關于ClearNAND閃存的系統(tǒng)詳解

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

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，每個浮柵內(nèi)貯存的電子數(shù)量越來越少。因此，為彌補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糾錯能力，以維持所需的系統(tǒng)可靠性。

隨著系統(tǒng)對ECC糾錯要求不斷提高，實現(xiàn)ECC邏輯所需的邏輯門數(shù)量也在增加，同時系統(tǒng)復雜性也隨之提高。例如，24位ECC需要大約200，000個邏輯門，而40位ECC則需要大約300，000個邏輯門。據(jù)估計，將來先進的ECC算法可能需要近100萬個邏輯門（如圖1所示）。

很多高性能閃存系統(tǒng)必須使用多通道NAND閃存才能實現(xiàn)理想的性能。在這些系統(tǒng)中，每個通道都有其自己的ECC邏輯。例如，一個10通道固態(tài)硬盤（SSD）需要實現(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)界存在的大量時序和指令標準。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，這個接口規(guī)范的最大特點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參數(shù)，如時序模式、頁面大小、塊大小、ECC要求等。該特性被所有的ONFI標準繼承下來，并且一直是所有ONFI標準的重要內(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DDR源同步接口支持高達每秒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，當從異步模式轉(zhuǎn)換到同步通信模式時，主處理器會提前詢問閃存設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行速度達到數(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來提高閃存性能。此外，由于主處理器直接管理閃存設備，主處理器軟件可以做出實時決定，這有助于避免因意外斷電而造成的風險。

如圖2所示，ONFI 2.2接口規(guī)范（200MT/s）最多可支持16個標準NAND閃存芯片，典型解決方案通常采用兩個8片NAND閃存封裝。標準8片100-BallBGA封裝含有兩條獨立的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芯片使能信號控制每四片堆疊的裸片。典型設計是把兩條數(shù)據(jù)總線即DQ總線連接到一起，為每個封裝提供一條8位數(shù)據(jù)總線。最高配置由兩個內(nèi)置8片裸片的100-Ball BGA封裝組成。為選定一個特定的NAND裸片，每個標準100-Ball BGA封裝需要提供四個芯片使能（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個芯片使能信號。

3.ClearNAND解決方案

圖3顯示了兩個不同的系統(tǒng)實現(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薄型控制器與NAND閃存裸片整合在一個多芯片封裝（MCP）內(nèi)。ClearNAND 控制器用于實現(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，設計人員可以輕松地從標準NAND閃存升級到 ClearNAND閃存。

美光公司的ClearNAND 閃存分為標準型和增強型兩個版本。標準型ClearNAND閃存主要用于消費電子設備，可實現(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。

增強型ClearNAND閃存能夠管理ECC算法，并提供多個對于企業(yè)應用頗具價值的關鍵功能。它還支持ONFI 2.2接口的異步和同步通信標準，可用存儲容量高達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糾錯功能。這使得設計人員無需反復重新設計電路來支持制造商最新的NAND ECC要求。

增強型ClearNAND閃存

圖4所示為增強型ClearNAND閃存的架構。它支持1個ONFI 2.2接口和速度高達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)壓器進行去耦。為向后兼容傳統(tǒng)NAND閃存，VDDI連接放置在一個閑置引腳上。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。這兩條獨立閃存總線的速度高達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管理讀操作或?qū)懖僮?。可以預見，未來的控制器還將支持面向400MT/s的ONFI 3接口規(guī)范。

下面將討論增強型ClearNAND提供的四項高級功能：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

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

如圖5所示，增強型ClearNAND設計將存儲容量擴大八倍，同時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。這是因為對于SSD控制器，一個ClearNAND控制器僅代表一個負載，但是在一個MCP封裝內(nèi)最多可支持八個NAND裸片。

卷尋址概念有兩層含義。第一層是為每個ClearNAND 封裝確定卷地址。卷地址僅在初始化時分配一次，并保存到電源重啟為止。第二層含義是卷選擇指令本身，在這個新指令后面緊跟一個單字節(jié)（實際上只有4位）卷地址。一旦目標地址被選擇，該地址就會保持被選狀態(tài)，直到另一個卷被選擇為止。這可以節(jié)省很多使能引腳。例如，一個32通道SSD需要8個使能引腳來控制兩個8裸片標準NAND封裝。上述32通道SSD示例需要總共256個使能引腳，而增強型ClearNAND卷尋址功能對相同數(shù)量的NAND閃存進行尋址只需32個使能引腳。此外，這相同的32個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。這個功能對于PCB正反兩面都安裝ClearNAND閃存的高密度設計非常有用。利用一個特殊的初始化或復位序列，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)送一個復位或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

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

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，當使用標準NAND閃存時，將數(shù)據(jù)碎片從一個區(qū)塊轉(zhuǎn)移到另一個區(qū)塊通常需要執(zhí)行下列操作：

SSD控制器發(fā)布一個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)，同時執(zhí)行運算和必要的ECC糾錯操作，然后實現(xiàn)數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)的更新操作；SSD控制器計算并加入新的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)。

在這個連續(xù)的操作過程中，當數(shù)據(jù)從源地址移到目的地址時，總線處于被占用狀態(tài)，這個操作過程需要很長時間。假設一個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)。因為數(shù)據(jù)必須移出再移進閃存，所以需要兩倍的時間即82μs，但這個時間不包含ECC所花費的時間。在執(zhí)行這個序列的過程中，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控制器仍負責發(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ClearNAND封裝內(nèi)，它將在性能方面具有更強的優(yōu)勢。

圖7所示是一個在標識為通道0和通道1的兩路ONFI通道上采用增強型ClearNAND閃存的示例。在兩個SSD通道上，我們看到有四個內(nèi)部數(shù)據(jù)遷移操作同步進行，數(shù)據(jù)移動并沒有占用外部ONFI總線。在必要時，這個特性允許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，某些操作可能需要在ClearNAND封裝之間甚至ONFI總線之間進行。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。

本文小結(jié)

美光公司的增強型ClearNAND閃存為系統(tǒng)設計人員提供更高的性能和更多的功能，同時緩解了NAND閃存對ECC糾錯能力的日益嚴格的要求。增強型ClearNAND閃存支持與標準100-Ball BGA NAND閃存相似的焊球排列，用戶可以設計出同時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糾錯能力來直接支持SLC NAND閃存，選擇增強型ClearNAND閃存還能滿足ECC面臨更大挑戰(zhàn)的多級單元需求。

增強型ClearNAND閃存的卷尋址特性可使用更少的引腳實現(xiàn)更大容量尋址，從而為SSD方案中節(jié)省數(shù)百個引腳。電子數(shù)據(jù)映像功能可簡化PCB設計和走線，同時還能提高ONFI總線的信號完整性。智能中斷功能向SSD控制器提供實時狀態(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。