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固态硬盘的五大因素,解析NAND Flash底层结构

2021-1-28 10:52:59 显示全部楼层
NAND Flash作为一种比较实用的固态硬盘存储介质,有自己的一些物理特性,需要有基本的管理技术才能使用,对设计者来说,挑战主要在下面几点:

1.需要先擦除才能写入。
2.损耗机制,有耐久度限制。
3.读写时候造成的干扰会造成数据出错。
4.数据的保存期。
5.对初始和运行时候的坏块管理。

只有至少满足这些基本的管理技术,才能让NAND Flash成为一款可以使用的固态存储介质。(这里还没有谈到任何关于性能的地方,因为那是这些基本条件满足后的事。)

当满足了上面的5点后,才该谈到稳定,性能,耐久度,影响这些的5大因素为:

1.SLC和MLC
2.平衡磨损算法
3.透过坏块管理技术确保数据的完整性。
4.使用错误检测和校正技术
5.写入放大

只有满足了这些条件,才能得到一款理想中的完美的固态硬盘。
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Flash全名叫做Flash Memory,属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device),与此相对应的是易失性存储设备(Volatile Memory Device)。关于什么是非易失性/易失性,从名字中就可以看出,非易失性就是不容易丢失,数据存储在这类设备中,即使断电了,也不会丢失,这类设备,除了Flash,还有其他比较常见的如硬盘,ROM等,与此相对的,易失性就是断电了,数据就丢失了,比如大家常用的内存,不论是以前的SDRAM,DDR SDRAM,还是现在的DDR2,DDR3等,都是断电后,数据就没了。

Flash的内部存储是金属-氧化层-半导体-场效晶体管(MOSFET),里面有个悬浮门(Floating Gate),是真正存储数据的单元。

101213073239cef15a34e1d9fd.jpg.thumb.jpg

数据在Flash内存单元中是以电荷(electrical charge) 形式存储的。存储电荷的多少,取决于图中的控制门(Control gate)所被施加的电压,其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示,以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth 来表示。

1.对于NAND Flash的写入(编程),就是控制Control Gate去充电(对Control Gate加压),使得悬浮门存储的电荷够多,超过阈值Vth,就表示0。

2.对于NAND Flash的擦除(Erase),就是对悬浮门放电,低于阀值Vth,就表示1。

NAND Flash的架构:
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如上图所示,这是一个8Gb 50nm的SLC颗粒内部架构。

每个page有33,792个单元,每个单元代表1bit(SLC),所以每个page就是4096Byte + 128Byte(SA)。

每个Block有64个page组成,所以每个Block容量为262,114Byte + 8192Byte (SA)

page是NAND Flash上最小的读/写单位(一个page上的单元共享一根字符线Word line),块是最小的擦除单位(。不同厂牌不同型号颗粒有不同的page和block大小。

下图是个8Gb 50nm的SLC颗粒。

1012130912c4ca4af6e973194e.jpg.thumb.jpg
4KB的页尺寸,256KB的块尺寸。图中4096字节用于存储数据,另外128字节用来做管理和ECC用。

SLC 和 MLC 区别:

SLC主要针对军工,企业级应用,有着高速写入,低出错率,长耐久度特性。

MLC主要针对消费级应用,有着2倍容量于SLC,低成本,适合USB闪盘,手机,数码相机等储存卡。如今也被用于消费级固态硬盘上。

1012130924e9550c212229068e.jpg.thumb.jpg
由上图可以看到,MLC和SLC虽然使用相同的电压值,但是电压之间的阀值被分成了4份,直接影响了性能和稳定性。主要有下面几点:

1.相邻的存储电荷的悬浮门间会互相干扰,造成悬浮门里的电荷不稳定出现bit错误,MLC由于阀值相比SLC更接近,造成出错几率更大。

2.MLC读写性能降低,写入更是降低50%以上,因为需要确认充入电荷的量,这需要更精确的处理。SLC只有0和1,也就是有和没有,而MLC会有00,01,10,11 4个状态,在充入电荷后还要去判断是哪个状态,自然就慢了。

3.因为上面说的,造成额外的读写压力,所以功耗明显增大。

4.因为额外的读写压力,造成闪存的写入耐久度和数据保存期受到影响。

eMLC和eSLC的耐久度提升是用牺牲了数据保存期和增加读写时间换来的。(也就是性能会更差点)
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挑战1:需要先擦除才能写入。
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当今的NAND Flash可以读/写一个page,但是必须以block大小擦除。

