CN109285583A - Nand闪存固态硬盘空间环境效应测试系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明根据系统性研究机理的需要，分析了试验可激发的空间环境效应及可行性，建立了NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法，为系统性地研究固态硬盘的空间环境可靠性提供了切入点。本发明还公开了一套适用于热循环、热真空、空间辐照等典型空间环境效应的NAND闪存固态硬盘测试系统，实现了参数自动监测，数据采集、处理、图形化显示、存储、回放等功能，可监测批量固态硬盘SATA接口供电电压、电流、平均&实时读/写速率、平均读/写响应时间、写入数据量等性能参数，并可定期检查记录SSD的磁盘容量情况，还能调节工作频率，控制供电电压。

Description

NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统及试验方法

技术领域

本发明涉及固态硬盘空间环境试验领域，尤其涉及一种对NAND闪存固态硬盘模拟空间环境的测试系统和试验方法。

背景技术

随着越来越多的数据存储在SSD中，尤其是随着载人航天工程空间科学、空间应用的发展需求，对空间应用大容量存储单元的功能性能要求越来越高，同时提出了低功耗、长寿命和低成本的可靠性要求，因此研究其空间环境可靠性水平变得至关重要。目前对固态硬盘的空间环境效应和地面模拟试验方法等方面所开展系统性研究几乎没有，以至于固态硬盘空间环境性能参数的变化规律尚未完全掌握、失效模式和失效机理不清、缺少相应的空间环境性能和可靠性指标。在航天器的可靠性设计中，只能基于经验对固态硬盘采取冗余设计、降额使用，或增加空间环境地面模拟试验项目，带来了成本升高和可靠性未知等难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对NAND闪存固态硬盘进行空间环境效应分析，空间环境地面模拟试验的测试系统设计及试验方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统，包括，测试机主板、被测的NAND闪存固态硬盘、测试机电源、程控电源和测试机显示器，所述测试机主板通过显示信号线缆与所述测试机显示器连接，所述测试机主板通过供电线缆与所述测试机电源连接，所述测试机主板通过SATA数据线缆与所述被测的NAND闪存固态硬盘连接，所述测试机主板通过以太网线缆与所述程控电源连接，所述程控电源通过SATA电源线缆与所述被测的NAND闪存固态硬盘连接，为所述被测的NAND闪存固态硬盘供电；所述测试机主板还通过键盘线缆连接有键盘和/或通过鼠标线缆连接有鼠标；所述被测的NAND闪存固态硬盘置于模拟空间环境中；所述模拟空间环境包括：温度试验环境、单粒子辐照试验环境、总剂量辐照试验环境和热真空试验环境中的一种。

优选的，所述温度试验环境主要由温箱构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘置于所述温箱内，所述SATA数据线缆和所述SATA电源线缆均通过所述温箱侧壁上的线缆开口引出，所述测试机主板、所述测试机电源、所述程控电源和所述测试机显示器均设置于所述温箱外部。

优选的，所述单粒子辐照环境主要由激光脉冲发生器试验台构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘置于所述激光脉冲发生器试验台上，当所述的测试系统处于工作状态时激光脉冲发生器发出的激光束按照预设规则照射或扫射到所述被测的NAND闪存固态硬盘上。

优选的，所述总剂量辐照试验环境主要由钴60辐射源构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘置于所述钴60辐射源辐射范围内的试验架上，所述测试机主板也位于所述钴60辐射源辐射范围内，所述测试机主板外周设置有用于遮挡辐射射线保护所述测试机主板的铅砖，所述测试机电源、所述测试机显示器、所述程控电源和所述测试机主板的其他外设均处于所述钴60辐射源的辐射范围以外且均通过线缆延长线与所述测试机主板连接，所述程控电源通过SATA电源线缆延长线与所述被测的NAND闪存固态硬盘连接。

优选的，所述热真空试验环境主要由热真空罐构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘和所述测试机主板均设置在所述热真空罐内，连接在所述测试机主板上的所述显示信号线缆、所述供电线缆、所述以太网线缆和连接在所述所述SATA电源线缆均分别通过所述热真空罐侧壁的法兰盘，配合92芯连接器与所述热真空罐外部的所述显示信号线缆、所述供电线缆、所述以太网线缆以及所述SATA电源线缆对应连接；在所述热真空罐中所述测试机主板密封在一密封盒内，连接在所述测试机主板上的线缆均通过所述密封盒上开设的走线孔引出所述密封盒，所述测试机主板上的线缆经所述走线孔引出后所述走线孔经过密封处理。

一种NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法，包括以下步骤：

S1，将被测的NAND闪存固态硬盘置于模拟空间试验环境中，完成所述被测的NAND闪存固态硬盘与测试机主板以及与程控电源的硬件连接，完成所述测试机主板与显示器以及与所述程控电源的硬件连接，完成所述测试机主板与测试机电源以及与输入输出设备的硬件连接；

