隨著對新特性和功能需求的增加，大容量存儲(chǔ)在嵌入式工業(yè)應(yīng)用中的使用持續(xù)增長。雖然通過增加NAND芯片容量使更復(fù)雜的GUI和應(yīng)用成為可能;更快的接口和各種托管NAND解決方案的可用性;尋找能夠應(yīng)對極端環(huán)境需求的足夠固態(tài)存儲(chǔ)解決方案的挑戰(zhàn)仍然存在。幸運(yùn)的是，NAND存儲(chǔ)介質(zhì)和控制器設(shè)計(jì)的發(fā)展意味著現(xiàn)在可以使用更可靠和更具成本效益的選項(xiàng)。

滿足極端環(huán)境的需求

嵌入式設(shè)計(jì)人員對大容量存儲(chǔ)功能的愿望清單中，高可靠性通常是最重要的。清單上還有對沖擊和振動(dòng)的高機(jī)械抵抗力的需求，這通常排除了使用可移動(dòng)存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)而使用焊接球柵陣列（BGA）設(shè)備。保證在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)的工作也可以添加到列表中。此外，理想的解決方案應(yīng)該長期可用，以防止昂貴且耗時(shí)的存儲(chǔ)設(shè)備重新認(rèn)證。

實(shí)際使用案例 — 尋找合適的存儲(chǔ)解決方案

在 SSD 中，數(shù)據(jù)完整性和電源故障數(shù)據(jù)保護(hù)的優(yōu)勢至關(guān)重要，這是一個(gè)實(shí)際用例，那就是火車制動(dòng)管理系統(tǒng)的優(yōu)勢。雖然運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員非常小心地確保穩(wěn)定的電力供應(yīng)，但掉電并不是完全可以預(yù)防的。如果沒有內(nèi)置的固有電源故障保護(hù)，則存在明顯的數(shù)據(jù)損壞風(fēng)險(xiǎn)。如果受影響的文件是操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序軟件的一部分，這可能意味著制動(dòng)管理系統(tǒng)的重大故障。典型的制動(dòng)管理系統(tǒng)監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)，例如總使用小時(shí)數(shù)、制動(dòng)效率和溫度，以告知關(guān)鍵的維護(hù)計(jì)劃。記錄此數(shù)據(jù)期間的故障可能意味著錯(cuò)過或不必要的停機(jī)時(shí)間以及增加的維護(hù)成本。

為這種類型的嵌入式應(yīng)用選擇合適的 SSD 至關(guān)重要。在許多情況下，單級單元（SLC）NAND存儲(chǔ)器可能是理想的技術(shù)，它既提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)保留能力，又提供高編程和擦除（P/E）周期。但是，這種技術(shù)的主要問題是缺乏高容量選項(xiàng)和更高的內(nèi)存成本。如果我們考慮一種低成本的技術(shù)，如平面（2D）多層單元（MLC）NAND，每個(gè)單元可容納兩個(gè)位，我們會(huì)立即獲得更經(jīng)濟(jì)，更高容量的選擇。在大多數(shù)情況下，可用的耐久性為 3，000 到 10，000 P/E 周期，這對于許多應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。

完美的解決方案？

嗯，不完全是。

平面MLC NAND將其兩位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)單元中。這兩個(gè)位位于兩個(gè)不同的配對頁面中，這些頁面在不同的階段進(jìn)行編程。這意味著，如果在寫入一頁時(shí)電源出現(xiàn)故障，則配對頁中的數(shù)據(jù)也可能損壞。主機(jī)文件系統(tǒng)可能能夠管理在電源故障時(shí)正在寫入的頁面，但在以后嘗試讀取該數(shù)據(jù)之前，它不會(huì)知道損壞的配對頁面。配對頁面的內(nèi)容將包含不可更正 （UNC） 數(shù)據(jù)，其中每個(gè)單元格的充電狀態(tài)不確定，無法解析為 0 或 1。

