三級(jí)單元（TLC）、多級(jí)單元（MLC）、單層單元（SLC）、偽單層單元（pSLC）——有許多閃存技術(shù)。開發(fā)人員需要了解存儲(chǔ)的基本機(jī)制和存儲(chǔ)級(jí)別的效果，以了解哪些閃存產(chǎn)品最適合特定應(yīng)用。只有這樣，他們才知道該問供應(yīng)商什么問題。

應(yīng)用的不同方面可以決定嵌入式工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)存模塊的選擇。這些包括讀寫速度、耐用性（或閃存介質(zhì)的使用壽命）、保留期（存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的生命周期）、斷電時(shí)的數(shù)據(jù)安全性、耐溫度和抗振性、產(chǎn)品的長期可用性等。NAND芯片的老化是一種特定于閃存的效果，在決策過程中也起著重要作用。

NAND閃存器件的單元只能承受有限數(shù)量的塊擦除周期。在分離存儲(chǔ)柵極的氧化層中，具有增加能級(jí)的電子（熱電子）在被編程電壓加速后被捕獲。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，這會(huì)改變閾值電壓，直到電池不再可讀。

閃光老化 – 何時(shí)結(jié)束？

還有第二種老化效應(yīng)：通過氧化層形成導(dǎo)電路徑。這導(dǎo)致電池逐漸失去其充電狀態(tài)，從而失去存儲(chǔ)的位。

高溫會(huì)大大放大這種效應(yīng)。使用25nm MLC NAND器件的研究表明，在55°C下五年后，保留率下降到約75%。在85°C時(shí) - 相對(duì)適度的增加 - 保留率降至10%以下。

此外，隨著時(shí)間的流逝，隨著細(xì)胞越來越接近其最大程序擦除周期（P / E周期），效果會(huì)變得更強(qiáng)。這里對(duì)留存率的影響是巨大的。例如，低成本MLC NAND閃存器件的原始保持能力為10年，在達(dá)到3，000個(gè)P / E周期后可以下降到大約一年。

同樣，低成本TLC NAND閃存芯片的充電狀態(tài)和閾值電壓挑戰(zhàn)需要八個(gè)不同的可區(qū)分的電荷水平，以便每節(jié)電池寫入三位。在這些設(shè)計(jì)中，退行性效應(yīng)明顯得多，原始的保留時(shí)間表在僅500個(gè)市盈率周期后從一年退化到三個(gè)月。

雖然更昂貴的SLC設(shè)備經(jīng)歷相同的退化，但在這些影響發(fā)生之前，必須發(fā)生大約100，000個(gè)P / E循環(huán)。顯著較高的市盈率循環(huán)容差是SLC盡管成本較高，但其仍然是工業(yè)應(yīng)用首選閃存技術(shù)的重要原因。

成本折衷方案：

引入pSLC工藝是為了平衡成本，并意識(shí)到減少不同電荷水平的數(shù)量使NAND芯片上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加穩(wěn)健。與SLC相比，pSLC為每個(gè)電池的第一個(gè)“強(qiáng)”位使用了更具成本效益的MLC芯片，并取得了一些驚人的結(jié)果。pSLC模式明顯快于MLC閃存上的標(biāo)準(zhǔn)過程，并將退化前的P/E循環(huán)次數(shù)從3，000個(gè)增加到20，000個(gè)。在相同條件下，數(shù)據(jù)耐久性提高了 6.7 倍，而每存儲(chǔ)成本僅為每比特成本的兩倍。

耐久性規(guī)格注意事項(xiàng)：工作負(fù)載是決定性的

開發(fā)人員在選擇存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)需要確切地知道制造商的規(guī)格代表什么。有兩個(gè)測(cè)量值特別表明了 SSD 的耐用性：寫入 TB 數(shù) （TBW） 和每天驅(qū)動(dòng)器寫入數(shù) （DWPD）。TBW 表示在設(shè)備的生命周期內(nèi)總共可以寫入的數(shù)據(jù)量，而 DWPD 表示在保修期內(nèi)每天可以寫入的最大數(shù)據(jù)量。

有時(shí)復(fù)雜的制造商規(guī)范的挑戰(zhàn)在于，開發(fā)人員無法確定它們是否對(duì)所討論的應(yīng)用程序有任何意義。規(guī)格值在很大程度上取決于測(cè)試期間的工作負(fù)載類型。例如，來自瑞士比特的 480 GB 固態(tài)硬盤表現(xiàn)出 1，360 TBW、912 TBW 和 140 TBW 的耐用性，具體取決于測(cè)量過程。順序?qū)懭氘a(chǎn)生的最強(qiáng)值為 1，360 TBW，而“客戶端工作負(fù)載”和“企業(yè)工作負(fù)載”分別占第二和第三個(gè)值。客戶端工作負(fù)載基于 PC 用戶的行為，主要生成順序數(shù)據(jù)訪問操作，而企業(yè)工作負(fù)載模擬多用戶服務(wù)器環(huán)境的行為，其中 80% 的數(shù)據(jù)被隨機(jī)訪問。