S2，将所述试验环境启动，开始测试，实时采集、处理所述被测NAND闪存固态硬盘的电压电流数据、平均&实时读写速度数据、平均读/写响应时间数据、写入数据量数据和磁盘容量数据，并以表格形式和动态曲线方式实时显示在所述显示器上；

S3，将S2中实时采集、处理后得到的所述电压电流数据、所述平均&实时读写速度数据、所述平均读/写响应时间数据、所述写入数据量数据和所述磁盘容量数据存入数据库中，；

S4，对S3记录到数据库中的数据进行筛选、调取，并将筛选、调取结果显示到所述显示器上，并根据指令或预设规则将指定时间段的指定类型数据或筛选数据以文件形式导出。

优选的，所述的方法，具体包括以下步骤：

Iometer软件、SSDTS软件和Access数据库运行在主要由所述测试机主板和显示器构成的测试机系统上；所述Iometer软件负责部署、执行对所述被测NAND闪存固态硬盘的读写相关测试，实时将所测得的数据发送给所述SSDTS软件；所述SSDTS软件负责接收所述Iometer软件发送的所述测得的数据，还负责执行对所述被测NAND闪存固态硬盘的电压电流测试及容量测试，还负责以表格及曲线形式显示实时数据，并记录至所述Access数据库；所述Access数据库，用于保存所述被测NAND闪存固态硬盘的测试数据。

优选的，

测试所述被测NAND闪存固态硬盘的电压电流数据的步骤包括：

a.启动所述SSDTS软件开始测试；

b.建立与所述程控电源的TCP连接；

c.判断测试是否结束，如是则停止测试，如果否则判断与所述程控电源连接是否断开，如是则重新建立与所述程控电源的TCP连接，如否则继续进行步骤d；

d.向所述程控电源发送数据请求；

e.接收所述程控电源返回的测试数据；

f.将步骤e接收到的测试数据写入数据库；

g.更新实时数据显示列表及实时曲线；

测试所述被测NAND闪存固态硬盘的读写相关数据的步骤包括：

a.在Iometer软件中部署测试管理器；

b.设置测试硬盘为所述被测NAND闪存固态硬盘；

c.配置测试规则，所述测试规则包括：数据包大小、访问模式、读写比例、等待时间、运行时间和刷新频率；

d.开始测试；

e.判断测试是否结束，如是则结束，如否则判断共享内存是否已满，如已满则返回，如未满则向所述共享内存写出所述被测NAND闪存固态硬盘的读写相关测试数据；

f.所述SSDTS软件开始测试，判断测试是否结束，如是则结束，如否则继续执行下一步骤；

g.判断所述共享内存是否存在更新的所述读写相关测试数据，如果否则返回，如果是则从所述共享内存中读取所述读写相关测试数据；

h.将步骤g中读取到的所述读写相关测试数据写入所述数据库；

i.更新实时数据显示列表及实时曲线；

测试所述被测NAND闪存固态硬盘的容量数据的步骤包括：

a.开始测试；

b.获取所述被测NAND闪存固态硬盘及其磁盘分区情况；

c.判断测试是否结束，如是则结束，如否则调用系统API获取所述被测NAND闪存固态硬盘的磁盘分区总大小、剩余空间大小、已用空间大小；

d.根据所述被测NAND闪存固态硬盘及其分区情况，计算得到所述被测NAND闪存固态硬盘的容量数据；

e.将计算得到的所述容量数据写入所述数据库；

f.更新实时数据显示列表及实时曲线。

优选的，所述读写相关测试数据包括：所述平均&实时读写速度数据、所述平均读/写响应时间数据、所述写入数据量数据。

本发明的有益效果是：

本发明从地面模拟试验技术出发，根据和系统性研究机理的需要，分析了试验可激发的环境效应及可行性，建立了固态硬盘空间环境地面模拟试验方法，为系统性地研究固态硬盘的空间环境可靠性提供了切入点。本发明还设计了一套适用于热循环、热真空、空间辐照等典型空间环境效应的固态硬盘试验系统，实现了参数自动监测，数据采集、处理、图形化显示、存储、回放等功能，可监测批量固态硬盘SATA接口供电电压、电流、平均&实时读/写速率、平均读/写响应时间、写入数据量等性能参数，并可定期检查记录SSD的磁盘容量情况，还能调节工作频率(读写比例、数据包大小、访问模式)，控制供电电压。

附图说明

图1是本发明的NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统在进行温度试验时的系统架构示意图；

图2是本发明的NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统在进行单粒子辐照试验时的系统架构示意图；

图3是本发明的NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统在进行总剂量辐照试验时的系统架构示意图；

