SSD chống mất điện: PLP, iCell và cách kiểm khi chọn ổ công nghiệp

Máy tính công nghiệp trong tủ điện thường không được tắt bằng lệnh shutdown. Người vận hành gạt aptomat, máy phát chuyển nguồn, dây DC lỏng vì rung, hoặc xe tắt máy là nguồn mất ngay. Với ổ SSD, mỗi lần như vậy là một lần mất điện đột ngột giữa lúc có thể đang ghi. Chỉ cần một lần rơi đúng lúc ổ đang cập nhật bảng quản lý dữ liệu, máy có thể không vào được hệ điều hành nữa.

SSD chống mất điện là cách gọi chung cho các ổ có cơ chế bảo vệ dữ liệu khi nguồn mất bất ngờ, viết tắt PLP (power-loss protection). Bài này giải thích vì sao mất điện nguy hiểm với SSD, PLP bằng phần cứng khác PLP bằng firmware ở đâu, công nghệ iCell của Innodisk và cách làm tương ứng trên Advantech SQFlash, rồi chỉ cách đọc datasheet và phối hợp với UPS, trễ tắt máy và hệ thống file. Nếu bạn đang chọn ổ từ đầu, bài Chọn SSD công nghiệp cho máy tính công nghiệp: 5 điều phải khớp đi qua khe cắm, loại NAND, dải nhiệt và tuổi thọ; bài này chỉ đào sâu một điều trong số đó: mất điện.

Vì sao mất điện đột ngột làm hỏng SSD?

Trong SSD, dữ liệu đi qua nhiều tầng trước khi nằm yên trong chip NAND, và có những khoảnh khắc nó chỉ tồn tại trong bộ nhớ tạm không giữ được khi mất điện.

Bộ đệm DRAM: dữ liệu "đã ghi" nhưng chưa nằm trên NAND

Nhiều SSD có chip DRAM làm bộ đệm (cache) giữa controller và NAND để tăng tốc. Khi hệ điều hành gửi lệnh ghi, controller có thể nhận dữ liệu vào DRAM rồi báo "xong" ngay, sau đó mới ghi dần xuống NAND. DRAM là bộ nhớ khả biến (volatile): mất điện là mất sạch. Nếu nguồn cắt trong khoảng thời gian giữa lúc báo xong và lúc ghi xong, phần dữ liệu đó biến mất trong khi phần mềm vẫn tin là đã lưu. Với file log hay cơ sở dữ liệu, điều này nghĩa là bản ghi cuối bị thiếu hoặc file bị hỏng cấu trúc.

Bảng FTL: thứ mất là ổ không nhận

Nguy hiểm hơn là bảng ánh xạ của FTL (flash translation layer, lớp chuyển đổi địa chỉ). NAND không cho ghi đè tại chỗ, nên mỗi lần sửa dữ liệu, controller ghi vào trang mới rồi cập nhật bảng cho biết địa chỉ logic nào đang nằm ở trang vật lý nào. Bảng này được giữ một phần trong DRAM để tra nhanh và lưu định kỳ xuống NAND. Mất điện đúng lúc bảng đang được cập nhật hoặc đang ghi xuống, ổ có thể khởi động lên với bảng không khớp dữ liệu thật: mất file, hỏng phân vùng, hoặc ổ báo dung lượng sai, thậm chí BIOS không nhận ổ.

Chính yếu tố "công nghiệp" của chiếc máy làm rủi ro này lớn lên: máy văn phòng mỗi năm mất điện đột ngột vài lần, còn máy trong tủ điện có thể bị cắt nguồn mỗi ca. Cùng một ổ, đặt vào hai môi trường khác nhau, tuổi thọ dữ liệu khác hẳn.

PLP phần cứng và PLP firmware khác nhau thế nào?

Có hai hướng bảo vệ, và datasheet thường ghi chung một chữ "power loss protection" cho cả hai. Phân biệt được là bước đầu tiên để chọn đúng.

PLP phần cứng: tụ điện giữ nguồn vài chục mili giây

Ổ được gắn thêm tụ điện trên bo mạch (tụ tantalum hoặc siêu tụ supercap tuỳ thiết kế), nạp đầy khi có điện. Khi mạch phát hiện điện áp vào sụt, tụ xả cấp nguồn cho controller và NAND đủ lâu để ghi hết dữ liệu trong DRAM và lưu bảng FTL xuống NAND. Hướng này bảo vệ được cả dữ liệu đang "trên đường bay" (in-flight), tức dữ liệu ổ đã nhận nhưng chưa ghi xong.

