ClearNAND閃存改善系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　自問世以來，NAND閃存對ECC(糾錯(cuò)碼)糾錯(cuò)能力的要求越來越高。雖然這不是一個(gè)新問題，但是支持最新的多層單元(MLC)架構(gòu)和每單元存儲三位數(shù)據(jù)(three-bit-per-cell)技術(shù)所需的ECC糾錯(cuò)能力讓系統(tǒng)人員越來越難以應(yīng)付。

　　過去，ECC一直被用于提高NAND閃存子系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)可靠性。但是，隨著NAND單元不斷縮小，每個(gè)浮柵內(nèi)貯存的電子數(shù)量越來越少。因此，為彌補(bǔ)更小的存儲單元所產(chǎn)生的更高的位誤碼率，我們必須大幅提高ECC糾錯(cuò)能力，以維持所需的系統(tǒng)可靠性。

　　隨著系統(tǒng)對ECC糾錯(cuò)要求不斷提高，實(shí)現(xiàn)ECC邏輯所需的邏輯門數(shù)量也在增加，同時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜性也隨之提高。例如，24位ECC需要大約200,000個(gè)邏輯門，而40位ECC則需要大約300,000個(gè)邏輯門。據(jù)估計(jì)，將來先進(jìn)的ECC算法可能需要近100萬個(gè)邏輯門(如圖1所示)。

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　　很多高性能閃存系統(tǒng)必須使用多通道NAND閃存才能實(shí)現(xiàn)理想的性能。在這些系統(tǒng)中，每個(gè)通道都有其自己的ECC邏輯。例如，一個(gè)10通道固態(tài)硬盤(SSD)需要實(shí)現(xiàn)10通道的ECC邏輯。假如10路通道中的每一路通道都需要60位ECC，那么僅ECC邏輯就需要300萬個(gè)邏輯門。

　　NAND閃存接口選擇

　　1.傳統(tǒng)NAND接口

　　傳統(tǒng)的NAND閃存接口是一種異步通信接口，雖然近幾年這種接口的速度已提高到50MHz，但是其它特性并沒有太大的變化。

　　幾年前，美光(Micron)與其它幾家富有遠(yuǎn)見的公司共同成立了一家NAND閃存組織，旨在簡化業(yè)界存在的大量時(shí)序和指令標(biāo)準(zhǔn)。開放式NAND閃存接口(ONFI)聯(lián)盟發(fā)布了其第一版ONFI 1.0規(guī)范，與最初的規(guī)范相比，這個(gè)接口規(guī)范的最大特點(diǎn)是主處理器能夠通過電子方式識別所連接的閃存類型，以及其它重要的技術(shù)參數(shù)，如時(shí)序模式、頁面大小、塊大小、ECC要求等。該特性被所有的ONFI標(biāo)準(zhǔn)繼承下來，并且一直是所有ONFI標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容。

　　同步NAND接口的開發(fā)是ONFI聯(lián)盟取得的另一個(gè)重要成就，這一接口規(guī)范又稱為ONFI 2。目前，ONFI 2.2規(guī)范通過一個(gè)DDR源同步接口支持高達(dá)每秒20000萬次傳輸(200MT/s)。通電后該接口可用于異步通信模式。但是，對于更高的性能而言，當(dāng)從異步模式轉(zhuǎn)換到同步通信模式時(shí)，主處理器會提前詢問閃存設(shè)備是否支持更高速的同步通信接口。

　　2.Direct NAND解決方案

　　該方案實(shí)現(xiàn)通過將NAND閃存芯片直接連接到主處理器或SSD控制器來管理NAND閃存。ECC算法交由硬件處理，而軟件通常執(zhí)行所有的區(qū)塊管理和損耗均衡功能。初看起來該方案可能并不理想，但考慮到今天的嵌入式處理器典型運(yùn)行速度達(dá)到數(shù)百兆赫茲，很多甚至超過千兆赫茲，這些高性能處理器能夠以更快的速度執(zhí)行區(qū)塊管理，并利用確定性多線程技術(shù)來提高閃存性能。此外，由于主處理器直接管理閃存設(shè)備，主處理器軟件可以做出實(shí)時(shí)決定，這有助于避免因意外斷電而造成的風(fēng)險(xiǎn)。