图4是本发明的NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统在进行热真空试验时的系统架构示意图；

图5是本发明的NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法在测试被测硬盘容量时的测试流程图；

图6是本发明的NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法在测试被测硬盘读写数据等时的测试流程图；

图7是本发明的NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法在测试被测硬盘电压、电流时的测试流程图；

图8是本发明的NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法的整体流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

名词解释：

SSD——(solid state drive)固态硬盘；

NAND闪存固态硬盘——采用NAND闪存芯片作为存储芯片的固态硬盘；

SATA接口——(Serial Advanced Technology Attachment)一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口；

SATA线缆——连接SATA接口的线缆。

本发明的NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统，包括，测试机主板(主板上已安装有必要的CPU、内存等器件)、被测的NAND闪存固态硬盘、测试机电源、程控电源(本实施例中选用安捷伦电源)和测试机显示器，所述测试机主板通过显示信号线缆与所述测试机显示器连接，所述测试机主板通过供电线缆与所述测试机电源连接，所述测试机主板通过SATA数据线缆(SATA数据线缆的长度通常需要小于0.5米)与所述被测的NAND闪存固态硬盘连接，所述测试机主板通过以太网线缆与所述程控电源连接，所述程控电源通过SATA电源线缆与所述被测的NAND闪存固态硬盘连接，为所述被测的NAND闪存固态硬盘供电；所述测试机主板还通过键盘线缆连接有键盘和/或通过鼠标线缆连接有鼠标；所述被测的NAND闪存固态硬盘置于模拟空间环境中；所述模拟空间环境包括：温度试验环境、单粒子辐照试验环境、总剂量辐照试验环境和热真空试验环境中的一种。所述温度试验环境主要由温箱构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘置于所述温箱内，所述SATA数据线缆和所述SATA电源线缆均通过所述温箱侧壁上的线缆开口引出，所述测试机主板、所述测试机电源、所述程控电源和所述测试机显示器均设置于所述温箱外部。所述单粒子辐照环境主要由激光脉冲发生器试验台构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘置于所述激光脉冲发生器试验台上，当所述的测试系统处于工作状态时激光脉冲发生器发出的激光束按照预设规则照射或扫射到所述被测的NAND闪存固态硬盘上。所述总剂量辐照试验环境主要由钴60辐射源构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘置于所述钴60辐射源辐射范围内的试验架上，所述测试机主板也位于所述钴60辐射源辐射范围内，所述测试机主板外周设置有用于遮挡辐射射线保护所述测试机主板的铅砖，所述测试机电源、所述测试机显示器、所述程控电源和所述测试机主板的其他外设均处于所述钴60辐射源的辐射范围以外且均通过线缆延长线与所述测试机主板连接，所述程控电源通过SATA电源线缆延长线与所述被测的NAND闪存固态硬盘连接。所述热真空试验环境主要由热真空罐构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘和所述测试机主板均设置在所述热真空罐内，连接在所述测试机主板上的所述显示信号线缆、所述供电线缆、所述以太网线缆和连接在所述所述SATA电源线缆均分别通过所述热真空罐侧壁的法兰盘，配合92芯连接器与所述热真空罐外部的所述显示信号线缆、所述供电线缆、所述以太网线缆以及所述SATA电源线缆对应连接；在所述热真空罐中所述测试机主板密封在一密封盒内，连接在所述测试机主板上的线缆均通过所述密封盒上开设的走线孔引出所述密封盒，所述测试机主板上的线缆经所述走线孔引出后所述走线孔经过密封处理。

本发明的NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法，包括以下步骤：

S1，将被测的NAND闪存固态硬盘置于模拟空间试验环境中，完成所述被测的NAND闪存固态硬盘与测试机主板以及与程控电源的硬件连接，完成所述测试机主板与显示器以及与所述程控电源的硬件连接，完成所述测试机主板与测试机电源以及与输入输出设备的硬件连接；

S2，将所述试验环境启动，开始测试，实时采集、处理所述被测NAND闪存固态硬盘的电压电流数据、平均&实时读写速度数据、平均读/写响应时间数据、写入数据量数据和磁盘容量数据，并以表格形式和动态曲线方式实时显示在所述显示器上；

S3，将S2中实时采集、处理后得到的所述电压电流数据、所述平均&实时读写速度数据、所述平均读/写响应时间数据、所述写入数据量数据和所述磁盘容量数据存入数据库中；

S4，对S3记录到数据库中的数据进行筛选、调取，并将筛选、调取结果显示到所述显示器上，并根据指令或预设规则将指定时间段的指定类型数据或筛选数据以文件形式导出。

具体包括以下步骤：

Iometer软件、SSDTS软件和Access数据库运行在主要由所述测试机主板和显示器构成的测试机系统上；所述Iometer软件负责部署、执行对所述被测NAND闪存固态硬盘的读写相关测试，实时将所测得的数据发送给所述SSDTS软件；所述SSDTS软件负责接收所述Iometer软件发送的所述测得的数据，还负责执行对所述被测NAND闪存固态硬盘的电压电流测试及容量测试，还负责以表格及曲线形式显示实时数据，并记录至所述Access数据库；所述Access数据库，用于保存所述被测NAND闪存固态硬盘的测试数据。

