隨著蘋果iPod的繼續(xù)大紅大紫,NAND閃存已經(jīng)成為便攜式和消費(fèi)電子產(chǎn)品固態(tài)存儲(chǔ)產(chǎn)品領(lǐng)域的閃亮新星。
NAND閃存在過(guò)去三四年間價(jià)格的急劇下降(約每年下降50%),是使之實(shí)現(xiàn)如此廣泛推廣和普及的原因,也給它帶來(lái)了和磁帶、CD和磁盤等傳統(tǒng)存儲(chǔ)媒介相比的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。除了低成本,它的防振動(dòng)性能也比CD或硬盤好,并具有當(dāng)今大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)品所需的小外形,也能和固態(tài)電子系統(tǒng)、MPU或APU和模擬電路中的其它部分保持更好的系統(tǒng)一致性。閃存不需要任何機(jī)械部件和讀取傳感器來(lái)跟蹤盤上的位置。但它的一個(gè)劣勢(shì)在于,在如今這個(gè)節(jié)能意識(shí)很強(qiáng)的時(shí)代,它的功耗太高了 - 無(wú)論是運(yùn)行功耗還是待機(jī)功耗。
盡管有了這些優(yōu)點(diǎn),而且成本也很低,NAND閃存仍然需要繼續(xù)努力,來(lái)說(shuō)服用戶它的性能比其它存儲(chǔ)產(chǎn)品更好。
由于用于讀寫氧化層存儲(chǔ)電荷的部件會(huì)損耗,單層單元(SLC)和多層單元(MLC)成為大部分閃存用戶關(guān)心的問(wèn)題。如果需要無(wú)限讀取,NAND閃存顯然派不上用場(chǎng)。如果需要10萬(wàn)次讀取,可以選擇單層單元方案。但如果需要3000-10000次讀取次數(shù),NAND閃存才是更好的選擇。
用戶和系統(tǒng)設(shè)計(jì)者關(guān)注的其它問(wèn)題,是NAND閃存無(wú)法隨意讀取數(shù)據(jù)、延遲過(guò)長(zhǎng)和讀取速度太慢,這些都造成了設(shè)計(jì)障礙,并增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。有些產(chǎn)品需要更好的性能,而必須采用NOR閃存、DRAM或HS SRAM或HDD、磁帶或CD。
另外,NAND產(chǎn)品在業(yè)界沒(méi)有實(shí)現(xiàn)互用性,缺少一個(gè)廠商特有規(guī)范和其它特征標(biāo)準(zhǔn)。這使得控制器的設(shè)計(jì)變得非常困難,尤其是當(dāng)用戶想要實(shí)現(xiàn)多源,需要一個(gè)有關(guān)下一代標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品和未來(lái)產(chǎn)品性能的發(fā)展路線圖時(shí)。盡管開放式NAND閃存接口聯(lián)盟已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了真正的進(jìn)步,但東芝、三星和SanDisk等NAND廠商們,目前還無(wú)法確定這條“快速標(biāo)準(zhǔn)化”道路是會(huì)給他們帶來(lái)最終的勝利還是滅亡。
目前的形勢(shì)還不明了,NAND廠商必須一致確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)路線圖,開展更多的工作,來(lái)根據(jù)可行的NAND規(guī)范規(guī)劃未來(lái)的產(chǎn)品,并設(shè)計(jì)出功能不僅是NAND控制器那么簡(jiǎn)單的閃存控制器。
但是,這些空白也在不斷被填補(bǔ),比如在今年由Denali Software舉行的MemCon展會(huì)上,就有30多家公司展示了以NAND閃存為重點(diǎn)的閃存發(fā)展趨勢(shì)和閃存產(chǎn)品。尤其是英特爾和三星兩家公司,在改進(jìn)用于各種產(chǎn)品的NAND閃存的性能上投入了很多技術(shù)力量,并在閃存功耗、故障率(HDD和閃存)、防振性能(HDD和閃存)、閃存和HDD初次存取及穩(wěn)態(tài)帶寬等方面通報(bào)了不錯(cuò)的研究結(jié)果,還緊跟市場(chǎng)形勢(shì),增強(qiáng)了其NAND產(chǎn)品的成本優(yōu)勢(shì)。在選擇NAND閃存和其它方案時(shí),需要考慮到產(chǎn)品生命周期內(nèi)的總體擁有成本。
