Технологія та знання - твердотільний диск на чіпі
Монолітно поєднують функціональні блоки в корпусі мікросхеми
Монолітно поєднують функціональні блоки в корпусі мікросхеми
Зробити чи купити? При використанні флеш-пам'яті в системі існує багато факторів, які впливають на це рішення. Якщо тріада продуктивності - швидкість доступу, цілісність даних та довгострокова поведінка - буде правильною, вибір падає на диск на мікросхемі. Ця стаття пояснює, чому це найкращий підхід у довгостроковій перспективі.
Автор: Рудольф Сосновський, керівник відділу технологій Hy-Line
Той, хто коли-небудь відкривав флешку, ідентифікував окремі компоненти в ній: поруч із флеш-мікросхемою або мікросхемами, які займають найбільшу площу, знаходиться мікросхема контролера з інтерфейсом USB та флеш-пам'яті та блок живлення. У високоякісних носіях інформації, таких як SSD з інтерфейсом SATA або PCIe, часто є додаткова оперативна пам'ять, яка прискорює передачу, особливо при записі даних у флеш-пам'ять.
Переваги одного мікросхемного рішення
Ця конфігурація погано підходить для використання в суворих умовах. Удар та вібрація напружують механіку та контакти, а перепади температур у промислових масштабах напружують паяні з'єднання. Уникнути цих проблемних зон можна за допомогою однокристального рішення, яке поєднує всі компоненти в корпусі мікросхеми та герметично їх герметизує. Корпус BGA можна припаяти разом із іншими компонентами схеми на друкованій платі в звичайному процесі. Далі термін SSD застосовуватиметься до всіх носіїв інформації, в яких флеш-мікросхеми підключені до головної системи через контролер, незалежно від інтерфейсу.
Flash технології
Технологія спалаху заснована на електричному заряді, затриманому між двома ізолюючими шарами. Під час записування в пам’ять і стирання з неї пам’яті ці шари на короткий час стають провідними через підвищену напругу, щоб заряд міг проникати в них. Це напружує шар ізоляції; опір ізоляції з часом зменшується і клітина старіє. Виробники вказують цикли P/E у таблицях даних і означають програмування та стирання (стирання) комірки. Одну комірку неможливо стерти, лише весь блок за раз, тому зміна одного біта означає цикл P/E для цілого блоку.
При зчитуванні рівень заряду оцінюється для того, щоб визначити цифрове значення. За допомогою однорівневої комірки (SLC) компаратор вирішує, чи є значення напруги зчитування меншим чи більшим, ніж визначений поріг, а потім повертає "0" або "1". З (дещо нещасним іменем) багаторівневою коміркою (MLC) градація є більш тонкою, так що чотири різні рівні напруги інтерпретуються як стан двох бітів (00, 01, 10, 11). У вдосконаленій напівпровідниковій технології ізоляція і, таким чином, утримання заряду ще більше покращується, завдяки чому осередки потрійного рівня (TLC) містять вісім різних значень напруги, які оцінюються як три біти на комірку. Завдяки технології Quad Level Cell (QLC) досягнуто тимчасової вершини.
При більшій інтеграції через менші структури витрати на біт зменшуються, але довговічність (витривалість) і швидкість передачі (продуктивність) пам'яті зменшуються. Оскільки виробники NAND стежать за попитом на більшу ємність, пам’яті SLC навряд чи доступні за помірними цінами. Компромісом між ємністю, кількістю циклів запису та витратами є робота комірки MLC у так званому “режимі SLC”, який також відомий як “псевдо-SLC”. Осередок пам'яті MLC записується лише з двома замість можливих чотирьох значень. Корисна потужність втрачається, але це сприяє надійності та довговічності. Ця процедура вимагає тісної співпраці між контролером та виробниками NAND, оскільки тут важлива внутрішня структура флеш-модуля.