此類耐久性測(cè)試基于JEDEC標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的指導(dǎo)方針，有助于確保產(chǎn)品和制造商的可比性。但是，工作負(fù)載規(guī)格通常不包括在數(shù)據(jù)表中。許多制造商樂于宣傳基于僅在少數(shù)應(yīng)用中使用的順序?qū)懭氲捏@人耐力值。如上例所示，對(duì)于順序?qū)懭牒推髽I(yè)工作負(fù)載，閃存解決方案的耐久性值很容易相差 10 倍。買家必須謹(jǐn)慎行事。

受壓閃存

記憶細(xì)胞的衰老通過擦除加速;但是，需要塊擦除才能寫入。這可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)欺騙性的結(jié)論，即在純讀取應(yīng)用程序（如引導(dǎo)介質(zhì)）中，由于數(shù)據(jù)保留時(shí)間延長，因此數(shù)據(jù)在長期內(nèi)是安全的。不幸的是，這是一種誤解。還有其他情況會(huì)導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤，并間接導(dǎo)致NAND單元的磨損。

在每個(gè)寫入過程中，與被編程單元相鄰的細(xì)胞都會(huì)受到壓力。這些顯示電壓略微增加，稱為“程序干擾”。閱讀也會(huì)引起壓力“閱讀干擾”，其中相鄰頁面收集電壓。隨著時(shí)間的推移，這些細(xì)胞中儲(chǔ)存的電位增加。這會(huì)導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤，在刪除塊后，讀取錯(cuò)誤會(huì)再次消失。由于電壓較低，讀取的效果比寫入的效果弱，但仍然會(huì)發(fā)生位錯(cuò)誤。這些在糾錯(cuò)碼（ECC）中通過刪除塊進(jìn)行補(bǔ)償。

但是，開發(fā)人員仍然必須考慮，在重復(fù)讀取相同數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序中，這種影響特別大，這意味著即使在僅用于讀取的內(nèi)存介質(zhì)中，也必須刪除塊并定期寫入頁面作為糾錯(cuò)的一部分。因此，這種中等年齡也一樣。

內(nèi)部問題

這種中等老化會(huì)導(dǎo)致閃存設(shè)備的“內(nèi)部問題”。擦除、寫入和讀取不僅由實(shí)際應(yīng)用觸發(fā)，還由眾多控制器和固件進(jìn)程觸發(fā)。這里發(fā)生的事情往往被忽視，但會(huì)再次影響性能和耐力等性能因素。

除了糾錯(cuò)之外，這些內(nèi)部機(jī)制中的另一種是磨損均衡。當(dāng)一個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，必須將整個(gè)塊標(biāo)記為“壞塊”。出于耐力目的，如果可能的話，推遲這種失敗是很重要的。這可以使用磨損均衡來實(shí)現(xiàn)，磨損均衡是使用物理內(nèi)存地址時(shí)的均勻分布。另一種內(nèi)部機(jī)制是垃圾回收，即重新復(fù)制以釋放塊。

這些過程補(bǔ)充了使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)首先成為可能的機(jī)制：邏輯地址和物理地址之間的映射。閃存介質(zhì)控制器的效率是通過來自主機(jī)的用戶數(shù)據(jù)與寫入閃存的實(shí)際數(shù)據(jù)值之間的比率來衡量的。這是使用寫入放大因子 （WAF） 表示的。

減少 WAF 是延長耐久性的關(guān)鍵之一。存在影響 WAF 的工作負(fù)載因素，例如順序訪問和隨機(jī)訪問之間的差異、數(shù)據(jù)塊相對(duì)于頁面的大小以及塊本身的大小。因此，固件還決定了閃存介質(zhì)是否適合某個(gè)應(yīng)用。

制造商如何提高效率

為了更好地理解，接下來是關(guān)于閃存工作原理的另一個(gè)討論。必須連續(xù)對(duì)單元格塊的頁面進(jìn)行編程，但只能刪除完整的塊。在標(biāo)準(zhǔn)流程中，邏輯地址和物理地址之間的映射是指塊。這對(duì)于順序數(shù)據(jù)非常有效，因?yàn)閴K的頁面是連續(xù)寫入的。連續(xù)收集的視頻數(shù)據(jù)是應(yīng)用實(shí)例的一個(gè)例子，其中基于塊的分配是理想的。