2006年的技術(shù)和銷售問(wèn)題已經(jīng)解決了,而隨著制程從70納米擴(kuò)展到50納米,隨著MLC成為主要存儲(chǔ)技術(shù)方案(而且四位單元已經(jīng)開始出現(xiàn)了),以及Saifun和Spansion的NROM技術(shù)的日益普及,還有很多新問(wèn)題必須搞清楚。NAND閃存技術(shù)改進(jìn)帶來(lái)的性能和可靠性的改變,不論是好是壞,都必須得到很好的理解,并告知市場(chǎng)上的用戶和潛在用戶。下面的細(xì)節(jié)可以讓我們了解如何設(shè)計(jì)一個(gè)適合某應(yīng)用的最佳方案。
閃存設(shè)備的廠家不同,其產(chǎn)品的特征也有很多不同,有些也彼此不兼容。
它們的指令序列(例如,讀取緩存)、指令值和地址周期都是不同的。有些產(chǎn)品有多重平面和不同的指令集以及回拷貝指令序列,用于單平面和多平面設(shè)備,而且,塊位置信息、ID、位置和輸出管腳變數(shù)都不一樣。這些僅僅是不同產(chǎn)品之間眾多問(wèn)題中的一小部分。
在使用SLC產(chǎn)品時(shí),從NAND中啟動(dòng)是很簡(jiǎn)單的。設(shè)備廠商現(xiàn)在仍然支持已經(jīng)廣為人知的啟動(dòng)區(qū)塊,這表示他們可以擔(dān)保所有0區(qū)塊中的位數(shù)都是良好的。對(duì)于MLC產(chǎn)品也是一樣的,但是你永遠(yuǎn)不能預(yù)測(cè)什么時(shí)候讀取過(guò)程會(huì)被中斷,所以在啟動(dòng)時(shí)需要采用某種形式的糾錯(cuò)碼(ECC)。當(dāng)然,將來(lái)某些廠家也有可能不支持這些區(qū)塊。如果真的出現(xiàn)這種情況,就更難支持啟動(dòng)了,而且需要額外的電路來(lái)允許ECC糾錯(cuò),還需要一個(gè)多級(jí)啟動(dòng)程序。在這里,大部分產(chǎn)品中并不需要的另外一個(gè)關(guān)鍵因素就是NAND產(chǎn)品的整個(gè)空間。
利用多重圖象是一個(gè)不錯(cuò)的方法,因?yàn)樗梢詽M足多個(gè)目的,第一就是將好代碼保持在閃存陣列中,第二就是讓ECC檢測(cè)變得更加簡(jiǎn)單,因?yàn)榧m錯(cuò)過(guò)程需要更多周期,因此正確的檢測(cè)方法可以讓啟動(dòng)更簡(jiǎn)單。如果你有硬件ECC檢測(cè)和糾錯(cuò),那么在加載第一個(gè)圖象時(shí),就可以進(jìn)行糾錯(cuò),而且只在待糾正位數(shù)超過(guò)可糾正限值時(shí),才需要后備圖象。
在決定糾錯(cuò)時(shí),需要考慮多個(gè)因素,包括你的產(chǎn)品和應(yīng)用所需的NAND種類、頁(yè)面冗余陣列、文件系統(tǒng)的過(guò)空和糾錯(cuò)位數(shù)?？杉m錯(cuò)位數(shù)必須越高越好。如果采用一個(gè)多位糾錯(cuò)算法,比如BCH或RS (Reed Solomon)編碼,ECC所需時(shí)間的變化不會(huì)很大。而如果選擇了一個(gè)Hamming、BCH或RS編碼,就需要考慮進(jìn)行檢測(cè)和糾錯(cuò)的延遲和周期數(shù)。當(dāng)使用一個(gè)Hamming編碼時(shí),一般都是實(shí)時(shí)完成的,因此一般不需要額外的緩沖。對(duì)于BCH和RS編碼,情況則會(huì)由于配置不同而大相徑庭,比如進(jìn)行糾錯(cuò)時(shí)所需周期數(shù)可能會(huì)在300到6000個(gè)之間。在選擇你的應(yīng)用所需的正確的緩沖方案時(shí),你還需要考慮帶寬以及在某個(gè)特定時(shí)間會(huì)被傳輸?shù)纳葏^(qū)數(shù)。Denali如今在提供一個(gè)ECC方案,可以面向你的應(yīng)用進(jìn)行配置,讓用戶能自由選擇檢測(cè)、糾錯(cuò)和周期數(shù)量。
