固態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、物聯網、5G、車載以太網、虛擬/增強現實等新一代信息技術的快速發展，數據中心在短時間內處理和存儲的數據量從TB向PB、EB和ZB發展，對存儲設備的讀寫性能提出更高要求。一直以來，機械硬盤是數據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硬盤（SSD）（又名固態盤）具有存儲密度高、存取速度快等優點，已經成為數據中心新的存儲設備，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質量現狀

與傳統機械硬盤相比，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，產業發展比較艱難，在行業競爭中處于劣勢。從2016年國家投資成立長江存儲科技有限責任公司開始，國內加大SSD核心技術的研發投入，國內固態硬盤整體產業供應鏈獲得快速發展。

由于固態硬盤主要由主控芯片和存儲顆粒組成，跟傳統機械硬盤相比，總體組裝難度大大降低。因此，國內SSD整體市場，特別在消費市場端，目前存在一些山寨小品牌，其產品質量比較差，影響整個SSD產業的發展。

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）和數據保持能力等可靠性關鍵指標也是其重要指標。特別對于企業級用戶來說，由于存儲設備的不可靠而導致重要數據丟失，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。而當前國內缺乏SSD的MTBF和耐久性等方面的相關測試標準，一些企業未對組裝的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存在數據丟失、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，根據國內外行業情況和SSD的產品特點，從MTBF、耐久性和數據保持方面對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：國內行業標準《面向互聯網應用的固態硬盤測試規范》（YD/T 3824-2021）和《固態盤通用規范》（SJ/T 11654-2016）；國外聯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定性，測試方法采用單個硬盤在運行讀寫軟件進行數據讀寫的壓力條件下進行48 h的測試，屬于單個硬盤工作穩定性測試。

在SJ/T 11654-2016中，SSD的MTBF測 試采用傳統電子產品的測試方法，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企業的MTBF測定值指標。本文基于傳統電子產品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耐久性和數據保持等可靠性關鍵指標的測試。目前，這兩項標準已經成為SSD行業內進行耐久性測試所依據的標準。本文結合自身的檢測經驗，依據GB/T 5080.7-1986、JEDEC JESD218B.01-2016和JEDEC JESD219A.01-2022，對SSD的耐久性和數據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產品的可靠性關鍵指標。產品的失效率為產品的故障總數與壽命單位總數之比，一般用λ表示，當產品的壽命服從指數分布時，其失效率的倒數為MTBF。目前，國內的SSD企業一般標稱其產品的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量、測試溫度和測試時間。樣本數量、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，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、數據不一致次數和失效樣本個數，如無IO錯誤、數據不一致和失效樣本，則通過本項測試。

四、耐久性和數據保持試驗

SSD的耐久性是指SSD經受連續多次數據重寫（編程/擦除循環）的能力。數據保持是指在規定的時間內，SSD保持數據的能力。SSD的耐久性和數據保持能力是衡量其可靠性的重要指標。根據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據位數m1作為量化指標，數據保持指標主要采用一定溫度下的數據保持時間作為量化指標。

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

表1 耐久性、數據保持指標技術要求

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GB/T 5080.7-1986進行。GB/T 5080.7-1986有截尾序貫和定時（定數）截尾試驗方案，不同試驗方案對于生產方風險α、使用方風險β和試驗的周期不一樣，總的規律是試驗周期越長，生產方風險α和使用方風險β越小。因此，本文需根據試驗的周期和成本，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量和驗收標準進行計算，SSD失效數為數據錯誤數，則具體樣本數量和驗證標準需滿足公式3—公式5的要求。

當數據錯誤數為0個時：

當數據錯誤數為1個時：

當數據錯誤數為2個時：

式中，CP/E為最大P/E次數；C為SSD容量，單位為GB。

數據錯誤數超過3個，則試驗失敗。

在確定好樣本數量后，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。

進行高溫耐久性試驗時，樣本按照公式6規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。

其中，C為常數，消費級SSD取1.318 25 ×10-14，企業級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，需要滿足規定的對應值。間歇的方式包括SSD斷電或通電但未寫入數據，如果SSD通電，應確保不執行實際使用過程中進行的任何后臺維護。

2.數據保持試驗

依據《非易失性存儲器耐久和數據保持試驗方法》（GB/T 35003-2018），數據保持試驗主要考核SSD的數據保存的可靠性，一般對于數據保持試驗，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，這不利于企業新產品的研發銷售，因此，一般業內采用高溫加速方案進行數據保持試驗。對于試驗所需的樣本數量，本文選用進行高低溫耐久性試驗后的所有樣本。在進行數據保持試驗時，測試人員需在溫度40 ℃（企業級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據一遍，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，數據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據保持試驗。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讀回所存取的數據。在試驗過程中，測試人員需收集并記錄所有樣本的IO錯誤、數據不一致次數和失效樣本個數，數據保持試驗最終的驗收準則為無IO錯誤、數據不一致和失效樣本。

五、結語

目前，國內企業正在大力發展SSD產業，在技術和產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品的質量。本文重點研究了SSD的MTBF測定、耐久性和數據保持等可靠性相關測試方法，為SSD測試提供參考。