На рис. 2 показано, які стани пам'яті MLC використовуються для відображення режиму SLC. Непослідовна послідовність двійкових станів обумовлена підвищеною перешкодостійкістю через більшу відстань Хеммінга. Кількість циклів запису збільшується вдесятеро приблизно вдвічі більше, ніж вартість операції MLC.
Контролер спалаху
На практиці флеш-модулі не підключаються безпосередньо до центрального процесора. Між хостом і пам'яттю підключений контролер, який пропонує стандартний інтерфейс до хост-сторони і має керовану пам'ять за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення. У випадку твердотільного накопичувача контролер виконує безліч функцій, щоб надати підсистемі зберігання довгий термін служби та високу швидкість з максимальною надійністю. Сюди входить вирівнювання зносу, за допомогою якого записи розподіляються по всій пам’яті з метою збільшення терміну служби системи та управління несправними блоками. Іншою функцією є контроль та управління кеш-пам’яттю з метою збільшення швидкості доступу, особливо під час запису. У швидких системах цей кеш створюється на декількох рівнях (див. Рис. 3).
Інтеграція в єдиний корпус дозволяє оптимізувати мікропрограму контролера під властивості пам'яті. Продуктивність апаратного забезпечення - швидкість доступу, зберігання даних та витривалість - точно відрегульована. Пам'ять TLC використовується для економічного рішення. Частинами пам'яті TLC керують у "режимі SLC", з одного боку для підвищення безпеки даних для пам'яті програми, а з іншого - для кешування для повільнішої пам'яті TLC. Крім того, компактна конструкція забезпечує хорошу теплову зв'язок та нечутливість до впливів навколишнього середовища, таких як удар та вібрація.
Подальшими перевагами є різноманітність продуктів, доступних у різних обсягах пам'яті, з кеш-пам'яттю або без неї та різними діапазонами температур з однаковим корпусом. Платіжна карта m.2 (див. Рис. 1), яку можна просто вставити, добре підходить для оцінки твердотільного накопичувача на мікросхемі. Завдяки компактній конструкції, це рішення особливо підходить для портативних вимірювальних приладів та реєстраторів даних, для приладів у лабораторних та медичних технологіях, а також, завдяки низькій масі, для всіх компонентів, що піддаються вібрації та ударам. Оскільки пам’ять припаяна і не підключена, вона захищена від маніпуляцій, змінивши носій даних.
Вимоги до типових застосувань
потужності
Виробники спалахів збільшують потужність своїх чіпів, переходячи до більш інтегрованих технологій. Справжні чіпи SLC майже не доступні, фокус виробництва - на TLC. Програми все ще вимагають таких властивостей мікросхем SLC, як тривале збереження даних, багато циклів запису та надійність. Тому пам'яті TLC працюють у нижчому "режимі", завдяки чому ємність зменшується, але число можливих циклів запису збільшується. Наступна таблиця показує, яких потужностей можна досягти за допомогою мікросхем з різною щільністю інтеграції.
Технологія "3D NAND" поміщає кілька мікросхем (штампів) один на інший у корпус і таким чином досягає високого рівня упаковки. На рис. 5 показані чисті ємності, яких SSD може досягти на мікросхемі, залежно від конфігурації пам'яті та режиму її роботи.
світогляд
На рис. 6 показано розподіл різноманітних технологій спалаху NAND з регулюванням кількості. Хоча пропозиція низькоінтегрованих спалахів NAND, таких як SLC та MLC, вже різко скоротилася, нова технологія QLC з'являється на горизонті. Щільність інтеграції в гігабітах на мікросхему зростає, а ціна на біт падає, так що вартість чіпа залишатиметься приблизно такою ж. Технологія TLC набрала швидкості з введенням в експлуатацію нових виробничих ліній і займе більшу частину ринку. На графіку термін 3D означає вертикальне розташування декількох штампів
Приклад застосування 1:
Система цифрового відеозапису
Зокрема, у комерційних автомобілях камери все частіше використовуються для контролю робочої зони. Вони підтримують водія/оператора, показуючи ділянки, які він не бачить зі свого положення, наприклад, під час руху заднім ходом, безпосередньо на лопаті екскаватора або на люку для сміттєвих баків. Сигнал камери може подаватися безпосередньо в цифровий відеомагнітофон для документування. Носій інформації повинен забезпечувати постійну мінімальну швидкість передачі даних, щоб не втратити жодні кадри і пропонувати велику кількість циклів запису, які перевищують термін служби автомобіля, наскільки це можливо. Звичайні SD-картки служать лише рік-два.