擦除操作就是让块中所有的bit变为1,从一个干净的“已擦除”状态的block重新开始。当里面的页变为0后,只有擦除整个块才能让这个页变为1。为了尽量减少擦除的次数,成熟的块管理技术必不可少。

挑战2:读/写干扰。

NAND Flash的电荷非常不稳定,在读/写中很容易对邻近的单元造成干扰,干扰后会让附近单元的电荷脱离实际的逻辑数值,造成bit出错,因为阀值接近的关系,MLC相对SLC来说更容易受到干扰。
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读取干扰
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写入干扰

读取干扰指的是在读取某个page时,邻近的bit会受到升高电压的干扰,造成bit出错。写入干扰指的是,某个page在写入时,邻近bit的电压也被升高了,造成bit出错。相对写入干扰来说,读取干扰明显小的多。在读/写干扰中,可能造成某些bit被改变,结果造成数据出错。所以需要在返回数据给主机前,用ECC/EDC算法来纠正这些bit的错误。随着闪存工艺的提升,同样大小的晶片上被封装入更多的单元,造成干扰越来越厉害,所以需要更强大的ECC/EDC来纠正bit。

挑战3:数据保存期限

数据保存期指的是当完全断电后,数据能在NAND Flash里保存多久。NAND单元必须保证一个稳定的电压水平,来保证数据是有效的。典型的SLC一般为10年。电荷从悬浮门里漏出,我们叫做电子迁移,当随着时间的流逝,电荷泄漏到一定程度,改变了NAND单元里悬浮门的电压对应的逻辑值,这样就造成bit出错。
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数据保存期会随着擦写次数的增加而明显降低,而且从上面的原理中看出,MLC的数据保存期明显会比SLC少。(更容易被干扰)

挑战4: 坏块

NAND Flash里有2种坏块类型:

1,出厂坏块:由于为了保证产量和控制成本,出厂的NAND Flash某些就会有坏块。厂商保证SLC出厂坏块低于2%,MLC出厂坏块低于5%。
2,积累坏块:在多次的写入/擦除循环中,某些NAND单元的电荷电压被永久性的改变了,那就意味着包含这个NAND单元不可用了。

所以固态硬盘需要有坏块管理才能使用,主控制器用坏块表来映射出厂坏块和积累坏块到坏块区内,出厂时,颗粒的第一个块Block 0厂商会保证是可用的(至少ECC后可用)。

挑战5:擦写次数限制

造成NAND Flash有擦写次数限制的主要有2个因素:

1,电荷被困在氧化层,不能进入悬浮门。
2,氧化层结构被破坏。

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如图,一旦氧化层损坏到达一定程度,造成电荷越来越难在P-substrate和悬浮门之间交流。电荷被困在氧化层造成悬浮门中的电压到不了阀值,所以说这个NAND单元就要被放入坏块区了。

当前主流SLC的P/E为10万次,50nm MLC为1万次,3xnm的MLC为5000次。到了这个数字并不意味着就不能用了,这个只是代表平均寿命,也就是说到了这个次数后,坏块就会开始大量增加了。

随着工艺提升,ECC的要求越来越高,50nm的SLC颗粒,三星规定1bit ECC的就够了,而50nm MLC要4bit ECC,到了3xnm要求达到24bit ECC。
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附; ECC

影响NAND Flash稳定性和耐久度的一个主要因素就是ECC能力,目前最常用的三种算法是:

1.Reed-Solomon。2.Hamming。3.BCH (Bose, Ray-Chaudhuri, Hocquenghem)

不管何种ECC算法,何种主控,检测错误的方式是相同的:
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1.每当一个page写入NAND Flash,数据会通过ECC引擎,创造独特的ECC签名。
2.数据和对应的ECC签名存都存放在NAND Flash里,数据放在数据区,ECC签名放在 SA区。
3.当需要读取数据时,数据和ECC签名一起被送往主控制器,此时新的ECC签名被生成。
4.此时主控把2个签名对照,如果签名相同,说明数据没有错误,数据就会被送往主机。如果签名不同,数据就会先放在主控里,而不是直接送往主机。

某些主控会把改正后的数据再次写回闪存,另一些则不会,因为谁也不知道下次读取会不会再出错。

ECC的能力直接关系到NAND Flash的耐久度,数据保存期。当NAND Flash的P/E数到了之后,错误数会越来越多,ECC弱的直接就报坏块并标记退休,如果ECC能力足够强,就能挖掘出Flash所有潜力。

转载于:https://www.cnblogs.com/huanzxj/p/6951420.html
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