilitet en SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) datafunktion. Detta gör att användare kan övervaka systemstatus på distans i realtid via ett grafiskt gränssnitt. SMART integrerar realtidstemperaturövervakning av SSD-arbetstemperaturer via PCIe-gränssnittet, vilket gör att de inbäddade systemkontrollerna kan hantera de integrerade smarta fläktarna som ger den aktiva systemkylningen.

Advantech hanterade alla delar av den elektriska och mekaniska konstruktionen som behövdes för att genomföra projektet, inklusive utveckling och implementering av det anpassade aktiva kylsystemet, som måste optimeras för det kompakta lagringssystemet. Utöver att hantera de tekniska utmaningarna med designen så har Advantechs kombination av teknik, anpassade teknikfunktioner och tillverkningstjänster också bidragit till att förbättra tid till marknaden för kundens nya produktlansering.