NAND Flash快閃記憶體儲存系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨勢
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快閃記憶體在效能、元件特性、耐用度與單位儲存容量等相關(guān)表現(xiàn)不斷提升，已大量滲透到常見的日常家電、3C產(chǎn)品與IT裝置中，而采行快閃記憶體技術(shù)的產(chǎn)品，也因?yàn)榭扉W記憶體具備高耐震表現(xiàn)，得以滿足惡劣環(huán)境下的儲存需求，面對種種的裝載挑戰(zhàn)，代表著以NAND Flash快閃記憶體為基礎(chǔ)的儲存設(shè)備，在開發(fā)上也必須面臨更多挑戰(zhàn)...
儲存子系統(tǒng)，在現(xiàn)今的電子裝置設(shè)計(jì)中，具一定程度的應(yīng)用地位，因?yàn)樵S多系統(tǒng)設(shè)計(jì)情境，除非是嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品，核心處理器多半采與主記憶體、次儲存記憶體分離的設(shè)計(jì)模式，頂多核心處理器與一階、二階快取整合方式設(shè)計(jì)，如此的設(shè)計(jì)模式具備相當(dāng)多優(yōu)點(diǎn)。
NAND Flash快閃記憶體近來成為固態(tài)硬碟的最佳選擇，多數(shù)固態(tài)硬碟設(shè)計(jì)多采MLC元件進(jìn)行架構(gòu)。Intel
SLC NAND Flash晶片雖壽命長，但單位容量不若MLC產(chǎn)品，圖為43nm制程SLC產(chǎn)品。Toshiba
例如，可以節(jié)省核心處理器的制作復(fù)雜度、提高良率、增加成本優(yōu)勢等，即便是采取整合的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，其使用容量也非無限制，系統(tǒng)端僅整合有限容量的儲存空間，其余由外部儲存體提供更大容量的資料儲存功能。
NAND Flash快閃記憶體具成本、體積與整合優(yōu)勢
傳統(tǒng)的儲存媒介，如光儲存媒體、磁性儲存媒體，受限于光學(xué)或機(jī)械、磁力的物理特性與構(gòu)型極限，其儲存子系統(tǒng)都有一定程度的體積限制，例如，光儲存媒體一定必須要有光碟片、驅(qū)動裝置、雷射頭、讀取頭等關(guān)鍵零組件，搭配控制器與機(jī)械結(jié)構(gòu)，組成一個完整的儲存子系統(tǒng)。而硬碟機(jī)也是由碟片、讀取臂、讀取頭、驅(qū)動器、伺服系統(tǒng)等關(guān)鍵組件構(gòu)成。
在傳統(tǒng)的儲存技術(shù)下，子系統(tǒng)的體積受限于物理特性，即便是透過改良的伺服機(jī)構(gòu)、驅(qū)動器、伺服器去縮小體積，甚至是以強(qiáng)化儲存碟片的單位記錄容量，去減省碟片占據(jù)的空間，但再怎么發(fā)展，仍會遭遇裝置開發(fā)的極限。
相反地，在積體電路化的Flash快閃記憶體技術(shù)下，不用考量構(gòu)型、光學(xué)、磁性等物理限制，在實(shí)際生產(chǎn)的晶圓加工階段，或是后段采行晶片堆疊或是系統(tǒng)化晶片的手段，就能輕松將單位容量倍增，甚至達(dá)到提升數(shù)十倍的效果。
尤其，快閃記憶體沒有所謂的構(gòu)型限制，也沒有光學(xué)技術(shù)所需的空間需求，甚至不需要考量如硬碟必須建構(gòu)一個完美的讀寫空間，因此，在建構(gòu)子系統(tǒng)方面，可以比傳統(tǒng)方式更容易與系統(tǒng)進(jìn)行功能整合，尤其是在運(yùn)行環(huán)境相對較嚴(yán)苛的嵌入式系統(tǒng)的整合方面，更凸顯其性能效益。
目前各式NAND Flash快閃記憶體架構(gòu)的開發(fā)，已逐漸以更新、更先進(jìn)的晶片、IC制程技術(shù)改善原有的存儲特性，甚至針對原有快閃記憶體的性能限制，更進(jìn)一步提出改善方針，尤其在應(yīng)對不同的系統(tǒng)整合需求，讓NAND Flash快閃記憶體子系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，比以往更具挑戰(zhàn)性。
現(xiàn)有的NAND Flash快閃記憶體市場現(xiàn)況，有幾種常見的設(shè)計(jì)方式，例如，采行快閃記憶體控制器與NAND Flash快閃記憶體元件分離的設(shè)計(jì)方式；或者可采行嵌入式NAND Flash快閃記憶體控制器及獨(dú)立NAND Flash儲存元件；也有選擇managed NAND Flash快閃記憶體解決方案，這其實(shí)就是利用預(yù)先封裝好的完整NAND Flash儲存子系統(tǒng)。不同的方式，在性能、成本、體積方面各具優(yōu)勢。
因應(yīng)新應(yīng)用需求的設(shè)計(jì)改變
