存储在线专栏文章：在“存储技术之家”第一次线下交流活动中，关于闪存技术及市场发展趋势的讨论引出了《FPGA搞不定LDPC？分布式ECC助阵SSD》、《Host- Based和Device-Based闪存卡走向融合》这两篇。我曾承诺过还有一篇SSD掉电保护的，今天就咬咬牙把它写出来。
我按照自己的方式，把SSD异常掉电时需要保护的数据多少做了个大致的分类：
a. 大量写Cache数据（包括元数据）
b. 少量元数据、正在写入的页面
c. 只保护正在写入的页面
这3种除了需要的电容大小不同之外，技术上的实现方式也不同。常见的企业级SATA/SAS/PCIe SSD属于哪种分类？各自的优劣？相信您看完本 文能有一个基本的了解。对于SSD专家来说我又班门弄斧了：）
这几张图来自我的一位朋友@XeonPhiCluster上个月发的微博——“sTec企业级800GB SAS接口SSD，亮点是sTec自研的Controller，自带4* (2.7V/6F)超级电容，最多16个NAND颗粒，性能可靠性不错。”
在“sTec”主控右上方有1颗DRAM缓存芯片，它的背面（也就是前一张照片上）应该还有2颗相同的芯片，可以起到ECC的效果？
这里的重点讲的是电容——“四个2.7V/6F超级电容，个头不大见图（需要掰开塑胶件才能看到6F字样)，使用这么大超级电容和SAS企业级应 用相关。以前接触Intel，前期产品如X25-M没用电容，SSD 320是6个470uF/6V的钽电容，后来S3500是3个45uF/35V的铝电解电容。说白了，看用 户，看场景，以前统一存储主板上还用超大的BBU电池呢。”
这款sTec SAS SSD使用电容之大，我觉得可以归为本文开头的分类“a”——大量写Cache数据（包括元数据）。记得我还曾询问过sTec关于 PCIe SSD上使用外置DRAM的原因，答复并不意外——“优化（合并）对NAND的写入，获得更好的性能和寿命”。
提到Intel SSD 320，使我想起前几年参加过的采访。
当时Intel的齐炜是这样解释的：“断电这块，今天我们会用电容，英特尔只是把内存里的数据存进去，有一些数据会放在我们控制器里面缓 冲区，所以在断电保护时间里面要完成数据的拷贝量是不大的，是相对小的。其他的厂家可能有很大的电容来提供保护，但他们面临着安全性的 问题，电容本身的寿命可能比不上整个固态硬盘，所以就是说你的电容大，很可能会成为里面最早坏的元件。”
如上图，几颗黄色钽电容保护的就是旁边那颗64MB Hynix DRAM中的数据。Intel当时表示，SSD主控里的Cache存放的是临时数据，而外置DRAM 则是元数据（映射表），而电容正是针对的后者。
我认为Intel SSD 320，包括他们后来的企业级SATA、PCIe产品都应该属于分类“b”——掉电保护少量元数据、正在写入的页面。
相比之下，当时SandForce（现在属于希捷了）控制器采用压缩方案，无外置DRAM因此控制器内置的缓存大一些。企业级产品可以加电容来保 护，消费级SSD通常不会配置。
上图为LSI Nytro的前身——SATA转PCIe的WarpDrive，卡背面有2颗0.6F 5.5V的电容，它们肩负着正面6个SandForce控制器SLC模块的掉电保 护。
那么这款WarpDrive估计也属于分类“b”或者“a”。
不久前，有朋友在网上询问“Fusion-io主机内存里的元数据每次更新是透写到卡里么？”
业内资深人士@jebtang回复说：“没有，只是把内存中的元数据的b+tree的头和尾写入在FPGA上的SDRAM里，这样可以在掉电的时候rebuild整 个tree出来就行了。”
可见Fusion-io卡上只需要少量电容，应该属于典型的分类“b”，不过正如我在《破解PCIeSSD进化：从踩坑到解决方案》一文中所写的， PCIe SSD恢复供电后rebuild元数据通常会有一段时间，“有的1-2分钟，也有的8-40分钟”。
接下来我们再看看国内两家PCIe SSD初创厂商是怎么说的，由于是技术讨论，具体品牌在这里只用代号表示。
