Intelligent Power Shield & Power Shield

Grundlagen

Während des Betriebs einer Solid State Drive (SSD) werden Daten temporär im DRAM Cache zwischengespeichert, um die Leistung der SSD zu steigern. Die SSD profitiert von den schnellen Reaktionszeiten des DRAM. Da der DRAM Cache flüchtig ist, wird eine externe Stromzufuhr benötigt, um die Daten im Zwischenspeicher zu halten oder ihn zu leeren.

Bei einem ordnungsgemäßen Stromabschaltvorgang gibt der Host dem SSD-Controller den Befehl, dass die Stromversorgung sofort unterbrochen werden kann. Der Controller sendet eine Bestätigung an den Host zurück und überträgt dann alle im DRAM-Cache zwischengespeicherten Daten an den NAND-Flash.

Bei unerwartetem Ausfall der Stromzufuhr ohne vorherige Ankündigung und erneute Stromversorgung können die im DRAM befindlichen Daten jedoch weder auf den Flash geschrieben noch aus den Flashzellen gelöscht werden. In diesem Fall können besagte Daten ein Kompatibilitätsproblem, Datenverlust oder einen kompletten Ausfall des Geräts herbeiführen.

Gefahr des Datenverlusts bei Unterbrechung der Stromzufuhr

Im Falle eines unerwarteten Stromausfalls kann es zu einem Datenverlust in einem der folgenden Abläufe kommen:

Das patentierte Intelligent Power Shield (IPS) von Transcend wurde entwickelt, um das Risiko von Datenverlust zu minimieren und die Datenintegrität zu gewährleisten.

Was ist das Intelligent Power Shield?

Intelligent Power Shield (IPS) ist eine Technologie für 5V DRAM SSDs um sicherzustellen, dass Daten im Falle eines Stromausfalls bestmöglich geschützt sind. Durch den Einbau von Kondensatoren kann das IPS während der benötigten Bearbeitungszeit weiterhin die Stromversorgung in der SSD aufrecht erhalten, auch wenn auf der Geräteseite der Strom bereits ausgefallen ist. Solange das Gerät an der Stromzufuhr hängt, arbeiten die Kondensatoren als Batterien, die vom Strom des Computers gespeist werden. Während eines unerwarteten Stromausfalls können die aufgeladenen Kondensatoren der SSD weiterhin Strom zur Verfügung stellen und ermöglichen damit, den Schreibprozess der Daten zu beenden.

Wie funktioniert das IPS?

Die SSD verfügt über einen Spannungsprüfer, der den vom Host kommenden Spannungspegel ständig überwacht. Bei einem plötzlichen Stromausfall löst der Spannungsprüfer IPS aus, sobald die Spannung von 5V auf 4V fällt. IPS stellt nun sicher, dass die im NAND gespeicherten Daten unbeschädigt sind. Die eingebauten Kondensatoren bieten weiterhin ausreichend Strom, um Daten aus dem DRAM-Cache in den NAND-Flash zu übertragen. Wenn die Spannung unter 2,3V fällt, wechselt der NAND-Flash in einen Schreibschutzmodus und es können keine Daten mehr geschrieben werden.

Stromausfall mit und ohne IPS

Durch die Verlängerung der Zeit zwischen dem Stromausfall und dem Wechsel in den Schreibschutzmodus kann die SSD mehr Schreibvorgänge vom DRAM-Cache zum NAND-Flash durchführen.

Mit IPS hat die SSD mehr als 75 Millisekunden Zeit, um den Schreibvorgang der Daten abzuschließen, bevor der NAND-Flash bei 2,3V in den Schreibschutz-Modus wechselt. Ohne IPS bleiben der SSD nur 2 Millisekunden.

Was ist Power Shield (PS) und worin liegt der Unterscheidet zu IPS?

