账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
NAND快闪记忆体控制器的重要性
 

【作者: Hyperstone】2018年01月31日 星期三

浏览人次:【3469】
  


NAND快闪记忆体的固态硬碟(SSD)正逐渐取代许多应用产品所使用的传统硬碟驱动器(HDD),尤其是便携式和消费类设备。 由於其强大的性能,固态硬碟也已进军企业储存领域和工业应用,同样由於其坚固性(robustness),也得以进军工业应用领域。快闪记忆体在系统中扮演至关重要的角色,其中的控制器扮演着主机和快闪记忆体设备间的物理介面,有效利用快闪记忆体提供所需的可靠性和性能 。


控制器架构

图1所示为一个典型快闪记忆体控制器的简单架构,其中包括三个主要的部分:NAND快闪记忆体的介面,主机系统的介面,以及执行所有功能管理的中央处理器。ROM只提供初始引导 (bootstrap)代码,控制器的韧体储存在快闪记忆体中,以便於更新升级。选择使用何种CPU是决定控制器性能、功能和功耗的关键。



图1 : 一个快闪记忆体控制器的通常架构
图1 : 一个快闪记忆体控制器的通常架构

主机和快闪记忆体介面包含用於读写数据的缓冲区,由於主机和快闪记忆体采用的速度和数据大小不同,而且主机上的数据在写入之前可能需要重新组织,因而缓冲区是必需的。控制器应该能够直接交互存取多个快闪记忆体,以达到所需的读写速度。


为达到要求的性能、可靠性和使用寿命,控制器必须能够管理快闪记忆体的许多特性。


位址转换和映射

主机通常会将基於档案系统的区域大小及使用「逻辑区块位址」以组块、区块为单位写入快闪记忆体。控制器必须管理这些数据传输到快闪记忆体储存器的页面和区块,并追?主机的逻辑位址和快闪记忆体物理位址之间的映射,如图2所示。出於速度考虑,数据映射将保留在RAM中,但需要储存到快闪记忆体,以便在断电时能够得以保存。



图2 : 基本的基於区块的位址映射
图2 : 基本的基於区块的位址映射

所使用的映射类型和更新方法将决定性能和稳固性,例如电源意外中断的情况。


纠错码

与所有储存设备一样,数据读取时可能会出现错误。这些可能是由辐射引起的错误,或者是附近的单元被读取或编程时储存值受干扰引起的暂时故障,或是编程单元时的失效。使用快闪记忆体时,由於快闪记忆体单元的编程/擦除周期受限,这些错误随着时间的推移会变得更加频繁。


为此,控制器使用纠错码(ECC)来检测和纠正错误。意味着当数据写入快闪记忆体时,会额外写入包含ECC的位元。为了检查错误,当读取数据时,ECC会被重新计算,并且与储存的值进行比较。一般情况下,此举可校正单一位元的错误,也可检测多位元的错误。重复的故障可能表示坏块(bad block)或受损区块。控制器需要追?受损区块,以免再次使用它们。


因此,高品质ECC的实施是确保Flash储存器中数据完整性的关键。可使用的ECC类型很多,这些都包括非常复杂的数学函数,可以在校正速度和质量、硬体要求和处理性能方面提供不同的权衡。 ECC的选择需要与快闪记忆体的特性相匹配,例如原始位元的错误率和错误率分布等。好的控制器需要认真考虑这些因素,并有足够的处理能力来实现最隹的ECC算法。


磨损平衡

为达大幅减少快闪记忆体单元在编程/擦除耐久性方面受限的影响,并延长快闪记忆体的使用寿命极限,控制器使用磨损平衡(wear levelling)算法来确保所有区块的均匀使用。这意味着控制器在写入数据时必须从未使用的区块中选择使用最少的页面。此外,有几种方法可以在有效性和处理性能之间进行不同的取舍。


快闪记忆体的一个特点是数据只能写入已擦除的页面。因此,如果随机写入小於一页的数据区块,则现有页中的数据可能需要被重新定位到新的已擦除页面。这是造成写入量扩增的主要原因之一,意即实际写入快闪记忆体的量要比主机要求的还多。控制器必须确保数据重新定位期间的数据完整性,并需要更新逻辑位址映射。


由於数据是以页的形式写入,但却只能由多个页面组成的区块进行擦除,因此控制器将必须进行垃圾收集(garbage collection)。这意味着需要复制数据将已使用的页面整合到区块,以便释放可被擦除并重新使用的空白区块。垃圾收集的时间和频率需要进行管理,以减少对主机系统性能的影响,并需确保断电时数据不会遗失。


控制器可以利用快闪记忆体中超量配置的区块,使得损坏的区块不会降低快闪记忆体的可用容量或寿命。可用的备用区块也能够提高垃圾收集和随机写入的性能。


半导体可靠性

系统可靠性的一个重要因素是控制器本身的品质。首先,透过严格的设计和测试流程可以确保在特定的环境中设备作业的可靠性。此外,由於半导体对辐射的敏感性,所选择的封装受到α粒子的影响须达到最小化至关重要。同样地,封装和互连材料在使用期间也需要耐受温度变化引起的应力。生产测试使用加速老化的方法来确保设备能达到故障率和平均无故障时间(MTBF)的要求。


健康监测

与任何其他储存系统一样,快闪记忆体的使用寿命有限。控制器可以监控和记录总体的擦除和编程周期次数、损坏区块和备用区块的数量、以及由ECC检测到的错误率等数据,并藉此向主机系统和用户提供快闪记忆体健康状态的相关信息。如此可提前预警潜在的故障,以便在发生数据遗失风险前更换设备。对於透过标准ATA介面连接的SSD设备,此类信息可经由自我监测、分析和报告技术(SMART)协议取得。


结论

藉由数据传输管理以及「隐藏」快闪记忆体储存技术原有的缺陷,控制器是实现可靠、基於快闪记忆体储存的关键组件。要达到消费和企业等级,尤其是工业或嵌入式系统数据储存所需的性能、可靠性和使用寿命,高品质的控制器至关重要。


(本文由Hyperstone公司提供)


相关文章
五大环控技术 建构智慧化温室系统
YHX整合通讯、机器人、驱动单元於一身
搭载整合型MOSFET的最隹化降压稳压器将功率密度提升至新水准
高精密度马达驱动控制推动产业升级
实现真正的数位I/O
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
mbed
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Arduino
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Raspberry Pi
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
  相关新闻
» 英特尔在中国力推5G 将与手机晶片商合作
» 科技部助菲改善饮用水质 捐赠分析设备
» TrendForce:中美贸易战升温 LED供需失衡问题恐进一步扩大
» 智慧根基於情感 AI是协助人类不是取代人类
» 台、美、菲携手 合作举办电子废弃物回收管理夥伴会议
  相关产品
» 贸泽供货TI HDC2080数位温湿度感测器 为智慧型装置提供低功耗和高精准度
» 意法半导体STM8 Nucleo开发板 连接8位元专案与开源硬体资源
» 艾迈斯半导体AS6501可为LiDAR和医疗成像应用 提供速度和精度优势
» 大联大友尚集团推出英特尔应用於智慧城市与物联网边缘计算的智慧相机
» Xsens发布更准确和更稳健的升级版本MTi 1 系列模组以及全新的开发套件
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD