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NAND快閃記憶體中控制器的重要性
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基於NAND快閃記憶體的固態硬碟(SSD)正在取代許多應用中的硬碟驅動器(HDD),尤其是可擕式和消費類設備。由於快閃記憶體固有的高性能,這種技術也正在進軍企業存儲領域,同樣由於其堅固性(robustness),也得以進軍工業應用領域。快閃記憶體控制器在這些系統中起著至關重要的作用,能夠提供主機和快閃記憶體設備之間的物理介面,也可以高效地利用快閃記憶體來實現所需的可靠性和性能。

控制器架構
典型的快閃記憶體控制器的簡單框圖,其中主要包括三個部分:與NAND快閃記憶體的介面,與主機系統的介面,以及執行所有管理功能的中央處理器。 ROM只提供初始引導代碼,控制器的固件存儲在快閃記憶體中,因而便於更新升級。選擇使用何種CPU是決定控制器性能、功能和功耗的關鍵。

主機和快閃記憶體介面包含用於資料讀寫的緩衝區。由於主機和快閃記憶體採用的速度和資料大小不同,而且主機上的資料在寫入之前可能需要重新組織,因而緩衝區是必需的。控制器應該能夠透明地交叉訪問多個快閃記憶體,以達到所需的讀寫速度。

為了達到要求的性能、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
基於檔案系統的磁區大小並使用“邏輯塊位址”,主機通常以塊為單位寫入快閃記憶體。控制器必須管理這些傳輸到快閃記憶體記憶體頁和塊的資料,並跟蹤主機邏輯位址和快閃記憶體中物理位址之間的映射,如圖2所示。出於速度考慮,映射資訊將保留在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。
所使用的映射類型和更新方法將決定性能和堅固性,例如電源意外斷開的情況。
 
改錯碼
與所有存放裝置一樣,資料讀取時可能會出現錯誤。這些可能是由輻射引起的偶然錯誤,或者是附近的單元被讀取或程式設計時存儲值被擾亂引起的暫時故障,或者是程式設計單元時的失效。使用快閃記憶體時,由於快閃記憶體單元的程式設計/擦除週期有限,這些錯誤隨著時間的推移會變得更加頻繁。為此,控制器使用改錯碼(ECC)來檢測和糾正錯誤。這意味著當資料寫入快閃記憶體時,會寫入包含ECC的額外位元組。為了檢查錯誤,當資料被讀取時,ECC被重新計算,並且與存儲的值進行比較。通常情況下,允許校正單字節的錯誤,並且可檢測多位元組的錯誤。重複的故障可能表示壞塊(bad block)。然後控制器需要跟蹤壞塊,一面它們被再次使用。

因此,高品質的ECC實施是確保快閃記憶體記憶體中資料完整性的關鍵。可以使用的ECC類型有很多,這些都包括非常複雜的數學函數,可以在校正速度和品質、硬體要求和處理性能方面提供不同的權衡。ECC的選擇需要與原始誤碼率和誤碼分佈等快閃記憶體的特性相匹配。一個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演算法。

磨損平衡
為了最大限度地減少快閃記憶體單元有限的程式設計/擦除耐久性的影響,並最大限度地延長快閃記憶體的使用壽命,控制器使用磨損平衡(wear levelling)演算法來確保所有塊的均勻使用。這意味著控制器在寫入資料時必須從未使用的塊中選擇使用最少的頁。此外,有幾種方法可以用於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資料只能寫入擦除的頁面。因此,如果對小於一頁的資料塊進行隨機寫入,則當前在頁中的資料可能需要被重新定位到新的已擦除頁面。這是產生寫入放大的主要原因之一,即快閃記憶體的實際寫入比主機要求的寫入要多。控制器必須確保資料重新定位期間的資料完整性,並需要更新邏輯位址映射。

由於資料是以頁的形式寫入,但卻只能以由多個頁面組成的塊進行擦除,因此控制器將必須進行垃圾收集(garbage collection)。這需要複製資料以便把已經使用的頁整合到塊,並釋放可被擦除進而重新使用的空白塊。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,還需要確保斷電時資料不會丟失。

控制器可以利用快閃記憶體中塊的超量配置,從而使壞塊不會降低快閃記憶體的可用容量或壽命。可用的備用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方面是控制器本身的品質。首先,通過嚴格的設計和測試流程可以確保設備在特定的環境中可靠地工作。另外,由於半導體對輻射的敏感性,所選擇的封裝對於最小化α粒子的影響非常重要。同樣,封裝和互連材料也需要耐受使用期間由溫度變化引起的應力。生產測試中使用的方法是加速老化來確認設備能夠滿足故障率和平均無故障時間(MTBF)的要求。

健康監測
與任何其他存儲系統一樣,快閃記憶體的使用壽命有限。控制器可以監控和記錄總的擦除和程式設計週期次數、壞塊和備用塊的數量、以及由ECC檢測到的錯誤率等資料,由此可向主機系統和使用者提供關於快閃記憶體的健康狀態資訊。這樣可以提前預警潛在的故障,以便在發生資料丟失風險之前更換設備。對於通過標準ATA介面連接的SSD設備,可以通過自我監測、分析和報告技術(SMART)協定來報告此類資訊。

結論
通過管理資料傳輸並“隱藏”快閃記憶體存儲技術的固有缺點,控制器是實現可靠的基於快閃記憶體存儲的關鍵元件。要實現消費和企業級,尤其是工業或嵌入式系統中的資料存儲所需的性能、可靠性和使用壽命,高品質的控制器至關重要。
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