防止這種情況的傳統(tǒng)解決方案包括將驅(qū)動(dòng)器的電源保留足夠的時(shí)間，以允許頁面程序操作完成。這可以通過板載斷電保護(hù)電容來實(shí)現(xiàn)，為頁面程序時(shí)間和一些程序延遲提供足夠的電荷。如果正在使用的驅(qū)動(dòng)器具有 DRAM 緩存，則存儲(chǔ)的能量需要顯著增加，以防止緩存內(nèi)容丟失。典型的斷電保護(hù)（PLP）解決方案可能類似于圖1中的通用示例。

圖1：通用電源保持電路

新型 NAND 技術(shù)

內(nèi)存架構(gòu)的最新進(jìn)展使一類新的基于 3D NAND 的固態(tài)存儲(chǔ)解決方案成為可能，消除了配對頁面問題。3D NAND 使用垂直堆疊的存儲(chǔ)單元層，可提供與平面 NAND 閃存相同的耐用性，具有更高的成本效益和更快的性能。借助美光的工業(yè)級 3D MLC NAND，現(xiàn)在可以一次性完成編程，同時(shí)對兩個(gè)頁面進(jìn)行編程。圖2中單程編程的表示顯示了MLC NAND中電池的經(jīng)典閾值電壓（Vt）分布，以及如何將充電狀態(tài)解碼為這些電池的位值。

圖 2：單程編程的表示

上頁和下頁可由NAND閃存控制器在一次操作中編程，因此電池電荷同時(shí)移動(dòng)到兩個(gè)頁面所需的水平，從而有效地消除了電源中斷期間配對頁面中數(shù)據(jù)損壞的可能性?？刂破饔胸?zé)任確保塊中的頁面按順序編程，并且下部和上部頁面地址位于共享字行 （WL） 上。

美光的3D NAND+Greenliant的NANDrive解決方案

具有智能控制器，例如Greenliant開發(fā)的用于其小型eMMC NANDrive BGA SSD的控制器，以及3D MLC NAND的單程編程功能。制動(dòng)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以確保存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不受突然斷電的影響。

控制器在一個(gè)步驟中對所有狀態(tài)進(jìn)行編程，而不會(huì)干擾相鄰單元，從而降低驅(qū)動(dòng)器上已有數(shù)據(jù)（稱為“靜態(tài)數(shù)據(jù)”）的風(fēng)險(xiǎn)。此外，該控制器通過使用美光先進(jìn)的 3D NAND 功能，有助于最大限度地減少傳輸中或傳輸中的數(shù)據(jù)損壞（在臨時(shí) DRAM 或 SRAM 緩存緩沖區(qū)中）。

如果寫入操作中途電源出現(xiàn)故障，主機(jī)通?？梢允褂萌沼浕蚱渌恍┦聞?wù)故障保護(hù)協(xié)議來確定最后一個(gè)寫入的文件未完成，因此應(yīng)忽略或替換該文件中的數(shù)據(jù)。如果應(yīng)用程序使用小型寫入，則最好是 NAND 頁面的大小。然后，復(fù)雜的控制器固件將使用利用3D NAND自動(dòng)讀取校準(zhǔn)的高級算法來嘗試恢復(fù)最后一頁，即使在寫入操作期間電源出現(xiàn)故障也是如此。

控制器自適應(yīng)閾值電壓調(diào)諧進(jìn)一步增強(qiáng)了控制器恢復(fù)最后一頁數(shù)據(jù)的能力。為了保留由于過度 P/E 循環(huán)導(dǎo)致的介電泄漏而可能丟失的數(shù)據(jù)，控制器還可以定期刷新存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)。

通過實(shí)施上述所有功能，Greenliant的工業(yè)eMMC 5.1 SSD和美光的3D MLC NAND已成功通過廣泛的電源故障測試（數(shù)千次電源中斷周期），而不會(huì)在制動(dòng)管理系統(tǒng)中損壞數(shù)據(jù)。

審核編輯：郭婷