對(duì)于隨機(jī)數(shù)據(jù)，這是不同的。在這里，頁面寫在許多不同的塊中。這意味著對(duì)于每次內(nèi)部重新編程，每頁必須刪除一個(gè)完整的塊。因此，WAF 很高，并且耐久性降低。因此，基于頁面的映射更適合于非順序數(shù)據(jù)。在這里，固件確保不同來源的數(shù)據(jù)按順序保存在一個(gè)塊的頁面上。這減少了刪除次數(shù) - 對(duì)耐用性有積極影響 - 并且寫入性能提高。但是，基于頁面的映射會(huì)增加閃存轉(zhuǎn)換層 （FTL） 的分配表。制造商通過集成的 DRAM 對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)償。因此，基于頁面的映射的好處并非徒勞無功。

豐富的超額配置作為質(zhì)量功能

如果數(shù)據(jù)介質(zhì)的利用率迫使 WAF 上升，則基于頁面的映射也是有益的。閃存介質(zhì)上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)越多，固件必須來回移動(dòng)的位就越多。制造商能夠通過簡(jiǎn)單的過度配置來防止數(shù)據(jù)介質(zhì)過載的問題。這是指僅保留用于內(nèi)部活動(dòng)的閃存區(qū)域。傳統(tǒng)上，這是總面積的7%，根據(jù)千兆字節(jié)規(guī)格，這是十進(jìn)制值和二進(jìn)制值之間的差異。

如果為過度配置保留了 12% 而不是 7%，則會(huì)產(chǎn)生令人驚訝的效果。對(duì)于具有相同硬件的兩個(gè) SSD 的耐久性比較（企業(yè)工作負(fù)載的 TBW），240 GB Swissbit 型號(hào) X-60 durabit（保留 12% 的面積用于超額配置）實(shí)現(xiàn)的值幾乎是 256 GB 機(jī)型的兩倍。然后，如果看一下DRAM對(duì)耐用性的影響，240 GB硬腦膜版本的差異比256 GB的標(biāo)準(zhǔn)版本高出10倍（注意：正如使用MLC作為pSLC時(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的那樣，通過放棄內(nèi)存容量或應(yīng)用過度配置可以達(dá)到顯著的積極耐久性效果）。

數(shù)據(jù)維護(hù)

糾錯(cuò)和磨損均衡是通用閃存產(chǎn)品中也使用的機(jī)制。對(duì)于高質(zhì)量的工業(yè)SDD或閃存卡，制造商進(jìn)一步努力防止數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)故障。因此，ECC監(jiān)控、讀取干擾管理和自動(dòng)讀取刷新等不同機(jī)制的組合可確保根據(jù)需要監(jiān)控和刷新所有存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。這樣可以提前預(yù)防系統(tǒng)故障。（注意：應(yīng)確保數(shù)據(jù)完整性，而不涉及主機(jī)應(yīng)用程序。這允許進(jìn)程在存儲(chǔ)卡中自主運(yùn)行 - 而不僅僅是當(dāng)累積位錯(cuò)誤跟隨主機(jī)應(yīng)用程序的讀取請(qǐng)求時(shí)，通常就是這種情況）。

因此，高級(jí)數(shù)據(jù)維護(hù)管理獨(dú)立于應(yīng)用程序的請(qǐng)求搜索潛在錯(cuò)誤。為此，所有寫入的頁面（包括固件和 FTL 的分配表）都將在后臺(tái)讀取并根據(jù)需要刷新。這種預(yù)防性糾錯(cuò)有各種觸發(fā)因素，包括對(duì)市盈率循環(huán)次數(shù)、讀取數(shù)據(jù)量、讀取重復(fù)/重讀以及溫度升高的重復(fù)切換次數(shù)的定義數(shù)量。

知道要選擇什么

了解閃存技術(shù)的不同方面是為工業(yè)應(yīng)用選擇最合適的存儲(chǔ)解決方案的關(guān)鍵。當(dāng)然，還應(yīng)考慮電源故障保護(hù)機(jī)制、特別是穩(wěn)健的處理以及擴(kuò)展溫度范圍的規(guī)格等標(biāo)準(zhǔn)。

為特定應(yīng)用程序指定的模塊的長期可用性也很重要。這就是為什么一種類型的閃存 - 3D NAND - 在這里根本沒有代表。這項(xiàng)技術(shù)仍然太新，無法確保長期可用性，創(chuàng)新周期和設(shè)計(jì)變更對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品生命周期來說仍然過于臨時(shí)。

最終，在選擇工業(yè)存儲(chǔ)技術(shù)的過程中，這些NAND閃存設(shè)備的耐用性和數(shù)據(jù)保留的經(jīng)驗(yàn)值至關(guān)重要。優(yōu)化這些值是工業(yè)閃存產(chǎn)品制造商的關(guān)鍵任務(wù)，客戶應(yīng)在購買前按壓這些數(shù)字。