從智能手機、筆記本電腦、以及與各種云應(yīng)用相關(guān)的服務(wù)器，閃存存儲已經(jīng)在我們的現(xiàn)實世界中無處不在。閃存技術(shù)已經(jīng)如此普遍，我們大多數(shù)人甚至都沒有意識到閃存技術(shù)本質(zhì)上并不是一種可靠的存儲媒介。實際上，閃存單元的使用壽命有限，閃存的特性意味著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(xiàn)。

業(yè)界的好消息是，現(xiàn)代閃存控制器中的磨損平衡技術(shù)已經(jīng)有長足的進步，能夠克服閃存存儲介質(zhì)固有的弱點，并幫助發(fā)揮出閃存的優(yōu)勢。對于現(xiàn)代閃存系統(tǒng)而言，閃存控制器的選擇比閃存存儲器本身更加重要，通過為具體的應(yīng)用選擇合適的閃存控制器，可以提高系統(tǒng)的耐用性和可靠性。

這對于終端用戶和設(shè)備制造商來說是一個非常大的優(yōu)勢，因為只要選用適當(dāng)?shù)母哔|(zhì)量控制器，就可以在更關(guān)鍵的應(yīng)用中采用越來越多的低成本、高容量多級單元MLC閃存。

閃存可靠性的挑戰(zhàn)

由于我們當(dāng)今接觸到的幾乎所有電子設(shè)備都在使用閃存，很容易忘記這種技術(shù)本身其實是一種很挑剔的媒介，同樣面臨著許多可靠性挑戰(zhàn)。

雖然閃存存儲單元可以接近無限次地讀取，但是它們被編程或擦除(P/E)的次數(shù)卻很有限。閃存被編程或擦除的耐久性取決于閃存的類型，一般來說，對于SSD或eMMC等大多數(shù)采用NAND閃存存儲設(shè)備而言，其中使用的為商用MLC型閃存，通常每個單元只有數(shù)千個編程或擦除周期。

更糟糕的是，盡管閃存在讀取時沒有太多問題，但寫入閃存的過程肯定會更多。閃存可以在頁面面級寫入，大小以千字節(jié)為單位。數(shù)據(jù)在被正確地寫入之前，頁面面必須要保持清空。不幸的是，閃存一次只能被擦除一個區(qū)塊，其大小為兆字節(jié)。因此，寫入閃存之前需要首先擦除頁面面所在的大區(qū)塊閃存。如果更新某個閃存單元就需要更新區(qū)塊中的所有單元，導(dǎo)致總體使用壽命縮短。這通常被稱為寫入放大(Write Amplification)。

為了減少閃存單元的磨損，所有閃存存儲設(shè)備必須使用磨損平衡技術(shù)。這些技術(shù)旨在驅(qū)動器上均勻地分散磨損，以最大限度地提高系統(tǒng)的耐久性。DRAM、SRAM或未使用閃存單元中的臨時緩沖區(qū)都可用來跟蹤驅(qū)動器下一步要寫入的位置以及需要擦除的舊位置。

閃存驅(qū)動器的另一個主要問題是電源故障保護。臨時緩沖區(qū)包含驅(qū)動器下一步應(yīng)該寫入的數(shù)據(jù)以及必須擦除的舊位置等信息，這些存儲在易失性存儲器中，這種情況下，突然斷電會導(dǎo)致緩沖區(qū)被擦除，從而對驅(qū)動器數(shù)據(jù)造成災(zāi)難性的丟失。

隨著光刻工藝尺寸的降低以及閃存密度和性能的提高，影響閃存可靠性的最后一個問題是不斷增加的錯誤數(shù)量。最初的閃存驅(qū)動器使用單級單元(SLC)閃存，其中每個單元存儲一字節(jié)，但現(xiàn)代閃存驅(qū)動器通常將一個閃存單元分成多個字節(jié)，即MLC / TLC閃存。每個物理單元支持更多字節(jié)以增大存儲密度，但是會降低每個字節(jié)開/關(guān)狀態(tài)之間的閾值。這不僅會增大誤碼率，而且可降低使用壽命。隨著光刻工藝尺寸的減小，閃存密度會進一步提高，錯誤率也會增大。

高級控制器技術(shù)

盡管閃存存儲可靠性面臨著上述挑戰(zhàn)，但我們?nèi)匀荒軌驅(qū)⑵溆糜谌粘５南M類、商業(yè)類甚至任務(wù)關(guān)鍵型的應(yīng)用，這在很大程度上得益于先進的閃存控制器技術(shù)。這些控制器結(jié)合了在磨損平衡、電源故障管理和糾錯等方面的先進技術(shù)，使我們能夠安全可靠地使用當(dāng)今的高密度閃存。

