Technológia a znalosti - SSD na čipe
Kombinujte funkčné bloky monoliticky v kryte IC
Kombinujte funkčné bloky monoliticky v kryte IC
Vyrobiť alebo kúpiť? Pri použití flash pamätí v systéme existuje veľa faktorov, ktoré ovplyvňujú toto rozhodnutie. Ak má byť triáda výkonu - rýchlosť prístupu, integrita údajov a dlhodobé správanie - správna, padne voľba na disk na čipu. Tento článok vysvetľuje, prečo je to z dlhodobého hľadiska najlepší prístup.
Autor: Rudolf Sosnowsky, vedúci technológie v spoločnosti Hy-Line
Každý, kto kedy otvoril USB kľúč, v ňom identifikoval jednotlivé komponenty: vedľa čipu flash alebo čipov, ktoré zaberajú najväčšiu plochu, je čip radiča s rozhraním USB a flash a napájací zdroj. Na kvalitnejších úložných médiách, ako sú SSD s rozhraním SATA alebo PCIe, sa často nachádza ďalšia pamäť RAM, ktorá urýchľuje prenos, najmä pri zápise údajov do pamäte Flash.
Výhody riešenia s jedným čipom
Táto konfigurácia nie je vhodná na použitie v drsnom prostredí. Šok a vibrácie namáhajú mechaniku a kontakty a teplotné zmeny v priemyselnom meradle namáhajú spájkované spoje. Týmto problémovým oblastiam sa dá vyhnúť pomocou riešenia s jedným čipom, ktoré kombinuje všetky komponenty v jednom kryte IC a hermeticky ich utesňuje. Kryt BGA je možné spájkovať spolu s ostatnými komponentmi obvodu na doske plošných spojov obvyklým spôsobom. V nasledujúcom sa pojem SSD bude vzťahovať na všetky úložné médiá, v ktorých sú flash čipy pripojené k hostiteľskému systému pomocou radiča bez ohľadu na rozhranie.
Flash technológie
Flash technológia je založená na elektrickom náboji zachytenom medzi dvoma izolačnými vrstvami. Pri zápise do pamäte a pri mazaní pamäte sa tieto vrstvy stávajú krátko vodivými kvôli zvýšenému napätiu, takže náboj môže do nich prenikať. To zdôrazňuje izolačnú vrstvu; izolačný odpor časom klesá a bunka starne. Výrobcovia špecifikujú P/E cykly v údajových listoch a majú na mysli programovanie a mazanie (mazanie) bunky. Jediná bunka sa nedá vymazať, iba celý blok naraz, takže zmena jedného bitu znamená P/E cyklus pre celý blok.
Pri načítaní sa vyhodnotí úroveň nabitia s cieľom určiť digitálnu hodnotu. S jednoúrovňovým článkom (SLC) komparátor rozhodne, či je spätne načítaná hodnota napätia menšia alebo väčšia ako definovaný prah, a potom vráti hodnotu „0“ alebo „1“. S (trochu nešťastne pomenovaným) Multi Level Cell (MLC) je gradácia jemnejšia, takže štyri rôzne úrovne napätia sa interpretujú ako stav dvoch bitov (00, 01, 10, 11). V pokročilej polovodičovej technológii sa izolácia a tým aj retencia náboja ďalej zlepšujú, takže Triple Level Cells (TLC) obsahujú osem rôznych hodnôt napätia, ktoré sa vyhodnocujú ako tri bity na článok. S technológiou Quad Level Cell (QLC) sa dosiahol dočasný vrchol.
S vyššou integráciou prostredníctvom menších štruktúr sa náklady na bit znižujú, ale klesá životnosť (výdrž) a prenosová rýchlosť (výkon) pamäte. Pretože výrobcovia NAND sledujú dopyt po vyššej kapacite, pamäte SLC sú ťažko dostupné za rozumné ceny. Kompromisom medzi kapacitou, počtom cyklov zápisu a nákladmi je prevádzka bunky MLC v takzvanom „režime SLC“, ktorý je tiež známy ako „pseudo-SLC“. Do pamäťovej bunky MLC sa zapisujú iba dve namiesto možných štyroch hodnôt. Použiteľná kapacita sa stratila, čo však prispieva k spoľahlivosti a životnosti. Tento postup vyžaduje úzku spoluprácu medzi radičom a výrobcom NAND, pretože tu je dôležitá vnútorná štruktúra flash modulu.