在選擇適合應(yīng)用的某個(gè)方案時(shí),需要考慮多個(gè)閃存控制器方案。一個(gè)完全靈活的設(shè)計(jì),大多數(shù)情況下是一個(gè)軟件方案,目的在于將適應(yīng)閃存廠商變更和要求的能力最大化。在這種應(yīng)用中可以采用非智能控制器,但是,這種控制器將NAND工作的負(fù)荷加到了軟件上。這是能適合很多應(yīng)用的一個(gè)通用方案,但要開發(fā)出LLD(低級(jí)驅(qū)動(dòng)器),卻需要付出很多工作。LLD一般需要面向每個(gè)設(shè)備或多個(gè)設(shè)備優(yōu)化,而且,處理器需要執(zhí)行比一個(gè)混合式或硬件式方案更多的編碼。
混合式設(shè)計(jì)則將更多智能添加到了硬件寄存器傳輸級(jí)(RTL),目的在于提高性能,減少處理器過(guò)空和軟件開發(fā)以及驗(yàn)證。這一方法不需要開發(fā)低級(jí)驅(qū)動(dòng)器(LLD),而且在很多情況能支持多個(gè)供應(yīng)商的產(chǎn)品,而且指令狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)得也很好。在當(dāng)今的設(shè)計(jì)中,SW交互有限的硬件方案并不很常見。但是,面向支持有限的或者單設(shè)備支持,這個(gè)方法卻能提供最高的帶寬。
這里的軟件包括三個(gè)部分:(a)虛擬閃存穩(wěn)健系統(tǒng)(VFFS) - 作為對(duì)接RTOS或操作系統(tǒng)(OS)的接口；(b):閃存翻譯層(FTL) - 軟件堆棧中最重要的部分之一,閃存設(shè)備的所有控制在此完成,特殊應(yīng)用所需的子程序也在該層；(c):LLC - 即面向控制器的硬件抽象層,而且,有時(shí)閃存指令處理也在這一層。從圖2可以看出,由系統(tǒng)架構(gòu)看來(lái),LLD顯然可以更大一些。在選擇一個(gè)處理器時(shí),LLD的費(fèi)用需要考慮在內(nèi),就像在FTL中所用的耗損均衡和區(qū)塊管理。這個(gè)費(fèi)用會(huì)非常大,而且會(huì)影響功耗、時(shí)鐘率、性能和啟動(dòng)。
在一個(gè)典型的控制器中,LLD通過(guò)編程I/O (PIO)來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù),即由FW來(lái)移動(dòng)。在這里,數(shù)據(jù)率會(huì)受到時(shí)鐘率限制,但是當(dāng)加進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)DMA時(shí),瓶頸就可以消除了。換句話說(shuō),要將閃存數(shù)據(jù)讀進(jìn)區(qū)塊緩存(第一步),就必須采用ECC,然后將頁(yè)面數(shù)據(jù)拷貝到主存儲(chǔ)器(第二步)。數(shù)據(jù)DMA可以加速第一個(gè)步驟,但第二個(gè)步驟還是PIO。
因此,在使用一個(gè)沒(méi)有DMA的架構(gòu)時(shí),就會(huì)直接從處理器速度(時(shí)鐘率)受益,所以,時(shí)鐘率更高就更好。固件費(fèi)用是常常有的。從FTL被呼叫到第一個(gè)數(shù)據(jù)字被傳輸(此數(shù)據(jù)一般被成為“CMD-DRQ”時(shí)間)的這個(gè)過(guò)程里,就是FW接受指令、分析指令并進(jìn)行映射、閃存控制和ECC糾錯(cuò)的時(shí)間。我們?cè)贒enali Software公司的測(cè)試已經(jīng)在去年完成了,通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn),相比于閃存訪問(wèn)時(shí)間和傳輸率,指令執(zhí)行時(shí)間是可以忽視的。
我們的測(cè)試結(jié)果顯示,現(xiàn)有的PIO控制器設(shè)計(jì)意味著要一個(gè)快速uP時(shí)鐘率來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的帶寬。DMA控制器設(shè)計(jì)則意味著低功耗應(yīng)用只需要較慢的uP時(shí)鐘率。