PLP firmware: không nhận lệnh mới, chỉ báo xong khi đã thật sự ghi

Không có tụ riêng, ổ dựa vào thuật toán: phát hiện sụt áp sớm, ngừng nhận lệnh mới, cố hoàn tất thao tác đang dở, và thiết kế để bảng FTL luôn khôi phục được về trạng thái nhất quán sau khi có điện lại. Hướng này giữ cho ổ không hỏng cấu trúc và dữ liệu đã ghi xong không bị mất, nhưng không cam kết giữ được dữ liệu còn nằm trong bộ đệm.

iCell của Innodisk: kéo thời gian từ 2 ms lên 60 ms

Innodisk gọi PLP phần cứng của mình là iCell. Theo trang công nghệ của hãng, iCell bổ sung các tụ đệm nguồn trên bo mạch SSD, cấp điện tức thời khi nguồn mất để ổ kịp đưa dữ liệu từ bộ đệm DRAM xuống flash. Hãng công bố: ở SSD thường không có iCell, nguồn dư sau khi mất điện chỉ giữ được khoảng 2 ms, không đủ để ghi bộ đệm xuống flash; với iCell, khoảng này kéo dài tới 60 ms, tức dài gấp 30 lần.

iCell không đứng một mình. Innodisk xếp ba lớp bảo vệ nguồn bổ trợ nhau:

• iData Guard: cơ chế phối hợp phần cứng và firmware. Khi bộ phát hiện thấy điện áp sụt, ổ lập tức ngừng nhận lệnh mới từ máy chủ, hoàn tất thao tác cuối, và dùng cơ chế ánh xạ lại bảng (table re-mapping) để dữ liệu nguyên vẹn khi có điện trở lại.
• iPower Guard: lớp phòng ngừa, bảo vệ ổ trong lúc khởi động và tắt máy khi nguồn chập chờn, hướng tới các ứng dụng đặt ở xa với nguồn không ổn định.
• iCell: lớp phần cứng giữ nguồn để cứu dữ liệu trong bộ đệm DRAM.

Hãng cũng ghi rõ iCell dành cho SSD có DRAM, vì đó là nơi chứa dữ liệu khả biến cần cứu. Trên trang iCell, Innodisk liệt kê các dòng nên dùng, trong đó có hai dòng 2,5 inch SATA quen thuộc với máy tính công nghiệp:

Ví dụ 3MV2-P cho thấy vì sao PLP gắn với ứng dụng: đầu ghi camera ghi liên tục cả ngày, bộ đệm gần như lúc nào cũng có dữ liệu chưa xuống NAND. Mất điện ở đầu ghi không có PLP phần cứng thường làm hỏng đoạn video cuối hoặc cả file đang ghi.

Advantech SQFlash: Flush Manager và siêu tụ trên dòng 840L-D

Advantech dùng cả hai hướng trên các dòng SQFlash, công bố trong tài liệu chính thức:

• Flush Manager (firmware): trong datasheet SQFlash M.2 2242 SATA 650-D, Advantech mô tả PLP bằng Flush Manager: controller chỉ gửi xác nhận (ACK) cho máy chủ khi dữ liệu đã thật sự được ghi xuống NAND. Cách này loại bỏ khoảng hở "báo xong nhưng chưa ghi" ở bộ đệm DRAM, đổi lại hiệu năng ghi phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ NAND.
• Siêu tụ (phần cứng): tài liệu giới thiệu SQFlash 2.5″ SATA SSD 840L-D ghi ổ có supercap tích hợp, hoạt động như một UPS nhỏ cấp điện cho SSD đủ lâu để lưu dữ liệu đang truyền vào NAND. Advantech công bố ổ chịu được 3.500 chu kỳ mất điện AC đột ngột mà không mất dữ liệu. 840L-D là dòng 3D TLC 480 GB tới 7,68 TB, thiết kế theo tải doanh nghiệp JESD 218/219, độ bền 1 DWPD trong 5 năm, dải nhiệt 0–70 °C.

Như vậy, khi chọn SQFlash cho máy hay bị cắt nguồn, cần xem model cụ thể dùng Flush Manager hay có tụ phần cứng, và đối chiếu dải nhiệt: 840L-D là dòng 0–70 °C, phù hợp tủ điện có làm mát hoặc phòng máy, chưa phải lựa chọn cho tủ ngoài trời. Trên site có bài giới thiệu SSD công nghiệp Advantech SQFlash SQF-C25V4-240G-ECE dạng 2,5 inch SATA để tham khảo thêm về dòng SQFlash.

Cách kiểm khi chọn SSD chống mất điện

Đọc datasheet theo thứ tự sau, đừng dừng ở dòng "power loss protection" trong danh sách tính năng.