F：“只有我们是写到flash的，呵呵，这可是技术活。
做Cache应用是不需要的，我们是需要保证的，一旦告诉业务层写入成功，那必须是。这涉及诚信问题。
元数据都不实时写flash，那还谈啥子可靠性。说到代价，基本可以忽略，我们的4k写IOPS还不是到35万，所以说是技术活呢。
一般电容保护不了这个，卡上电容的目的是保护正在写入的页，不是RAM里的数据。普通的SSD还行，PCIe的，用电容不现实。我们的系统级产 品倒是提供了RAM的数据保护，4个尺寸是30*30mm的电容，很大个的。异常掉电的恢复时间很快啊，分分钟搞定。”
K：“4个电容总备电量多大？单卡最大功耗多大？RAM容量多大？”
F：“这么说吧，我们的目的是保证给200瓦的系统20ms的时间，处理异常掉电的善后工作。”
K：“20ms 够不够？我们2.5寸的SSD2.5瓦，无外置缓存，备电电容90-400mF,保证200-300ms.PCIe卡最大35瓦，无外置缓存，0.8F超级电容。 总体来说，没有为跑分而设计外置缓存，减小备电要求，同时，安全冗余还是放的很大。以上供你参考。一起努力，中国闪存创业者雄 起！”
F：“每页的写入时间是1.5-2ms. 结合你的RAM大小，应该很容易算出电容的需求。”
K：“DRAM不只是存储一些页大小的数据，合并优化中的用户数据、映射表，否则没必要用那么大的缓存的。
我们为了可靠性，放弃FPGA了，是ASIC方案。外置DRAM其实很不错，对性能，寿命都有很大帮助。 但我们测试了多家的外置缓存的方案，发 现得到好处的同时代价和风险也很大，进行优化写入技术对掉电要求很高，风险很大，而电容，电池都有老化问题，安全冗余必须很大才行。最 终我们否了外置缓存方案。”
点评：上面这两家讨论的还算友好：）可以看出他们的产品有些共性——卡上电容的目的是保护正在写入的页，据称至少有一家的元数据是实 时写NAND闪存。也就是说，他们可能都属于本文开头的分类“c”。
看上去一切都很好，我也希望真的那样好。然而在3年多之前，我在一次和国内某PCIe SSD初创厂商交流时（那时他们的卡还只是样版），曾 经问过元数据直接写NAND是否会有性能问题，当时对方的答复相当肯定——不会。不过后来听到其掉电后第一次重启恢复的时间，又让我感觉有 点像Fusion-io rebuild元数据的方式，甚至时间更长。
再次声明，本文没有指责哪家的意思。正如一位业内朋友所说：“即使产品出现过问题，只要下功夫，半年一年之内基本也能解决。”
如果元数据真的100%直接写NAND，即使对IOPS影响不大的话，我还是有点担心写放大，还有延时。
上图是Intel最新一代PCIe（NVMe）SSD规格，在读/写延时数字中，这里的读“作弊”了，因为是在顺序I/O也就是说有Cache预读的情况下。
如果某家产品每一个写I/O都是直接到NAND的话，写延时就更不可能这样短了，特别是元数据立即写到闪存。
如上图，三星SFF-8639规格的XS1715 SSD PCB背面布满了大量的钽电容。如下图，它的DRAM缓存芯片是1颗256MB的，PMC主控中有多少缓存需 要做掉电保护我不太确定。但参考本文前面的经验，该产品可能又回到了“b”甚至“a”分类。
那么好处是啥呢？我觉得可能还是为了性能、简化设计等。没有一种方案十全十美，都是有取舍的。
看到这颗同样金属上盖的PMC NVMe控制器，我又想起了sTec——也包括他们的PCIe ASIC。在SAS企业级SSD陷入同质化竞争之后，PCIe又会怎 样呢。如今PMC被Micron、三星和Memblaze选用可谓风光无限，有人开玩笑说SandForce被LSI给搞废了：）不过Marvell和其他人还是会加进来玩 的。
最后这张图，来自Greenliant VP李炫辉的ppt，是讲如何做SSD掉电保护测试的。厂商说的再好，用户还是要通过自己的测试来验证。
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