测试所述被测NAND闪存固态硬盘的电压电流数据的步骤包括：

a.启动所述SSDTS软件开始测试；

b.建立与所述程控电源的TCP连接；

c.判断测试是否结束，如是则停止测试，如果否则判断与所述程控电源连接是否断开，如是则重新建立与所述程控电源的TCP连接，如否则继续进行步骤d；

d.向所述程控电源发送数据请求；

e.接收所述程控电源返回的测试数据；

f.将步骤e接收到的测试数据写入数据库；

g.更新实时数据显示列表及实时曲线；

测试所述被测NAND闪存固态硬盘的读写相关数据的步骤包括：

a.在Iometer软件中部署测试管理器；

b.设置测试硬盘为所述被测NAND闪存固态硬盘；

c.配置测试规则，所述测试规则包括：数据包大小、访问模式、读写比例、等待时间、运行时间和刷新频率；

d.开始测试；

e.判断测试是否结束，如是则结束，如否则判断共享内存是否已满，如已满则返回，如未满则向所述共享内存写出所述被测NAND闪存固态硬盘的读写相关测试数据；

f.所述SSDTS软件开始测试，判断测试是否结束，如是则结束，如否则继续执行下一步骤；

g.判断所述共享内存是否存在更新的所述读写相关测试数据，如果否则返回，如果是则从所述共享内存中读取所述读写相关测试数据；

h.将步骤g中读取到的所述读写相关测试数据写入所述数据库；

i.更新实时数据显示列表及实时曲线；

测试所述被测NAND闪存固态硬盘的容量数据的步骤包括：

a.开始测试；

b.获取所述被测NAND闪存固态硬盘及其磁盘分区情况；

c.判断测试是否结束，如是则结束，如否则调用系统API获取所述被测NAND闪存固态硬盘的磁盘分区总大小、剩余空间大小、已用空间大小；

d.根据所述被测NAND闪存固态硬盘及其分区情况，计算得到所述被测NAND闪存固态硬盘的容量数据；

e.将计算得到的所述容量数据写入所述数据库；

f.更新实时数据显示列表及实时曲线。

所述读写相关测试数据包括：所述平均&实时读写速度数据、所述平均读/写响应时间数据、所述写入数据量数据。

以下详细说明：

为分析NAND闪存固态硬盘空间环境效应，奠定后续商用SSD空间应用的可靠性评估研究的基础，本发明设计了一套适用于热循环、热真空、空间辐照等典型空间环境效应的固态硬盘试验系统，实现了参数自动监测，数据采集、处理、图形化显示、存储、回放等功能，可监测批量固态硬盘SATA接口供电电压、电流、平均&实时读/写速率、平均读/写响应时间、写入数据量等性能参数，并定期检查记录SSD的磁盘容量情况，还能调节测试策略(读写比例、数据包大小、访问模式)，控制供电电压。

SSD概况

基于NAND闪存的固态硬盘基本功能是通过标准SATA接口与主机系统进行数据存储与交换，主要由主控芯片、缓存芯片、NAND闪存芯片、电源芯片和SATA接口组成，主控芯片为支持SSD的定制化微处理器，负责NAND闪存与主机间的通讯传输；缓存DRAM作为主控的工作内存，并运行固件；NAND闪存包含多块NAND芯片，主要用来存储数据，占据了印制板大部分空间；电源芯片处理5V直流电压，为各功能单元供电；SATA接口为SSD与主机间数据和电源交互的接插件。基本工作原理是，固态硬盘通过SATA接口与计算机相连，数据和电源通过SATA接口分别接入主控芯片和电源芯片，电源芯片将电源降压后对各功能单元供电，主控芯片将数据进行逻辑地址和物理地址转换后，分配到各NAND闪存上进行读写操作，主控芯片与闪存之间的数据交互缓冲由缓存芯片完成。

固态硬盘的性能指标及故障分析：

固态硬盘的主要工作性能指标可以用工作电流、读写速度、以及坏块数量来进行表征。

1)工作电流

工作电流(包括写入电流和读取电流)主要取决于环境条件、操作平台(计算机CPU、接口类型等)、读写数据包大小、闪存状态等因素。工作电流是固态硬盘最重要的性能指标之一。一方面，工作电流可以表征固态硬盘稳定工作的能力；另一方面，当固态硬盘在某环境条件下连续工作时，工作电流也可以反映性能的漂移特性和退化特性，是进行可靠性分析的重要数据来源。

