三級(jí)單元（TLC）、多級(jí)單元（MLC）、單級(jí)單元（SLC）、偽單級(jí)單元（pSLC）——閃存技術(shù)有很多種。開發(fā)者需要了解存儲(chǔ)的基本機(jī)制和存儲(chǔ)層面的作用，才能知道哪些閃存產(chǎn)品最適合特定的應(yīng)用。只有這樣，他們才會(huì)知道要向供應(yīng)商提出什么問(wèn)題。

應(yīng)用程序的不同方面可以決定嵌入式工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)存模塊的選擇。這些包括讀寫速度、耐久性（或閃存介質(zhì)的壽命）、保留（存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的壽命）、電源故障時(shí)的數(shù)據(jù)安全性、溫度和抗振性、產(chǎn)品的長(zhǎng)期可用性等。 NAND 芯片的老化是一種閃存特有的效應(yīng)，在決策過(guò)程中也起著重要作用。

NAND 閃存設(shè)備的單元只能在有限數(shù)量的塊擦除周期中存活。在分隔存儲(chǔ)柵極的氧化層中，具有更高能級(jí)的電子（熱電子）在被編程電壓加速后被捕獲。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，這會(huì)改變閾值電壓，直到單元不再可讀（圖 1）。

圖 1.老化電池：電子聚集在隧道氧化層中，逐漸改變閾值電壓值。隧道氧化物中的裂縫會(huì)產(chǎn)生泄漏電流路徑，從而使電荷泄漏。讀取錯(cuò)誤會(huì)增加，直到整個(gè)塊被拒絕為“壞塊”。

閃存老化——什么時(shí)候結(jié)束？

還有第二種老化效應(yīng)：通過(guò)氧化層形成導(dǎo)電路徑。這導(dǎo)致單元逐漸失去其充電狀態(tài)，從而失去存儲(chǔ)位。

高溫大大放大了這種影響。使用 25 nm MLC NAND 設(shè)備的研究表明，在 55 °C 下五年后，保留率下降到大約 75%。在 85 °C（相對(duì)溫和的增長(zhǎng)）下，保留率下降到 10% 以下。

此外，隨著時(shí)間的推移，隨著單元越來(lái)越接近其最大編程擦除周期（P/E 周期），這種影響會(huì)變得更強(qiáng)。這里對(duì)保留的影響是巨大的。例如，低成本 MLC NAND 閃存設(shè)備的原始保留容量為 10 年，在達(dá)到 3，000 個(gè) P/E 周期后，可能會(huì)降至大約一年。

同樣，低成本 TLC NAND 閃存芯片的充電狀態(tài)和閾值電壓挑戰(zhàn)需要八種不同的可區(qū)分電荷水平才能寫入每個(gè)單元的三位。在這些設(shè)計(jì)中，退化效應(yīng)更加明顯，原始保留時(shí)間表僅在 500 個(gè) P/E 周期后從一年下降到三個(gè)月。

雖然更昂貴的 SLC 設(shè)備會(huì)經(jīng)歷相同的退化，但在這些影響發(fā)生之前必須發(fā)生大約 100，000 次 P/E 循環(huán)。顯著更高的 P/E 循環(huán)容差是 SLC 盡管成本較高但仍然是工業(yè)應(yīng)用首選閃存技術(shù)的一個(gè)重要原因。

成本妥協(xié)：pSLC

引入 pSLC 工藝是為了平衡成本與實(shí)現(xiàn)不同電荷水平數(shù)量的減少使 NAND 芯片上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加穩(wěn)健的認(rèn)識(shí)。與 SLC 相比，pSLC 為每個(gè)單元的第一個(gè)“強(qiáng)”位使用了更具成本效益的 MLC 芯片，并取得了一些驚人的結(jié)果。pSLC 模式明顯快于 MLC 閃存的標(biāo)準(zhǔn)工藝，并將退化前的 P/E 周期數(shù)從 3，000 增加到 20，000。在相同條件下，數(shù)據(jù)耐用性提高了 6.7 倍，而每位存儲(chǔ)的成本僅為兩倍（圖 2）

