【技术】ATP利用MCU为SATA和NVMe SSD提供智能电源管理和PLP功能

除非有有效的断电保护（PLP）机制，否则任何电源故障（无论是故障，电涌还是完全中断）都可能损坏存储设备并破坏数据。

随着在企业和工业环境中部署越来越多的固态驱动器，必须采用有效的电源故障保护技术来避免意外的电源中断可能带来的损害。

例如，在典型的数据中心中，可以部署数百个SSD。如果发生电源故障，驱动器可能会损坏，导致大量停机，因为需要重新格式化驱动器并重新安装操作系统。数据丢失可能会对业务运营产生不利影响并影响客户关系；而且，损坏的驱动器将需要更换，从而导致更高的运营成本。

不安全关机如何影响SSD

当主机希望将数据写入SSD时，如果SSD具有DRAM缓存，则在将数据刷新到非易失性闪存进行安全保管之前，数据最初会存储在临时缓冲区（易失性存储器）中；否则，数据将直接存储到NAND闪存（非易失性存储器），即使在断电时也可以安全地存储在其中。

在正常系统关闭期间，主机首先向SSD通知系统正在关闭。然后，SSD准备断电，将数据从易失性存储刷新到非易失性闪存，然后向主机发送信号，表明驱动器已准备好断电。

这个过程完成了两件重要的事情：首先，它确保在断电之前安全地存储了数据。其次，映射表已更新。映射表跟踪与物理闪存页面有关的逻辑块地址，并指出数据在闪存驱动器上的存储位置。

图1.在正常的系统关闭中，数据被刷新到NAND闪存中，并且SSD向主机发出信号，表明驱动器已准备好断电。

在关闭通知完成之前关闭电源会发生不安全的关闭。这可以防止将临时缓冲区中的数据移动（“丢弃”）到非易失性NAND上，从而导致数据被破坏或丢失，或者使存储设备无法使用。不安全关机的示例包括意外断电，从计算机中意外移除SSD，在电源仍然打开时拔下存储设备的电源或电池断电。

SSD特别容易发生断电事件。与HDD不同，SSD没有机械部件，因此每个组件都是电子的。SSD的内部数据管理涉及许多在后台发生的操作，每次电源故障都可能导致这些操作的不适当中断，从而可能影响驱动器性能。

微控制器：提供下一代功率损耗保护

大多数固态硬盘（特别是为高性能应用设计的固态硬盘）都提供了功率损耗保护（PLP）机制。这样的工业级存储设备通常广泛部署在恶劣的环境中，全天候运行，并且要求设备的完整性不受影响。

典型的PLP解决方案涉及电池和超级电容器的使用，它们提供保持功率，一旦电源出现故障，就可以完成控制器和闪存功能。

ATP电子公司是第一个设计和发布尺寸更小的固态硬盘（例如带有板载PLP阵列的M.2 2242）的公司之一，它采用了微控制器单元（MCU），为下一代串行设备提供了无与伦比的防御能力，从而将可靠性提高了很多，为ATA和NVMe SSD提供业界最佳的PLP保护。

MCU如何增强PLP机制？

PLP阵列的全新设计集成到ATP PowerProtector 4中，它利用新的电源管理IC（PMIC）和新的固件可编程MCU，使PLP阵列可以在各种温度，电源故障和电源状态下智能运行。

图1.具有PMIC和固件可编程MCU的ATP新型PLP阵列

MCU通过I2C接口智能地监测毛刺断电情况，并检查电容器的健康状态。

如果发生意外的断电情况，则聚合物钽电容器可为数据高速缓存刷新提供足够的维持功率。

MCU可以继续检测电源故障情况；例如，对于2.5英寸SSD，如果输入电压连续几个毫秒下降到小于4.0 V（抗尖峰脉冲），MCU将通知控制器开始缓存刷新，同时，电容器将被激活。为缓存刷新提供支持。

图2.在最新的ATP NVMe SSD上实现的基于MCU的设计

特点和优点

· 过输入电压保护。输入电压是指提供给电路的电压。SSD通常具有特定的输入电压范围，例如ATP的2.5英寸SSD的上限为16 V，而其他SSD产品的上限为7V。当输入电压高于规格时，否则可能会损坏组件。

下一代ATP SSD具有在外部输入电压和内部SSD电路之间切换的功能。此开关由MCU控制。由于MCU实时监控输入电压，一旦检测到输入电压高于指定的最大容差额定值，它会通过向保护开关发送信号以切断输入电压来保护SSD。

· 上电浪涌电流抑制。上电涌入电流是指系统在开启时汲取的高电流。需要此初始电流，也称为接通浪涌或输入浪涌电流，以对电容器，电感器和变压器充电。上电涌入电流过高时，可能会损坏电路和组件。最新的ATP SATA和NVMe SSD上基于MCU的设计可通过启用软启动机制来最大程度地减小浪涌电流对SSD的影响，从而确保浪涌电流不会超过指定的阈值。

· 输入电源噪声去毛刺。输入电源噪声是指电源不稳定，导致不希望的周期性纹波和尖峰的情况。

MCU通过判断机制帮助消除噪声干扰，该判断机制可检测何时功率下降到某个值以下，从而正确地识别出功率损耗或简单的电源不稳定。如果没有MCU，电源不稳定可能会被误认为是电源故障，从而错误地触发缓存刷新，并有可能导致SSD“挂起”或冻结。

· 快速电源开关控制。电源开关控制是指管理电源关闭和下次电源打开之间的时序的机制。MCU设计可确保更快，更高效的电源开/关控制。下表说明了具有基于MCU的控制的SSD与未基于SSD的SSD相比的优势：

表1.具有/不具有MCU的SSD电源开关

使用基于MCU的PLP，可以确保快速的电源开/关控制，而不会由于未正确重置控制器而导致未检测到驱动器的潜在风险。

· PLP电容器过压保护

聚合物钽电容器是ATP PLP技术的重要组成部分。通过提供保持功率，它们可以确保将DRAM缓存中的数据刷新到NAND闪存中以进行安全维护，并且在发生断电事件时完成最后的写入命令。 

过度充电会损坏电容器，从而损害其保护功能。MCU会实时监视电容器电压，并在检测到电压过高时禁用充电。这保证了PLP电容足以在断电事件期间完成高速缓存刷新。它还可以防止PLP电容器过早老化。

总结与结论

ATP PowerProtector 4集成了基于MCU的设计，可为ATP的下一代SATA和NVMe SSD提供增强的电源管理和PLP功能。通过结合硬件和固件解决方案，基于MCU的设计可保护数据以及存储设备，以实现更高水平的完整性和可靠性。根据客户要求，可以定制增强功能，从而可以根据独特的需求，特定于应用程序的需求或用例量身定制PLP功能。

下表总结了与每个功能相对应的好处。

表2.汇总表显示了每种MCU功能和优势如何为ATP的最新固态驱动器和模块提供增强的PLP功能。

采用基于MCU的新设计的下一代ATP SSD包括mSATA，2.5英寸SSD，M.2 2242/2280和NVMe模块。固态硬盘提供I-Temp和C-Temp支持，还具有RAID引擎支持和端到端数据路径保护功能。ATP的“仅工业”解决方案经过严格的测试和验证，可满足关键任务应用程序的高可靠性，高性能和高耐用性要求，以提供最佳的总拥有成本（TCO）价值。