2)读写速度

固态硬盘的读写方式分为两种：顺序读写和随机读写。顺序读写方式主要用于传输大量连续数据的工况，顺序读写方式的关键衡量指标是数据吞吐量，其单位为MB/s；随机读写方式主要用于频繁传输小文件的工况，随机读写方式的关键衡量指标是单位时间内系统能处理的I/O请求数量(Input/Output Per Second,IOPS)，一般以每秒处理的I/O请求数量为单位，I/O请求通常为读或写数据操作请求。读写速度主要取决于环境条件、操作平台、读写数据包大小、闪存状态、内部算法等因素，是固态硬盘的一个重要指标，反映了是否故障的状态。

3)坏块数量

在对固态硬盘进行读写操作时，闪存中的某些块在数据写入或擦除过程中会产生无法校正的错误，此时主控芯片将这些块标记出来作为坏块，不再对其进行读写操作。固态硬盘的坏块数量主要取决于环境条件、读写负荷、闪存状态等因素。当固态硬盘长期执行数据读写和擦除后，随着无法校正错误的增加，其坏块数量将会增加，这反映了固态硬盘长时间工作的性能特征变化。

工业界对SSD可靠性及故障的研究主要集中在硬盘故障、无法校正的错误、静态错误等三个方面。其中硬盘故障定义为硬盘功能失效或者性能衰退至用户不再使用；无法校正的错误为当主机发出读取指令时，硬盘响应为数据不可恢复的信号；静态错误为当硬盘向主机发送损坏数据时，未出现报错信号。根据固态硬盘的故障模式及影响分析(FMEA)结果，常见的固态硬盘故障主要有三类：

1)NAND闪存单元故障，包括原始比特错误(Raw Bit Error)、写入错误(ProgramError)、读取干扰(Read Disturb)、数据保持发生错误(Data Retention Error)等，闪存有天然的数据比特翻转率，大部分失效机理可归因于氧化层陷阱效应，因为SiO2薄膜中的不完全原子键，例如隧道氧化物，可以捕获负电荷或正电荷；

2)其它集成电路故障，例如金属互联丝腐蚀、制造缺陷、辐照软失效等，JESD122H标准中列举了集成电路常见的15种失效，主要是磨损失效，可以通过加速试验的方法预计其正常寿命；

3)固件与裕度设计故障，无法进行加速试验设计，须采用仿真或大样本试验进行验证。

按照失效机理分类方法，将SSD这三类故障简化为两种故障模式：

1)突发失效，对应过应力型失效机理，导致随机性失效，是指应力超过材料强度而导致产品突发失效，如元器件因质量问题或焊接不良，引起功能单元无法被系统识别；制造缺陷导致集成电路中绝缘层损坏，相邻连线短接，引发比特错误，甚至芯片烧毁；辐射引起的软错误；固件故障造成主控芯片误操作、抗掉电设计的裕度设计会导致数据损坏，甚至硬盘永久失效。

2)退化失效，对应耗损型失效机理，导致确定性失效，是指累积损伤超过材料承受极限而导致产品发生退化失效，如辐射源的累积效应造成软故障；集成电路、无源器件，甚至电路板本身也会出现键合丝断裂、焊点疲劳。

空间环境效应分析

固态硬盘在轨工作时需要经历空间环境应力、工作应力和系统应力。

(1)空间环境：固态硬盘在空间运行期间，需要经历高温、低温、温度循环、真空、失重以及电磁环境、微流星和轨道碎片、高能带电粒子、等离子体、空间光辐射等。尽管航天器采用了热控、防静电、防辐射等防护措施，舱内环境仍旧十分恶劣，环境种类与舱外相同，只是强度降低。航天器在轨运行造成外部环境周期性变化，舱内环境也在一定程度上随之改变，并且随着在轨时间增加，防护效能下降，内部环境会不断恶劣。

(2)工作环境：固态硬盘需要在供电环境下进行数据读、写、擦工作，因此，在轨工作时固态硬盘受到的工作应力为施加在SATA接口的电流和电压，以及擦写操作的次数，即工作频率。

(3)平台环境：固态硬盘安装在舱内，在轨工作会受到系统平台和舱内其他元件的影响，包括平台微小振动、其他元件的电磁干扰等。

固态硬盘全寿命周期的空间环境效应可归纳如上表所示，空间引力场造成的失重，还有真空环境，电磁干扰对固态硬盘影响不大。由于空间光辐射仅对材料造成老化、镀层损伤，等离子体仅对壳体充电，而舱内的固态硬盘多位于机箱内，且有外壳保护，因此对固态硬盘内部芯片影响可忽略不计，微流星体和轨道碎片造成的微振或冲击，以及平台的微振会使接插件接触表面产生微小的相对运动，会造成微动磨损和微动疲劳，引起镀层剥落、接触点断裂等，但接插件在做过防护设计后可以减少此类失效。因此，温度、真空、粒子辐射、供电环境、工作频率是影响固态硬盘可靠性的主要因素。

