下一代Flash存儲器在工業(yè)控制領域技術與應用

　　下一代Flash存儲器品質(zhì)與耐用度趨勢越來越往下，工控市場客戶往往只敢選用單價高昂的SLC存儲器，也使得工控應用上的SSD容量受到局限；Flash SSD/DOM業(yè)者導入十倍于MLC耐用品質(zhì)等級的iSLC存儲器技術，加上導入種種維護、監(jiān)控SSD內(nèi)部Flash在擦寫均勻度（Wear Leveling）、品質(zhì)與穩(wěn)定性的關鍵技術，使得MLC可以導入輕量級工控應用，而iSLC存儲器將成為工控應用的新寵。

　　MLC在嵌入式工控應用的挑戰(zhàn)

　　NAND Flash隨著制程進步，線路寬度與間距越來越細小，連帶影響到可擦寫次數(shù)（P/E Cycles）的縮減。以SLC存儲器為例，從3x納米制程（3xnm）時代的100,000次P/E Cycles，僅需4個ECC bit（錯誤即時修正位元），到2x納米制程時代的SLC，其P/E Cycles降到60,000次且需要ECC 24bit。

　　宜鼎國際股份有限公司工控FLASH事業(yè)處協(xié)理吳錫熙

　　MLC Flash從早期5x納米制程需要ECC 8bit、P/E cycles為10，000次，到3xnm MLC時P/E Cycles降到5，000次，ECC爆增到15bit；跨入2xnm MLC時P/E Cycles已降到3，000次，需要到ECC 24bit，2ynm MLC時，修正位元數(shù)更增加至ECC 40bit。

　　周邊儲存裝置的傳輸速率也不斷的提升。2010年ONFI 2.0推進到133MB/s，eMMC v4.41傳輸速率為104MB/s；2011年ONFI v2.2/Toggle 1.0規(guī)格，把Flash傳輸速率提升到200MB/s，eMMC v4.5拉高到200MB/s；UFS 1.0傳輸速率為2.9Gbps，SATAⅡ規(guī)格到3Gbps（300MB/s）；2012年ONFI v3.0/Toggle v1.5提升到400MB/s，UFS v2.0傳輸速率倍增為5.8Gbps，SATAⅢ則為6Gbps（600MB/s）；到2015年ONFI v4.x/Toggle v2.xx規(guī)格定義的傳輸速率增到800MB/s、1.6GB/s。

　　面對新一代Flash耐用度╱品質(zhì)持續(xù)下降的種種挑戰(zhàn)

　　吳錫熙指出，使用MLC存儲器挑戰(zhàn)，在于持續(xù)增加的錯誤位元數(shù)，2ynm制程已經(jīng)超過40個，在-40?85℃寬溫環(huán)境下，其錯誤位元數(shù)還會增加；同時 MLC在電源突然中斷循環(huán)測試（Power Cycling）下容易資料遺失，資料壽命會隨著P/E Cycles增加而縮短，以及16K分頁設計的MLC在做區(qū)塊回收（Garbage Collection）時會花費更多處理時間。

　　如果客戶評估想導入MLC于輕量級工控應用，除了需要有好的平均擦寫機制、內(nèi)部監(jiān)控工具之外，還要有其他輔助性的技術。

　　MLC 會隨著P/E cycles擦寫次數(shù)的增加，錯誤位元會逐漸增加。依照宜鼎內(nèi)部長期測試結(jié)果，以3xnm MLC為例，從1，000 P/E Cycles以內(nèi)，平均只產(chǎn)生一個錯誤位元；經(jīng)過20，000 P/E cycles后，錯誤位元數(shù)暴增了5倍。2xnm制程的MLC，在1，000 P/E cycles以下的平均錯誤位元數(shù)就已經(jīng)是5，經(jīng)過8，000次后增加到25；2ynm制程的MLC在1，000 P/E cycles時錯誤位元數(shù)3，8，000次時增加到34，到10，000次時增加到41個。

　　宜鼎提出Flash Correct-and-Refresh（FCR）技術，隨時讀取并監(jiān)控錯誤位元發(fā)生率異常增加的MLC區(qū)塊，修正后搬移到其它儲存狀況較好的區(qū)塊后重新抹寫更新，可以改善Flash的使用壽命。宜鼎也對16KB分頁的MLC Flash，發(fā)展出更智慧的區(qū)塊回收（Garbage Collection）演算法，減少SSD做資料維護的延遲現(xiàn)象。

　　吳錫熙認為若要使用MLC存儲器時，可采用動態(tài)平均擦寫（Dynamic Wear-Leveling）技術，再搭配靜態(tài)平均擦寫（Static Wear-Leveling），對于僅3，000次P/E Cycles的MLC來說尤其重要。像宜鼎（Innodisk）就提供一個iSMART工具程式，可以用點狀分布圖方式，呈現(xiàn)出該SSD某一個區(qū)塊的寫入次數(shù)，以及整體Wear-Leveling效果，同時也能針對溫度與使用壽命做監(jiān)控與預估，同時也能發(fā)揮監(jiān)控效能以及預先警示功能。