　　如圖2所示，ONFI 2.2接口規(guī)范(200MT/s)最多可支持16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)NAND閃存芯片，典型解決方案通常采用兩個(gè)8片NAND閃存封裝。標(biāo)準(zhǔn)8片100-BallBGA封裝含有兩條獨(dú)立的NAND總線(DQ[7:0]1和DQ[7:0]2)，每條總線連接4片NAND閃存。閃存控制器通過兩個(gè)芯片使能信號控制每四片堆疊的裸片。典型設(shè)計(jì)是把兩條數(shù)據(jù)總線即DQ總線連接到一起，為每個(gè)封裝提供一條8位數(shù)據(jù)總線。最高配置由兩個(gè)內(nèi)置8片裸片的100-Ball BGA封裝組成。為選定一個(gè)特定的NAND裸片，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)100-Ball BGA封裝需要提供四個(gè)芯片使能(CE#)控制。因此，為支持這種配置，主處理器或SSD控制器需要提供8個(gè)芯片使能信號。

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　　3.ClearNAND解決方案

　　圖3顯示了兩個(gè)不同的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：傳統(tǒng)的系統(tǒng)中主處理器或SSD控制器與NAND閃存直接相連;另一個(gè)系統(tǒng)則采用ClearNAND閃存芯片。兩種方案都采用相同的ONFI硬件接口和相似的100-Ball BGA封裝，不同之處是后者將一個(gè)薄型控制器與NAND閃存裸片整合在一個(gè)多芯片封裝(MCP)內(nèi)。ClearNAND 控制器用于實(shí)現(xiàn)MCP封裝中NAND閃存所需的ECC算法。由于采用相同的ONFI異步或同步接口，設(shè)計(jì)人員可以輕松地從標(biāo)準(zhǔn)NAND閃存升級到 ClearNAND閃存。

　　美光公司的ClearNAND 閃存分為標(biāo)準(zhǔn)型和增強(qiáng)型兩個(gè)版本。標(biāo)準(zhǔn)型ClearNAND閃存主要用于消費(fèi)電子設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)所需的ECC功能，并提供便于閃存升級的傳統(tǒng)異步型ONFI總線。

　　增強(qiáng)型ClearNAND閃存能夠管理ECC算法，并提供多個(gè)對于企業(yè)應(yīng)用頗具價(jià)值的關(guān)鍵功能。它還支持ONFI 2.2接口的異步和同步通信標(biāo)準(zhǔn)，可用存儲容量高達(dá)64GB。

　　通過改善ECC算法，兩款ClearNAND閃存都能夠?qū)崿F(xiàn)下一代NAND閃存所需的ECC糾錯(cuò)功能。這使得設(shè)計(jì)人員無需反復(fù)重新設(shè)計(jì)電路來支持制造商最新的NAND ECC要求。

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　　增強(qiáng)型ClearNAND閃存

　　圖4所示為增強(qiáng)型ClearNAND閃存的架構(gòu)。它支持1個(gè)ONFI 2.2接口和速度高達(dá)200MT/s的指令、地址和數(shù)據(jù)總線。VDDI去耦電容常見于e?MMC產(chǎn)品和內(nèi)含控制器的其它閃存，用于對內(nèi)部穩(wěn)壓器進(jìn)行去耦。為向后兼容傳統(tǒng)NAND閃存，VDDI連接放置在一個(gè)閑置引腳上。ClearNAND控制器支持兩條內(nèi)部閃存總線，其中一條用于連接偶數(shù)編號的邏輯單元(LUN)，另一條則連接奇數(shù)編號的邏輯單元。這兩條獨(dú)立閃存總線的速度高達(dá)200MT/s。此外，每條總線都配有各自的ECC引擎，可在兩條總線上同時(shí)管理讀操作或?qū)懖僮??？梢灶A(yù)見，未來的控制器還將支持面向400MT/s的ONFI 3接口規(guī)范。

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　　下面將討論增強(qiáng)型ClearNAND提供的四項(xiàng)高級功能：卷尋址、電子數(shù)據(jù)映像、中斷功能和內(nèi)部回寫(copyback)。

　　卷尋址

　　卷尋址允許一個(gè)片選或芯片啟動信號(CE#)對16個(gè)ClearNAND卷進(jìn)行尋址。每個(gè) ClearNAND控制器支持在一個(gè)MCP封裝內(nèi)堆疊8個(gè)裸片。ClearNAND控制器為主處理器或SSD控制器存取操作提供一個(gè)緩沖區(qū)。