隨著消費(fèi)性產(chǎn)品對儲存子系統(tǒng)的要求越來越高，不管是在讀寫速度或容量上，都較以往產(chǎn)品有更高的要求，高容量化已經(jīng)成為目前相關(guān)商品的常態(tài)，因此在NAND Flash快閃記憶體的開發(fā)方面也必須呼應(yīng)此未來需求。目前NAND Flash快閃記憶體容量上的應(yīng)用差異，當(dāng)元件的密度在單位存儲超過4Gb時(shí)，傳統(tǒng)采行512B的可程式化記錄頁面，已無法再為系統(tǒng)提供最佳的記憶體分段，目前多已轉(zhuǎn)向利用2KB頁面尺寸，來因應(yīng)更大的快閃記憶體分頁。
而大容量化的需求，也讓現(xiàn)有的2KB可程式化記錄頁面不敷使用，已有制造商開始量產(chǎn)4KB頁面尺寸的NAND Flash快閃記憶體。透過更大的可程式化記錄頁面去提升快閃記憶體的容量，僅是突破分段頁面的記錄瓶頸，基本上仍須透過根本方法，來擴(kuò)充儲存的單位容量。
目前采用40nm晶圓技術(shù)制程、8KB可程式化記錄頁面的快閃記憶體，也有業(yè)者開始供貨，這在單位產(chǎn)品容量可以達(dá)到有效的提升效益。而為了提高單位容量，NAND Flash快閃記憶體制造商也嘗試從單層單元(SLC)、改為采行每記錄單元可儲存4位元的多層單元(MLC)的快閃記憶體儲存架構(gòu)，讓整體儲存容量可獲得爆發(fā)性的成長。
事實(shí)上，持續(xù)性的追求單位儲存容量的極大化，也讓NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如，快閃記憶體裝置或元件在因應(yīng)消費(fèi)性產(chǎn)品的多元功能要求，也必須進(jìn)行更多改善與效能提升，像是控制器除了要肩負(fù)原有的儲存單元寫入、抹除、讀出等控制工作外，還要因應(yīng)新元件的多層資料讀寫需求，但在追求效能的同時(shí)，畢竟無法全面性的達(dá)到裝置元件具備一致性的效能表現(xiàn)。
尤其是讀出與寫入效能，都會或多或少有些許誤差，但對整合儲存子系統(tǒng)來說，若沒有針對元件的底層特性因應(yīng)控制條件，可能會在讀出資料的正確性產(chǎn)生誤差，甚至部分廠商為了降低庫存風(fēng)險(xiǎn)、同時(shí)維持成本優(yōu)勢，也會采取不同NAND Flash快閃記憶體向不同業(yè)者進(jìn)貨的商業(yè)行為模式，但在同一套儲存子系統(tǒng)中，要因應(yīng)不同來源或是略有效能差異的NAND Flash快閃記憶體，則在實(shí)際進(jìn)行儲存子系統(tǒng)整合時(shí)，其子系統(tǒng)就可能出現(xiàn)讀/寫方面的性能穩(wěn)定性問題，甚至造成儲存子系統(tǒng)的誤動作。
較完整的作法是將原有的讀/寫控制器，進(jìn)一步朝整合的方向進(jìn)行開發(fā)，以建構(gòu)一個獨(dú)立的儲存子系統(tǒng)為方向。例如，將控制器的功能以編程提供更完善的嵌入式控制支援，而在控制器方面新增讀/寫快取記憶體，同時(shí)針對多供貨商來源的NAND Flash快閃記憶體元件的相容性特性資料，進(jìn)行功能與驅(qū)動方面的最適化設(shè)計(jì)，尤其是針對相容性的問題，例如不同NAND Flash快閃記憶體供應(yīng)商所提供的記憶體元件，可能具不同的抹除程序或是時(shí)序要求，必須在子系統(tǒng)內(nèi)就能獲得最佳化的控制，減少系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
NAND Flash快閃記憶體近來成為固態(tài)硬碟的最佳選擇，多數(shù)固態(tài)硬碟設(shè)計(jì)多采MLC元件進(jìn)行架構(gòu)。Intel
SLC NAND Flash晶片雖壽命長，但單位容量不若MLC產(chǎn)品，圖為43nm制程SLC產(chǎn)品。Toshiba
基本上，NAND Flash快閃記憶體的控制器，可解決的問題相當(dāng)多，從效能、穩(wěn)定性、功能性...等方面考量，均可在控制器功能或規(guī)格設(shè)計(jì)階段進(jìn)行改善，因?yàn)榭刂破髟趦Υ孀酉到y(tǒng)的定位，乃是為NAND Flash快閃記憶體元件與電子系統(tǒng)間提供標(biāo)準(zhǔn)化介面，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以不用煩惱不同快閃記憶體元件來源、規(guī)格、時(shí)序要求，將儲存子系統(tǒng)的開發(fā)負(fù)荷降到最低。
多數(shù)采行分離式的設(shè)計(jì)方案中，開發(fā)過程會將NAND Flash快閃記憶體IC、控制器、相關(guān)電路元件同時(shí)設(shè)置于單一系統(tǒng)載板，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)控制器進(jìn)行儲存系統(tǒng)識別，確認(rèn)儲存系統(tǒng)讀寫、容量與相關(guān)系統(tǒng)資源訊息，再透過必要之初始化程序(低階格式化)讓系統(tǒng)可以支援NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的讀/寫需求。