1)温度应力

MLC(Multi Level Cell，多层单元)型闪存颗粒中每个Cell需要存放2bit数据，即电平要被分为4档，当电平值漂移时，出现原始比特错误，而电平的分布取决于已擦写次数和温度。NAND闪存的RBER(Raw Bit Error Rate)原始比特错误率会随着擦写次数(PEcycle)增加而增加。因此温度会造成NAND闪存在工作中读写性能逐渐下降，导致固态硬盘无法正常工作，直至失效。

2)真空应力

真空应力会使芯片或电路板表面吸附的气体从表面脱离，而溶解于内部的气体将从内部向边界扩散，最终进入外界。真空出气效应会导致物理结构、化学成分的改变，形成微孔、裂纹，使性能下降。同时，放出的气体重新黏附在表面，可能会造成电阻增大；

3)粒子辐射

高能粒子辐射引起等离子体径迹，产生电荷在径迹内流动，芯片的寄生器件或薄弱环节被激活，从而造成芯片特性或功能的暂时性或永久性改变。

由宇宙射线产生或者封装材料中微量放射性杂质释放出的高能粒子击中集成电路，使其电路故障，造成辐射引起的软错误。而外部粒子辐射电荷积累形成总剂量效应，可能导致芯片的性能漂移、功能衰退，严重时造成完全失效或损坏。

4)电压

当NAND芯片中存在固有或外部缺陷时，介质击穿的概率与施加的电压呈指数关系。

5)工作频率

由于擦/写操作会使NAND芯片上电压升高，因此擦写次数会影响故障发生的频次。

根据SSD的结构、材料和功能，以及空间环境效应的分析结果，初步确定可能影响固态硬盘可靠性的敏感应力为温度、真空、粒子辐射、电压和工作频率。因此为开展相应空间环境地面模拟试验，分析各敏感应力变化对性能特性的影响，以及综合应力下性能特性随时间的变化规律，为商用SSD的空间应用提供可靠依据，同时考虑试验可行性，应开展温度、辐照(总剂量效应、单粒子效应)、热真空等三类试验，均同时施加电压和工作频率应力。

SSD测试系统搭建

1)方案概述

整个测试系统基于工业加固硬件和商用测试软件，其核心是一块加固型主板，主板上提供4个标准SATA接口。主板运行Windows桌面系统，使用开源的商用测试软件Iometer进行二次开发，通过SATA数据接口监测SSD平均&实时读/写速率、平均读/写响应时间、写入数据量，以及容量等性能参数。通过Keysight电源内置的监测模块对电压和电流进行记录，数据通过以太网导入主板中，由软件进行读取。

试验系统主要包括测试机、被测SSD、测试机电源、程控电源(Keysight电源)、外接设备(显示器、键盘、鼠标等)以及相关线缆。在开展温度试验或单粒子辐照试验时，只有待测SSD置于试验环境中，程控电源，测试机、测试机电源，及其键盘、鼠标、显示器等外设位于测试环境外。在开展热真空试验时，测试机和SSD置于试验环境中，程控电源，测试机电源以及测试机的键盘、鼠标、显示器等外设位于测试环境外。

硬件设计

测试机选用工业加固型成熟计算机主板，通过电缆从外部测试机电源取电。测试机通过SATA数据接口连接被测SSD，控制、监测被测SSD相关性能特性参数。由于测试机SATA电源接口无法实现对电压和电流的监测，因此被测SSD供电采用单独的供电线，连接到外部的程控电源，程控电源在试验过程中通过SATA电源接口为被测SSD提供可调节电压5V(±5％)，并利用内置功能模块，记录电压和电流情况。

为了避免试验环境对测试系统的影响，必须对其采取防护措施。在温度循环试验时，由于温箱侧壁有线缆开口，且距离不长，可将测试机放置在温箱外，通过线缆和内部的被测SSD连接(距离建议不超过0.5m)。此时测试设备可不受测试环境的影响；在单粒子辐照试验环境中脉冲激光单粒子试验时，开封后的被测SSD置于激光脉冲发生器试验台上，其它与温度循环试验环境类似；在辐照总剂量试验时，为避免辐射源对测试系统的影响，采用铅砖进行遮挡；在热真空试验时，由于需要较长的走线距离，且需要通过专门的密封接插件实现内外部的信号通讯，而普通热真空罐所用的92芯连接器一般只用作供电和低速通讯所用，SATA接口的高速信号无法引出。因此，测试机需要和被测SSD一同置于热真空试验环境内，再将分析处理后的结果通过RS-232低速通讯接口引出至环境外。热真空环境对测试机的影响主要体现在气压和温度两方面。测试机主板上电解电容等器件，在低气压时可能损坏，因此拟使用密封盒，将测试机主板进行密封隔离处理，密封盒上开走线孔，供线缆穿行，走线后，开孔处进行密封处理。另外，测试机主板散热在真空条件下会受到影响，一旦过热，测试机主板会自动进行保护断电。因此，整个测试需要严格控制测试机主板工作时间，无法长期持续工作，只能间歇进行间断测试，每次测试完成后关机，控制测试机主板发热情况。