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　　如圖5所示，增強(qiáng)型ClearNAND設(shè)計(jì)將存儲容量擴(kuò)大八倍，同時(shí)保持或提升了信號完整性，并減少了所需的有效芯片使能數(shù)量。這是因?yàn)閷τ赟SD控制器，一個(gè)ClearNAND控制器僅代表一個(gè)負(fù)載，但是在一個(gè)MCP封裝內(nèi)最多可支持八個(gè)NAND裸片。

　　卷尋址概念有兩層含義。第一層是為每個(gè)ClearNAND 封裝確定卷地址。卷地址僅在初始化時(shí)分配一次，并保存到電源重啟為止。第二層含義是卷選擇指令本身，在這個(gè)新指令后面緊跟一個(gè)單字節(jié)(實(shí)際上只有4位)卷地址。一旦目標(biāo)地址被選擇，該地址就會保持被選狀態(tài)，直到另一個(gè)卷被選擇為止。這可以節(jié)省很多使能引腳。例如，一個(gè)32通道SSD需要8個(gè)使能引腳來控制兩個(gè)8裸片標(biāo)準(zhǔn)NAND封裝。上述32通道SSD示例需要總共256個(gè)使能引腳，而增強(qiáng)型ClearNAND卷尋址功能對相同數(shù)量的NAND閃存進(jìn)行尋址只需32個(gè)使能引腳。此外，這相同的32個(gè)使能引腳可尋址容量是現(xiàn)有容量的八倍。

　　電子數(shù)據(jù)映像

　　增強(qiáng)型ClearNAND支持電子數(shù)據(jù)映像，這允許通過電子方式將數(shù)據(jù)總線信號順序重映射為兩種配置之一。這個(gè)功能對于PCB正反兩面都安裝ClearNAND閃存的高密度設(shè)計(jì)非常有用。利用一個(gè)特殊的初始化或復(fù)位序列，ClearNAND封裝能夠以電子方式檢測閃存是安裝在PCB的正面還是背面。例如，通常的做法是在上電后向閃存發(fā)送一個(gè)復(fù)位或FFh指令。為完成電子DQ映像，在執(zhí)行完FFh指令后，主處理器必須接著執(zhí)行傳統(tǒng)的READ STATUS(70h)指令。安裝在PCB正面的閃存檢測到FFh-70h命令序列;而安裝在PCB背面的閃存則檢測到FFh-0Eh命令序列，并向主處理器確認(rèn)這是背面閃存封裝，然后重新將數(shù)據(jù)總線直接排在正面閃存的后面，這不僅可以改善PCB的布線，還能提高信號完整性。

　　Ready/Busy#被重新定義為中斷

　　增強(qiáng)型ClearNAND閃存將現(xiàn)有的ready/busy#引腳重新定義為一個(gè)中斷引腳。如圖6所示，interrupt#信號仍是開漏信號，當(dāng)ClearNAND卷或裸片就緒時(shí)，它提供一個(gè)實(shí)時(shí)中斷信號。設(shè)計(jì)人員可以利用這個(gè)中斷信號向主處理器或SSD控制器提供閃存實(shí)時(shí)狀態(tài)。在一條總線上支持多個(gè)ClearNAND封裝的大型配置中，interrupt#信號線可以連接在一起。當(dāng)檢測到一個(gè)中斷信號時(shí)，主處理器或SSD控制器只要詢問每個(gè)ClearNAND 封裝或卷，即可知道是哪個(gè)卷發(fā)送的新狀態(tài)信息。這個(gè)中斷功能可節(jié)省主處理器或SSD控制器上的信號數(shù)量，同時(shí)提高SSD控制器對狀態(tài)更新的響應(yīng)能力。

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　　內(nèi)部回寫

　　內(nèi)部回寫功能又稱為內(nèi)部數(shù)據(jù)遷移(internal data move)，是增強(qiáng)型ClearNAND 閃存最引人注目的特性之一。閃存的損耗均衡或碎片清理操作是指整理不同的NAND閃存頁面和區(qū)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)碎片，并將其合并成新的區(qū)塊或區(qū)塊序列，這個(gè)功能類似老式硬盤的磁盤碎片整理工具。對于這類操作，回寫功能可為SSD系統(tǒng)提供巨大的優(yōu)勢。

