北京2021年11月24日 /美通社/ -- 十四五規劃中指出要“加快數字化發展，建設數字中國”。IDC預測，到2022年，全球65%的GDP將由數字化推動。近幾年新基建、數字經濟和平臺經濟發展迅猛，給數據中心提出了新的挑戰。全閃存數據中心具有速度快、綠色節能等優勢，將會是未來數據中心的發展趨勢，SSD（固態硬盤）也將會得到更加廣泛的應用。
為什么關注SSD壽命預測？
企業關注SSD壽命預測技術，一是因為SSD的應用前景非常廣闊，市場上使用率將越來越高。二是SSD損壞導致數據丟失帶來的損失是巨大的。三是因為閃存具有擦寫次數限制的特點。
與傳統機械硬盤相比，SSD的優勢非常明顯，如SSD速度更快，數據訪問比機械硬盤快100倍，吞吐量大100倍，單盤IOPS大1000倍以上，并且技術在快速發展，如NVMe、 PCIe將進一步釋放SSD的性能；在可靠性表現上，SSD因質量輕、體積小、防震抗摔性更好，更加可靠。再如SSD更節能，與機械硬盤相比，能耗降低70%。今年的政府工作報告中提出要在2030年之前實現“碳達峰”，在2060年之前實現“碳中和”，使用SSD能夠大幅降低數據中心的能耗。過去SSD使用率不高的原因主要是其價格昂貴，現在據IDC統計：2015年到2020年，SSD平均每年的價格降幅達到25%，未來5年也將保持這一趨勢；2020年，全球范圍內企業級SSD上的支出已經超過傳統硬盤。
全球企業級機械硬盤和SSD盤支出對比（單位：百萬美元），2005-2020
正是由于SSD速度快但價格相對較高，SSD通常用來存放元數據或核心數據，這部分數據丟失將會給用戶帶來的損失更加嚴重。并且，SSD閃存介質具有擦寫次數限制，因此SSD使用壽命更值得被關注和重視。
SSD壽命預測 如何實現
SSD，是由控制芯片和存儲芯片組成的。控制芯片是SSD的大腦，用于調配數據、數據中轉等，存儲芯片用于存儲數據。當前主流的存儲芯片為NAND Flash閃存芯片，NAND采用浮柵晶體管存儲數據，寫入數據時需要先擦除再寫入，寫操作本質是向浮柵注入電荷，擦除操作是從浮柵挪走電荷，充放電的過程會損耗二氧化硅絕緣層的絕緣能力，最終無法保證浮柵中存有足夠多的電荷。因此NAND的擦寫次數是有限的，閃存完全擦寫一次叫做1次P/E，閃存的壽命就以P/E作單位，例如常用的MLC-SSD擦寫次數為10000次。SSD壽命預測，本質上就是預測NAND芯片P/E次數還可用多長時間。
SSD結構
硬盤廠商一般都遵循S.M.A.R.T. 標準進行數據保護，S.M.A.R.T. 標準是一種自動的硬盤狀態檢測與預警系統和規范。SSD S.M.A.R.T.中包含了一些與壽命相關的指標，不同接口、不同廠商的指標略有不同。浪潮自研NVMe SSD遵循NVMe 1.3標準，提供標準的S.M.A.R.T.輸出。部分廠商SATA接口和PCIe接口壽命相關指標如下表所示：
硬盤接口 |
硬盤廠商 |
指標名稱 |
指標含義 |
SATA |
Intel |
Smart_233 Media Wearout Indicator |
介質磨損指示 |
Micron |
Smart_202 Percent lifetime remaining |
剩余壽命百分比 |
|
Samsung |
Smart_177 Wear Leveling Count |
擦寫次數計數 |
|
Seagate |
Smart_231 SSD Life Left |
SSD剩余壽命 |
|
PCIe |
Inspur等 |
percentage_used |
已使用百分比 |
各個廠商通用的指標為百分比表示的閃存磨損度，SSD壽命預測基于閃存磨損度，預測SSD未來可使用的天數。同時，該壽命預測模型能友好的支持浪潮自研PCIe接口SSD。
SSD壽命預測使用時間序列預測技術，基于硬盤S.M.A.R.T.標準采集預測所需的歷史時間序列數據集，再使用浪潮自研的AI預測算法，預測S.M.A.R.T.指標未來變化，得到SSD剩余壽命天數。
SSD壽命預測流程
SSD壽命預測流程如上圖所示。整體的預測流程分為兩個階段，綠色為離線訓練階段，目的是為了確定模型選取規則；藍色為在線預測階段，用于在用戶環境中預測SSD壽命。
離線訓練階段使用大量的SSD全生命周期的S.M.A.R.T.數據，人工將磨損度變化曲線形態標記為3類：平穩變化、減速變化和加速變化，再對三種類型的SSD數據分別進行測試。測試過程中實驗了多種數據預處理方式和預測模型，比如Prophet、 ARIMA、 移動平均法（Moving Average, MA）、指數平滑法（Exponential Smoothing，ES）、神經網絡等。最終確定模型選取規則，實現全生命周期預測準確率達到75%的國際領先水平。
模型選取規則
在線預測階段，定時采集硬盤磨損度指標，使用提前定義好的模型選取規則，根據磨損變化數據量的大小和變化趨勢，選擇最合適的時序預測模型，預測SSD壽命。
六重保護業務永遠在線，可靠！
在管理軟件層面上，InView平臺每天定時采集數據、預測，通過浪潮自研SSD產品S.M.A.R.T.功能，可以客觀呈現產品的Percentage used和Available spare信息，并展示所管理的SSD是使用壽命。當預測結果不足2周時，發出告警提示用戶，制定備份數據和換盤計劃，避免因突發換盤導致業務降級，甚至停機維護。
智能管理軟件InView界面中對SSD壽命預測
除了管理軟件，浪潮存儲還通過核心軟件、器件、部件、系統、解決方案層面等，對業務進行端到端的整合，致力于為客戶提供一體化的方案服務，做到故障早知道、故障無影響、長期無故障。
未來隨著數字經濟發展，數據要素將在企業數字化轉型中扮演越來越重要的角色。浪潮存儲將持續加大企業級SSD研發投入，推動集中式全閃、分布式全閃持續技術創新，聯合產學研用等生態伙伴，合力提供數據生命周期解決方案，助陣企業提速數字化轉型，釋放數據價值。