Power Shield (PS) ist eine Basistechnologie, die von allen Embedded-SSDs von Transcend unterstützt wird, um Datenverlust im Falle eines plötzlichen Stromausfalls zu verhindern. Die interne Spannungserkennungsschaltung des Controllers dient der Überwachung der externen Stromversorgung. Wenn die externe Spannung von 5V auf 4V oder von 3,3V auf 2,7V fällt, aktiviert die Spannungserkennungsschaltung den PS-Erkennungsmechanismus. Bei einem plötzlichen Stromausfall würde die interne PS-Schaltung die PS-Funktion auslösen, sodass der Controller keine neuen Schreibbefehle mehr akzeptiert. Der Schreibvorgang wird gestoppt, um sicherzustellen, dass die Firmware und die Daten im NAND-Flash unbeschädigt sind. Im Gegensatz zu IPS erzeugt PS keine zusätzliche Pufferzeit für den NAND-Flash, um mehr Schreibvorgänge durchzuführen.

Vorteile von Transcends IPS & PS

Transcend hat das exklusive Patent für die IPS Technologie. Für noch bessere Performance verwendet Transcend die besten Komponenten wie z.B. einen fortschrittlichen Spannungssensor als Informationsquelle für das IPS. Zusätzlich verwendet Transcend zuverlässige Polymer-Tantal Kondensatoren, die hochbelastbar und schwingungsarm sind und somit hervorragend geeignet für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen.

Auch wenn es sich angesichts der fehlenden Kondensatoren um eine einfachere Version der Schutzfunktion handelt, ermöglicht PS dem internen Spannungserkennungsmechanismus der SSD ebenfalls die Überwachung der vom Host bereitgestellten Stromzufuhr. Wenn die Stromversorgung plötzlich abbricht, fällt die Spannung ab, und der Spannungsprüfer der SSD löst PS aus. Der SSD-Controller stellt nun die Programmierung von Daten in den NAND-Flash ein und stellt sicher, dass die im NAND gespeicherten Daten unbeschädigt sind.

  IPS PS
Hardware Mit eingebautem Spannungsprüfer und zusätzlichem Polymer-Tantal Kondensator, IPS ermöglicht mehr Zeit für den Schreibprozess von DRAM auf NAND Flash im Falle eines Spannungsabfalls zwischen 4V und 2.3V. Wenn die externe Spannung auf ein bestimmtes Niveau absinkt, aktiviert die interne Spannungserkennungsschaltung des Controllers den PS-Mechanismus. Der SSD-Controller akzeptiert dann keine neuen Schreibbefehle mehr für den Flash.
Firmware Sobald IPS aktiviert ist, überspielt die Firmware automatisch alle Daten vom DRAM Cache auf den NAND Flash. Der SSD-Controller akzeptiert vom Host keine neuen Schreibbefehle mehr und stellt so die Korrektheit der vorhandenen Daten für den NAND-Flash sicher.

Um die hohe Zuverlässigkeit nachzuweisen verwendet Transcends IPS Technologie Ulink DriveMaster Power Hubs um die firmeneigene Stromausfallschutz-Technologie zu überprüfen. Jeder Prüflauf umfasst die folgenden Schritte::

  1. Host schreibt Kommandos an den DRAM.
  2. Ulink schaltet den Host ab. Wenn der Spannungssensor meldet, dass die Spannung auf 4V fällt, werden die Daten automatisch von DRAM auf den NAND Flash überschrieben.
  3. Ulink schaltet den Host wieder an und vergleicht die Daten im Host mit den Daten im NAND Flash. Falls Unstimmigkeiten auftreten, wenden diese im Report als „nicht übereinstimmend“ angezeigt.

Transcends IPS hat 3.000 Testdurchläufe absolviert. Es wurden 0 “nicht übereinstimmende” Ergebnisse protokolliert.

Zusammenfassung

Transcends SSD Produkte bieten einen integrierten Stromausfall-Schutz-Mechanismus um eine zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten und die Wahrscheinlichkeit von Geräteausfällen im Zuge unerwarteter Stromausfälle zu minimieren.

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