软件开发

试验系统软件主要由Iometer软件、SSDTS软件、Access数据库三部分集成。其中，Iometer软件，负责部署、执行对被测SSD读写速率的测试，实时将相关数据发送给SSDTS软件；SSDTS软件，负责接收Iometer软件发送的被测SSD读写速率测试数据，执行被测SSD电压电流及容量测试，以表格及曲线形式显示实时数据，并记录至数据库，便于查询、管理。主体界面主要包括实时视图和历史视图，实时视图显示测试数据及曲线，历史视图包括筛选条件和过滤后的数据列表；Access数据库，用于保存被测SSD的测试数据。

基于VS对专业硬盘测试软件Iometer-1.1.0版本进行改版，将实时获取的被测SSD的读写测试数据，放至共享内存，再由基于QT5.8开发的SSDTS软件进行读取。如图3所示。

软件可设置硬盘工作组、试验策略，实时监测各SSD SATA接口的：a)电流；b)读写速度(Read/Write IOps、Read/Write MBps)；c)SSD容量等参数，实现数据实时记录、分析、图形化显示。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明从地面模拟试验技术出发，根据和系统性研究机理的需要，分析了试验可激发的环境效应及可行性，建立了固态硬盘空间环境地面模拟试验方法，为系统性地研究固态硬盘的空间环境可靠性提供了切入点。本发明还设计了一套适用于热循环、热真空、空间辐照等典型空间环境效应的固态硬盘试验系统，实现了参数自动监测，数据采集、处理、图形化显示、存储、回放等功能，可监测批量固态硬盘SATA接口供电电压、电流、平均&实时读/写速率、平均读/写响应时间、写入数据量等性能参数，并可定期检查记录SSD的磁盘容量情况，还能调节工作频率(读写比例、数据包大小、访问模式)，控制供电电压。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统，其特征在于，包括，测试机主板、被测的NAND闪存固态硬盘、测试机电源、程控电源和测试机显示器，所述测试机主板通过显示信号线缆与所述测试机显示器连接，所述测试机主板通过供电线缆与所述测试机电源连接，所述测试机主板通过SATA数据线缆与所述被测的NAND闪存固态硬盘连接，所述测试机主板通过以太网线缆与所述程控电源连接，所述程控电源通过SATA电源线缆与所述被测的NAND闪存固态硬盘连接，为所述被测的NAND闪存固态硬盘供电；所述测试机主板还通过键盘线缆连接有键盘和/或通过鼠标线缆连接有鼠标；所述被测的NAND闪存固态硬盘置于模拟空间环境中；所述模拟空间环境包括：温度试验环境、单粒子辐照试验环境、总剂量辐照试验环境和热真空试验环境中的一种。

2.根据权利要求1所述的NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统，其特征在于，所述温度试验环境主要由温箱构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘置于所述温箱内，所述SATA数据线缆和所述SATA电源线缆均通过所述温箱侧壁上的线缆开口引出，所述测试机主板、所述测试机电源、所述程控电源和所述测试机显示器均设置于所述温箱外部。

3.根据权利要求1所述的NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统，其特征在于，所述单粒子辐照环境主要由激光脉冲发生器试验台构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘置于所述激光脉冲发生器试验台上，当所述的测试系统处于工作状态时激光脉冲发生器发出的激光束按照预设规则照射或扫射到所述被测的NAND闪存固态硬盘上。

4.根据权利要求1所述的NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统，其特征在于，所述总剂量辐照试验环境主要由钴60辐射源构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘置于所述钴60辐射源辐射范围内的试验架上，所述测试机主板也位于所述钴60辐射源辐射范围内，所述测试机主板外周设置有用于遮挡辐射射线保护所述测试机主板的铅砖，所述测试机电源、所述测试机显示器、所述程控电源和所述测试机主板的其他外设均处于所述钴60辐射源的辐射范围以外且均通过线缆延长线与所述测试机主板连接，所述程控电源通过SATA电源线缆延长线与所述被测的NAND闪存固态硬盘连接。