圖 2. SLC、pSLC 和 MLC NAND 閃存技術(shù)的耐用性比較。

耐力規(guī)格注意事項(xiàng)：工作量是決定性的

開發(fā)人員在選擇存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)需要準(zhǔn)確了解制造商的規(guī)格代表什么。兩項(xiàng)測(cè)量特別表明了 SSD 的耐用性：TB 寫入 （TBW） 和驅(qū)動(dòng)器每天寫入 （DWPD）。TBW 表示在設(shè)備的生命周期內(nèi)總共可以寫入多少數(shù)據(jù)，而 DWPD 表示在保修期內(nèi)每天可以寫入的最大數(shù)據(jù)量。

有時(shí)詳盡的制造商規(guī)范面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)人員無(wú)法確定它們是否對(duì)相關(guān)應(yīng)用程序有任何意義。規(guī)格值在很大程度上取決于測(cè)試期間的工作負(fù)載類型。例如，Swissbit 的 480 GB SSD 顯示出 1，360 TBW、912 TBW 和 140 TBW 的耐久性，具體取決于測(cè)量程序。順序?qū)懭氘a(chǎn)生了 1，360 TBW 的最強(qiáng)值，而“客戶端工作負(fù)載”和“企業(yè)工作負(fù)載”分別占第二和第三個(gè)值。客戶端工作負(fù)載基于主要生成順序數(shù)據(jù)訪問(wèn)操作的 PC 用戶的行為，而企業(yè)工作負(fù)載模擬多用戶服務(wù)器環(huán)境的行為，其中 80% 的數(shù)據(jù)是隨機(jī)訪問(wèn)的。

此類耐久性測(cè)試基于 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的指南，有助于確保產(chǎn)品和制造商的可比性。然而，工作負(fù)載規(guī)格通常不包含在數(shù)據(jù)表中。許多制造商樂(lè)于宣傳基于僅在少數(shù)應(yīng)用中使用的順序?qū)懭氲捏@人耐用值。如上例所示，對(duì)于順序?qū)懭牒推髽I(yè)工作負(fù)載，閃存解決方案的耐用性值很容易相差 10 倍。買家必須謹(jǐn)慎行事。

壓力閃存

擦除加速了存儲(chǔ)單元的老化；但是，為了寫入，需要塊擦除。這可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)欺騙性的結(jié)論，即在純讀取應(yīng)用程序中，如引導(dǎo)介質(zhì)，由于數(shù)據(jù)保留時(shí)間延長(zhǎng)，數(shù)據(jù)在長(zhǎng)期內(nèi)是安全的。不幸的是，這是一種誤解。還有其他情況會(huì)導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤并間接導(dǎo)致 NAND 單元的磨損。

在每次寫入過(guò)程中，與正在編程的單元相鄰的單元都受到壓力。這些顯示略微增加的電壓，稱為“程序干擾”。閱讀會(huì)導(dǎo)致壓力以及“閱讀干擾”，其中相鄰頁(yè)面會(huì)收集電壓。隨著時(shí)間的推移，這些細(xì)胞中儲(chǔ)存的電勢(shì)會(huì)增加。這會(huì)導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤，在刪除塊后，讀取錯(cuò)誤會(huì)再次消失。由于電壓較低，讀取的效果比寫入的效果要弱，但仍然會(huì)發(fā)生位錯(cuò)誤。這些通過(guò)刪除塊在糾錯(cuò)碼 （ECC） 中得到補(bǔ)償。

但是，開發(fā)人員仍然必須考慮到，在重復(fù)讀取相同數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序中效果特別強(qiáng)，這意味著即使在僅用于讀取的存儲(chǔ)介質(zhì)中，也必須刪除塊并定期寫入頁(yè)面作為錯(cuò)誤的一部分更正。結(jié)果，這個(gè)媒介也變老了。

