圍繞基于NAND閃存的存儲系統(tǒng)的對話已經(jīng)變得混亂。通常,當(dāng)人們討論存儲時,他們只談?wù)揘AND閃存,而忽略了單獨(dú)的,但同樣重要的組件,即控制器。但是為什么需要控制器呢?簡單地說,沒有它,一切都不起作用。
NAND 閃存控制器(簡稱“控制器”)專為不同的接口(如 PCIe、eMMC、標(biāo)清、SATA 和 USB)而設(shè)計(jì),具有不同的質(zhì)量和不同的用例。它們的共同點(diǎn)是它們管理NAND閃存上的數(shù)據(jù)。在過去的十年中,這種存儲技術(shù)變得越來越流行,如果沒有它,就無法想象我們今天的世界。
在復(fù)雜的控制器和固件的幫助下,NAND閃存技術(shù)向3D結(jié)構(gòu)發(fā)展的穩(wěn)步發(fā)展,成功地取代了HDD成為使用最廣泛的大容量存儲介質(zhì)。同時,為了執(zhí)行糾錯、映射、垃圾回收和數(shù)據(jù)刷新等任務(wù),控制器面臨的挑戰(zhàn)也越來越大。
那么,一個控制器及其固件相對于另一個控制器有什么優(yōu)勢,有什么區(qū)別呢?
控制器及其基本功能:
控制器是任何NAND閃存存儲系統(tǒng)背后的大腦。它確保從主機(jī)接收的數(shù)據(jù)被發(fā)送到閃存,并可以在以后檢索。它將主機(jī)系統(tǒng)的讀/寫/狀態(tài)命令轉(zhuǎn)換并修改為閃存組件的各種讀/寫/狀態(tài)命令。它還將主機(jī)的邏輯塊地址 (LBA) 或扇區(qū)地址(由文件系統(tǒng)管理)轉(zhuǎn)換為閃存上的地址,這些地址被組織成塊和頁面。該控制器可確保兩側(cè)的兼容性,并處理任何固有的閃光缺陷。
為什么不使用一個小程序?qū)?shù)據(jù)寫入閃存呢?當(dāng)然,這不可能那么困難!
NAND 閃存本質(zhì)上是不可靠的。這是因?yàn)?a target="_blank">半導(dǎo)體(其中NAND閃存是其中一種類型)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量會受到顯著的應(yīng)力。此外,電子在硅內(nèi)遷移,隨著時間的推移破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于熱量會移動電子,因此隨著熱量的增加,所有老化過程都會呈指數(shù)級加速。半導(dǎo)體內(nèi)的幾何形狀或電池結(jié)構(gòu)越小,器件就越容易受到這些影響的影響。今天的半導(dǎo)體具有比以往更小的結(jié)構(gòu),需要大量的開發(fā)才能充分解決這些影響。
同時,不同的應(yīng)用領(lǐng)域有不同的要求。用于消費(fèi)產(chǎn)品的半導(dǎo)體將每天運(yùn)行六小時,每周五天,主要在室溫下運(yùn)行五年,其設(shè)計(jì)將與在室外環(huán)境中全天候運(yùn)行十多年的工業(yè)產(chǎn)品不同。同時,每個區(qū)域需要存儲的數(shù)據(jù)量也在不斷增加。閃存開發(fā)人員對此的回答是進(jìn)入第三維度。
越新越好!讓我們?nèi)?D閃光燈,它也更便宜,不是嗎?
基于NAND閃存的設(shè)備具有低功耗,高速和可靠性的優(yōu)點(diǎn)。硅芯片的成本與面積成正比,并且在很大程度上與它上面的內(nèi)容無關(guān)。因此,NAND閃存的每字節(jié)成本取決于在任何給定大小的芯片上可以存儲多少位。在這方面,已經(jīng)使用了幾種技術(shù)來增加NAND閃存的存儲密度。
第一種技術(shù)是減小每個細(xì)胞的大小。但是,這種大小的減小達(dá)到了其邏輯極限。它還導(dǎo)致了一些不良的副作用,例如較大的漏電流和較高的錯誤率。
另一種技術(shù)是在每個單元格中存儲更多位?,F(xiàn)代閃存不是只能存儲一位數(shù)據(jù)的單級單元(SLC),而是每個單元可以存儲兩個(MLC),三個(TLC)或四個(QLC)位,并且這種發(fā)展仍在繼續(xù)。這意味著需要精確的編程和測量。雖然此技術(shù)增加了存儲密度,但在考慮較低的性能、較短的使用壽命和較高的錯誤率時,它也只是一種妥協(xié)。
3D NAND閃存的主要優(yōu)點(diǎn)是降低了每字節(jié)的成本。這是因?yàn)樵谛酒耐粎^(qū)域可以容納更多的位。3D NAND芯片中的存儲單元比2D設(shè)備中的存儲單元更緊密,2D設(shè)備中的存儲單元分布在表面的外部?,F(xiàn)代閃存不是在芯片表面放置一系列存儲單元,而是創(chuàng)建多層存儲單元,以在硅內(nèi)創(chuàng)建完整的三維結(jié)構(gòu)。這允許在同一區(qū)域中具有更大的存儲容量,同樣重要的是,與數(shù)據(jù)的連接更短,這反過來又允許更快的數(shù)據(jù)傳輸。
雖然3D NAND閃存在存儲容量和每字節(jié)成本方面可能是正確的選擇,但3D NAND閃存的有效使用在很大程度上取決于閃存控制器??刂破髦行枰獜?fù)雜的機(jī)制來有效管理大內(nèi)存容量,最大限度地減少單元編程的影響,并確保高架單元結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大使用壽命和可靠性。
那么,一個好的控制器的特征是什么呢?