5.根据权利要求1所述的NAND闪存固态硬盘空间环境效应测试系统，其特征在于，所述热真空试验环境主要由热真空罐构成，所述被测的NAND闪存固态硬盘和所述测试机主板均设置在所述热真空罐内，连接在所述测试机主板上的所述显示信号线缆、所述供电线缆、所述以太网线缆和连接在所述所述SATA电源线缆均分别通过所述热真空罐侧壁的法兰盘，配合92芯连接器与所述热真空罐外部的所述显示信号线缆、所述供电线缆、所述以太网线缆以及所述SATA电源线缆对应连接；在所述热真空罐中所述测试机主板密封在一密封盒内，连接在所述测试机主板上的线缆均通过所述密封盒上开设的走线孔引出所述密封盒，所述测试机主板上的线缆经所述走线孔引出后所述走线孔经过密封处理。

6.一种NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法，其特征在于包括以下步骤：

S1，将被测的NAND闪存固态硬盘置于模拟空间试验环境中，完成所述被测的NAND闪存固态硬盘与测试机主板以及与程控电源的硬件连接，完成所述测试机主板与显示器以及与所述程控电源的硬件连接，完成所述测试机主板与测试机电源以及与输入输出设备的硬件连接；

S2，将所述试验环境启动，开始测试，实时采集、处理所述被测NAND闪存固态硬盘的电压电流数据、平均&实时读写速度数据、平均读/写响应时间数据、写入数据量数据和磁盘容量数据，并以表格形式和动态曲线方式实时显示在所述显示器上；

S3，将S2中实时采集、处理后得到的所述电压电流数据、所述平均&实时读写速度数据、所述平均读/写响应时间数据、所述写入数据量数据和所述磁盘容量数据存入数据库中，；

S4，对S3记录到数据库中的数据进行筛选、调取，并将筛选、调取结果显示到所述显示器上，并根据指令或预设规则将指定时间段的指定类型数据或筛选数据以文件形式导出。

7.根据权利要求6所述的NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法，其特征在于，所述的方法，具体包括以下步骤：

Iometer软件、SSDTS软件和Access数据库运行在主要由所述测试机主板和显示器构成的测试机系统上；所述Iometer软件负责部署、执行对所述被测NAND闪存固态硬盘的读写相关测试，实时将所测得的数据发送给所述SSDTS软件；所述SSDTS软件负责接收所述Iometer软件发送的所述测得的数据，还负责执行对所述被测NAND闪存固态硬盘的电压电流测试及容量测试，还负责以表格及曲线形式显示实时数据，并记录至所述Access数据库；所述Access数据库，用于保存所述被测NAND闪存固态硬盘的测试数据。

8.根据权利要求7所述的NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法，其特征在于，

测试所述被测NAND闪存固态硬盘的电压电流数据的步骤包括：

a.启动所述SSDTS软件开始测试；

b.建立与所述程控电源的TCP连接；

c.判断测试是否结束，如是则停止测试，如果否则判断与所述程控电源连接是否断开，如是则重新建立与所述程控电源的TCP连接，如否则继续进行步骤d；

d.向所述程控电源发送数据请求；

e.接收所述程控电源返回的测试数据；

f.将步骤e接收到的测试数据写入数据库；

g.更新实时数据显示列表及实时曲线；

测试所述被测NAND闪存固态硬盘的读写相关数据的步骤包括：

a.在Iometer软件中部署测试管理器；

b.设置测试硬盘为所述被测NAND闪存固态硬盘；

c.配置测试规则，所述测试规则包括：数据包大小、访问模式、读写比例、等待时间、运行时间和刷新频率；

d.开始测试；

e.判断测试是否结束，如是则结束，如否则判断共享内存是否已满，如已满则返回，如未满则向所述共享内存写出所述被测NAND闪存固态硬盘的读写相关测试数据；

f.所述SSDTS软件开始测试，判断测试是否结束，如是则结束，如否则继续执行下一步骤；

g.判断所述共享内存是否存在更新的所述读写相关测试数据，如果否则返回，如果是则从所述共享内存中读取所述读写相关测试数据；

h.将步骤g中读取到的所述读写相关测试数据写入所述数据库；

i.更新实时数据显示列表及实时曲线；

测试所述被测NAND闪存固态硬盘的容量数据的步骤包括：

a.开始测试；

b.获取所述被测NAND闪存固态硬盘及其磁盘分区情况；

c.判断测试是否结束，如是则结束，如否则调用系统API获取所述被测NAND闪存固态硬盘的磁盘分区总大小、剩余空间大小、已用空间大小；

d.根据所述被测NAND闪存固态硬盘及其分区情况，计算得到所述被测NAND闪存固态硬盘的容量数据；

e.将计算得到的所述容量数据写入所述数据库；

f.更新实时数据显示列表及实时曲线。

9.根据权利要求8所述的NAND闪存固态硬盘空间环境效应试验方法，其特征在于，所述读写相关测试数据包括：所述平均&实时读写速度数据、所述平均读/写响应时间数据、所述写入数据量数据。