　　而 MLC在寫入資料時若突然發(fā)生斷電情況，萬一此時韌體正在進行寫入資料或區(qū)塊回收作業(yè)時，特別容易造成被寫入的存儲頁與相鄰存儲頁的連帶影響，甚至造成整個SSD資料遺失。因此好的SSD控制芯片需具備失效╱低電壓偵測電路，藉由偵測輸入電流發(fā)生壓降時，能迅速的將該寫完的存儲頁完成后，儲存必要的系統(tǒng)狀態(tài)旗號恢復且重新開機載入OS。

　　以iSLC提供低成本、高品質(zhì)的工控應用

　　在一般商溫（0~70℃）的工控應用下，需要經(jīng)常性的讀寫且要五年的品質(zhì)保證，對于密集讀寫的重量級應用上，客戶往往只選訂SLC；但SLC與MLC價差快要五倍。因此宜鼎提出以iSLC存儲器解決方案來取代。

　　iSLC 與既有SLC、MLC存儲器的差異，在于iSLC運用既有的低本的MLC存儲器制程技術，在每一個細胞電路單元，使用SLC讀寫技術（只儲存1個位元的電荷值），Endurance因而提升到30，000次P/E Cycles，介于SLC的60，000次與MLC的3，000次之間，成本雖然比MLC高，卻比SLC便宜一半?？蓱迷谙袷荌PC/Kiosk /POS系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、伺服器主機板以及薄型終端機等。

　　他列出一張以相同2xnm制程的MLC與iSLC長期耐用度的測試圖表：MLC 在連續(xù)寫20，000次后，產(chǎn)生錯誤位元數(shù)超過30；iSLC則是僅有6個，即便連續(xù)抹寫超過100，000次，產(chǎn)生錯誤位元數(shù)不超過10個，耐用度與品質(zhì)媲美標準SLC制程的SLC存儲器。以32G容量SSD測試，每天寫滿32GB資料10次，MLC只能維持0.8年，舊制程（3xnm） SLC可以達到27.4年，新制程（2xnm） SLC可達16.4年，而2xnm制程的iSLC可達到7.6年。

　　宜鼎國際以iSLC快閃存儲器技術設計一系列產(chǎn)品，全為SATAⅡ介面設計：

　　型號2.5” SSD 2IE採8通道設計，容量32GB~256GB，循序讀寫速度為230、200MB/s；SATADOM-QVL 2IE以及SATADOM-QV 2IE則為4通道設計，容量8 ~ 64GB，循序讀寫速度為130、120MB/s；CFAST 2IE存儲器一樣為4通道設計，容量8 ~ 64GB，循序讀寫速度為130、120MB/s。另外有mSATA 2IE的mSATA模組，Halfslim尺寸的SATA Slim 2IE，以及SATADOM QH 2IE模組，皆為SATAⅡ介面四通道設計，容量8 ~ 64GB，循序讀寫速度為130、120MB/s

　　嵌入式應用的SATAIII解決方案

　　吳錫熙接著介紹針對嵌入式工控應用的SATAIII產(chǎn)品解決方案。由宜鼎研發(fā)的Innodisk ID167控制芯片，采四通道8CE設計，ECC資料修正能力為40bit/1KB；搭配64Mx16bit的DDRⅢ存儲器做為讀寫緩沖區(qū)，同時在SATAⅢ的Slumber、DEVSEL模式下僅有33 mW、5mW的功耗。採ID167設計的SSD與mSATA模組，將于2013年第一季開始送樣。

　　Innodisk ID167搭配選用24/25nm制程的同步型（Sync）MLC Flash存儲器顆粒，以IO Meter做效能實測，64GB（4CH）版本，其循序讀取╱寫入效能達480MB/s、270MB/s，持續(xù)性讀取╱寫入IOPS為80K、 1K；128GB（4CH）版本的循序讀取╱寫入效能 520MB/s、350MB/s，持續(xù)性讀取╱寫入IOPS為80K、2K；256GB（4CH）循序讀取╱寫入效能 550MB/s、400MB/s，持續(xù)性讀取╱寫入IOPS為80K、3K，表現(xiàn)算是相當出色。

　　跟工控應用為主流的128GB SLC SSD相比，CystalDiskMark v3.0實測結(jié)果，256GB MLC SATAIII SSD的循序讀取、寫入速度為519、344MB/s，而純SATAⅡ的128GB SLC SSD，循序讀取、寫入速度為253、190MB/s。在兩者成本相近情況下，256GB MLC SATAIII SSD比128GB SLC SATAⅡ SSD容量倍增、效能更快。

　　宜鼎也提供有SSD單芯片模組，由Innodisk ID167控制芯片加上Flash硅晶圓封裝做COB封裝而成，32GB（4CH x 1CE）版本，其循序讀取、寫入速度為480、140MB/s。跟SATAII SLC的32GB SATADOM做CystalDiskMark v3.0效能實測，SATA III循序讀取、寫入速度為482、271MB/s；SATA II循序讀取、寫入速度為252、235MB/s。