內(nèi)部擔(dān)憂

這種中等老化導(dǎo)致閃存設(shè)備的“內(nèi)部問(wèn)題”。擦除、寫入和讀取不僅由實(shí)際應(yīng)用程序觸發(fā)，還由眾多控制器和固件進(jìn)程觸發(fā)。這里發(fā)生的事情經(jīng)常被忽視，但會(huì)再次影響速度和耐力等性能因素。

除了糾錯(cuò)之外，這些內(nèi)部機(jī)制中的另一個(gè)是磨損均衡。當(dāng)一個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，必須將完整的塊標(biāo)記為“壞塊”。出于持久性目的，如果可能，延遲此故障非常重要。這可以使用磨損均衡來(lái)實(shí)現(xiàn)，磨損均衡是物理內(nèi)存地址使用的均勻分布。另一種內(nèi)部機(jī)制是垃圾收集，即釋放塊的重新復(fù)制。

這些過(guò)程首先補(bǔ)充了使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成為可能的機(jī)制：邏輯地址和物理地址之間的映射。閃存介質(zhì)控制器的效率是通過(guò)來(lái)自主機(jī)的用戶數(shù)據(jù)與寫入閃存的實(shí)際數(shù)據(jù)值之間的比率來(lái)衡量的。這使用寫放大因子 （WAF） 來(lái)表示。

減少WAF是更長(zhǎng)續(xù)航的關(guān)鍵之一。有一些工作量因素會(huì)影響 WAF，例如順序訪問(wèn)和隨機(jī)訪問(wèn)之間的差異、與頁(yè)面相關(guān)的數(shù)據(jù)塊大小以及塊大小本身。因此，固件還確定閃存介質(zhì)是否適合應(yīng)用程序。

制造商如何提高效率

為了更好地理解，下面是另一種關(guān)于閃存工作原理的論述。單元塊的頁(yè)面必須連續(xù)編程，但只能刪除完整的塊。在標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中，邏輯地址和物理地址之間的映射是指塊。這對(duì)于順序數(shù)據(jù)非常有效，因?yàn)橐粋€(gè)塊的頁(yè)面是連續(xù)寫入的。連續(xù)收集的視頻數(shù)據(jù)是理想的基于塊分配的應(yīng)用示例之一。

這對(duì)于隨機(jī)數(shù)據(jù)是不同的。在這里，頁(yè)面被寫入許多不同的塊中。這意味著對(duì)于每次內(nèi)部重新編程，每頁(yè)都必須刪除一個(gè)完整的塊。因此，WAF 高，耐久性降低。因此，基于頁(yè)面的映射更適合非順序數(shù)據(jù)。在這里，固件確保不同來(lái)源的數(shù)據(jù)按順序保存在一個(gè)塊的頁(yè)面上。這減少了刪除的數(shù)量——對(duì)耐用性有積極的影響——并提高了寫入性能。然而，基于頁(yè)面的映射增加了閃存轉(zhuǎn)換層（FTL）的分配表。制造商通過(guò)集成 DRAM 來(lái)彌補(bǔ)這一點(diǎn)。因此，基于頁(yè)面的映射的好處并非沒有結(jié)果。

豐富的過(guò)度配置作為質(zhì)量特征

如果數(shù)據(jù)介質(zhì)的使用程度迫使 WAF 上升，則基于頁(yè)面的映射也是有益的。閃存介質(zhì)上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)越多，固件必須來(lái)回移動(dòng)的位就越多。制造商可以通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)度配置來(lái)防止數(shù)據(jù)介質(zhì)過(guò)載的問(wèn)題。這是指僅為內(nèi)部活動(dòng)保留的閃存區(qū)域。按照慣例，這占總面積的 7%，按照千兆字節(jié)規(guī)范，十進(jìn)制和二進(jìn)制值之間存在差異。