Obrázok 2 zobrazuje, ktoré stavy MLC pamäte sa používajú na mapovanie režimu SLC. Nesekvenčná sekvencia binárnych stavov je spôsobená zvýšenou imunitou proti interferencii v dôsledku väčšej Hammingovej vzdialenosti. Počet cyklov zápisu sa zvyšuje desaťkrát pri približne dvojnásobných nákladoch na prevádzku MLC.
Ovládač blesku
V praxi nie sú flash moduly pripojené priamo k hostiteľskému CPU. Medzi hostiteľom a pamäťou je pripojený radič, ktorý ponúka štandardné rozhranie na strane hostiteľa a má pamäť pod kontrolou pomocou špecializovaného firmvéru. V prípade SSD vykonáva radič veľa funkcií, aby úložný subsystém mal dlhú životnosť a vysokú rýchlosť s maximálnou spoľahlivosťou. Patrí sem vyrovnanie opotrebenia, pomocou ktorého sú zápisy distribuované po celej pamäti, aby sa zvýšila životnosť systému, a správa chybných blokov. Ďalšou funkciou je kontrola a správa pamäte cache s cieľom zvýšiť rýchlosť prístupu, najmä pri zápise. V rýchlych systémoch sa táto vyrovnávacia pamäť vytvára na niekoľkých úrovniach (pozri obr. 3).
Integrácia do jedného krytu umožňuje optimalizáciu firmvéru radiča na vlastnosti pamäte. Výkon hardvéru - rýchlosť prístupu, ukladanie dát a výdrž - je vyladený. TLC pamäť sa používa ako nákladovo efektívne riešenie. Časti pamäte TLC sú riadené v „režime SLC“, na jednej strane kvôli zvýšeniu bezpečnosti údajov pre programovú pamäť a na druhej strane slúžia ako vyrovnávacia pamäť pre pomalšiu TLC pamäť. Kompaktný dizajn navyše zaisťuje dobrú tepelnú väzbu a necitlivosť na vplyvy prostredia, ako sú nárazy a vibrácie.
Ďalšou výhodou je rozmanitosť výrobkov, ktoré sú k dispozícii v rôznych veľkostiach pamäte, s vyrovnávacou pamäťou RAM alebo bez nej a rôznymi teplotnými rozsahmi s rovnakým krytom. Na hodnotenie SSD na čipe je veľmi vhodná zásuvná karta m.2 (pozri obr. 1), ktorú je možné jednoducho zasunúť. Vďaka kompaktnej konštrukcii je toto riešenie vhodné predovšetkým pre prenosné meracie prístroje a záznamníky údajov, pre prístroje v laboratórnej a lekárskej technike a pre malú hmotnosť pre všetky súpravy vystavené vibráciám a nárazom. Pretože je pamäť spájkovaná a nie je zapojená, je zabezpečená proti manipulácii zmenou dátového nosiča.
Požiadavky na typické aplikácie
kapacity
Výrobcovia bleskov zvyšujú kapacitu svojich čipov prechodom na lepšie integrované technológie. Skutočné čipy SLC už nie sú k dispozícii, produkcia sa zameriava na TLC. Aplikácie stále vyžadujú vlastnosti čipov SLC, ako napríklad dlhé uchovanie údajov, veľa cyklov zápisu a spoľahlivosť. TLC pamäte sú preto prevádzkované v nižšom „režime“, čím sa kapacita znižuje, ale zvyšuje sa počet možných cyklov zápisu. Nasledujúca tabuľka ukazuje, ktoré kapacity je možné dosiahnuť pomocou čipov s rôznymi hustotami integrácie.
Technológia „3D NAND“ umiestňuje niekoľko pamäťových čipov (matric) jeden na druhý v kryte a dosahuje tak správne vysoké balenie. Obrázok 5 zobrazuje čisté kapacity, ktoré môže SSD dosiahnuť na čipe v závislosti od konfigurácie pamäte a jej prevádzkového režimu.
výhľad
Obrázok 6 zobrazuje číselne upravené rozdelenie rôznych technológií NAND flash. Zatiaľ čo ponuka nízkointegračných NAND bleskov ako SLC a MLC už prudko poklesla, na obzore sa objavuje nová technológia QLC. Hustota integrácie v gigabitoch na čip sa zvyšuje a cena za bit klesá, takže cena za čip zostane zhruba rovnaká. Technológia TLC nabrala na obrátkach s uvedením nových výrobných liniek do prevádzky a prevezme kontrolu nad väčšinou trhu. V grafike pojem 3D predstavuje vertikálne usporiadanie niekoľkých matríc
Príklad aplikácie 1:
Systém digitálneho videozáznamu
Najmä v úžitkových vozidlách sa čoraz viac používajú kamery na sledovanie pracovného priestoru. Podporujú vodiča/operátora pri znázorňovaní oblastí, ktoré zo svojej polohy nevidí, napríklad pri cúvaní, priamo na lopate rýpadla alebo na poklope na odpadkové koše. Signál z kamery je možné na účely dokumentácie priviesť priamo do digitálneho videorekordéra. Pamäťové médium musí umožňovať konštantnú minimálnu rýchlosť dát, aby sa nestratili žiadne rámce a aby sa ponúkol vysoký počet cyklov zápisu, ktoré čo najviac presahujú životnosť vozidla. Bežné karty SD vydržia iba rok alebo dva.
