如何根據(jù)NAND閃存特性選擇正確的閃存控制器

NAND閃存是一種大眾化的非易失性存儲(chǔ)器，主要是因?yàn)樾⌒?，低功耗且?jiān)固耐用。 盡管此技術(shù)適合現(xiàn)代存儲(chǔ)，但在將其列入較大系統(tǒng)的一部分時(shí)，需要考慮許多重要特性。 這些特性適用于所有類(lèi)型的存儲(chǔ)，包括耐用性，密度，性能，每千兆字節(jié)價(jià)格，錯(cuò)誤概率和數(shù)據(jù)保留。

閃存概述

閃存單元由修改的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）組成，在控制柵極和通道之間的絕緣層中具有額外的“浮置”柵極。 通過(guò)施加高壓將電荷注入到浮柵上（或從浮柵上去除）。 這會(huì)改變打開(kāi)晶體管所需的柵極電壓，該電壓代表存儲(chǔ)在單元中的值。 這些單元的陣列構(gòu)成一個(gè)塊，整個(gè)存儲(chǔ)器由多個(gè)塊組成。

由于浮柵完全被絕緣層包圍，因此即使斷電，也會(huì)保留存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

NAND閃存單元圖（在Hyperstone Youtube頻道上有詳細(xì)說(shuō)明）

閃存陣列的簡(jiǎn)化圖。 黃色框突出顯示die，淺灰色為plane，深藍(lán)色為塊，淺藍(lán)色框則為page。 該圖僅用于可視化層次結(jié)構(gòu)，而不能按比例繪制。 （Hyperstone Youtube頻道有更加詳細(xì)說(shuō)明）

NAND閃存的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是管理使用可用頁(yè)面寫(xiě)入數(shù)據(jù)的方式。 在將新數(shù)據(jù)寫(xiě)入頁(yè)面之前，必須先擦除該頁(yè)面。 但是，只能擦除包含許多頁(yè)面而不是單個(gè)頁(yè)面的整個(gè)塊。 此過(guò)程很復(fù)雜，由單獨(dú)的設(shè)備（稱(chēng)為閃存控制器）進(jìn)行管理。 控制器需要做大量工作才能最有效地利用閃存：管理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置和塊的重復(fù)使用方式。

閃存編程和耐久性

每次對(duì)單元進(jìn)行編程和擦除時(shí)，浮柵下的絕緣層都會(huì)受到輕微損壞，從而影響存儲(chǔ)單元的可靠性。 每個(gè)單元具備有限的保證編程擦除周期數(shù)量，這被稱(chēng)為持久性。 這種耐久性可有效測(cè)定存儲(chǔ)器的壽命。 憑借閃存控制器，可以通過(guò)仔細(xì)管理塊的使用方式，達(dá)到最大限度化提高有限的耐用性，以確保它們均被平等地使用。 這是由閃存應(yīng)用的一種技術(shù)，稱(chēng)為損耗平衡。盡可能減少開(kāi)銷(xiāo)量也很重要，從而達(dá)到寫(xiě)入放大。

內(nèi)存的壽命也可以通過(guò)預(yù)留空間來(lái)延長(zhǎng)，這會(huì)減少用戶可見(jiàn)的內(nèi)存并增加備用內(nèi)存。 額外的容量在應(yīng)用損耗均衡時(shí)提供更多靈活性，因?yàn)槿哂嗳菰S有些塊無(wú)法用超出容量的塊來(lái)取代。 但是，由于增加冗余塊會(huì)降低有效存儲(chǔ)容量，因此反過(guò)來(lái)會(huì)增加每位的有效成本。

增加存儲(chǔ)密度

選擇存儲(chǔ)技術(shù)時(shí)，考慮的主因之一是管理每GB的成本。 硅芯片的制造成本幾乎完全取決于面積，而不是功能。 因此，可以通過(guò)提供特定容量所需的面積來(lái)降低每GB閃存的成本。最可行的辦法是通過(guò)轉(zhuǎn)往更小的制造工藝來(lái)減小存儲(chǔ)單元的尺寸。 但是，閃存的物理性質(zhì)限制了這種縮放比例，因此閃存供應(yīng)商已轉(zhuǎn)向其他方法來(lái)提高密度。