1. PLP là phần cứng hay firmware? Tìm các chữ "capacitor", "supercap", "hardware PLP", hoặc tên riêng như iCell. Nếu chỉ có tên cơ chế firmware (iData Guard, Flush Manager, "power failure management"), đó là bảo vệ cấu trúc, chưa phải giữ nguồn.
2. PLP có trên đúng mã đặt hàng không? Có dòng để iCell là tuỳ chọn, chỉ một số mã trong bảng đặt hàng có. Kiểm cột tính năng trong bảng "Ordering information" chứ không chỉ trang giới thiệu dòng.
3. Ổ có DRAM không? Ổ không DRAM ít dữ liệu nằm trong bộ đệm hơn, nên firmware PLP thường đủ cho ứng dụng ghi nhẹ. Ổ có DRAM, ghi nặng thì nên có PLP phần cứng.
4. Dải nhiệt của bản có PLP. Tụ điện cũng có giới hạn nhiệt. Kiểm bản có PLP có bản công nghiệp -40 đến 85 °C không, hay chỉ có 0–70 °C, rồi so với nhiệt thật trong vỏ máy.
5. Con số kiểm chứng. Hãng có công bố thời gian giữ nguồn (như 60 ms của iCell) hoặc số chu kỳ thử mất điện (như 3.500 chu kỳ của 840L-D) không. Có con số là có cơ sở so sánh.

SSD có PLP vẫn cần UPS, trễ tắt máy và hệ thống file phù hợp

PLP chỉ bảo vệ những gì đã tới được ổ. Dữ liệu còn nằm trong bộ nhớ của hệ điều hành và ứng dụng thì ổ không cứu được. Vì vậy cần thêm các lớp ngoài ổ:

• UPS có tín hiệu tắt máy: UPS chỉ hữu ích khi được nối tín hiệu (USB, RS-232 hoặc tiếp điểm khô) để máy tự shutdown trước khi pin cạn. UPS không nối tín hiệu chỉ hoãn chứ không tránh được lần mất điện đột ngột.
• Trễ tắt máy (ignition delay) trên xe: máy tính gắn xe nên có bộ điều khiển nguồn theo chìa khoá: khi tắt máy xe, máy tính vẫn được cấp nguồn thêm một khoảng đặt trước để shutdown đúng cách. Tính năng này nằm ở máy tính, không ở ổ, nên phải kiểm datasheet máy.
• Hệ thống file có nhật ký: NTFS, ext4 có journaling giúp cấu trúc file phục hồi sau mất điện. Với Linux nhúng, có thể gắn phân vùng hệ thống chỉ đọc và tách phân vùng ghi log riêng.
• Bộ lọc ghi: Windows IoT có Unified Write Filter (UWF) chuyển mọi thao tác ghi vào RAM, máy khởi động lại luôn về trạng thái sạch. Hợp với HMI, kiosk ít cần lưu dữ liệu.

Cách tắt máy cũng phụ thuộc chính chiếc máy. Dòng máy tính công nghiệp không quạt thường đặt trong tủ kín, trên xe, cạnh dây chuyền, tức đúng những nơi bị cắt nguồn nhiều nhất; nhiều mẫu hỗ trợ chế độ AT/ATX, dải nguồn DC rộng và tuỳ chọn trễ tắt theo chìa khoá. Chọn ổ PLP cùng lúc với máy giúp cả hệ thống khớp nhau.

Bảng chọn nhanh theo cách máy bị mất điện

Câu hỏi thường gặp

Đã có PLP thì có cần shutdown đúng cách nữa không?

Vẫn nên. PLP giữ cho ổ không hỏng và không mất dữ liệu đã tới ổ, nhưng file đang mở trong ứng dụng vẫn có thể dở dang. Shutdown đúng cách vẫn là trạng thái an toàn nhất; PLP là lưới đỡ khi không làm được.

Làm sao biết ổ đã trải qua bao nhiêu lần mất điện đột ngột?

Nhiều SSD ghi số lần tắt nguồn không an toàn (unsafe shutdown count) trong S.M.A.R.T. Đọc chỉ số này bằng phần mềm của hãng (như iSMART của Innodisk) hoặc công cụ S.M.A.R.T. chung giúp biết máy có đang bị cắt nguồn thường xuyên hay không, để sửa quy trình vận hành.

IPC247 làm được gì cho bạn

Đội kỹ thuật IPC247 tư vấn chọn bộ nhớ theo đúng chiếc máy và cách máy được cấp, cắt nguồn: kiểm khe cắm, nhiệt trong vỏ, máy có trễ tắt hay UPS, rồi đề xuất ổ có PLP phần cứng hay firmware cho phù hợp. IPC247 cung cấp hàng chính hãng Innodisk và Advantech, báo giá trong 2 giờ làm việc, xác nhận tình trạng hàng khi báo giá, và hỗ trợ kỹ thuật khi lắp đặt, cấu hình hệ điều hành, bộ lọc ghi hay theo dõi S.M.A.R.T. Xem thêm các bài trong chuyên mục SSD công nghiệp để so sánh từng dòng.

Nguồn tham khảo

• iCell Technology – Power Loss Protection (innodisk.com)
• iData Guard (innodisk.com)
• Trang sản phẩm Innodisk 2.5″ SATA SSD 3TG8-P (innodisk.com)
• Tài liệu giới thiệu SQFlash 2.5″ SATA SSD 840L-D (advantech.com)
• Datasheet SQFlash M.2 2242 SATA SSD 650-D (advantech.com)