智能手機、筆記型電腦等如何選擇快閃存儲器？

　　從智能手機、筆記型電腦、以及與各種云端應用相關(guān)的服務(wù)器，快閃存儲器儲存已經(jīng)在我們的現實(shí)世界中無(wú)處不在?？扉W存儲器技術(shù)已經(jīng)如此普遍，我們大多數人甚至都沒(méi)有意識到快閃存儲器技術(shù)本質(zhì)上并不是一種可靠的儲存媒介。實(shí)際上，快閃存儲器單元的使用壽命有限，快閃存儲器的特性意味著(zhù)需要強大的磨損平衡(Wear-Leveling)技術(shù)以便使其有更好的性能表現。

　　業(yè)界的好消息是，現代快閃存儲器控制器中的磨損平衡技術(shù)已經(jīng)有顯著(zhù)進(jìn)步，能夠克服快閃存儲器儲存介質(zhì)固有的弱點(diǎn)，并幫助發(fā)揮出快閃存儲器的優(yōu)勢。對于現代快閃存儲器儲存器系統而言，控制器的選擇比快閃存儲器儲存器本身更加重要，借由選擇合適的快閃存儲器控制器進(jìn)行應用，可以提升系統的耐用性和可靠性。

　　這對于終端用戶(hù)和設備制造商來(lái)說(shuō)是項重大的裨益，因為只要選用合適的高品質(zhì)控制器，低成本、高容量、多級單元的MLC快閃存儲器儲存器就可以大幅使用在更關(guān)鍵的應用中。

　　由于當今接觸到的所有電子設備幾乎都在使用快閃存儲器儲存器，我們很容易忘記這項技術(shù)本身其實(shí)是一種苛求完美的媒介，面臨許多可靠性的挑戰。

　　P/E次數有限為最大挑戰雖然快閃存儲器儲存單元可讀取接近無(wú)限次數，但是它們被編程或擦除(P/E)的次數卻很有限?？扉W存儲器被編程或擦除的耐久性取決于快閃存儲器儲存器的類(lèi)型，一般來(lái)說(shuō)，對于SSD或eMMC等大多數采用NAND快閃存儲器儲存設備而言，其中所使用的是商用MLC型快閃存儲器儲存器，通常每個(gè)單元只有數千個(gè)編程或擦除周期。

　　盡管快閃存儲器在讀取時(shí)沒(méi)有太多問(wèn)題，但快閃存儲器寫(xiě)入過(guò)程的涉入程度更高?？扉W存儲器可以在頁(yè)面級寫(xiě)入，大小以千位元為單位。數據在正確寫(xiě)入之前，頁(yè)面必須要維持凈空。不幸的是，快閃存儲器儲存器每次只能擦除一個(gè)區塊，其大小為百萬(wàn)位元。因此，寫(xiě)入快閃存儲器儲存器之前首先需要擦除包含頁(yè)面在內的大區塊存儲器。由于更新快閃存儲器某個(gè)單元就必須更新區塊中的所有單元，如此將縮短總體使用壽命。此過(guò)程通常被稱(chēng)為寫(xiě)入擴增(Write AmplificaTIon)。

　　為了減少快閃存儲器儲存器單元的磨損，所有快閃存儲器儲存設備必須使用磨損平衡技術(shù)。這些技術(shù)旨在驅動(dòng)器上均勻地分散磨損，以最大幅度提高系統的耐久性。在DRAM、SRAM或未使用的快閃存儲器單元中的臨時(shí)緩沖區都可用來(lái)跟蹤驅動(dòng)器下一步要寫(xiě)入的位置以及需要擦除的舊位置。

　　快閃存儲器驅動(dòng)器的另一個(gè)主要問(wèn)題是電源故障保護。臨時(shí)緩沖區包含驅動(dòng)器下一步應該寫(xiě)入的數據以及必須擦除的舊位置等訊息，這些訊息儲存在容易流失的存儲器中，在此情況下，突然斷電會(huì )導致緩沖區被擦除，使得傳送數據失敗造成災難性的損失。

　　隨著(zhù)光刻制程尺寸的降低以及快閃存儲器儲存器密度和性能的提高，影響快閃存儲器可靠性的最后一個(gè)問(wèn)題是不斷增加的錯誤數量。最初的快閃存儲器驅動(dòng)器使用單級單元(SLC)快閃存儲器，其中每個(gè)單元儲存一位元，但現代快閃存儲器驅動(dòng)器通常將一個(gè)快閃存儲器單元分成多個(gè)位元，即MLC/TLC快閃存儲器。每個(gè)物理單元支持更多字節以增大儲存密度，但是會(huì )降低每個(gè)字節開(kāi)/關(guān)狀態(tài)之間的閾值。這不僅會(huì )增大誤碼率，而且降低使用壽命。隨著(zhù)光刻制程尺寸的減小，快閃存儲器密度會(huì )進(jìn)一步提高，錯誤率也會(huì )增大。

　　高級控制器技術(shù)提升可靠度盡管快閃存儲器儲存可靠性面臨著(zhù)上述挑戰，但我們仍然能夠將其用于日常的消費類(lèi)、商業(yè)類(lèi)甚至關(guān)鍵任務(wù)性的應用，這方面主要得益于先進(jìn)的快閃存儲器控制器技術(shù)。這些控制器結合了在磨損平衡、電源故障管理和糾錯等方面的先進(jìn)技術(shù)，使我們能夠安全可靠地使用當今的高密度快閃存儲器。