也有一種方式是透過解決方案供應(yīng)商提供的managed NAND解決方案，來解決前述的開發(fā)階段問題，此類方案會將整合式ATA控制器(或SATA)與多個NAND Flash快閃記憶體晶片進(jìn)行結(jié)合，成為一組多晶片封裝的產(chǎn)品形式，相較前述的分離式儲存子系統(tǒng)方案，可提供一個更簡化且完整的NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)，尤其這類解決方案在子系統(tǒng)的體積與整合優(yōu)勢相當(dāng)高，因?yàn)檎麄�儲存子系統(tǒng)已利用IC層次的整合方式，在系統(tǒng)開發(fā)階段也只要如同基本元件的套裝組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，一次搞定儲存子系統(tǒng)的應(yīng)用需求。
針對開發(fā)階段需求的產(chǎn)品改善
managed NAND解決方案是一種采取緊密封裝的設(shè)計(jì)方式，基本上已完整地整合隨插即用的NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)，由于managed NAND在制造階段為采購NAND Flash未封裝元件與控制器元件進(jìn)行系統(tǒng)封裝，在元件的取得成本方面獲得有效壓縮，而采取系統(tǒng)封裝的方式讓單純的晶片即實(shí)踐NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)，更適合體積極度縮小化的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品。
多數(shù)NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的效能與功能關(guān)鍵，多在于嵌入式快閃記憶體的檔案管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，記憶體檔案管理系統(tǒng)為管控主系統(tǒng)與快閃記憶體間的資料讀寫交換機(jī)制，從開發(fā)者的角度觀察，NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的檔案管理系統(tǒng)可大幅簡化寫入NAND Flash快閃記憶體的程序。
因?yàn)榭刂破骺勺詣右驊?yīng)不同NAND Flash快閃記憶體供應(yīng)商提供的元件，甚至可因應(yīng)不同的元件特性進(jìn)行最佳化讀/寫，另亦具備實(shí)時(shí)糾錯支援，并提供NAND Flash快閃記憶體元件缺陷修復(fù)能力。此外，NAND Flash快閃記憶體的檔案管理系統(tǒng)，還須具備支援平均寫入、延續(xù)元件使用壽命的最佳化功能，在存儲資料的完整性與儲存子系統(tǒng)的壽命方面，需更多的技術(shù)支援。
但在NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)方面，對于檔案系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，目前仍為各技術(shù)供應(yīng)商的關(guān)鍵技術(shù)，有些是針對低成本訴求的設(shè)計(jì)方式，為利用光罩以可程式化ROM建構(gòu)檔案系統(tǒng)，有些是利用可重復(fù)編程的記憶體來進(jìn)行檔案系統(tǒng)建構(gòu)，兩者在架構(gòu)上有成本上的差異，也互有優(yōu)缺點(diǎn)。NAND Flash快閃記憶體儲存技術(shù)變動相當(dāng)快速，對于采取初期具低成本的ROM進(jìn)行檔案系統(tǒng)建構(gòu)，這表示每次系統(tǒng)異動都需要進(jìn)行光罩程序加工，來寫入檔案系統(tǒng)的功能編程，這對整體的NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)而言，其生產(chǎn)時(shí)程、錯誤修正的彈性較低，衍生的成本或許也會高一些。
如果采取的是如同‘韌體’的設(shè)計(jì)手段，把檔案系統(tǒng)與NAND Flash快閃記憶體控制關(guān)鍵功能，置放在可重復(fù)寫入、修改的儲存區(qū)段上，讓開發(fā)者可以相對快速、低成本的方式進(jìn)行持續(xù)性的元件功能修改，這種模式或許可以得到最佳的開發(fā)效能，輕松因應(yīng)不同的開發(fā)需求。