Typickými oblasťami použitia sú stavebné a poľnohospodárske stroje, priemyselné nákladné vozidlá, dopravné prostriedky a koľajové vozidlá. Detekcia mŕtveho uhla, ktorá bola práve prediskutovaná pre nákladné vozidlá pri odbočovaní vpravo, tiež vyžaduje kamery so záznamom, aby sa v prípade nehôd uchovali dôkazy.
Príklad aplikácie 2:
Automatizovaný výdaj liekov v lekárni
Vo veľkých lekárňach, napríklad v nemocniciach, sa lieky používajú vo veľkom množstve. Ako môžete znížiť chybovosť pri výdaji, vždy poznať inventár a nestratiť prehľad o dátume exspirácie? Pomáha tomu automatizovaný systém. Kľúčovú úlohu tu zohrávajú fotoaparáty, ktoré skenujú a identifikujú každý uložený alebo získaný balíček liekov. Počítač vedie záznamy o všetkých transakciách a môže kedykoľvek poskytnúť informácie o skladových zásobách a plánovaných objednávkach. Snímky s vysokým rozlíšením zaznamenané z niekoľkých stránok sú uložené v pamäti, priradené k záznamu údajov o lieku pomocou OCR alebo kódu a rezervované. Použitý disk SSD musí mať vysokú rýchlosť prenosu dát, pretože obrázky sa prijímajú v rýchlej sekvencii a umožňujú veľký počet cyklov zápisu.
Záver
Miera integrácie pamäťových médií na báze flash sa bude v blízkej budúcnosti naďalej zvyšovať. Kapacita na flash čip sa bude naďalej zvyšovať kvôli menším polovodičovým štruktúram a technológii QLC, zatiaľ čo počet možných P/E cyklov sa z rovnakého dôvodu zníži. Pre spoľahlivý systém je preto o to dôležitejšie používať radič, ktorý optimálne riadi pamäť a zaisťuje funkcie na vyrovnanie opotrebenia, korekciu chýb a stabilnú prevádzku so stále vysokou rýchlosťou dát aj za nepriaznivých prevádzkových podmienok.
SSD na čipu kombinuje dôležité funkčné bloky hostiteľského radiča, radiča blesku, čipov blesku a firmvéru vytvoreného výrobcom radiča v úzkej spolupráci s výrobcom blesku monoliticky v jednom kryte integrovaného obvodu a ponúka tak najlepšiu kombináciu Integrita údajov a pomer cena/výkon pre všetky zabudované aplikácie.
glosár
1. Vertikálne usporiadanie pamäťových buniek, aby sa ušetrila oblasť čipu s rovnakou kapacitou nabitia na pamäťovú bunku
2. Stohovanie viacerých matríc blesku do krytu na seba, aby sa zvýšila kapacita krytu čipu
Solid State Disk, pamäť pozostávajúca z polovodičových komponentov
Program/Vymazať cyklus. Zakaždým, keď sa zapíše nová bunka flash, musí sa vymazať celý blok, v ktorom sa nachádza.
Jednoúrovňová bunka; pamäťová bunka obsahuje dva stavy nabitia = jeden bit. Pozri tiež MLC, TLC a QLC
Flash pamäť MLC, TLC alebo QLC pracuje, akoby dokázala uložiť iba jeden bit na bunku. Výhody: Vyšší P/E, vyššia spoľahlivosť; Nevýhody: menej úložného priestoru, vyššie náklady
Viacúrovňová bunka; pamäťová bunka obsahuje štyri stavy nabitia = dva bity. Pozri tiež SLC, TLC a QLC
Bunka s trojitou úrovňou; pamäťová bunka obsahuje osem stavov nabitia = tri bity. Pozri tiež SLC, MLC a QLC
Bunka štvornásobnej úrovne; pamäťová bunka obsahuje 16 stavov nabitia = štyri bity. Pozri tiež SLC, MLC a TLC