国家计算机质检中心阳小珊:论闪存的质量特性及测试与评价技术

目前,对闪存产品的测试和评价技术指标主要从功能、性能、可靠性、易用性等方面进行多维度综合测评,而不同的产品形态,测评的技术指标不一定相同。闪存作为行业高度认可的未来存储介质,其质量如何保障,是大家都需要考虑的问题,生产高质量的国产闪存产品始终离不开严格的测试和标准的制定。

—— 国家计算机质检中心存储测评实验室主任阳小珊

本文记录阳小珊在2018全球存储半导体大会暨全球闪存技术峰会上的演讲实录,主题:《闪存的质量特性及测试与评价技术》。阳小珊分别从对当前闪存市场的产品质量、产业发展状况以及有关闪存的测试与评价内容进行了深入分析。

以下为演讲实录:

我的演讲首先涉及到闪存产品的质量。作为用户和普通第二方、第三方怎么评价这个产品是非常关键的,所以题目重点是闪存质量特性及测试评价。主要从这几个方面来讲,第一是质量与产业链的关系,第二是闪存及测试现状,主要是国内现状,第三是闪存的质量特性,从多个方面评价产品,第四是测试与评价。这个题目原来是在设计的时候后面加了技术,因为涉及到我讲的面比较广,所以不需要深入讲测评技术。

第一个方面是质量内容,首先重点讲一下质量和国家发展的关系。质量,进入二十一世纪以来,行业和国家都非常关注质量的内容。作为国家级战略,这部分已经写入十九大报告。质量报告包括四方面的内容,第一是产品质量是坚石的基础,也就是说芯片,包括上面的应用产品是我们的重点。然后是质量保障、质量提升和质量监管,关于第四部分质量监管目前是国内改革的重点,行政许可基本放权,测试和评价是后面重要的监管手段,事前事中事后,通过后面的质量监管体现服务质量。

测试和质量的关系,谈到质量肯定离不开测试,测试对我们的技术研究、产品设计、产品制造和产品应用都是非常关键的,对我们最终的用户来说,产品的应用非常关键,所以里面涉及到不同的测试方案都不一样,是整个产业生态链中不可缺失的重要环节。测试在我们企业产品生产过程中是重要的保障手段,也是发现产品问题、提升产品质量的重要手段。测试需求我们都知道,测试不仅仅说普通的用户需要,第一方需要,第二方需要,第三方也需要,第三方就是我们目前主要做的工作,做质量鉴定、认可、发证这些方面的工作。

谈到质量离不开标准,标准在产业发展中的地位不可动摇,具体表现在支撑性、战略性和基础性。标准是保证产品质量的重要依据,也是调整产业结构的杠杆,更是科技成果转化的桥梁。技术形成以后怎么才能形成产业标准指导产业发展是非常重要的,只要标准化出来引导标准。尤其是现在很火的5G,谁能引导标准,这在国际上的竞争是非常重要的。

存储产品对整个信息化发展具有非常重大的促进作用,是基础产品。目前物联网、大数据需求很旺,但是我们国内的情况不是太乐观,起步比较晚,技术比较低,知识产权相对比较少,缺少关键的核心技术。闪存作为未来发展的重要存储设备,它的地位不可动摇。整个行业怎么把质量提升上来,如何保证用户的使用,是大家都需要共同考虑的问题。

下面我讲一下测试的现状。既然讲到测试的话,需要有标准和方法,要明确产品的类型,我这里讲闪存测试是针对闪存的相关产品。在行业里面目前分了几大产品类型,第一是闪存卡,我们经常用到,也是比较成熟的。第二是固态盘,闪存盘也归在里面,产品不一样,标准方法也不一样。第三是闪存阵列,这是对特殊应用来说的,包括混合阵列和全闪阵列等等。第四是闪存系统,就是上层的应用产品,包括具有闪存的软硬件系统,像固态盘、闪存介质、闪存文件管理系统等方面的内容。

还有非常关键的测试跟产业链的关系,刚才简单讲了。测试其实是广泛和深入的学科,里面涉及到的东西很多,第一是评测指标体系。刚才陈教授讲可靠性的话,可靠性其实是非常广泛和深入的评价体系和指标体系,对应的方法和标准、服务测试都不一样,里面的内容很多。测试体系大的三个方面去研究,第一是测评指标体系,先要测试它,这个产品的质量要做评价指标体系。第二是针对不同产品和不同指标设计相关方面,研制相关标准。最后是相关的测试工具进行测评服务,所以涉及到整个产业链里面的关键技术研究。在新技术研究的时候,都需要这些指标和方法去验证,包括测试仪器和工具。产品模型设计,产品生产制造是比较关键的,会涉及到定型检测、出厂检测,这是软件间的提升,再就是生产和应用的表现。

