存儲背后的大腦：NAND 閃存控制器實際上是做什么的？

存儲背后的大腦：NAND 閃存控制器實際上是做什么的？
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圍繞在基于 NAND 閃存的存儲系統(tǒng)的討論變得很混亂。通常，當(dāng)人們討論存儲時，只會談?wù)?/strong> NAND 閃存，而忽略了控制器這一獨立但同樣重要的組件。但是為什么需要控制器呢？簡而言之，沒有它什么都行不通。
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NAND 閃存控制器，或簡稱“控制器”，專為不同的接口（如 PCIe、eMMC、SD、SATA 和 USB）而設(shè)計，具有不同的質(zhì)量和不同的用例。它們的共同點是管理 NAND 閃存上的數(shù)據(jù)。這種存儲技術(shù)在過去十年里變得越來越流行，如果沒有它，就無法想像我們今天的世界會是什么樣子。
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NAND 閃存技術(shù)向 3D 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)步發(fā)展，在復(fù)雜的控制器和固件的幫助下，成功取代HDD，成為最廣泛使用的大容量存儲介質(zhì)。同時，為執(zhí)行諸如糾錯、映射、垃圾收集和數(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有什么優(yōu)勢，又有什么區(qū)別呢？
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控制器及其基本功能
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控制器是任何 NAND 閃存存儲系統(tǒng)背后的大腦。它確保從主機接收到的數(shù)據(jù)被發(fā)送到閃存并可以在以后檢索。它將主機系統(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。它還將主機的邏輯塊地址 (LBA) 或由文件系統(tǒng)管理的扇區(qū)地址轉(zhuǎn)換為閃存上的地址，這些地址被組織成塊和頁面。該控制器確保雙方的兼容性并處理任何固有的閃存缺陷。
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為什么不使用小程序?qū)?shù)據(jù)寫入閃存呢？肯定不會那么難的！
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NAND閃存本質(zhì)上并不可靠。這是因為半導(dǎo)體（其中 NAND 閃存是其中一種）受到使用過程中變熱的顯著壓力。此外，電子在矽內(nèi)部遷移，隨著時間的推移破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于熱會使得電子移動，所有老化過程都隨著熱的增加而呈指數(shù)加速。半導(dǎo)體內(nèi)的幾何形狀或單元結(jié)構(gòu)越小，器件就越容易受到這些影響。今天的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)比以往任何時候都小，需要大量的開發(fā)來充分解決這些影響。
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同時，不同的應(yīng)用領(lǐng)域有不同的要求。用于消費產(chǎn)品的半導(dǎo)體，每天6 小時，每周 5 天，主要在室溫下工作 5 年的設(shè)計，與在室外環(huán)境中 24/7 工作超過 10 年的工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計方式不同。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)人員對此的回答要進入第三維度。
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較新總是較佳！我們?nèi)ベI 3D 閃光燈吧，它也較便宜，不是嗎？
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基于NAND閃存的設(shè)備具有功耗低、速度快、可靠性高等優(yōu)點。矽芯片的成本與面積成比例，并且很大程度上與上面的內(nèi)容無關(guān)。因此，NAND閃存每字節(jié)的成本取決于在任何給定尺寸的芯片上可以存儲多少位。在這方面，有幾種技術(shù)已被用于提高 NAND 閃存的存儲密度。
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第一種技術(shù)是減小每個單元的大小。然而，這種尺寸的減小達到了它的邏輯極限。它還導(dǎo)致了一些不良副作用，例如更大的泄漏電流和更高的錯誤率。。
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另一種技術(shù)是在每個單元中存儲更多位。現(xiàn)代閃存不再是只能存儲一位數(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。雖然這項技術(shù)增加了存儲密度，但考慮到較低的性能、較短的壽命和較高的錯誤率，因此它也只是一種折衷辦法。
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3D NAND 閃存的主要優(yōu)勢是降低了每字節(jié)的成本。這是因為芯片的同一區(qū)域可以容納更多位。 3D NAND 芯片中的存儲單元比 2D 設(shè)備中的存儲單元更緊密，它們分散在表面的外側(cè)?，F(xiàn)代閃存不是在芯片表面放置存儲單元陣列，而是創(chuàng)建多層存儲單元，以在矽片內(nèi)創(chuàng)建完整的三維結(jié)構(gòu)。這允許在同一區(qū)域內(nèi)獲得更大的存儲容量，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。
