利用3D NAND克服工業(yè)數(shù)據(jù)存儲問題

隨著對新特性和功能需求的增加，大容量存儲在嵌入式工業(yè)應(yīng)用中的使用持續(xù)增長。雖然更復(fù)雜的GUI和應(yīng)用已經(jīng)通過增加NAND芯片容量而成為可能;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)存儲解決方案的挑戰(zhàn)仍然存在。幸運的是，NAND存儲介質(zhì)和控制器設(shè)計的發(fā)展意味著現(xiàn)在有更可靠和更具成本效益的選擇。

隨著對新特性和功能需求的增加，大容量存儲在嵌入式工業(yè)應(yīng)用中的使用持續(xù)增長。雖然更復(fù)雜的GUI和應(yīng)用已經(jīng)通過增加NAND芯片容量而成為可能;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)存儲解決方案的挑戰(zhàn)仍然存在。幸運的是，NAND存儲介質(zhì)和控制器設(shè)計的發(fā)展意味著現(xiàn)在有更可靠和更具成本效益的選擇。

滿足極端環(huán)境的需求

嵌入式設(shè)計人員對大容量存儲功能的愿望清單的頂部通常是高可靠性。此外，還需要高機械抗沖擊和振動能力，這通常排除了使用可拆卸存儲器而支持焊接球柵陣列（BGA）器件的可能性。在擴展溫度范圍內(nèi)的保證操作也可以添加到列表中。此外，理想的解決方案應(yīng)長期可用，以防止昂貴且耗時的存儲設(shè)備重新認證。

實際使用案例 — 找到合適的存儲解決方案

在實際用例中，SSD中數(shù)據(jù)完整性和電源故障數(shù)據(jù)保護的好處至關(guān)重要，那就是列車中的制動管理系統(tǒng)。雖然運輸系統(tǒng)設(shè)計人員非常小心地確保穩(wěn)定的電源，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，則存在明顯的數(shù)據(jù)損壞風(fēng)險。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，這可能意味著制動管理系統(tǒng)嚴(yán)重故障。典型的制動管理系統(tǒng)監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)，如總使用小時數(shù)、制動效率和溫度，以告知關(guān)鍵維護計劃。在記錄此數(shù)據(jù)期間發(fā)生故障可能意味著錯過或不必要的停機時間以及增加的維護成本。

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存儲器可能是理想的技術(shù)，既提供強大的數(shù)據(jù)保留功能，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和更高的內(nèi)存成本。如果我們看一下低成本的技術(shù)，如平面（2D）多級單元（MLC）NAND，它每個單元包含兩個位，我們立即得到更經(jīng)濟，更高容量的選擇。在大多數(shù)情況下，可用的耐久性為3，000至10，000 P / E循環(huán)，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)存儲在一個存儲單元中。這兩個位位于兩個不同的配對頁面中，這些頁面在單獨的階段中編程。這意味著，如果在寫入一個頁面時電源出現(xiàn)故障，則配對頁面中的數(shù)據(jù)也可能已損壞。主機文件系統(tǒng)可能能夠管理電源故障時正在寫入的頁面，但在稍后某個時間嘗試讀取該數(shù)據(jù)之前，它將不知道損壞的配對頁面。配對頁面的內(nèi)容將包含不可校正 （UNC）數(shù)據(jù)，其中每個單元格的費用狀態(tài)不確定，無法解析為 0 或 1。

防止這種情況的傳統(tǒng)解決方案涉及將驅(qū)動器的電源保留足夠的時間，以允許頁面程序操作完成。這可以通過板載功率損耗保護電容來實現(xiàn)，以便為頁面編程時間以及一些程序延遲提供足夠的電荷。如果使用的驅(qū)動器具有 DRAM 緩存，則存儲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（PLP）解決方案可能如圖1中的通用示例所示。

圖1：通用功率保持電路

新型 NAND 技術(shù)

內(nèi)存架構(gòu)的最新進展使一類新的基于3D NAND的固態(tài)存儲解決方案成為可能，消除了配對頁面問題。3D NAND使用垂直堆疊的存儲單元層，可以提供與平面NAND閃存相同的耐用性，同時提高成本效益和更快的性能。借助美光的工業(yè) 3D MLC NAND，現(xiàn)在可以在一次通過中實現(xiàn)編程，同時對兩個頁面進行編程。圖2中的單通道編程表示顯示了MLC NAND中電池的典型閾值電壓（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：單通道編程的表示形式

上下頁可由 NAND 閃存控制器在一次操作中進行編程，因此電池電荷同時移動到兩個頁所需的電平，從而有效地消除了在電源中斷期間配對頁中數(shù)據(jù)損壞的可能性?？刂破髫撠?zé)確保塊中的頁面按順序編程，并且下部和上層頁面地址位于共享字行（WL）上。

美光的3D NAND + 綠聯(lián)的NAN驅(qū)動器解決方案

具有智能控制器，如綠聯(lián)開發(fā)的用于其小尺寸eMMC NANDrive BGA固態(tài)硬盤的控制器，以及3D MLC NAND的單通道編程功能。制動管理系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在可以確保存儲的數(shù)據(jù)不受突然斷電的影響。

控制器只需一步即可對所有狀態(tài)進行編程，而不會干擾相鄰單元，從而降低驅(qū)動器上已存在數(shù)據(jù)（稱為“靜態(tài)數(shù)據(jù)”）的風(fēng)險。此外，該控制器通過使用美光先進的 3D NAND 功能，有助于最大限度地減少傳輸或傳輸中的數(shù)據(jù)（在臨時 DRAM 或 SRAM 緩存緩沖區(qū)中）的損壞。

如果電源在寫入操作中途發(fā)生故障，則主機通?？梢允褂萌沼浌δ芑蚱渌聞?wù)故障安全協(xié)議來確定最后寫入的文件未完成，因此應(yīng)忽略或替換該文件中的數(shù)據(jù)。如果應(yīng)用程序使用小寫入，則最好是 NAND 頁的大小。然后，復(fù)雜的控制器固件將使用利用3D NAND自動讀取校準(zhǔn)的高級算法來嘗試恢復(fù)最后一頁，即使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)諧進一步增強了控制器恢復(fù)最后一頁數(shù)據(jù)的能力。為了保留由于過多的P/E循環(huán)引起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單元中的數(shù)據(jù)。

通過實現(xiàn)上述所有功能，綠聯(lián)的工業(yè)eMMC 5.1固態(tài)硬盤和美光的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），而不會損壞制動管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。