接下来讲闪存国内的测评需求,针对国内产品类型的分类,我通过多年的测试情况整理了一些测试分类。第一个是市场上的需求,目前民用测试需求很广,在市场上作为第三方经常帮助用户买存储设备,闪存卡、闪存盘,容量不够、性能出问题、可靠性出问题的鉴定检测。第二是消费者协会威权检测,国内有12315质量协会。第三是政府的采购,重点是对专业领域大的存储系统购买。随着闪存产品的成熟,海量级闪存产品替代作为政府关键采购设备,有些替代传统满足性能,可靠性功能等各方面的需求。我们中心作为国家机关政府采购指定单位,每年承担很多方面的测评工作。我们目前也遇到了很多瓶颈,因为产品刚成熟,相关方法标准和工具都比较缺失。另外是部队,部队是特殊行业军用的,比如说航空闪存产品最多,考虑到重量、抗震和特殊的温度环境,是非常关键的领域。随着闪存跟国内存储企业发展成熟,去年我负责全军首次自主光存储设备测试与评价工作,基本上国内存储设备企业都参与其中。还有一些民用的测试,包括学校存储方面科研成果的鉴定检测,还有863项目或者科研项目的验收,都是我们存储的测评需求。

这是中央政府采购网的大型系统测试和评价,里面有很多,这只是简单的举例。这是去年首次做的自主存储设备测试评估与规范,包括测试与评价。测试就是用具体的技术手段,去测性能指标有没有达到具体的要求。评价就是看是什么级别,跟别的相差多少,这样的话才有总体的认可。对于普通用户或者使用者来说,根本就不需要了解那么深入的证书,通过这个结果就知道产品的质量问题。

闪存产品的测试现状,测试方面国内跟国外可能不一样,今天来了IOL实验室的专家,国际上是自主型的组织,相关企业如果通过了验证,兼容性或者性能可以做一些比较。国内重点是国家认监委和认可委管理,标准化和专业化比较强,管控国内六七千家实验室。里面测试需要具备的东西非常关键,人、机、料、法、环是主要的因素,但是闪存领域相关产品测试还是不太乐观。首先是测试人员非常稀缺,包括华中科技大学出来的学生做测试非常少,在企业里面做测试的也非常少。如果在企业里面可能做得不太专业,不太全面。再就是机器,目前的情况重点是国外开元软件工具或者存贮设备,对闪存的测试工具和设备不是太完善。如果有相关专业底层设备包括芯片的话,那是非常昂贵的。方法就是相关标准和技术方法没有完成,有些部分还不健全。环境的话就是实验室服务平台没有建起来,国内好多企业的产品做出来,可能还需要送到国外去测试。

说到质量离不开标准化,标准化就是相关标准规范。我们做了相关的跟踪和研究,国外有部分测试方法,像耐久性测试、扩展,还有性能测试规范。国内也做了一些成果,我们跟着行业做了一些标准。2010年华中科技大学联合我们一起做了移动存储闪存盘的通用规范,当时是针对USB的产品规范。这两年有两个行标,第一个是磁盘阵列通用规范,还有固态盘的通用规范。国标的话是和存储联盟一起推了盘阵列通用规范,盘阵列包括闪存阵列和磁盘阵列。另外是今年刚发布也是我主导编写的固体盘测试方法,2019年1月1日实施,涉及到性能、功能、可靠性、数据保持持久性等内容。

半导体相关方面的测试标准,快闪存储器也是国标,还有非易失性存储器耐久和数据保持,这几个标准都是国内今年发布的,半导体芯片产品一系列标准。还有其他方面团体标准,国内有中国存储产业技术创新战略联盟,我们是联盟的指导单位,我也在主导做分布式全闪存存储系统测试规范,整个体系标准规范研制过程中。部队里面也在做闪存盘、固态盘、存储设备等相关测试标准,这是国内的测试现状。

第三个内容,讲讲闪存产品的质量特性。闪存产品的质量特性,其他的产品信息是一样的,质量关键是满足需求,一般都要给予用户需求去考虑。这些要求的话,定性的不太好评价,一定要有相应的考核指标,怎么样评价和检验考核需要一定的质量特性,质量特性下面就转化为我们的技术指标。质量特性就是指产品过程或者体系相关的要求,对闪存产品的测试评价技术,我们做了总结和分类,第一个是功能、性能、可靠性、易用性方面,多维度的综合评测。我下面列了比较全面的测评体系,需要注意不同产品测评技术和指标是不一样的,像闪存阵列要评价横向和纵向的扩展性,所以要考虑适用性的问题。

