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NAND快閃記憶體控制器的重要性
 

【作者: Hyperstone】   2018年01月31日 星期三

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NAND快閃記憶體的固態硬碟(SSD)正逐漸取代許多應用產品所使用的傳統硬碟驅動器(HDD),尤其是便攜式和消費類設備。 由於其強大的性能,固態硬碟也已進軍企業儲存領域和工業應用,同樣由於其堅固性(robustness),也得以進軍工業應用領域。快閃記憶體在系統中扮演至關重要的角色,其中的控制器扮演著主機和快閃記憶體設備間的物理介面,有效利用快閃記憶體提供所需的可靠性和性能 。


控制器架構

圖1所示為一個典型快閃記憶體控制器的簡單架構,其中包括三個主要的部分:NAND快閃記憶體的介面,主機系統的介面,以及執行所有功能管理的中央處理器。ROM只提供初始引導 (bootstrap)代碼,控制器的韌體儲存在快閃記憶體中,以便於更新升級。選擇使用何種CPU是決定控制器性能、功能和功耗的關鍵。



圖1 : 一個快閃記憶體控制器的通常架構
圖1 : 一個快閃記憶體控制器的通常架構

主機和快閃記憶體介面包含用於讀寫數據的緩衝區,由於主機和快閃記憶體採用的速度和數據大小不同,而且主機上的數據在寫入之前可能需要重新組織,因而緩衝區是必需的。控制器應該能夠直接交互存取多個快閃記憶體,以達到所需的讀寫速度。


為達到要求的性能、可靠性和使用壽命,控制器必須能夠管理快閃記憶體的許多特性。


位址轉換和映射

主機通常會將基於檔案系統的區域大小及使用「邏輯區塊位址」以組塊、區塊為單位寫入快閃記憶體。控制器必須管理這些數據傳輸到快閃記憶體儲存器的頁面和區塊,並追?主機的邏輯位址和快閃記憶體物理位址之間的映射,如圖2所示。出於速度考慮,數據映射將保留在RAM中,但需要儲存到快閃記憶體,以便在斷電時能夠得以保存。



圖2 : 基本的基於區塊的位址映射
圖2 : 基本的基於區塊的位址映射

所使用的映射類型和更新方法將決定性能和穩固性,例如電源意外中斷的情況。


糾錯碼

與所有儲存設備一樣,數據讀取時可能會出現錯誤。這些可能是由輻射引起的錯誤,或者是附近的單元被讀取或編程時儲存值受干擾引起的暫時故障,或是編程單元時的失效。使用快閃記憶體時,由於快閃記憶體單元的編程/擦除週期受限,這些錯誤隨著時間的推移會變得更加頻繁。


為此,控制器使用糾錯碼(ECC)來檢測和糾正錯誤。意味著當數據寫入快閃記憶體時,會額外寫入包含ECC的位元。為了檢查錯誤,當讀取數據時,ECC會被重新計算,並且與儲存的值進行比較。一般情況下,此舉可校正單一位元的錯誤,也可檢測多位元的錯誤。重複的故障可能表示壞塊(bad block)或受損區塊。控制器需要追?受損區塊,以免再次使用它們。


因此,高品質ECC的實施是確保Flash儲存器中數據完整性的關鍵。可使用的ECC類型很多,這些都包括非常複雜的數學函數,可以在校正速度和質量、硬體要求和處理性能方面提供不同的權衡。 ECC的選擇需要與快閃記憶體的特性相匹配,例如原始位元的錯誤率和錯誤率分佈等。好的控制器需要認真考慮這些因素,並有足夠的處理能力來實現最佳的ECC算法。


磨損平衡

為達大幅減少快閃記憶體單元在編程/擦除耐久性方面受限的影響,並延長快閃記憶體的使用壽命極限,控制器使用磨損平衡(wear levelling)算法來確保所有區塊的均勻使用。這意味著控制器在寫入數據時必須從未使用的區塊中選擇使用最少的頁面。此外,有幾種方法可以在有效性和處理性能之間進行不同的取捨。


快閃記憶體的一個特點是數據只能寫入已擦除的頁面。因此,如果隨機寫入小於一頁的數據區塊,則現有頁中的數據可能需要被重新定位到新的已擦除頁面。這是造成寫入量擴增的主要原因之一,意即實際寫入快閃記憶體的量要比主機要求的還多。控制器必須確保數據重新定位期間的數據完整性,並需要更新邏輯位址映射。


由於數據是以頁的形式寫入,但卻只能由多個頁面組成的區塊進行擦除,因此控制器將必須進行垃圾收集(garbage collection)。這意味著需要複製數據將已使用的頁面整合到區塊,以便釋放可被擦除並重新使用的空白區塊。垃圾收集的時間和頻率需要進行管理,以減少對主機系統性能的影響,並需確保斷電時數據不會遺失。


控制器可以利用快閃記憶體中超量配置的區塊,使得損壞的區塊不會降低快閃記憶體的可用容量或壽命。可用的備用區塊也能夠提高垃圾收集和隨機寫入的性能。


半導體可靠性

系統可靠性的一個重要因素是控制器本身的品質。首先,透過嚴格的設計和測試流程可以確保在特定的環境中設備作業的可靠性。此外,由於半導體對輻射的敏感性,所選擇的封裝受到α粒子的影響須達到最小化至關重要。同樣地,封裝和互連材料在使用期間也需要耐受溫度變化引起的應力。生產測試使用加速老化的方法來確保設備能達到故障率和平均無故障時間(MTBF)的要求。


健康監測

與任何其他儲存系統一樣,快閃記憶體的使用壽命有限。控制器可以監控和記錄總體的擦除和編程週期次數、損壞區塊和備用區塊的數量、以及由ECC檢測到的錯誤率等數據,並藉此向主機系統和用戶提供快閃記憶體健康狀態的相關信息。如此可提前預警潛在的故障,以便在發生數據遺失風險前更換設備。對於透過標準ATA介面連接的SSD設備,此類信息可經由自我監測、分析和報告技術(SMART)協議取得。


結論

藉由數據傳輸管理以及「隱藏」快閃記憶體儲存技術原有的缺陷,控制器是實現可靠、基於快閃記憶體儲存的關鍵組件。要達到消費和企業等級,尤其是工業或嵌入式系統數據儲存所需的性能、可靠性和使用壽命,高品質的控制器至關重要。


(本文由Hyperstone公司提供)


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