第一步是在每個(gè)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)兩位而不是一個(gè)位。 這就是所謂的多級(jí)單元（MLC）閃存。 從那時(shí)起，已經(jīng)制造出在三級(jí)單元（TLC）中存儲(chǔ)三位并且在四級(jí)單元（QLC）中存儲(chǔ)四位的閃存。 內(nèi)存的原始類(lèi)型現(xiàn)在稱(chēng)為單級(jí)單元（SLC）。

權(quán)衡利弊

以下特性在SLC，MLC，TLC和QLC NAND閃存之間有所不同。

耐力：?jiǎn)蝹€(gè)單元在變得不可靠之前可以寫(xiě)入的P / E周期數(shù)。 由于存儲(chǔ)多個(gè)位的單元使用與存儲(chǔ)單個(gè)位的單元相同的生產(chǎn)過(guò)程來(lái)制造，因此讀取余量較小。 這使得讀取真實(shí)電壓電平更加困難，從而導(dǎo)致較高的讀取錯(cuò)誤率。

密度：隨著每個(gè)單元中存儲(chǔ)更多位，總體位密度相應(yīng)增加。 由于MLC，TLC和QLC存儲(chǔ)器通常是在功能更小，功能更現(xiàn)代的工藝上制造的，因此可以進(jìn)一步提高這一點(diǎn)。

性能：隨著單元中存儲(chǔ)的級(jí)別越來(lái)越多，編程復(fù)雜性也隨之增加。 同樣，在讀取時(shí)，可能需要對(duì)輸出進(jìn)行多次采樣才能獲得正確的數(shù)據(jù)。 SLC存儲(chǔ)器具有最簡(jiǎn)單的編程過(guò)程，電壓水平相距較遠(yuǎn)，因此更容易區(qū)分它們。 因此， SLC通常比MLC具有更快的讀寫(xiě)性能。

每GB的價(jià)格：由于QLC閃存的密度最高，因此每GB的價(jià)格最低。 增加密度所帶來(lái)的收益可能會(huì)因?yàn)樾枰呒?jí)別的超額配置來(lái)彌補(bǔ)耐久力降低而略有抵消。

錯(cuò)誤概率：如果將多個(gè)位存儲(chǔ)在一個(gè)單元中，則讀取存儲(chǔ)值時(shí)出錯(cuò)的可能性更大。 這增加了存儲(chǔ)器的原始錯(cuò)誤率。 這可以通過(guò)更復(fù)雜的糾錯(cuò)方法來(lái)補(bǔ)償，因此不必直接轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)看到的錯(cuò)誤。

數(shù)據(jù)保留：閃存在不通電時(shí)能夠隨著時(shí)間的推移保持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)完整性的能力。 每次寫(xiě)入閃存單元時(shí)（一個(gè)P/E周期），該單元的氧化層都會(huì)稍微退化，并且該單元保留數(shù)據(jù)的能力會(huì)降低。

下表總結(jié)這些大概要意。

NAND閃存被用來(lái)作為包括SSD，USB驅(qū)動(dòng)器和SD卡等許多類(lèi)型的存儲(chǔ)產(chǎn)品的主要部分。 為了滿足客戶在價(jià)格，性能和可靠性方面的期望，上述每個(gè)特性之間都要進(jìn)行權(quán)衡。

該選擇還可以取決于存儲(chǔ)單元正在與之通信的應(yīng)用程序或主機(jī)。 例如，應(yīng)用程序的存取模式各不相同：有些可能會(huì)進(jìn)行大量隨機(jī)讀寫(xiě)，有些可能會(huì)更多地依賴(lài)大型順序?qū)懭?，例?視頻錄制。 還有諸如溫度之類(lèi)的外部因素，它們可以改變存儲(chǔ)單元的行為。 閃存控制器在管理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)需要能夠考慮這些所有因素。 Hyperstone閃存控制器中的固件可以針對(duì)特定用例進(jìn)行微調(diào)。

在設(shè)計(jì)使用NAND閃存的系統(tǒng)時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)奶匦云胶夥浅Ｖ匾?閃存控制器還必須足夠靈活，以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋?quán)衡。 選擇正確的閃存控制器對(duì)于確保閃存滿足產(chǎn)品要求至關(guān)重要。
編輯：hfy