如果預(yù)留 12% 而不是 7% 用于過(guò)度配置，則會(huì)產(chǎn)生令人驚訝的效果。對(duì)于具有相同硬件的兩個(gè) SSD 的耐久性比較（企業(yè)工作負(fù)載的 TBW），240 GB Swissbit 型號(hào) X-60 durabit 其 12% 的區(qū)域保留用于過(guò)度配置，其值幾乎是 256 GB 型號(hào)的兩倍。 如果再看一下 DRAM 對(duì)耐用性的影響，240 GB durabit 版本的差異是 256 GB 標(biāo)準(zhǔn)版本的 10 倍（注：正如使用 MLC 作為 pSLC 時(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的那樣，顯著的積極耐用性效果可以通過(guò)上述內(nèi)存容量或通過(guò)應(yīng)用過(guò)度配置來(lái)達(dá)到）。

數(shù)據(jù)維護(hù)

糾錯(cuò)和磨損均衡是通用閃存產(chǎn)品中也使用的機(jī)制。對(duì)于高質(zhì)量的工業(yè) SDD 或閃存卡，制造商會(huì)進(jìn)一步努力防止數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)故障。因此，ECC監(jiān)控、讀取干擾管理和自動(dòng)讀取刷新等不同機(jī)制的組合確保了所有存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都得到監(jiān)控和按需刷新。這允許提前防止系統(tǒng)故障。（注意：應(yīng)在不涉及主機(jī)應(yīng)用程序的情況下確保數(shù)據(jù)完整性。這允許進(jìn)程在存儲(chǔ)卡內(nèi)自主運(yùn)行——不僅僅是在主機(jī)應(yīng)用程序的讀取請(qǐng)求之后出現(xiàn)累積位錯(cuò)誤時(shí)，通常情況下）。

因此，高級(jí)數(shù)據(jù)護(hù)理管理搜索獨(dú)立于應(yīng)用程序?qū)撛阱e(cuò)誤的請(qǐng)求（圖 3）。為此，所有寫入的頁(yè)面，包括固件和 FTL 的分配表，都在后臺(tái)讀取并根據(jù)需要刷新。這種預(yù)防性糾錯(cuò)有多種觸發(fā)因素，包括定義的重復(fù)開關(guān)次數(shù)、P/E 周期數(shù)、讀取數(shù)據(jù)量、讀取重復(fù)/重新讀取以及溫度升高。

圖 3.數(shù)據(jù)護(hù)理管理可抵消逐漸丟失的數(shù)據(jù)。因此，所有寫入的塊都在后臺(tái)讀取，并且在復(fù)制、修復(fù)和重寫太多位錯(cuò)誤的情況下。

知道選擇什么

了解閃存技術(shù)的不同方面是選擇最適合工業(yè)應(yīng)用的存儲(chǔ)解決方案的關(guān)鍵。當(dāng)然，還應(yīng)考慮電源故障保護(hù)機(jī)制、特別穩(wěn)健的處理以及擴(kuò)展溫度范圍的規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn) 。

為特定應(yīng)用指定的模塊的長(zhǎng)期可用性也很重要。這就是為什么一種閃存——3D NAND——在這里根本沒有出現(xiàn)的原因。這項(xiàng)技術(shù)仍然太新，無(wú)法確保長(zhǎng)期可用性，而且創(chuàng)新周期和設(shè)計(jì)變更對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品生命周期來(lái)說(shuō)仍然過(guò)于臨時(shí)。

最終，這些 NAND 閃存設(shè)備的耐用性和數(shù)據(jù)保留經(jīng)驗(yàn)值在選擇工業(yè)存儲(chǔ)技術(shù)時(shí)至關(guān)重要。優(yōu)化這些值是工業(yè)閃存產(chǎn)品制造商的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，客戶應(yīng)在購(gòu)買前按這些數(shù)字。

審核編輯：郭婷