　　磨損平衡快閃存儲器轉換層(FTL)是快閃存儲器控制器其中最重要的面向。透過(guò)將主機的邏輯位址轉換為快閃存儲器上的物理位址，可以使SSD磨損平衡。例如，如果主機系統在相同的位址更新數據，FTL會(huì )將該邏輯位址轉換為新的物理位址，以便在快閃存儲器驅動(dòng)器上均勻地分布磨損，大幅度地提高耐用性。

　　FTL映射邏輯到物理位址的粒度對性能和耐久性都有很大的影響。消費類(lèi)USB和SD卡等較簡(jiǎn)單的快閃存儲器介質(zhì)使用基于區塊的映射，在區塊層級(大小為百萬(wàn)位元)執行映射。由于每個(gè)邏輯頁(yè)面都直接映射到固定的物理頁(yè)面，磨損平衡發(fā)生在區塊層級，因而在頁(yè)面層級無(wú)法產(chǎn)生優(yōu)化。

　　由于區塊的尺寸就是擦除操作的最小尺寸，所以這種映射實(shí)施起來(lái)非常簡(jiǎn)單且負擔較低。但是，這種簡(jiǎn)單的方法會(huì )導致大量的寫(xiě)入擴增，并縮短了元件的使用壽命。

　　基于頁(yè)面的映射通常用于現代SSD，它是將更細粒度的邏輯數據頁(yè)面(以千位元為單位)映射到數據的物理頁(yè)面。透過(guò)這種映射，邏輯頁(yè)面可以映射到區塊內的任何物理頁(yè)面，同時(shí)實(shí)現區塊級和頁(yè)面級的磨損平衡。但是，對于其他形態(tài)因數，SSD基于頁(yè)面的映射尚未被廣泛使用。

　　頁(yè)面映射等更細化的方法需要更強大的計算能力，并且必須儲存更大的映射表。但是，不斷增大的粒度可以大幅度降低寫(xiě)入擴增。

　　特別是對于工業(yè)、嵌入式或物聯(lián)網(wǎng)應用而言，較小的隨機I/O操作是常態(tài)，粒度、頁(yè)面映射可以大大降低寫(xiě)入擴增，并延長(cháng)設備的使用壽命。

　　斷電保護由于SSD磨損平衡算法的映射訊息通常儲存在易于流失的DRAM中，因此電源故障會(huì )導致災難性的訊息遺失和驅動(dòng)器損壞。為防止這種可能性出現，許多工業(yè)SSD會(huì )采用超級電容器來(lái)儲存備用電能，以防備電源故障，使系統有時(shí)間把DRAM內容轉存到不易流失的快閃存儲器中。

　　這種方法雖然可行，但并不理想。依靠超級電容的備用電能，這些SSD不但增加成本，而且還可能引入額外的故障點(diǎn)，因而影響系統的可靠性和使用壽命。微型SD(μSD)等更小形態(tài)的設備根本不允許包括DRAM和電容器。

　　具備Hyperstone hyMap技術(shù)快閃存儲器控制器的儲存設備能夠直接在非易失性存儲器中存儲映射訊息，這不僅消除了DRAM和電容器的成本，而且在任何時(shí)間、任何情況下都能確保數據的安全。

　　糾錯糾錯是快閃存儲器儲存可靠性難題中的最后一關(guān)。

　　以前的快閃存儲器可以使用簡(jiǎn)單的海明碼(Hamming-Code)糾錯碼(ECC)，但新一代高密度MLC快閃存儲器則需要更強的糾錯能力?，F代MLC ECC必須能夠校正每個(gè)扇區的多個(gè)位元。

　　消費類(lèi)SSD可能會(huì )選擇使用品質(zhì)和成本較低的LDPC代碼來(lái)執行這種類(lèi)型的ECC，但工業(yè)級快閃存儲器具有更嚴格的要求，更傾向于采用BCH或其他更高可靠性的方法。使用96位元的BCH ECC，可以提供多位元糾錯功能，而且毋需給I/O操作增加任何負擔。

　　遙控器為高可靠/長(cháng)壽命關(guān)鍵構建可靠的快閃存儲器充滿(mǎn)了挑戰。盡管固態(tài)儲存沒(méi)有可移動(dòng)元件，物理上比硬盤(pán)更可靠。但快閃存儲器單元有限的使用壽命、電源故障以及快閃存儲器的糾錯等問(wèn)題給數據的可靠性帶來(lái)了挑戰，特別是對于嵌入式和工業(yè)驅動(dòng)器等需要長(cháng)壽命周期的應用領(lǐng)域。

　　過(guò)去，只要購買(mǎi)SLC型快閃存儲器就足以保證一個(gè)相對可靠的系統。然而，隨著(zhù)制程幾何尺寸的縮小和快閃存儲器密度的不斷提高，如今不同快閃存儲器介質(zhì)之間可靠性和錯誤率的差異已經(jīng)沒(méi)有之前那么明顯，當今儲存系統可靠性的最大決定因素反而是快閃存儲器控制器的設計。

　　對于要求高可靠性和使用壽命長(cháng)的應用，重要的是要選擇嵌入式工業(yè)市場(chǎng)的控制器為目標，而不是那些以犧牲使用壽命或數據完整性為代價(jià)來(lái)實(shí)現高性能的產(chǎn)品。透過(guò)先進(jìn)的磨損平衡技術(shù)、電源故障防護設計和強大的ECC，基于Hyperstone控制器的儲存設備能夠確保實(shí)現高可靠度的解決方案。