多數(shù)的NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)開發(fā)中，針對壞區(qū)塊的管理也是極重要的一環(huán)！NAND Flash快閃記憶體為達(dá)到高良率要求，通常允許元件部分出現(xiàn)可接受的小量壞區(qū)塊，同時(shí)讓元件可在具壞區(qū)塊的現(xiàn)況下運(yùn)行，而記憶體IC制造商會在產(chǎn)品資料中詳述記憶體元件中的壞區(qū)塊位置，開發(fā)商可在生產(chǎn)前的初始化程序，在NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)中的韌體標(biāo)記壞區(qū)塊，或同時(shí)進(jìn)行壞區(qū)塊管理程序，確認(rèn)韌體不要將資料存取至已知的壞區(qū)塊中，同時(shí)，未來也可在元件出現(xiàn)額外的壞區(qū)塊時(shí)，進(jìn)行韌體壞區(qū)塊標(biāo)示的資料更新程序，改動最新的壞區(qū)塊映射圖。
基于壞區(qū)塊管理，也是NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)耐用性的考驗(yàn)指標(biāo)之一，NAND Flash快閃記憶體另一個最大的難題就是如何延續(xù)有限的使用次數(shù)！一般而言，NAND Flash快閃記憶體每個快閃記憶單元均有寫入次數(shù)限制，尤其在重復(fù)進(jìn)行抹除/寫入壽命周期后，快閃記憶體的記錄單元將出現(xiàn)無法穩(wěn)定保存數(shù)據(jù)的問題，在制造商嘗試?yán)肕LC或更小的線路進(jìn)行晶片設(shè)計(jì)、以保有最大單位容量時(shí)，這問題也會被凸顯出來。
觀察其耐用度的差異，在制造方式為SLC時(shí)，單位位元的讀寫壽命周期可高達(dá)10萬次，但MLC制作之元件，單位位元的讀寫周期大多僅有1萬次水準(zhǔn)。
在NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中，可于韌體進(jìn)行損耗平衡的功能性設(shè)計(jì)，藉此減少大量集中抹寫同一個位元的機(jī)會，因?yàn)榉稚⒘四▽懙拇螖?shù)，即可讓整個NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的使用周期大幅增加，而不會因?yàn)椴糠钟涗泦卧獨(dú)p而減少其使用壽命。損耗平衡技術(shù)的運(yùn)行效能，關(guān)鍵就在于演算法的技術(shù)水平，透過區(qū)塊或頁面進(jìn)行記憶體讀寫現(xiàn)況使用追蹤、記錄，將每個記憶單元的每次寫入累加于計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，損耗平衡演算法亦可自動指示控制器，將資料寫入程序盡可能分?jǐn)傊潦褂寐瘦^低的儲存區(qū)塊，進(jìn)而延長NAND Flash快閃記憶體IC元件壽命。
然而，在開發(fā)NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)時(shí)，多數(shù)開發(fā)者關(guān)注的焦點(diǎn)大都會放在如何提升讀/寫效能，但相對于效能，有更重要的因素需被考慮進(jìn)去！
在眾多技術(shù)手段上，ECC資料糾錯是一個相當(dāng)常用的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，尤其是在目前高密度的NAND Flash快閃記憶體設(shè)計(jì)方案中，例如MLC技術(shù)的NAND Flash快閃記憶體，就經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入或讀出錯誤，多半是鄰近資料讀/寫影響造成，而利用糾錯電路設(shè)計(jì)，則可以改善此問題。
目前采取MLC技術(shù)來提升記憶體儲存密度的設(shè)計(jì)方法已成為主流，但MLC出現(xiàn)位元錯誤的機(jī)率約為SLC的4倍，而在溫度的耐受性方面，MLC也往往容易因?yàn)闇囟鹊淖儺惗霈F(xiàn)資料記錄錯誤，面對這些問題，MLC NAND Flash快閃記憶體需要更完善的ECC糾錯電路。
為了補(bǔ)償MLC較高的錯誤率，多數(shù)可由控制器的韌體進(jìn)行糾錯處理，但此舉會造成無法減省的ECC糾錯程序，使得讀寫效能反而出現(xiàn)低下的狀況，為了改善此問題，在強(qiáng)調(diào)高效能的NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)中，會嘗試將ECC糾錯技術(shù)以硬體方式實(shí)踐，例如采取8位元或更高位元的硬體ECC引擎，提高整體NAND Flash快閃記憶體儲存子系統(tǒng)的資料讀/寫正確率，同時(shí)維持最高的資料讀/寫效能。
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