　　再來看圖2，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)NAND閃存時(shí)，將數(shù)據(jù)碎片從一個(gè)區(qū)塊轉(zhuǎn)移到另一個(gè)區(qū)塊通常需要執(zhí)行下列操作：

　　SSD控制器發(fā)布一個(gè)READ指令和源地址以訪問數(shù)據(jù)源頁;SSD控制器從NAND閃存讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)執(zhí)行運(yùn)算和必要的ECC糾錯(cuò)操作，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)的更新操作;SSD控制器計(jì)算并加入新的ECC信息，然后發(fā)布新的PROGRAM指令、目的地址和數(shù)據(jù)序列，該操作將把數(shù)據(jù)保存到新的NAND閃存區(qū)塊內(nèi)。

　　在這個(gè)連續(xù)的操作過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)從源地址移到目的地址時(shí)，總線處于被占用狀態(tài)，這個(gè)操作過程需要很長時(shí)間。假設(shè)一個(gè)8K的存儲頁，工作在200MT/s的ONFI 2.2同步總線需要大約 41μs來移動數(shù)據(jù)。因?yàn)閿?shù)據(jù)必須移出再移進(jìn)閃存，所以需要兩倍的時(shí)間即82μs，但這個(gè)時(shí)間不包含ECC所花費(fèi)的時(shí)間。在執(zhí)行這個(gè)序列的過程中，ONFI閃存總線始終處于占用狀態(tài)，不能處理其它任何操作。

　　與普通閃存不同，增強(qiáng)型ClearNAND閃存支持內(nèi)部ECC。假如數(shù)據(jù)的源地址和目的地址都在ClearNAND封裝內(nèi)，采用內(nèi)部ECC可以在封裝內(nèi)部執(zhí)行回寫操作。SSD控制器仍負(fù)責(zé)發(fā)布指令和地址，以及經(jīng)修改的數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)。ClearNAND控制器執(zhí)行數(shù)據(jù)遷移操作，而不會占用外部的ONFI數(shù)據(jù)總線。如果SSD控制器能夠把損耗均衡和碎片清理功能整合在一個(gè)ClearNAND封裝內(nèi)，它將在性能方面具有更強(qiáng)的優(yōu)勢。

　　圖7所示是一個(gè)在標(biāo)識為通道0和通道1的兩路ONFI通道上采用增強(qiáng)型ClearNAND閃存的示例。在兩個(gè)SSD通道上，我們看到有四個(gè)內(nèi)部數(shù)據(jù)遷移操作同步進(jìn)行，數(shù)據(jù)移動并沒有占用外部ONFI總線。在必要時(shí)，這個(gè)特性允許SSD控制器和ONFI總線在ClearNAND封裝之間遷移數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶所使用的架構(gòu)，某些操作可能需要在ClearNAND封裝之間甚至ONFI總線之間進(jìn)行。利用內(nèi)部數(shù)據(jù)遷移操作，可大幅提升碎片清理和損耗均衡操作的性能。

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　　本文小結(jié)

　　美光公司的增強(qiáng)型ClearNAND閃存為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更高的性能和更多的功能，同時(shí)緩解了NAND閃存對ECC糾錯(cuò)能力的日益嚴(yán)格的要求。增強(qiáng)型ClearNAND閃存支持與標(biāo)準(zhǔn)100-Ball BGA NAND閃存相似的焊球排列，用戶可以設(shè)計(jì)出同時(shí)支持這兩種封裝的產(chǎn)品。例如，該產(chǎn)品將使SSD主控制器擁有充足的ECC糾錯(cuò)能力來直接支持SLC NAND閃存，選擇增強(qiáng)型ClearNAND閃存還能滿足ECC面臨更大挑戰(zhàn)的多級單元需求。

　　增強(qiáng)型ClearNAND閃存的卷尋址特性可使用更少的引腳實(shí)現(xiàn)更大容量尋址，從而為SSD方案中節(jié)省數(shù)百個(gè)引腳。電子數(shù)據(jù)映像功能可簡化PCB設(shè)計(jì)和走線，同時(shí)還能提高ONFI總線的信號完整性。智能中斷功能向SSD控制器提供實(shí)時(shí)狀態(tài)更新信息，并最大限度地縮小對固件的輪詢。兩路內(nèi)部NAND閃存總線可改善回寫功能，從而提高閃存的性能。