Типовими сферами застосування є будівельна та сільськогосподарська техніка, промислові вантажівки, транспортні та залізничні транспортні засоби. Виявлення сліпих плям, про яке тільки що говорили для вантажівок при повороті праворуч, також вимагає камер із записом для збереження доказів у разі аварій.
Приклад застосування 2:
Автоматичне відпускання ліків в аптеці
Зокрема, у великих аптеках, таких як лікарні, наркотики застосовуються у великих кількостях. Як можна зменшити частоту помилок під час видачі, завжди знати запас та не втрачати з виду терміни придатності? У цьому допомагає автоматизована система. Камери тут відіграють ключову роль, скануючи та ідентифікуючи кожну упаковку ліків, яка зберігається або отримується. Комп’ютер веде облік усіх операцій і може в будь-який час надати інформацію про акції та замовлення планів. Зображення з високою роздільною здатністю, записані з кількох сторінок, зберігаються в пам'яті, призначаються до запису даних препарату за допомогою OCR або коду та резервуються. SSD, що використовується для цього, повинен мати високу швидкість передачі даних, оскільки зображення приймаються в швидкій послідовності і забезпечують велику кількість циклів запису.
Висновок
Найближчим часом ступінь інтеграції носіїв даних на базі флеш-пам'яті буде зростати. Ємність на флеш-мікросхему буде продовжувати збільшуватися за рахунок менших напівпровідникових конструкцій та технології QLC, тоді як кількість можливих циклів P/E зменшиться з тієї ж причини. Тому для надійної системи набагато важливіше використовувати контролер, який оптимально контролює пам’ять і забезпечує функції вирівнювання зносу, виправлення помилок та стабільної роботи зі стабільно високою швидкістю передачі даних навіть за несприятливих умов роботи.
Твердотільний накопичувач на мікросхемі поєднує в собі важливі функціональні блоки головного контролера, контролера спалаху, мікросхеми флеш-пам'яті та мікропрограми, створені виробником контролера у тісній співпраці з виробником спалаху монолітно в одному корпусі мікросхеми, і таким чином пропонує найкращу суміш Цілісність даних та співвідношення вартість/продуктивність для всіх вбудованих програм.
глосарій
1. Вертикальне розташування комірок пам'яті для збереження мікросхеми з однаковою ємністю заряду на комірку пам'яті
2. Укладання кількох плашек-плашок у корпус один на одного для збільшення ємності корпусу мікросхеми
Твердотільний диск, пам’ять складається з напівпровідникових компонентів
Цикл програмування/стирання. Кожного разу, коли в нову флеш-комірку записується, весь блок, в якому вона знаходиться, повинен бути стертий.
Однорівнева комірка; комірка пам'яті містить два стани заряду = один біт. Див. Також MLC, TLC та QLC
Флеш-пам’ять MLC, TLC або QLC працює так, ніби вона може зберігати лише один біт на комірку. Переваги: більший P/E, вища надійність; Недоліки: менше місця для зберігання, більші витрати
Багаторівнева комірка; комірка пам'яті містить чотири зарядні стани = два біти. Див. Також SLC, TLC та QLC
Потрійний рівень комірки; комірка пам'яті містить вісім зарядних станів = три біти. Див. Також SLC, MLC та QLC
Клітина чотиримісного рівня; комірка пам'яті містить 16 станів заряду = чотири біти. Див. Також SLC, MLC та TLC