控制器的功能和特性范圍有許多不同之處。您基本上可以將控制器分為兩類:基于 DRAM 的控制器和無 DRAM 的控制器。
無 DRAM 控制器非常適合用于需要絕對數(shù)據(jù)可靠性的工業(yè)環(huán)境或應(yīng)用(醫(yī)療技術(shù)設(shè)備或移動無線電臺)。帶有DRAM的控制器可以實(shí)現(xiàn)更高的性能,但是,在可靠性方面,無DRAM控制器是更好的選擇,因?yàn)樗鼈兛梢员WC將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅AND閃存上。如果突然斷電,通過基于DRAM的控制器處理的數(shù)據(jù)將在不再供電后立即丟失通過DRAM緩存的數(shù)據(jù)。此外,少一個組件也少了一個成本、考慮和潛在的并發(fā)癥。
電池隨著時間的推移而老化并失去其充電狀態(tài);單元格的值“翻轉(zhuǎn)”,并且會發(fā)生所謂的位翻轉(zhuǎn)??刂破骺梢?a target="_blank">檢測這些不正確的位,并借助糾錯進(jìn)行補(bǔ)償。但是,如果這些位錯誤累積,控制器必須采取對策。大多數(shù)閃存控制器包括刷新算法,用于檢測數(shù)據(jù)何時變舊并因此不穩(wěn)定,例如,通過時間戳或記錄位錯誤統(tǒng)計(jì)信息。較便宜的控制器僅在讀取數(shù)據(jù)時才檢測和檢查數(shù)據(jù),即僅在主機(jī)請求讀取時。更復(fù)雜的控制器將所有數(shù)據(jù)的驅(qū)動器掃描安排為另一個后臺維護(hù)操作。
隨著時間的推移,讀取頁面中的塊也會對相鄰頁面的物理數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。為了解決這個問題,控制器具有讀取干擾管理功能,可監(jiān)控閃存中的讀取并根據(jù)需要更新周圍的數(shù)據(jù)。
自我監(jiān)控、分析和報(bào)告技術(shù) (SMART) 提供有關(guān) NAND 閃存的運(yùn)行狀況和使用壽命的信息。它允許用戶根據(jù)各種屬性監(jiān)控閃存設(shè)備的壽命。例如,可以對備用塊、擦除操作、讀取總數(shù)或 ECC 錯誤總數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),如果可以從閃存中檢索到相應(yīng)的數(shù)據(jù),則可以準(zhǔn)確估計(jì)壽命。此功能是 ATA 接口的標(biāo)準(zhǔn)功能。但是,在設(shè)計(jì)用于 Hyperstone 控制器的其他要求苛刻的應(yīng)用中,此功能也相應(yīng)地用于其他接口,例如 USB 或 SD 和 dem。根據(jù)對特定用例的了解,基于SMART數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)也可以相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)要求,控制器和固件可以在成本、性能或可靠性方面進(jìn)行優(yōu)化。
這些高端功能是否也適用于 SD 卡或 USB 驅(qū)動器?
是的,事實(shí)上,特別是對于這些產(chǎn)品,這些產(chǎn)品被設(shè)計(jì)得很便宜,有一個平行宇宙,一個由控制器,固件,制造和存儲提供商組成的生態(tài)系統(tǒng),其重點(diǎn)是可靠性和長期可用性。
超石的新型標(biāo)清控制器 S9 采用交鑰匙固件設(shè)計(jì),可滿足最苛刻應(yīng)用的需求。為了延長使用壽命和高數(shù)據(jù)完整性,該控制器包括閃存 XE? ECC 和可靠性?功能。hyMap? 閃存轉(zhuǎn)換層僅確保最小的寫入放大和最高的耐用性。結(jié)果:有效利用 NAND 閃存,將故障降至最低。功能范圍由hySMART?監(jiān)控工具補(bǔ)充。其他安全功能,可以使用應(yīng)用程序編程接口 (API) 在 S9S 版本的超石控制器中實(shí)現(xiàn)。
在存儲系統(tǒng)和控制器方面,在接口選項(xiàng)和質(zhì)量方面都有很多選擇。為了實(shí)現(xiàn)一個考慮性能和可靠性以及成本和收益之間權(quán)衡的設(shè)計(jì),需要大量的洞察力和經(jīng)驗(yàn)。Hyperstone不僅可以從設(shè)計(jì)和咨詢的角度提供幫助,還可以通過一系列控制器和完整的解決方案提供幫助,例如針對特殊應(yīng)用進(jìn)行固件定制的μSD卡。如果數(shù)據(jù)存儲對您的應(yīng)用程序至關(guān)重要,或者故障會導(dǎo)致代價高昂的停機(jī)時間,那么仔細(xì)選擇控制器和存儲技術(shù)是關(guān)鍵。
審核編輯:郭婷
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