我们整理了一下,针对产品级别来说测评指标体系的需求,第一个是功能,根据用户的需求,刚才第二节评测是质量特性,第三节叫做技术指标。第二个是适用性,功能里面通讯协议怎么支持,数据加解密有没有功能,实现得怎么样,掉电保护功能有没有实现,数据有没有销毁功能,都是根据功能的实现,实现了功能就要考虑性能,读写速率、数据传输率,在产品测试里面重点讲的是与时间特性相关表现,一般都是带上时间的质量特性,标准方面的东西。第三个是可靠性,刚才有提到技术指标,容错性、数据保存时效、出错率都是可靠性的子指标。还有可用性,产品展示宣传手册经常看到可靠性多少9,可用性多少个9,其实这是没有标准和规范,是不统一的表现。在规范化研究里面,多少个9是放在可用性的,多长时间里面容忍多久的宕机或者停机服务。另外还有兼容性,第一个是硬件的兼容,第二个是软件的兼容。还有比较关键的信息安全性,它是大的学科和领域,重点讲的是物理安全和逻辑安全。网络通讯网络信息安全,网络空间安全不算产品质量的特性。环境适应性,气侯适应、机械环境这些非常关键,在应用领域像产品涉及到高低温情况,电源适应也是非常关键的指标,还有相关功耗等,简单带过一下。

具体讲测试与评价,不讲技术了,非常关键的指标就是容量,我们买到的容量和企业产品标注的容量可能不一样,有的标注容量多少个G,实际用的没有那么多。对用户来说相信哪个,G大B、G小B,都需要行业的标准和规范。还有掉电保护,掉电保护是一项功能,对用户是可靠性的手段,包括单盘掉电和盘阵掉电。另外还有接口、通讯协议、数据加解密都是我们平常用到的。性能方面,性能一定要注意一个问题,所有的产品宣传册单独只讲结果的,行业里面有个笑话,不说应用场景的都叫耍流氓,一定要明确测试环境,是大IO还是小IO,这样才有可比性和参考性,不同产品性能需求不一样。

可靠性,刚才讲过了,容错性需要我们重点注意,在测试当中主要的测试方法就是故障注入测试,通过断电、硬件故障、软件故障,通过这些综合性的方法检测产品可靠性。

保存时效,通过测试的话,我们设计的条件比较严苛,要经过不同环境的测试。还有MTBF,有的产品标称几百万MTBF,按说这个东西是比较难实现的,一般是理论和实际结合起来才可以出平均无故障间隔时间。下面还有插拔和开关测试。

可用性,对用户来说能不能提供服务,这是非常关键的,跟可靠性经常是混着用。故障的修复时间,存储系统出了故障以后多久修复是用户能接受的,我们提了ITO技术指标。数据重构时间、业务切换接管时间非常关键,不同业务需求注重的指标不一样。另外是我们说的多少个9。

兼容性,要考虑道不同的东西,接口、部件、整体,部件涉及到内存、硬盘和板卡,软件的话有驱动、协议、操作系统等。

信息安全是大家关注的重要内容,这里面讲的信息安全要规避网络安全。我们现在讲物理安全,特殊设备讲可信的物理空间,安全环境有没有涉秘空间,有没有防拆装。另外是安全保护装置,盘阵可靠性提供,有没有非易时性缓存,是BBU实现的还是UPS实现的,实现的能力有多强,这些是具体的技术指标。软件包括检错能力。还要讲究逻辑安全,通过软硬件手段实现传输和存储安全,重点是保障数据的完整性、防篡改和机密性。

下面是环境适应性的技术要求,大部分标准是国标,还有强制性标准,是必须要满足的要求,尤其是信息与设备,包括气侯环境和机械环境。工作温度和存储温度,机械环境也很多,振动冲击、碰撞跌落。电磁兼容涉及到人身安全的重要领域,重点依据标准是国标9254,它是强制标准,生产相关设备的话取得3C许可证才可以销售,无线电骚扰、抗扰度、防静电等。电源适应性也是很重要的要求,重点从人身安全考虑的内容,有一般要求、接触电、抗电和安全的保护功能。另外是功耗,在我们的行标里面提了产品的动态功耗和静态功耗,存储器SPC也提了功耗怎么测法。

这就是我介绍的整体内容,希望产学研用各单位一起将测评体系进一步完善。国内对测试不是太重视,但是随着质量强国,希望不要有外国月亮比中国圆的情况,一起保证国内生产出有竞争力高质量的闪存产品,这是我们的希望。谢谢各位聆听。(注:文字未经本人最终审阅,特此说明)

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