磨損平衡

閃存轉(zhuǎn)換層(FTL)是閃存控制器其中一個最重要的方面。通過將主機的邏輯地址轉(zhuǎn)換為閃存上的物理地址，可以使SSD進行磨損平衡。例如，如果主機系統(tǒng)在相同的地址更新數(shù)據(jù)，F(xiàn)TL會將該邏輯地址轉(zhuǎn)換為新的物理地址，以便在閃存驅(qū)動器上均勻地分布磨損，最大限度地提高耐用性。

FTL中邏輯到物理地址的映射粒度對性能和耐久性都有很大的影響。消費類USB和SD卡等較簡單的閃存介質(zhì)使用基于區(qū)塊的映射，在區(qū)塊(大小為兆字節(jié))級執(zhí)行映射。磨損平衡發(fā)生在區(qū)塊級，由于每個邏輯頁面面都被簡單地映射到固定的物理頁面面，因而在頁面面級不會產(chǎn)生優(yōu)化。

由于區(qū)塊的尺寸就是擦除操作的最小尺寸，所以這種映射實施起來非常簡單且負(fù)擔(dān)較低。但是，這種簡單的方法會導(dǎo)致大量的寫入放大，并縮短了器件的使用壽命。

基于頁面的映射通常用于現(xiàn)代SSD，它是將更細粒度的邏輯數(shù)據(jù)頁面(以千字節(jié)為單位)映射到數(shù)據(jù)的物理頁面。通過這種映射，邏輯頁面可以映射到區(qū)塊內(nèi)的任何物理頁面，同時實現(xiàn)區(qū)塊級和頁面級的磨損平衡。但是，對于其他形狀因數(shù)，SSD基于頁面的映射尚未被廣泛使用。

頁面映射等這樣更細化的方法需要更強大的計算能力，并且必須存儲更大的映射表。但是，不斷增大的粒度可以大幅度降低寫入放大。特別是對于工業(yè)、嵌入式或物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，較小的隨機I / O操作是常態(tài)，粒度、頁面映射可以大大降低寫入放大，并延長設(shè)備的使用壽命。

斷電保護

由于SSD磨損平衡算法的映射信息通常存儲在易失性DRAM中，因此電源故障會導(dǎo)致災(zāi)難性的信息丟失和驅(qū)動器損壞。為了防止出現(xiàn)這種可能性，許多工業(yè)SSD會采用超級電容器來存儲備用電能，以防備電源故障，從而使系統(tǒng)有時間把DRAM內(nèi)容轉(zhuǎn)存到非易失性的閃存中。

雖然這種方法可行，但并不理想。依靠超級電容的備用電能，這些SSD不但增加了成本，而且還引入了另一個可能的故障點，因而影響系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。微型SD(µSD)等更小形狀因數(shù)的設(shè)備根本不允許包括DRAM和電容器。

具備Hyperstone hyMap®技術(shù)閃存控制器的存儲設(shè)備能夠直接在非易失性存儲器中存儲映射信息，這不僅消除了DRAM和電容器的成本，而且在任何時間、任何情況下都能確保數(shù)據(jù)的安全。

糾錯

糾錯是閃存存儲可靠性難題中的最后一關(guān)。以前的閃存可以使用簡單的海明碼(Hamming-code)糾錯碼(ECC)，但新一代高密度MLC閃存則需要更強的糾錯能力?，F(xiàn)代MLC ECC必須能夠校正每個扇區(qū)的多個字節(jié)。

消費類SSD可能會選擇使用質(zhì)量和成本較低的LDPC代碼來執(zhí)行這種類型的ECC，但工業(yè)級閃存具有更嚴(yán)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字節(jié)的BCH ECC，可以提供多字節(jié)糾錯功能，而且無需給I / O操作增加任何負(fù)擔(dān)。

控制閃存可靠性

構(gòu)建可靠的閃存充滿了挑戰(zhàn)。盡管固態(tài)存儲沒有可移動部件，物理上比硬盤更可靠。但閃存單元有限的使用壽命、電源故障以及閃存的糾錯等問題給數(shù)據(jù)的可靠性帶來了挑戰(zhàn)，特別是對于嵌入式和工業(yè)驅(qū)動器等需要長壽命周期的應(yīng)用。[!--empirenews.page--]

過去，只要購買SLC型閃存就足以保證一個相對可靠的系統(tǒng)。然而，隨著工藝幾何尺寸的縮小和閃存密度的不斷提高，如今不同閃存介質(zhì)之間可靠性和錯誤率的差異已經(jīng)沒有之前那么明顯，當(dāng)今存儲系統(tǒng)可靠性的最大決定因素反而是閃存控制器的設(shè)計。

對于要求高可靠性和長使用壽命的應(yīng)用，重要的是要選擇面向嵌入式工業(yè)市場的控制器，而不是那些以犧牲使用壽命或數(shù)據(jù)完整性為代價來實現(xiàn)高性能的產(chǎn)品。通過先進的磨損平衡技術(shù)、電源故障防護設(shè)計和強大的ECC，基于Hyperstone控制器的存儲設(shè)備能夠確保實現(xiàn)高可靠度的解決方案。