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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)雜的機制來有效地管理大內(nèi)存容量，最大限度地減少單元編程的影響，并確保高聳的單元結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大壽命和可靠性。
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那么，一個好的控制器有什么特點呢？
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控制器的功能和特性范圍存在許多差異?；旧峡梢詫⒖刂破鞣譃閮深悾夯?DRAM 的控制器和無 DRAM 控制器。
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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)備或移動式的無線電臺）。帶有 DRAM 的控制器可以實現(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，因為它們可以保證將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?NAND 閃存上。在突然斷電的情況下，一旦不再供電，由基于 DRAM 的控制器處理的數(shù)據(jù)將丟失通過 DRAM 緩存的數(shù)據(jù)。此外，少一個組件也就少了一個成本、考慮和潛在的復(fù)雜性。
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電池會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在糾錯的幫助下對其進行彌補。然而，如果這些位錯誤累積，控制器必須采取對策。大多數(shù)閃存控制器都包含一種刷新算法，該算法可以檢測數(shù)據(jù)何時變舊并因此變得不穩(wěn)定，例如，通過時間戳或記錄位錯誤統(tǒng)計信息。較便宜的控制器僅在讀取數(shù)據(jù)時檢測和檢查數(shù)據(jù)，即僅當(dāng)主機請求讀取時。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操作。
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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)生負面影響。為了解決這個問題，控制器具有讀取干擾管理，可監(jiān)控閃存中的讀取并根據(jù)需要更新周圍數(shù)據(jù)。
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自我監(jiān)控、分析和報告技術(shù) (SMART) 提供有關(guān) NAND 閃存的運用狀況和壽命的信息。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)進行計數(shù)，如果可以從閃存中檢索相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則可以準確估計壽命。此功能是 ATA 接口的標準功能。但是，在為 Hyperstone 控制器所設(shè)計的其他高要求的應(yīng)用中，此功能也適用于其他接口，例如 USB 或 SD 和相應(yīng)的 dem。借助對特定用例的了解，基于 SMART 數(shù)據(jù)，也可以相應(yīng)地調(diào)整設(shè)計。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行優(yōu)化。
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這些高端功能是否也適用于 SD 卡或 USB 驅(qū)動器？
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是的，事實上，對于這些被設(shè)計成便宜的產(chǎn)品，有一個平行的宇宙，一個由控制器、固件、制造和存儲供應(yīng)商組成的生態(tài)系統(tǒng)，其重點是可靠性和長期可用性。
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Hyperstone 的新 SD 控制器 S9 采用交鑰匙固件設(shè)計，可滿足最苛刻應(yīng)用的需求。為了延長使用壽命和提高數(shù)據(jù)完整性，控制器包括 FlashXE? ECC 和 hyReliability? 功能。 hyMap? Flash 轉(zhuǎn)換層確保只有最小的寫入放大和最高的耐用性。結(jié)果：高效使用 NAND 閃存并降低故障率。功能范圍由 hySMART? 監(jiān)控工具補充?？梢允褂脩?yīng)用程序編程接口 (API) 在 S9S 版本的 Hyperstone 控制器中實現(xiàn)的附加安全功能。
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在存儲系統(tǒng)和控制器方面，無論是接口選項還是質(zhì)量，都有很多選擇。為了實現(xiàn)一個兼顧性能和可靠性以及成本和收益的設(shè)計，需要大量的洞察力和經(jīng)驗。 Hyperstone 不僅可以從設(shè)計和咨詢的角度提供幫助，還可以提供一系列控制器和完整的解決方案，例如針對特殊應(yīng)用進行固件定制的 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)致代價高昂的停機時間，那么謹慎選擇控制器和存儲技術(shù)是關(guān)鍵。
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